基于PLC 技術(shù)的規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

黃紅玉

（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 河池 547000）

規(guī)模化養(yǎng)殖方式的應(yīng)用，可以避免豬肉價(jià)格變化過大而嚴(yán)重影響工廠整體生產(chǎn)效益，有效保證生豬養(yǎng)殖安全性，提高飼料、人力資源等信息利用率，降低生產(chǎn)成本，為后期擴(kuò)大工廠養(yǎng)殖化規(guī)模打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。而基于PLC 技術(shù)的規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可以保證養(yǎng)殖飼喂的精確性，滿足規(guī)?；B(yǎng)豬需求，極大地提高生豬養(yǎng)殖的自動(dòng)化程度。所以，在PLC 技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地設(shè)計(jì)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，從圖1 中可以看出，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，首先要結(jié)合系統(tǒng)預(yù)先所設(shè)置好的擬定內(nèi)容，完成對(duì)PLC 的科學(xué)化選型，并確定輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)。采用編程與調(diào)試的方式，完成對(duì)PLC軟件的科學(xué)化設(shè)計(jì)。其次，還要將各個(gè)模塊安裝和固定到飼喂車上，科學(xué)化設(shè)計(jì)飼喂車機(jī)械結(jié)構(gòu)，確保飼喂車能夠自動(dòng)完成飼喂工作。飼喂車主要由以下幾個(gè)部分組成：1）飼喂車盛料箱，該盛料箱主要用于對(duì)飼料的盛裝。2）槽位檢測(cè)傳感器，該傳感器主要用于對(duì)槽位的精確化查找和定位，便于智能化控制飼喂車。3）障礙物檢測(cè)傳感器，該傳感器主要安裝和固定于飼喂車前端與后端，主要用于智能化檢測(cè)飼喂小車附近存在的障礙物[2]。4）限位開關(guān)，通過配合使用限位開關(guān)與觸碰板，可以定位飼喂車所在軌道的實(shí)際位置。5）下料口，通過借助下料口，可以確保飼料準(zhǔn)確地下落到合適的位置。6）螺旋桿，通過借助加料電機(jī)，可以為螺旋桿提供一定的外力，確保螺旋桿可以快速旋轉(zhuǎn)，使得飼料沿著螺旋桿到達(dá)下料口，并順利下落。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

飼喂小車在啟動(dòng)時(shí)，均要做好加料處理，當(dāng)加料操作結(jié)束后，會(huì)快速返回到相應(yīng)的加料位置，然后，飼喂車從加料所在位置進(jìn)行勻速前進(jìn)，便于后期更好地開展槽位加料處理。當(dāng)飼喂車各個(gè)槽位加料操作結(jié)束后，需要反轉(zhuǎn)處理飼喂車電機(jī)[3]，促使飼喂車能夠向前、向后穩(wěn)定運(yùn)行，直到加料位置停下即可，有效保證加料工作效率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 PLC選型

在進(jìn)行PLC 選型時(shí)，要綜合考慮PLC 響應(yīng)速度、存儲(chǔ)容量、性能等參數(shù)，對(duì)啟動(dòng)按鈕、暫停按鈕、光電開關(guān)、電源指示燈等進(jìn)行智能化控制。同時(shí)，還要結(jié)合控制對(duì)象實(shí)際控制需求，改進(jìn)和優(yōu)化整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)備，使得設(shè)備運(yùn)行成本降到最低。系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用到的PLC 主要是由西門子公司所研發(fā)的可編程控制器，該控制器表現(xiàn)出良好的擴(kuò)展性[4]，具有強(qiáng)大的通信功能、編程功能。

2.1.2 輸入/輸出點(diǎn)確定

在確定輸入/輸出點(diǎn)時(shí)，要確保PLC 與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)之間建立良好的通信關(guān)系。同時(shí)，還要借助輸入接口，向PLC 系統(tǒng)中安全、可靠地傳輸現(xiàn)場(chǎng)工作命令，由PLC 系統(tǒng)負(fù)責(zé)針對(duì)性地處理現(xiàn)場(chǎng)工作命令，并借助執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出相應(yīng)的工作命令。通過對(duì)輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)進(jìn)行有效定義，可以提高整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外，還要結(jié)合所設(shè)置好的存儲(chǔ)器存放范圍，定義系統(tǒng)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。

2.2 PLC控制系統(tǒng)硬件組成

PLC 控制系統(tǒng)主要是由PLC、人機(jī)界面、無線模塊、傳感器、直流電機(jī)、電源等部分組成。其中，PLC 型號(hào)為S7-200 CPU224XPCN，人機(jī)界面型號(hào)為TPC7062KX，傳感器型號(hào)為E3F-R2PKPNP，電機(jī)型號(hào)為36 V 400 W 直流電機(jī)，電源型號(hào)為12 V蓄電池。

