情时期小规模智能饲喂器电气控制改造*

刘 欢，欧阳峰，杨正勇，武红伟

（1.湖南财经工业职业技术学院，湖南 衡阳 421002；2.衡阳镭目科技有限责任公司，湖南 衡阳 417603）

农业农村部在 《2020 年的畜牧兽医工作要点》中提出了稳定和加快生猪生产，积极推进种养结构调整，推广优质饲草料的规模化生产，强化畜牧业基础建设，加快推动现代饲草产业发展[1]。对于小规模散养农户，加强饲养环节自配料，减少使用商品饲料，降低饲养成本，是提高经济效益的方法之一。因此，后疫情时期对小规模散养智能饲喂器进行改造，添加“切料” 功能，能较好地帮助农户提高“自配料” 的工作效率，减轻劳动强度，体现了中国制造的“工匠精神”。

1 控制系统改造思想

1.1 改造前的控制系统

原控制系统中，系统启动，饲喂小车回原点。设置放料参数，用户触摸低速按钮，放料机构实现自动放料。若想加快放料速度，用户触摸高速按钮即可。当实际放料量达到设定放料参数重量或触摸停止放料按钮，系统停止放料。放料任务完成后进行送料，送料的饲喂小车依次按槽位1→槽位2→槽位3 的顺序送料。设定槽位1 需料量参数，饲喂小车向槽位1 运行，到达后小车停止，小车内部的电机通过投料机械装置向槽位1 投料； 当槽位1 投料完成 （实际料量达到设置的需料量）时，再设置槽位2 需料量参数，饲喂小车向槽位2 运行，到达后开始投料； 当槽位2 投料完成后，再设置槽位3的需料量参数，然后向槽位3 投料。若车内无存料，小车自动返回原点加料，然后运行至相关槽位继续投料。投料速度根据各槽位需料量与实际料量的差值来决定，并由投料电机的运行频率控制。当所有槽位都投放完成，系统停止运行。

1.2 改造后的控制系统

新冠肺炎疫情在全球蔓延，多国禁止粮食出口。后疫情时期，在饲喂过程中适当进行 “自配料”，在不改变原控制系统性能和技术指标的前提下，继续保留小规模智能饲喂器的放料、送料、投料等控制功能，添加 “切料” 控制功能，既能减轻农户的劳动强度，又能提高劳动效率。改造后，控制系统结构见第59 页图1。由于本控制系统使用了三相异步电动机、伺服电机及变频器对 “切料”“放料” “送料” “投料” 等工艺流程进行控制，所以选用三菱FX3U-32MT 型可编程逻辑控制器（PLC）。图1 中，FX3U-32MT 型PLC 的输出端不能直接控制交流接触器，但可控制直流中间继电器，因此，本系统通过直流中间继电器的常开触头控制交流接触器的得电和失电，从而控制切料电动机和放料电动机。

图1 控制系统结构示意图

2 系统硬件配置

2.1 系统主要设备

本控制系统中，采用昆仑通态 （MCGS）TPC7062Ti 触摸屏作为人机界面； 切料机构由Y-112M-4 型三相异步电动机控制； 放料机构由双速电机控制，其型号为YD112M-4/2； 送料饲喂小车由伺服电机控制，采用ECMA-C20604RS 型伺服电机和ASDA-B2 伺服驱动器； 投料机构由变频器和三相异步电动机共同控制，采用FR-E740 型变频器和Y-112M-4 型三相异步电动机。

2.2 I/O 地址分配

根据控制系统的功能要求，本系统的I/O 地址分配的输入端口： X0 为原点传感器； X1 为低速控制按钮； X2 为高速控制按钮； X3 为系统启动； X4为系统停止； X5 为左限位； X6 为右限位； X7 为切料启动； X10 为切料停止。输出端口为： Y0 为伺服脉冲； Y1 为伺服方向； Y4 为星点联结； Y5 为低速； Y6 为 高 速； Y7 为 切 料； Y10 为 运 行 信 号（STF）； Y10 为一速 （RH）； Y11 为二速 （RM）；Y12 为三速（RL）。

3 控制系统的PLC 控制原理

本控制系统选定3 个饲喂槽作为研究对象。从饲喂小车回原点、系统启动、切料、放料、送料、投料等6 个方面进行设计。

3.1 回原点

系统上电，饲喂小车回原点，“原点回归” 信号灯闪烁。

3.2 系统启动

按下 “系统启动” 按钮，系统启动，“系统启动” 信号灯闪烁。在系统启动后，才能进行切料、放料、送料、投料等操作（回原点除外）。

3.3 切料控制

后疫情时期，考虑到需要适度 “自配料”，因此添加了切料功能。从经济实用的角度考虑，在触摸屏上添加了切料与放料模式转换开关，这样任何时刻，“切料” 与“放料” 工作不会同时进行，在技术上就无需再添加其他器件以实现联锁。既省掉了安装接线的麻烦，又大大节省了经济成本，而且还具有操作方便的优点。系统启动后，在触摸屏上将切换开关置于切料模式，设置切料时间，触摸 “切料启动” 按钮，开始切料，切料时间到或触摸 “切料停止” 按钮，系统停止切料。图2 为切料控制梯形图。切料控制操作非常灵活，可单独切料用于储存（如： 在饲草或猪菜收获的季节，可单独通过切料加工将饲草料进行处理储存），也可在放料前进行切料用于饲喂。在饲料充足而无需切料时，将触摸屏上的转换开关置于放料位置，便可自动实现放料、送料和投料功能。

