【《基于PLC控制的鸡场自动喂食机设计》9500字（论文）】

基于PLC控制的鸡场自动喂食机设计摘要K型的机械往复式自动喂食机是之前国内应用最多的自动喂料机。该自动喂食机最大的特点就是结构比较简单，但是动力消耗比较大，同时该设备体积较大，比较笨重，且给料也不均匀。上世纪六十年代电磁振动自动喂食机开始出现，他的原理是利用电磁感应对养殖场进行输料，处理能力与原来的K型机械往复式自动喂食机相比有了很大的进步，于此同时，结构、知量、耗电量等性能指标都有了很大的突破。而现代使用的自动喂食机在消噪、降低功耗、加大运输量和自动化方面都具有各自不同的优势和适用范围，不同种类喂食机之间的功能也大相径庭。因此自动喂料机在技术上的设计更加具有针对性。本次设计当中我们搜集大量目前现有的设计资料并根据资料进行了自我整理和消化理解吸收，对其中的设计方案以及设计现状进行了解，提出了符合实际需求的设计方案，并且对方案在设计的结构上进行了必要的改进，通过控制设计对大部分的传感器进行了了解和选型使用，对我们以后工作当中可能遇到的困难提前进行了预演习，为工作打下坚实的基础。关键词：鸡场喂食；控制设计；自动喂料机；传感器 目录 第一章绪论 第一章绪论1.1课题研究的背景和意义目前,大型养殖场虽然现代化水平较高,但由于其设备价格昂贵,其性价比并不太适合中小规模养殖场,故大多数中小型养殖场都处于采用人工喂食方式进行养殖,而人工喂食则仍存在许多问题,例如饲料添加主要依赖于人力来完成。如果一个养殖户仅仅只是饲养几十头牲畜,那么喂养槽的宽度控制到50米之间也可以,但是目前最让养殖户头疼的问题是几百斤重的喂养槽要依赖于人力一次次运送,最后倒在饲料槽中，不仅工作量很大，同时在进行第一次喂料的过程中，工作人员都会弄得灰头土脸。随着社会的发展和进步，人们的生活水平越来越高，对工作环境的要求也越来越严格，劳动力成本于是节节攀升，招聘困难成为养殖场长远发展的一大问题，通过对养殖场机械化和自动化水平的提高，对于解决养殖场招聘困难的问题有一定的效果，因此，现在非常需要设计一种可以自动输送饲料的设备，去代替这种工作繁重并且灰头土脸的工作。1.2国内外喂食系统发展现状上世纪五十年代，我国最主要的自动喂料机类型为K型机械往复式自动喂料机，直到六十年代才出现了性能较好的电磁振动自动喂料机。如今，针对不同规模、不同养殖对象，甚至在肉鸡与蛋鸡之间，都采用了不同种类的自动喂料机，目前我国的自动喂食机大体有以下类型：1.螺旋弹簧输料机9ht-2型输料机与9tz-4型或9tz-2.5型物料塔配套安装在一起,将物料塔中的饲料输送至鸡舍。这种输料机的结构相比较于其他输料机来说比较简单,运行稳定,噪音小,主要的工作零件可使用时间较长,工作可靠。饲料在这条管路内进行输送,不会受到污染,同时也不会出现饲料散乱和飞扬的现象。特别是在改变输送物料的方向上更是显示出了它的优势,而且无需另外安装一个附加的转角。这种输送机适合于进行干粉态的配合饲料,输送容量范围在每小时1500~2000kg之间。2.