PLC在饲料加工生产过程控制中的应用研究.doc

42 饲料加工 PLC 在饲料加工生产过程控制中的应用研究尹玉珍1, 张善夫2( 1. 江苏财经职业技术学院, 江苏淮安 223003; 2. 淮安天参农牧水产有限公司, 江苏淮安 223003)摘 要: 以淮安某农牧水产有限公司饲料生产线技术改造为背景, 阐述了饲料生产的工艺流程, 采用基于PLC 的集散控制系统作为总体控制方案, 对饲料生产主要环节进行了分析并给出控制方案。设计了基于PLC 的配料混合控制系统, 给出了系统硬件设计和软件控制流程, 对配料系统的模糊PID 控制和仿真进行了研究。结果表明:该饲料生产线经过PLC 技术改造后, 配料精度大幅提高。关键词: 饲料生产线; PLC; 集散控制系统; 配料; 模糊PID 控制中图分类号: S818. 1 文献标志码: B 文章编号: 1003- 6202( 2011) 08- 0042- 04 饲料工业是连接种植业、养殖业、农副产品加工业等农业产业链条中极其重要的一个关键环节。其作为世界经济的新兴工业之一, 在较短的时间内迅速发展起来, 受到了各国政府和企业界的高度重视。饲料加工生产线控制特点主要是各加工设备及检测装置间的顺序控制, 而这种顺序控制正是PLC 控制的优势所在。PLC 控制是当前工业过程控制中应用非常广泛的控制方式, 使用PLC 控制可以极大地提高生产的自动化程度。可编程控制器与上位机PC 的通讯实现, 可使生产过程整体优化, 确保正常生产和管理水平的提高 1 。淮安某农牧水产有限公司是以生产各种预混合饲料、浓缩饲料、配合饲料为主的民营科技企业, 现有饲料生产车间两个, 最新建成的生产线采用了微机控制技术, 现代化水平比较高; 而早期建设的生产线控制系统仍然是接触器、继电器控制方式, 其管理水平和生产效率均远低于另一条生产线。为适应生产需求, 对旧的生产线进行了技术改造。1饲料生产工艺饲料生产过程一般包括原料的接收与清理、粉碎、配料、混合、制粒、成品打包入库及除尘与消防等系统, 每一个生产环节就是一个独立的生产工段 2 。淮安某农牧水产有限公司主要生产水产饲料, 饵料要细小, 因此有时需二次粉碎。2基于PLC的总体控制方案设计饲料生产过程中的每一个系统相对独立, 饲料生产的自动化包括整个系统的自动控制与各工序自动控制以及单机设备的自动控制 3 。系统框图如图1图1 饲料生产过程控制原理图 其中PLC 负责控制现场设备的运行并获取其运行状态及故障信息, 传感系统采集现场信息数据,计算机利用网络通讯获取数据进行储存管理, 动态显示工艺流程、设备运行状态、生产数据、报警信息,并生成各类生产报表。其核心控制部件PLC, 采用模块化的编程思想, 分离各子系统与相对独立的内部功能, 并将各功能块按照饲料生产系统的工艺流程贯穿在一起, 形成整个系统的集散控制, 并通过网络实现与生产管理的远程监控指挥系统。3 配料混合系统设计3. 1 配料混合工艺方案选择及控制系统的确定配料工序是饲料生产过程中的关键性环节, 其配料精度直接影响着饲料产品的质量。配料混合控制系统实现将两种或两种以上的物料按照一定的配比自动定量加入到混合机内, 经过混合达到预定要求后自动出料的过程。通过对常见配料混合工艺方案优缺点的对比,选择多料数秤配混工艺, 如图2 所示。即将所有计量的物料按照其物理性能或称量范围进行分组, 每组配上相应的计量装置来实现计量作业, 从而经济、精确地完成整个配料过程。 多料数秤配混工艺能够显著缩短饲料的配混时间, 大幅度提高产量, 结合该公司饲料生产情况, 配混工艺选择为多料双秤同时配料工艺。 图2 多料数秤配混工艺流程1. 