3 PLC軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC編程軟件STEP7設(shè)計(jì)

STEP7 編程軟件主要是在參照Windows96 平臺(tái)設(shè)計(jì)的，通過運(yùn)用該軟件，可以更好地進(jìn)行PLC 編程、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)監(jiān)控等環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中，除了用到STEP7 編程軟件外，還用到Windows XP系統(tǒng)。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)流程

PLC 程序設(shè)計(jì)流程如圖2 所示，從圖2 中可以看出，PLC 程序設(shè)計(jì)流程主要包含以下幾個(gè)步驟：1）通過全面地了解系統(tǒng)整體情況，可以為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2）繪制系統(tǒng)程序流程圖，并明確地表示出各個(gè)動(dòng)作執(zhí)行順序和執(zhí)行條件。3）制定抗干擾措施。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作情況，尋找干擾出現(xiàn)原因[5]，然后，結(jié)合系統(tǒng)軟硬件特點(diǎn)，制定出切實(shí)可行的抗干擾方案。4）編寫程序。采用C#編程語言，保證PLC程序流程圖實(shí)現(xiàn)效果。5）程序調(diào)試。采用現(xiàn)場(chǎng)控制的方式，對(duì)編寫程序進(jìn)行系統(tǒng)化調(diào)試。

圖2 PLC 程序設(shè)計(jì)流程

3.3 PLC軟件設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定出相應(yīng)的系統(tǒng)控制任務(wù)，程序運(yùn)行流程圖如圖3 所示。從圖3 中可以看出，程序運(yùn)行流程具體步驟如下：1）啟動(dòng)PLC程序，并判斷和分析設(shè)備是否出現(xiàn)異常故障問題，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常故障時(shí)，PLC 暫停運(yùn)行，并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警聲。當(dāng)設(shè)備沒有出現(xiàn)故障問題時(shí)，可以采用自動(dòng)方式、手動(dòng)方式兩種判斷操作的方式。其中，手動(dòng)方式需要操作人員手動(dòng)操作系統(tǒng)[6]。在自動(dòng)方式下，當(dāng)飼喂車向前穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，需要對(duì)整個(gè)槽位進(jìn)行全面化檢測(cè)，分析和判斷該槽位是否需要執(zhí)行相關(guān)加料指令。經(jīng)過判斷，如果有加料需求，飼喂車會(huì)停止運(yùn)行，此時(shí)，需要開啟加料電機(jī)。經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后，可以保證加料過程實(shí)現(xiàn)效果。然后，分析和判斷其他食槽是否出現(xiàn)加料需求，如果有加料需求，飼喂車需要繼續(xù)向前穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)到槽位時(shí)，飼喂車停止運(yùn)行。

圖3 程序運(yùn)行流程圖

3.3.1 數(shù)據(jù)傳輸過程的設(shè)計(jì)

為快速確定飼喂車實(shí)際食槽位置，需要利用PLC，系統(tǒng)化處理系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)，這就會(huì)涉及數(shù)據(jù)傳輸過程。首先，要利用槽位，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行精確化檢測(cè)；其次，利用數(shù)據(jù)變量寄存器，完成對(duì)所需數(shù)據(jù)變量值的存儲(chǔ)；最后，使用上位機(jī)觸摸屏，精確地讀出槽位位置坐標(biāo)，便于相關(guān)人員查看和了解飼喂車所在槽位位置[7]。當(dāng)飼喂車移動(dòng)到某一槽位時(shí)，需要將飼料加入該槽位中，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)寄存器，將相關(guān)數(shù)據(jù)安全、可靠地傳輸?shù)搅硪粋€(gè)寄存器中，從而完成數(shù)據(jù)傳輸過程。

3.3.2 定位過程的設(shè)計(jì)

通過將光電開關(guān)安裝和固定到飼喂車上，可以方便相關(guān)人員精確化檢測(cè)飼喂車達(dá)到槽位狀態(tài)。同時(shí)，在光電開關(guān)的應(yīng)用背景下，如果沒有檢測(cè)出反射擋板，該光電開關(guān)所輸出的電平為高電平狀態(tài)；如果檢測(cè)出反射擋板[8]，該光電開關(guān)所輸出的電平為低電平狀態(tài)，借助輸入點(diǎn)電平變化，可以促使PLC 能夠快速化、智能化處理位置信息。

3.3.3 循環(huán)過程的設(shè)計(jì)

飼喂車主要按照向前運(yùn)行、向前停止運(yùn)行、加料電機(jī)開啟、加料電機(jī)關(guān)閉環(huán)節(jié)進(jìn)行循環(huán)執(zhí)行，通過運(yùn)用組態(tài)軟件，可以精確化設(shè)置所加飼料的質(zhì)量。結(jié)合系統(tǒng)整個(gè)工作過程分析情況，采用步進(jìn)指令的方式，保證PLC 軟件實(shí)現(xiàn)效果。在此過程中，首先，需要對(duì)飼喂車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)劃分[9]，使其劃分為預(yù)備、前進(jìn)、加料、返回、手動(dòng)五個(gè)步進(jìn)狀態(tài)；然后，靈活地切換不同步進(jìn)狀態(tài)，保證循環(huán)加料實(shí)現(xiàn)效果。當(dāng)然，也可以采用靈活切換自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)與手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的方式，實(shí)現(xiàn)循環(huán)加料過程。