链式喂料机链式喂料机主要适合于平养、笼型饲料鸡舍,其特征之一就是输料机构的移动零件在饲槽中通过链片由一个带有驱动器的装置进行驱动,通过一个装料盒,并以其表面向各个饲槽中心线推送出来的物体沿着整个饲槽的平面线做一个循环运动,让物体可以均匀地分配到整个饲槽中。3.索盘式喂料机索盘式喂料机既广泛应用于各种牲畜的喂饲,也可以应用于其它禽类的喂食。索盘式喂料机主要包括料盒与驱动器、索盘、喂槽或吃盘、控制器等部分。索盘和输料管互相配合在一起使用,常见同一组装的输料机和喂牛饲养器同时进行工作。当用于喂鸡时，索盘也可与饲槽配合使用。4.移动式干饲料喂料机也称喂料车喂料小车经常被应用在猪、牛、鸡等笼养饲料中。喂料车的位置和移动方法常用的传感器有三种,一种是驱动系统将其固定,通过钢丝绳牵引喂料汽车行走后再进行喂饲操纵。另一种形式就是用拖挂电缆当做驱动电源,由驱动器使用的低速电动机携带喂料车行走后再进行喂饲操作;这两种食粮方法主要适合于鸡、猪之间的喂食。也就是用内燃机作为动力,带着喂料车行驶在路上进行喂养作业,主要适合于猪、牛。在喂料工作过程中将各种喂料车定期搬运运送到电动输料机的各个出口进料口下方,由电动输料机把各种饲料从装有贮存物料箱的塔顶部运送至装有喂料使用车的各个物料盒,喂料用车定期沿着放入鸡笼或放在猪栏内的路线连续向前向后运转,将其中的各种饲料均匀地分配至各个饲槽。目前大型化和规模化的车养殖业主要已经是通过人工喂料饲养小车的这种形式逐步发展增多,并且已经开始有了很好的发展趋势。喂料轨道小型汽车的安装轨道主要安装有在一个地面式的轨道安装与在一个鸡笼上方的安装栅格或在框架上方的安装两种,要求它们必须能够具有一定的轨道运动强度与轨道平直性,且安全可靠。我国的自动喂食装置的发展起步与一些发达国家相比较而言，起步较晚，再加上制造业的水平不是很高，自动喂料系统的产品与发达国家的水平还存在一定的差距，差距主要体现在自动化水平和精度制造方面。随着我国经济的发展和国家对于农业发展的支持，我国的养殖业水平在已经在不断提高，自动化养殖的发展和技术水平都有了较大的发展。自动式喂食装置首先在日本和德国等发达国家开始出现和发展,二十世纪四十年代,德国开始采用自动式振动物料输送装置,主要的组成部分是料斗和自动式振动物料输送机,最终效果显著。经过多年的发展，养殖场自动喂养设备的技术已经相当成熟并且产品的品质也比较好。目前,海外的大部分大型家禽企业自动化生产养殖场更加倾向注重"机"自动操纵而不是"人"操纵。众所周知,人力在西方发达国家比较昂贵,因此,西方发达国家的时间养鸡场经营管理者的自动化技术水平普及程度很高,周六、日和节假日的时间鸡场甚至都已经是无人操作运行的,在一个养鸡饲养人员密度非常高的时间鸡舍里,何时开始和停止通风透气、喂料,如何正确控制鸡在食物中的光照等这些日常时间鸡舍的管理工作都必须是由每一个鸡舍的管理集成电脑系统来进行决定,并发出指令控制其他设备完成的,由于控制精准,发达国家的养殖场数据非常好,料肉比、料蛋比都比较高,但缺点是成本较高。1.3主要设计内容本次设计要求对中小型笼鸡养殖场进行自动喂食，鸡场规模如下：（1）小型笼鸡养殖场规模：30×5m；（2）鸡笼规格：0.4×0.8×0.4m的钢质铁笼 ；（3）鸡笼排列：三层两列

