饲料粉碎系统智能控制及在线监测平台开发

曹丽英 王 跃 李春东

（1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学工程训练中心，内蒙古 包头 014010）

饲料粉碎机械是常见的一种饲料加工设备，其中锤片式粉碎机具有结构简单、适应性强、生产率高等优点。目前，我国小型饲料生产企业的粉碎设备自动化程度低，大多是一台粉碎机单机，没有与粉碎机性能相适应的配套设备[1]，无法对生产过程进行实时监控，导致饲料粉碎机械生产效率低，难以满足企业高速、高效生产的要求，制约了饲料加工行业的整体发展[2]。田健华等[3]对国内800 余家饲料企业进行了问卷调查，调查显示，53.21%的饲料企业在配料方面仍是半自动控制甚至手动配制饲料；采用人工记录数据的精确性、及时性有待提高，在数据自动采集及现场作业控制方面存在较大提升空间。近年来，关于粉碎机械机理、结构优化等方面对降低粉碎能耗、提升生产率的研究较多[4-7]，但在饲料加工设备的现代化、智能化发展方面的研究较少[8]。随着自动化技术的发展，高效、节能、自动化程度高的饲料加工设备的开发成为行业的重要需求[9-11]。本研究在新型锤片式粉碎机的基础上设计了一款包括自动喂料、智能粉碎和自动打包功能的饲料粉碎系统，该系统以PLC为主控制器，LabVIEW 设计人机交互界面，实现了生产集中控制和运行数据监测，提出了一种能够提升打包精度的控制模式，为饲料粉碎机械控制系统的设计提供参考。

1 试验设计

1.1 饲料粉碎系统机械结构及工作流程

饲料粉碎系统机械结构见图1，主要包括下料装置、螺旋输送装置、锤片式粉碎机、旋风除尘装置、打包装置。主要工作流程：（1）下料。待粉碎的物料从原料仓下料进入料斗，下料快慢由一个电磁阀控制气缸伸缩，改变下料口的开合程度，实现前90%全速下料、后10%减速下料。（2）喂料。采用步进电机控制喂料绞龙的转速，可使粉碎机工作达到满负荷且波动很小，粉碎量（以t/h 计算）提高10%左右。（3）粉碎。由于粉碎机进料口物料从粉碎轴附近的开口进入，经过锤片撞击破碎，颗粒变小透筛后进入旋风除尘装置。（4）打包。储料仓中的物料颗粒通过螺旋输送机构进入称重料斗定量打包，当料斗内物料重量达到预定给料值时，反馈给传动控制系统，从而进行下一步的夹袋、封口等。

图1 饲料粉碎系统机械结构

1.2 总体设计

饲料粉碎系统智能控制及在线监测平台包含硬件电路和软件系统，各部件均选取可靠稳定的电子元器件，保证系统安全可靠地运行，减少维修成本。整个控制系统设计严格按照《饲料加工成套设备计算机控制技术要求》（GB/T 34639—2017）。饲料粉碎系统设计见图2。

图2 饲料粉碎系统设计

1.3 控制系统硬件设计

1.3.1 硬件组成

整个饲料粉碎控制系统硬件组成为PLC、变频器、步进电机、通信模块、模拟量模块等，主要以PLC 为核心，对生产线进行统筹控制，采集传感器的数据。PLC选用西门子S7-200 SMART，CPU型号为ST40，内置IO点数为40，分别为24 输入和16 输出。该PLC 标配有RS485 接口和以太网接口。通过以太网上传数据给监控管理的计算机，对生产模块发出指令并对生产中的异常进行报警等。RS485 接口与安川V1000 型变频器连接，通过MODBUS RTU 通信协议传输粉碎机三相异步电机的转速信号。三相异步电机额定功率为5.5 kW，V1000变频器额定输出电流为19.6 A，轻载适用电机最大容量为5.5 kW。西门子200 SMART PLC 的CPU 具有3 个PTO/PWM 生成器，可产生高速脉冲串或脉宽调制波。PLC 发送高速脉冲给驱动器，根据脉冲个数控制步进电机转动的角度，且步进电机价格经济。此处选用雷赛智能公司生产的STM86系列一体化步进电机，该步进电机的力矩可保持在8.5 N·m，步距角为1.8°，其驱动器的细分可达51 200。模拟量模块选用EM AM06，有4 个模拟量输入通道和2个模拟量输出通道。

1.3.2 IO分配与硬件连接

在PLC编程前，应先对控制系统的I/O点数设计。饲料粉碎系统进行下料和打包动作采用4 个气缸完成，分别为下料气缸、挡料气缸、称重阀门气缸和夹袋机械手气缸，占用8 个输入点；需要多个功能按钮，分别为热继报警、人工上料确认、夹袋脚踏开关等，共16个输入点。饲料粉碎系统各装置的输出主要为电机、气缸动作的控制。步进电机进行运动向导控制时，占用2 个固定的输出点位，分别控制脉冲和方向。喂料装置和打包装置采用相同的步进电机，共占用6个输出点位，4个气缸占用4 个输出点位。此外还需控制风机、运行状态三色灯等，共15个输出点。PLC接口资源具体分配情况见表1。为更直观地看出输入输出端点的分配情况，绘制PLC 端口接线图，见图3。