图2 切料控制梯形图

图2 中，M108 为触摸屏上的切料与放料模式转换开关，其常闭触头标志系统处于切料模式；M109 为触摸屏中的“切料启动” 按钮； M110 为触摸屏中的“切料停止”按钮； D14 为切料时间设置。

3.4 放料控制

系统启动后，在触摸屏上将切换开关置于放料模式，设置放料参数，操作放料按钮才能进行放料。放料速度由双速电机控制，操作低速按钮，系统处于低速放料状态； 若想加快放料速度，操作高速按钮就可实现。当实际放料量达到设定的放料参数或按下停止放料按钮，系统停止放料。第60 页图3 为放料控制梯形图。图3 中，使用了触摸屏上的切料与放料模式转换开关M108 的常开触头，此时系统处于放料模式； M102 为“放料停止” 按钮；M103 为“低速” 放料按钮； M104 为 “高速” 放料按钮，M200 为高速放料的辅助继电器。

3.5 送料与加料环节

放料任务完成后，设置槽位1 的需料量参数，饲喂小车去槽位1 送料，到达槽位1 后进行投料。完成槽位1 的投料任务后，根据饲喂小车内有无存料确定去槽位2 送料还是回原点加料。若饲喂小车内有存料，设置槽位2 的需料量参数，饲喂小车去槽位2 送料； 若饲喂小车内无存料，则小车回原点自动加料，需要加料时采用自动低速加料方式，需要高速加料时则需触摸高速按钮。加料完成后，饲喂小车去槽位2 送料，到达槽位2 后进行投料，以此类推。

图3 放料控制梯形图

3.6 投料环节

当送料小车到达目的地后进行投料。投料速度是根据槽位设置的需料量与其实际料量的差值决定，由变频器进行控制，3 个槽位的投料控制流程相同。当需料量与其实际料量的差值≥40 时，变频器以30 Hz 运行，投料速度为3 kg/s； 当20≤差值＜40 时，变频器以20 Hz 运行，投料速度为2 kg/s； 当0＜差值＜20 时，变频器以10 Hz 运行，投料速度为1 kg/s。当槽位1 的实际料量达到槽位1 的需料量时，变频器停止工作，系统停止投料。

在该系统中，电动机三速运行采用变频器的多速段来进行控制，变频器的多段运行信号由PLC 的输出端提供，通过PLC 控制变频器的RH，RM，RL 及STF 端子与SD 端子的通断实现。变频器运行前需要设定参数，除了基本的参数设定外，还需设定操作模式和多段速度等参数。具体设定参数为：上限频率Pr．1=50 Hz； 下限频率Pr．2=0 Hz； 加速时间Pr．7=2 s； 操作模式选择 （组合）Pr．79=3； 多段速度设定 （一速）Pr．4=30； 多段速度设定 （二速）Pr．5=20； 多段速度设定（三速）Pr．6=10。

4 人机界面设计

人机界面是人与机器进行信息交流的场所[2]。本控制系统采用MCGS 作为人机界面，布有参数设定区、操作区、指示区和显示区4 个区域，见图4。

图4 小规模智能饲喂器电气控制系统人机界面示意图

通过人机界面，用户在参数设定区可根据生猪对饲料的实际需求更改小车料量设置，从而改变小车放料量。通过修改槽位1～3 的需料量，以满足不同工艺的需求。有些参数已由技术人员设置，如槽位距原点的距离，无需再设。操作区是用户进行相关操作的区域，包括饲喂小车回原点、系统启动与停止、放料与切料的选择、切料启动与停止、停止放料以及控制放料速度的低速按钮和高速按钮。用户可通过操作区的放料、切料转换开关进行放料与切料的相关操作，而且通过转换开关，切料动作与放料动作能实现联锁 （也就是说任何时刻，放料、切料不能同时进行）。指示区用来显示系统的状态，这样用户从人机界面上可得知系统的启动状态、放料电机的运行情况等； 显示区可实时显示系统实际值，包括变频器的运行速度、放料速度、投料速度、槽位1～3 的实际料量以及小车的实际料量等。为了防止饲喂小车越界，设有限位保护，一旦越界，系统会出现报警提示。

5 结束语

后疫情时期，小规模智能饲喂器添加了切料功能，降低了经济成本，减轻了农户 “自配料” 的劳动强度，提高了劳动效率。通过改造饲喂设备，改善现代农业设施，提高科技创新支撑能力，促进农业丰收农民增收，能够更好地服务 “三农”，助力贫困人员产业脱贫。小规模智能饲喂器的改造，生动诠释了精雕细琢、锐意创新、追求极致、精益求精的“工匠精神”。