第二章鸡场自动喂食机总体方案设计2.1总体方案设计本次设计的鸡场自动喂食机系统主体结构采用规格为0.4×0.8×0.4m的钢质铁笼封闭鸡笼布置鸡场，鸡场的规模为30×5m。方案一：图2-1自动喂食系统结构示意图鸡场自动喂食系统工艺流程：1.首先我们的鸡食通过大料仓输送到我们的螺旋输送器当中2.接着螺旋输送器向轴向不断进行物料输送3.分别通过控制四个电动门控制输送到1-4号料仓当中，各个料仓均会配备称重传感器，料仓达到我们预定设置量即关闭该料仓上部的电动门4.1-4四号料仓的称重传感器满足设定量后，我们的大料仓螺旋输送器停止输送物料。5.行走电机可以启动，带动整体的料仓组在轨道上部行进，遇到行程开关反馈位置信号。6.允许启动水平料仓翻动电机进行转动，从而不断翻搅我们的物料7.电磁阀开启下放我们的物料到料槽当中方案二：采用前面移动式干饲料喂食机也就是喂食小车进行自动喂料，鸡场的布置如下图2-2自动喂食机布局图1.加料仓2.自动喂食机3.鸡笼4.小车路线当小车到达加料仓后，小车停止，开始加料，通过料仓加料的速度来控制加料时间，小车加料完毕之后行走机构立即启动，开始第二轮喂食，小车加料的时间即为一轮喂食所需的食用时间。由于本次设计针对的养殖场规模为中小型养殖场，方案二采用的自动喂料小车仅仅需要在现场铺设一条轨道使自动喂食小车能够行进即可，而方案一中的自动喂食系统不仅仅需要给喂食系统铺设轨道，还要在鸡笼上方为料仓搭建轨道。另一方面，通过中小型养殖场的规模以及人员配置的考虑，操作不是很方便且成本较高，性价比低。最终通过比较，选用方案二对养鸡场进行自动喂料。选择方案二则需要对自动喂食小车进行结构设计：图2-3自动喂食机结构简图1.喂食机饲料箱2.小车后轮3.输料电机4.小车前轮5.小车前轮电机6.控制单元7.出料管8.输料管自动喂食机的行走主要依靠轨道进行导向，本次鸡场自动喂食机的结构设计如图2-3所示。自动喂食机的前部包含控制系统和前轮的驱动电机。小车前轮的牵引电机为自动喂食机的电源，打开和关闭控制了自动喂食机的前进、后退与停止。小车尾部包括喂食机饲料箱，输料电机和自动喂食机后部。电机开启时，饲料箱中的饲料通过饲料箱输料装置进入输料管，然后饲料在输料管中被推进到出料口后，从出料口进入笼鸡食槽。出料口设置为三个，可以同时对三层鸡笼进行喂食，以满足三层鸡笼结构的需求。小车后轮只起次要作用，没有权力。2.2机械部分方案设计2.2.1行走机构方案设计（1）行走方式选择鸡场地面往往不平坦，如果选择利用传感器让鸡场喂食机进行循迹行驶，一方面可能经常出现小车未按照约定路线进行行驶，另一方面会大大增加喂食机的使用成本和维修成本。最终我们选择在小车行进轨道上为其铺设一条轨道。采用轮轨式结构（2）传动方式选择带传动、链传动与齿轮传动为目前最主要的传动方式。与带传动相比，链传动传动效率高，且传动比平稳，没有弹性滑动而整体打滑现象；由金属材料制成的链条，在相同的使用条件下，链传动的整体尺寸与带传动、齿轮传动相比小要小很多，结构较紧凑；并且，链传动能在高温和潮湿的环境中工作。对比于齿轮传动，链传动的制造与安装精度较低，成本也低。在传动的距离较远时，它的结构更加轻便。结合养鸡场的环境以及工作需求，本次设计使用链传动作为其传动方式。2.2.2输送机构方案设计鸡场喂食与牛、猪等牲畜喂食的不同在于鸡场的喂食一般不是单层喂食，鸡笼往往叠加多层。螺旋输送机与其它输送设备在自动喂食方面作比较时，具有很多其他输送装置不具备的有点，比如它的运行更加平稳可靠、可中间多点装料和卸料及操作安全、维修简便等。针对笼鸡使用的三层鸡笼设计，现选择螺旋输料装置将饲料输送至鸡笼食槽中。2.2控制部分方案设计2.2.1控制系统方案设计目前，应用较多的控制系统有PLC控制系统和单片机控制系统 。单片机控制的成本比较低，经济实惠，但是用单片机制作的主控板抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强。相比之下PLC的可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适应性强，能耗低。最终我们选择PLC作为本次设计的控制单元。2.2.2传感检测方案设计（1）限位开关如果我们只设置一个加料点，那么当自动喂食机喂食完一轮之后，需要自己返回加料点，然后对喂料箱进行饲料补充，短期可能成本的增加显示不出，但是出于长远考虑，我们建设两个加料仓进行加料。为了实现以上目的，同时考虑到养殖场的环境等因素，我们选择在两个加料点安装接触式的限位开关。（2）压力传感器我们的料仓被加料进入饲料箱后，我们的饲料将会对支撑喂料仓的压力传感器进行作用，从而让称重传感器反馈信号给我们的PLC控制系统，我们的行走电机将会启动，限位开关断开，加料停止。