配料仓; 2. 配料秤; 3. 小秤及添加剂配料秤; 4. 分级筛;5. 粉碎机; 6. 快速混合机; 7. 糖蜜混合机饲料自动配料系统由PC 机、PLC、送料器、料斗、称重传感器和执行机构等组成, 如图3 所示。图3 饲料自动配料系统框图系统的运行过程是先由上位计算机将原料配方数据传到下位机PLC, 然后再由PLC 进行控制 4 。各种饲料原料经仓顶输送设备和分配器分配进入相应配料仓中存贮。配料时由送料器分别依次将原料送至秤斗中。大配比( 20%) 的原料送至大秤斗; 小配比( 5% 20%) 的原料则被送至小秤斗称量。称重传感器检测每种料的数量, 将信号传给称重控制仪,控制送料器的给料, 从而控制每种料的定量。当全部料仓的物料按设定配方要求称量配料完毕, 达到规定累计质量( 每批料量) 时, PLC 依照控制程序打开料门, 将秤斗内物料放入混合机混合室中进行搅拌混合。混合机在达到预定的混合时间, 即混合均匀度达到要求时, 在PLC 的控制下, 料门开启出料, 送料至缓冲仓, 落入成品刮板式输送机, 送至斗式提升机入口升运至混合料仓贮存, 至下一工序。3. 2 配料混合系统硬件设计 上位机选择带有标准的RS232C 通信口、打印机接口的品牌机, 本系统控制精度要求高, 根据输入输出信号数量, 下位机选用一个三菱FX2N-80MR 型PLC 和两个FX2N-16EX 拓展单元, 选用SC-09 编程电缆作为计算机与PLC 通信的连线。在整个系统中, 重量传感器是一个非常关键的部件, 它的精度如何, 接影响着系统的配料的精度。本系统选用电阻应变式重量传感器, 其精度满足配料的要求, 应该比配料精度高一个等级。XSB-A 型称重显示控制仪是一种多用途的仪表, 速度快, 精度高, 它拥有的许多特殊性能很适合称重显示及控制的应用。3. 3 配料混合系统软件设计计算机根据生产工艺把相应的配方和生产工艺参数传递到PLC, PLC 根据配方参数及下料顺序控制变频器启动配料绞龙工作, 称重信号由PLC 检测。配料系统工作顺序: 称量完成后, 当混合机内有料时, 秤斗门关闭; 当混合机放料关门到位后, 秤斗门打开。秤斗开门时间到达后, 检测秤斗上的余料, 当余料超过限制值时, 系统进行报警, 秤斗门不关闭。当低于限制值时, 秤斗门关闭。秤斗门关闭到位后,如果没有完成预定生产批次, 配料继续, 同时发出添加预混料和油脂添加信号。预混料添加并完成应答复位后, 混合机开始混合计时, 达到混合时间后, 混合机根据缓冲斗的料位情况开门放料。混合机开门计时, 开门时间到达后, 混合机门自动关闭, 等下一批料落下后, 开始新一轮的循环。本系统采用模块化程序设计的方法, 其中心思想是把一个复杂的应用程序按整体功能划分为若干相对独立的程序模块。本控制系统中, 按程序完成的功能主要分为三个程序模块:( 1) 送料模块按配方参数和进料次序完成各料仓的原料下料以及称重信号采集, 保证各原料在允差范围内。加料停止后, 从螺旋喂料器到秤斗之间还滞留一部分原料要落入秤斗中, 需考虑这一部分物料, 程序中用 滞留量代表这个值 5 。滞留量是根据企业生产经验数据, 通过试验选择最优值确定。将变频器设置为多速段频率, 用PLC 的输出点控制变频器的频率。送料器配料时, PLC 控制送料器电机在变频器高速段运行, 当原料量逼近( 给料量-滞留量) 时, 由PLC 输出点控制送料器电机在变频器低速段运行, 进行缓慢加料。加料过程中, PLC 将原料量与( 给料量-滞留量) 实时比较, 在允差范围内为合格, 停止加料; 接近允差下限, 应进行变频器低速段加料; 大于允差上限为超差, 报警。