表1 PLC接口资源具体分配情况

图3 PLC端口接线图

1.4 控制系统软件设计

系统的软件设计主要包括PLC 梯形图程序编写和上位机软件设计。根据生产工艺要求，完成对各个装置的程序设计，并在S7-200 SMART 专用的编程软件中完成生产线逻辑控制程序[12]。上位机采用LabVIEW软件进行人机交互界面的开发[13]，可以实现农机产品的监控与数据采集，缩短系统开发周期。

1.4.1 PLC软件程序设计

控制系统软件设计是针对各装置完成下料、喂料、粉碎、打包等作业的程序设计，在西门子STEP 7-MicroWIN SMART软件进行编程，该软件自带一部分软件库，如Modbus RTU主站、从站指令库、USS协议指令库、Scale 指令库等，极大地简化了程序。PLC 控制主要内容为多个电机启停及转速控制、气缸伸缩控制和传感器数据采集。打包装置的系统控制流程见图4。

图4 打包装置的系统控制流程

由图4 可知，上电后夹袋气缸处于松开状态，称重气缸闭紧，当送料步进电机开始送料后，物料进入计量斗，称重传感器实时检测重量，达到设定袋重后，停止送料电机。同时，要检测夹袋机械手是否有袋，有袋夹袋气缸由松开变为夹紧，没有则人工套袋。只有在两种情况均满足的条件下，计量斗的阀门才会打开，进行卸料动作。

1.4.2 上位机软件设计

1.4.2.1 通信设计

上位机作为远程控制客户端，通过OPC 协议与下位机通信，且延迟小于250 ms[14]。实现步骤为启动NI OPC服务器，建立通道、设备、标签；启动NI Labview 建立项目，创建I/O 服务器连接至OPC 标签的共享变量；通过共享变量与被控设备通讯。创建的标签地址有位逻辑地址、寄存器地址，扫描速率设置为100 ms。

1.4.2.2 人机界面设计

LabVIEW 软件针对生产操作员而设计人机交互界面[15]，且在硬件通信与处理数据上具有很大的优势。人机界面分为生产操作区和监控区，上位机界面见图5。在生产操作区，操作员须先进行权限验证，完成各项参数的设置并保存到数据库，才能点亮开始生产按钮。系统会自动将生产参数记录到Access 数据库中。监控区则是显示系统运行状态。传感器数据可以数值控件显示或波形图显示历史曲线，并将Solidworks 绘制的机械结构三维图以.wrl 文件形式导入监控区的三维图片显示控件，通过程序框图编程，可完成三维图的生产动画演示。

1.4.2.3 后面板程序设计

LabVIEW 后面板程序由两部分组成。主Ⅵ采用两个while 循环并行，部分子Ⅵ也有各自的while 循环，相当于windows 的多窗口运行。在此条件下，每个while循环必须增加延时函数，释放电脑内存以保证缓冲区数据不会溢出，否则会影响程序稳定性。生产操作程序采用“事件结构+条件结构+while循环”结构，共有12个事件，分别对应前面板的操作按钮，用户通过点击前面的功能按钮触发程序对应的事件。如点击“参数一键匹配”按钮，后面板程序自动从已经设计好路径的Access 数据库参数表中读取适用于当前生产的最优参数组合，使系统更加智能化。数据监控程序采用“while循环+顺序结构+条件结构”，延时设置为500 ms。顺序结构的目的是创建数据保存路径，使用条件结构判断系统文件夹下是否存在数据存储文件夹，为True 则直接把采集到的传感器数据经过LabVIEW数字滤波后，以excel格式保存到此文件夹；为False则先创建文件夹再执行滤波、存储等操作。

1.4.2.4 建立数据库

在LabVIEW和Access数据库建立了连接，使用的函数有文件路径VI、NI Database 模块。把各个装置的最佳运行参数保存至Access 数据库中，建立最优工作参数组合，使用户在仅输入喂料量的情况下，其他参数（粉碎机转速、喂料量、吨料电耗显示） 便可自动调整。Access数据库也能够记录用户手动输入的生产参数。

1.5 提高打包精度的控制方法设计

1.5.1 误差分析

称重系统设计的好坏直接影响整个打包装置的工作性能[16]。打包称重系统采用间歇计量法，净重式定量称重，流程见图6。物料颗粒持续填充到计量斗，达到预设值时，控制系统发出停止给料信号。从信号发出到执行器执行期间，又落入一部分物料，将导致实际计量值始终高于预设值，这部分物料称为误差余料。目前常通过粗给料和精给料配合使用[17]，采用多段式给料减小误差，这种方法虽然简单易操作，能够减少给料时间、提高精度，但无法从根本上消除误差来源。在称量前设置提前量进行补偿操作，能够提高精度，但不会随设备改变而改变。