第三章鸡场自动喂食机机械部分设计3.1鸡场自动喂食机行走机构设计参数设计：举升最大重量Q＝1000kg，喂料小车行走速度30m/min。3.1.1车轮与轨道设计（1）车轮与轨道的选取与校核车轮的轮压最大值：＝（GXC+Q)式（3-1）公式中：喂食机本身的重量为，设定＝2000kgf由条件可知，喂食机举升的最大重量Q＝1000kgf载荷率＝1000车轮选型：由条件可知，运行速度＝30m/min，，当＝30m/min，＜0.9时，对工作类型的级别进行比较，可知为中型。最终选择的车轮直径为250mm，选择P11的轨道，该轨道的最大许用轮压为1480kg，符合要求。（2）喂食机车轮的疲劳值计算等效载荷的计算：Qd公式中：等效系数的值ϕ2通过等效载荷的值可以计算出车轮的轮压： PjP公式中：Pd＝Qd+Gxc4＝600+20004＝600kgf接触疲劳应力的计算：σjd＝4000对于车轮材料ZG55Ⅱ,在17K-19K之间，单位：。＜，符合。（3）喂食机车轮强度校核σd＝40003对于车轮材料,查得在20K—19K之间，单位：。＜，符合。3.1.2行走机构电机的选用根据养殖场的工作环境，负荷的大小，最终我们确定选择电动机的类型为系列三相异步电动机。（1）工作阻力计算：由初始条件可知，喂食机的行走速度V＝30（m/min）＝0.5（m/s）F将G1、G根据车轮与轨道的型号，其滚动摩擦系数f的值在0.05到0.7之间,本设计中取f＝0.15，可知Fw（2）运行阻力计算车轮与轴承和地面的之间的总阻力矩：式(3-6)由Dc=250mm，选取车轮轴承的型号为7520，d内径=100mm；滚动摩擦系数k=0.005；轴承摩擦系数通过计算得：M喂食机运行时的摩擦阻力：Pm(Q（3）功率的计算工作机功率计算公式：式（3-8）本设计采用的链传动的η取0.97带入得：P电动机的输出功率为Pw由工作机所需功率和传动装置的总效率可求得电动机所需的输出功率P0＝Pw公式中，η为总效率η＝η1η2公式中：链轮传动的效率η1取0.97，滚动球轴承的效率η带入计算得：η＝0.97×0.99＝0.96得出P由输出功率可算出电动机额定功率PPed＝（1～1.3）P由Y系列电动机技术数据，选电动机的额定功率Ped为0.37k（4）减速器型式的选择根据养殖场的工作情况以及载荷的要求，选择分流式二级圆柱齿轮减速器作为电机的减速装置。（5）电动机的转速的确定从动轴的转速:Nw＝一般二级圆柱齿轮减速器的传动比范围为8～40，故电动机转速的可选范围为nd'＝nd'＝ia'nw＝（6）电动机型号的选择根据上述电动机转速以及额定功率的计算，有如下两种电机满足使用条件表3-1额定功率为0.37kW转速满足要求的电动机电动机型号额定功率（kW）转速（r/min）效率价格（元）Y2-801-60.3790062.0289Y2-90S-60.3770062.0325由于两种电动机都满足使用要求，且效率也相同，而Y2-801-6的价格相比之下较低，故选择电动机的型号为：Y2-801-6。根据电动机的选用，配套选择减速器的型号为：YCJ132,输出转速为24r/min。3.2输料装置设计3.2.1输料装置参数计算螺旋输送的基本原理是通过螺旋输送结构的叶片螺旋结构，通过不断正向转动我们的螺旋输送叶片，从而产生楔形的轴向输送动力，让其中的物料能够跟随叶片进行前进，从而最终落入到我们指定的物料出口当中，本次我们的螺旋输送装置，主要通过螺旋输送装置最终输送到均布的四个落料出口位置，并在出口位置分别设置电磁阀门从而保证我们的物料能够单独不受干扰的落入到不同的落料孔中。图3.1螺旋输送机（1）螺旋输送机的螺旋直径的确定由于，物料的黏性不是很大，所以螺旋直径的计算方式为：式(3-12)公式中的取值范围在0.25到0.30之间，ψ值取0.27；K值取0.0565；物料堆积比重的取值范围在1.2~1.8之间，我们取＝1.5；C值取为1。将参数带入公式(3-12)，得到螺旋直径为：最终选择标准螺旋直径。(2)螺旋输送机的极限转速的确定螺旋输送机的极限转速可由下列公式确定式(3-13)公式中，螺旋轴的极限转速为；物料综合特性的系数为A；值查参考文献，得。