( 2) 秤门模块控制称重仓门按逻辑顺序开启和关闭, 使当前批次的配料工作顺利完成。( 3) 混合机门模块实现缓冲仓门和混合门的逻辑控制, 使配料按设定时间完成混合搅拌。在程序设计时, 将整个程序分为几个功能模块分别实现, PLC 工作时通过主程序分别调用各子程序完成相应功能。系统主程序流程图如图4 所示。图4 主模块流程图4 配料系统模糊控制与仿真由于工艺参数、物料性质、落差等的变化, 使配料系统的模型具有非线性和时变性。为改善落差等因素对精度的影响, 可采用对落差进行预测和对配料量进行逼近控制, 以改善配料精度。根据饲料厂重复批量称量的特点, 利用大量已有的称量误差数据对空间物料量进行模糊自适应补偿控制, 可以保证物料误差在最小范围内波动。4. 1 模糊PID 的控制原理配料控制器接收到来自主机的控制流量数据作为给定, 与实际检测到的流量进行比较, 通过模糊PID 控制方法, 计算相应的输出量( 0 5 V 的电压或4 20 mA 的电流) 来控制变频器, 从而控制电机的转速, 使所配原料流量达到给定的值, 其控制框图如图5 所示。图5 模糊PID 控制框图4. 2 配料系统的仿真模型及结果分析4. 2. 1 仿真模型为了比较控制效果, 把常规PID 和模糊PID 放在一起进行仿真, 其仿真模型如图6 所示。图6 控制系统仿真模型4. 2. 2 仿真结果及分析仿真得到图7 所示的阶跃响应曲线。图7 阶跃响应曲线 通过以上MATLAB 仿真比较可以看出, 模糊PID 控制方法与常规的PID 控制方法相比, 系统响应速度快, 调节时间短, 稳态误差小。因此, 具有更好的动态特性和稳定性能, 能够明显地提高系统的动态性能和配料精度。5 应用图8 为配料时显示屏显示的情况, 从中可以看出配料秤的工作状态、配料误差。图9 为配料生产数据报表。 如图9, 配料号为2-9132, 配料组分为12 种, 完成一组配料时间为4 min 左右, 设定配料精度0. 6%。随机采集现场生产数据, 整理形成数据分析表, 如表1所示。表1 配料数据分析表6 结束语应用PLC 技术对传统的饲料生产线现代化技术改造进行研究, 制定了整体控制方案, 结合传感器技术、通信技术和模糊控制技术等相关知识, 进行理论研究和实际论证, 设计了一套以PLC 为控制核心, 由PC 机和PLC 组成的上下位机的控制系统。实践证明, 该系统运行可靠, 精度基本达到要求, 完全适应企业现代化生产管理要求。 参考文献 1 平 海, 苏 帆. PLC 在饲料厂配料仓进料控制中的应用 J . 中国饲料, 2002( 11) : 28- 29. 2 庞胜海, 郝 波. 饲料加工设备与技术 M . 北京: 科学技术文献出版社, 2001. 3 陶琳丽, 张 曦. 饲料生产的自动控制技术 J . 饲料博览, 2004( 11) : 26-27. 4 张崇智, 许东来. PLC 在饲料生产自动控制中的应用 J . 中国饲料, 2006( 3) : 39-40. 5 谢元智, 龙 伟, 郭凯明英. PLC 在配料控制系统中的应用 J .饲料工业, 2005, 26( 19) : 33- 34.( 责任编辑: 苏 幔)可溶性膳食纤维有助控制大腹便便 据新华社洛杉矶电( 记者高原) , 人体的内脏脂肪主要集中于腹腔内, 一些肥胖者“大腹便便“, 主要就是内脏脂肪难以消解。美国一项最新调查显示, 每天在饮食中增加可溶性膳食纤维摄入量, 将有助减少内脏脂肪, 不仅改善体形, 也预防高血压、糖尿病及脂肪肝等慢性病。这项调查是由美国维克森林浸礼会医学中心的研究人员完成的, 刊登在新一期肥胖症月刊上。研究人员找来1 114 名非洲裔和