3.3.4 加料過程的設(shè)計(jì)

加料過程在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要將前進(jìn)步進(jìn)狀態(tài)直接設(shè)置為加料過程，當(dāng)飼喂車處于前進(jìn)步進(jìn)狀態(tài)時(shí)，飼喂車會(huì)暫停運(yùn)行，并啟用加料電機(jī)，將飼料添加到食槽中，整個(gè)加料時(shí)間長(zhǎng)短可以由操作人員結(jié)合實(shí)際使用需求，使用觸摸屏界面進(jìn)行針對(duì)性設(shè)置。當(dāng)飼喂車加料結(jié)束后，加料電機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行[10]，然后，將飼喂車快速返回到預(yù)備狀態(tài)，這說明整個(gè)加料過程全部結(jié)束。此時(shí)，飼喂車可以對(duì)下一個(gè)食槽進(jìn)行加料操作，當(dāng)各個(gè)食槽加料操作全部完成后，飼喂車會(huì)自動(dòng)返回到最初暫停位置。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)定點(diǎn)加料過程的有效性和穩(wěn)定性，要重點(diǎn)調(diào)試定點(diǎn)加料過程，整個(gè)調(diào)試流程如圖4所示。

圖4 定點(diǎn)加料過程調(diào)試流程

通過使用飼喂車，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射擋板的精確化檢測(cè)，檢測(cè)其是否出現(xiàn)停止運(yùn)行，并進(jìn)行加料處理，定點(diǎn)加料調(diào)試結(jié)果如表1 所示。通過使用該飼喂車，可以科學(xué)設(shè)置各個(gè)食槽加料情況，并執(zhí)行相關(guān)命令。當(dāng)加料設(shè)置結(jié)束后，要停止運(yùn)行飼喂車，此時(shí)進(jìn)入加料環(huán)節(jié)。當(dāng)設(shè)置“不加料”模式后，需要繼續(xù)運(yùn)行飼喂車，禁止對(duì)加料過程的執(zhí)行。

表1 定點(diǎn)加料調(diào)試結(jié)果

通過運(yùn)用直流電機(jī)調(diào)速器，科學(xué)地調(diào)整和控制飼喂車實(shí)際運(yùn)行速度。同時(shí)，嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將飼喂車的運(yùn)行速度設(shè)置為0.6 m/s。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飼喂車運(yùn)行速度達(dá)到0.6 m/s時(shí)，檢測(cè)和驗(yàn)證反射擋板是否處于停止運(yùn)行狀態(tài)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的緩沖距離。結(jié)合飼料質(zhì)量，適當(dāng)?shù)馗淖兒涂刂凭彌_距離，飼喂車緩沖距離如表2所示。

表2 飼喂車緩沖距離

從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，飼料質(zhì)量高低與緩沖距離之間存在明顯關(guān)系。與緩沖距離值相比，食槽長(zhǎng)度值相對(duì)較高，通過科學(xué)地調(diào)整和控制反射擋板的位置，便于后期進(jìn)行加料處理時(shí)有效地降低飼喂車與食槽位置之間的偏差，確保加料的精準(zhǔn)度得以大幅度提高。

5 結(jié)論

綜上所述，本設(shè)計(jì)主要成果如下：1）結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境相關(guān)指標(biāo)，科學(xué)選型PLC，并做好對(duì)輸入、輸出設(shè)備的選擇和連接，從而保證系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)質(zhì)量。2）使用STEP7-Micro/WIN軟件，完成對(duì)相關(guān)用戶程序的編寫，并在下載和調(diào)試用戶程序的基礎(chǔ)上，提高精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，符合相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。3）驗(yàn)證和測(cè)試系統(tǒng)性能，經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)完全滿足預(yù)期所設(shè)置的技術(shù)指標(biāo)，保證了加料的精準(zhǔn)度，促使養(yǎng)殖飼喂管理向智能化、便捷化、高效化方向不斷發(fā)展。

但是，本設(shè)計(jì)仍然存在以下需要完善的地方：1）飼喂車定位精確度有待提升，通過新增制動(dòng)裝置，提高制動(dòng)效率，降低偏移距離。2）系統(tǒng)功能有待優(yōu)化和豐富，如果將視頻監(jiān)控系統(tǒng)與智能飼喂系統(tǒng)進(jìn)行組合，可以促使系統(tǒng)功能變得更加全面化。3）PLC 程序有待完善，這就需要相關(guān)技術(shù)人員調(diào)試和解決系統(tǒng)可能出現(xiàn)的異常問題。