所以,螺旋输送机的极限转速由公式(3-13)算得：最终选择标准螺旋输送机转速为60r/min螺杆直径和可移动的螺旋输送机的极限速度,计算结果差不多,所以我们需要检查填充系数：式(3-14)公式中：S为螺旋输送机的螺距螺旋节距在螺旋输送机中是螺旋输送机的螺旋直径,本次设计中的S＝D＝0.4m。然后带入公式(3-12)校核：圆整后的值允许范围在为0.25到0.30之间，合适。3.2.2输料装置电机型号的选用（1）功率的确定螺旋机轴上所需功率由下列公式确定：式(3-15)公式中：功率备用系数k的取值范围为1.2~1.4，取为1.3；物料阻力系数为，取为3.2。由公式(3-15)得（2）减速器型式的确定由于载荷比较平稳，可选用展开式两级圆柱齿轮减速器作为电机的减速装置。（3）电动机型号的选择根据以上计算得的工作功率可选择为额定功率为15kW的Y系列电机，如下几种电机比较符合输料装置的设计要求表3-2额定功率为15kW满足设计要求的电动机电动机型号额定功率（kW）转速（r/min）效率Y2-160M2-215kW293089.0Y2-160L-415kW146089.0Y2-180L-615kW97089.0为了传动比尽可能小，故选择转速为970r/min的电动机由转速可计算出传动比iaia所以最终我们选择的电动机型号为：Y2-180L-6根据电动机的选用，配套选择减速器的型号为：YCJ250,输出转速为56r/min。3.3传动装置设计3.3.1链条与轴承设计承载力和速度的要求，选择链轮传动，传动比大，结构紧凑，工字轨道稳定运行，高承载能力和传动效率。其传动简图如下图所示：图3-2传动简图（1）传动装置总传动比传动装置的总传动比＝1公式中：电动机满载转速为nm（2）Ⅰ轴与Ⅱ轴的转速n1n2（3）Ⅰ轴与Ⅱ轴功率的计算P1＝PmP2（4）各轴的转距电机轴T0TT（5）链条与链轮的选型轴的直径d＝50mm，传动比为1选择链轮齿数Z＝33定链的节距取KA＝1.0，齿数系数KZ＝0.73，单排链，则计算功率为①选择链条型号和节距通过数据Pcm=8.03kW,可选择链条的型号32A，链条的节距P＝50.8②链节数、中心距的计算中心距a0取a0L取链长节数Lp＝94节可计算链长为：L=Lp中心距系数F10.244672337.6mm③链速计算以及润滑方式的选择根据链速以及链条的选型，可采用滴油润滑④压轴力Fp有效圆周力:Fp（6）轴承的选取校核由初始条件可知，行走速度为30m/min则每个轴承所承受的压力为F=52500转速n则式（3-16）根据计算结果最终选择调心滚子轴承调心滚子轴承的主要性能参数：d＝70mm，D＝125mm，B＝31mm，＝158KN，＝205KN径向载荷＝131250N轴向载荷＝0N故/＝0<e可得： ＝x+y式（3-17）由（3-17）得，式（3-18）可以得到：L>>h，符合条件。3.3.2传动轴的设计（1）传动轴的尺寸设计图3-3传动轴主视图（2）传动轴的强度计算传动轴应该根据负载和压力的情况，不同情况下的计算方法也不一样，最后许用压力也要适当。图3-4传动轴受力简图危险截面的弯矩计算合成强度校核，需要弯矩和扭矩的数据，而以上条件已知，则可依据以上数据计算应力：式（3-19）轴的扭转强度条件：可得轴的直径：应力：（3-20）对于圆轴，弯曲应力为，扭转切应力为,将，代入公式得轴的弯扭合成强度条件为：公式中：（Mpa）为（3-20）中计算出的轴的应力；轴所受的弯矩为M；轴所受的扭矩为N；轴的抗弯截面系数为W；对称循环变应力时轴的许用弯曲应力为疲劳强度校核:式（3-21）弯曲刚度校核：式（3-22）公式中：阶梯轴的长度为（mm）；阶梯轴第i段的直径为（mm）；阶梯轴的计算长度为（mm）；阶梯轴计算长度内的轴段数为。弯曲刚度校核：挠度偏转角轴的扭转变形用扭转角来表示。圆轴扭转角的计算公式为：光轴阶梯轴公式中，轴所受的扭矩为T；轴材料的剪切弹性模量为G（Mpa），因为材料是钢材，；轴的截面的极惯性矩为。圆轴中，式（3-23）公式中；阶梯轴受扭矩作用的长度为L（mm）；，，代表阶梯轴第i段上所受的扭矩，长度和极惯性矩分别为，，；阶梯轴受扭矩作用的轴段数为Z。轴的扭转刚度条件为：