图6 打包控制结构

本试验针对上述误差，在两种提高精度的方法的基础上进行改进，采用PID 控制精给料过程，通过LabVIEW编程，使提前量能够自适应系统，设计一种“粗给料+pid精给料+自适应提前量=预设值”的控制模式。

1.5.2 减小误差的控制模式设计

1.5.2.1 PID控制精给料

PID 控制原理见图7[18]。预设值（SV） 与实测值（PV）间的误差[e(t)]和误差变化率[ec(t)]作为PID控制器的输入，进行比例、积分、微分运算，输出控制给料电机的速度。当误差小于允许误差时，PID输出为0，PLC发出停止电机信号，再经过封口输送，此为一个打包周期。PID控制回路在上位机软件中编程实现。具体计算方法为：

图7 PID原理

式中：U(t)为PID控制回路计算的输出值；Kp为比例系数，e(t)为回路控制偏差，Ti为时间积分常数，Td为微分时间常数。

进一步整理得到公式（2）。

式中：Kp、Ki、Kd为比例运算系数、积分运算系数和微分运算系数。

1.5.2.2 提前量自适应系统

设置提前量可以补偿称重系统时变、时滞的特性造成的误差，提高打包效率，缩短精给料时间。系统从接收到传感器重量到达提前量的信息后，反馈给控制系统，再控制系统把停止给料信号传输到螺旋电机，因为称重系统时间滞后，计量斗的实测值会大于预设值，故提前量=预设值-粗给料值-pid 控制精给料值。每次称重结束时采用此次提前量加上误差的1/2修正下一次称重设置的提前量。经过多次称重后，提前量逐渐逼近最佳值，能够随预设值或系统变化，自适应系统。计算公式为：

式中：SP为预设值；PVn为实测值；E为实测值与预设值的差；M为粗给料+pid 精给料的重量（g）；m为提前量；n为称重次数。

2 结果与分析

2.1 试验条件的确定

为使试验数据更加精确，先对各传感器的数据进行处理，消除传感器本身振动、物料下落冲击等造成的误差。LabVIEW软件具有很强大的数据处理与分析功能[19]，数据处理过程放在上位机程序中，采用LabVIEW内置数字滤波模块进行处理。前期设计样机打包范围1～10 kg，打包精度要求为±0.5%，螺旋输送装置的输送能力与粉碎机生产率相匹配。螺旋轴最大转速为110 r/min。PID参数Kp、Ki、Kd分别为1、0.008、0.001。

2.2 试验方案确定

试验过程中对系统进行多次调试，解决硬件动作延时、软件卡顿报错等问题；邀请多位人员进行系统操作体验；对系统进行干扰，如粉碎机突然停电、验证报警功能；检查数据存储是否正常，保证不会缺失数据。

设计了3 组控制模式进行对比分析，以每袋称重时间和精度为衡量标准。分别为粗给料+精给料+固定提前量（a）、粗给料+精给料+自适应提前量（b）、粗给料+PID精给料+自适应提前量（c）。袋重SP值设为10 000 g，每组方案进行10次称重打包；为提高打包产品合格率，使袋重能够满足要求，初始m设为0，经过自适应算法后提前量（m）会稳定在一个值附近。试验过程统计数据为打包时间秒、传感器PV值、m。控制模式a 的固定提前量得出进行5次“粗给料+精给料”的称重试验，试验得出的传感器平均PV值，与袋重10 000 g的差值认为是称重系统时变、时滞造成的误差，此值设为固定提前量。

2.3 控制模型参数试验结果

打开上位机软件，操作员输入账号密码，界面便弹出“验证成功”窗口，登录状态灯点亮。通讯测试后，其他生产参数按钮解除禁用状态。系统可手动输入转速、喂料量等参数，超出设置范围系统会提示；可以根据本次生产任务下料量，从数据库中自动匹配各项参数。各种生产参数设置完成后，可点击“运行/停止”按钮，生产过程可以暂停。当运行、通讯、下料状态异常时会发出警报声，说明传感器采集到的数值超出正常阈值，可按下生产暂停或者紧急停止按钮。监控界面把采集到的传感器数据以数值显示，转速、电流和PV值显示在波形图表，传感器数据存储在指定文件夹。

3 组控制模式的数据见图8，稳定后的试验数据见表2。

表2 稳定阶段数据

由图8 可知，在相同的系统误差下，m与PV值呈负相关，m偏小，实际称重值增大，m偏大，实际称重值减小。经过4 到6 次称重算法迭代后，m基本趋于稳定，表明已自动适应当前系统。由表2可知，模式a和b用时22 s，模式c 用时25 s。因为PID 控制器在精给料称重阶段，误差e逐渐变小，PID的输出MV也逐渐变小，最后为0，此阶段延长了称重时间，表明模式b 和c 均满足称重系统的设计要求，可以根据打包精度和时间选择。

3 结论

本研究设计系统以S7-200 SMART PLC 为核心控制器，采用LabVIEW软件进行上位机开发，上位机界面表达清楚直观，可以实现系统参数设置，实时监控饲料粉碎系统的运行状态，提出了一种提高打包精度的控制模式，该控制模式下的称重精度为0.17%，达到设计要求。