第四章鸡场自动喂食机控制部分设计4.1控制系统结构框图图4-1控制系统结构框图4.2PLC选型根据设计要求，系统的输入：启动，停止按钮信号；1号限位开关信号，原点限位开关信号以及压力传感器信号。系统的输出信号有：运行指示和原位点指示输出信号；正向和反向。为满足设计要求，现选择西门子S7-200-CPU221型PLC控制，CPU221的主机共有6个输入点和4个输出点共10个数字量I/O点。4.3传感装置的选用（1）限位开关本次设计用到的限位开关对环境以及温度、湿度的要求并不是很苛刻，故选择滚轮直动式的限位开关，最终选择型号为XCE-102的滚轮式限位开关图4-2XCE-102限位开关（2）压力传感器根据养鸡场环境以及工作要求，选择型号为HYLF-010的压力传感器图4-3压力传感器HYLF-010型号:

HYLF-010材质:

金属

工作原理:

磁敏传感器适用场景:

称重测力测量场合传感器类别:

称重传感器重量:

1000g尺寸:

500×500×500mm工作电流:

2A工作电压:

10V4.4主电路设计本设计共涉及两个电机，其中一个为螺旋输送机的电机，不需要考虑。如下图M1所示。另外一个则是小车的前轮驱动电机，决定了自动喂食机的前进后退，因此合理的设计电动机的正反转逻辑是非常重要的任务。本文设计的电动机正反转的思想是把三相异步电动机的三相中的任意两相互换，电机可由正转变成反转。为了确保两个接触器不能得电，并提高可靠性，应加锁电路，集上述要求，控制系统的主电路如图4-4所示。图4-4控制部分主电路电气原理图

4.5可编程控制器的I/O点分配可编程控制器的I/O分配如表4-1所示：表4-1系统变量分布表序号地址名称1I0.0启动按钮2I0.1原点限位开关3I0.21号位限位开关4I0.3压力传感器信号5I0.4连续运行开关6I0.5停车按钮7Q0.0输料8Q0.1原点指示9Q0.2前进10Q0.3后退4.6硬件连接图由PLC的分配表4-1可绘制出PLC的硬件接线图，如下图4-5所示图4-5硬件连接图4.7程序流程图小车在原点设置限