黃克亮

(武昌首義學(xué)院，武漢 430064)

0 引言

近年來，國家不斷鼓勵和扶持農(nóng)民群眾大力發(fā)展畜牧養(yǎng)殖業(yè)，大大加快畜牧業(yè)發(fā)展步伐。隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，畜牧業(yè)養(yǎng)殖戶對自動化設(shè)備的要求將會越來越高，而現(xiàn)階段，飼料的混合配比大多還是由人工完成，效率低下。為此，本文以解決飼料原材料自動配比為出發(fā)點，設(shè)計了一套基于AT9621全混飼料攪拌機智能控制系統(tǒng)，大大地減少了畜牧養(yǎng)殖業(yè)的勞動力。

1 混凝土攪拌車優(yōu)選配合比控制系統(tǒng)

混凝土質(zhì)量的好壞會直接影響水木工程的施工質(zhì)量，因此在原材料配比設(shè)計中重點需要考慮混凝土的耐久性和穩(wěn)定性，確保整個工程的質(zhì)量安全?；炷猎牧现饕ㄋ?、砂、石和水泥等，在施工過程中要嚴(yán)格按照施工材料標(biāo)準(zhǔn)進行控制；另外，對各個原材料的占比也應(yīng)該嚴(yán)格進行管理，采用優(yōu)選配占比進行原材料的比配。實現(xiàn)高性能混凝土的優(yōu)選配占比應(yīng)注意如下幾個方面：①添加減水劑；②嚴(yán)格控制水灰比；③使用礦物摻和料；④使用合適的砂、石。

除了控制原材料優(yōu)選配占比，制作高效的混凝土還需要有一個可靠的混凝土攪拌機控制系統(tǒng)，其核心功能是保證配料系統(tǒng)、供水系統(tǒng)及攪拌系統(tǒng)的可靠運作，從而保證各個物料的精確配比。為了實現(xiàn)配料系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)控制的精準(zhǔn)度，系統(tǒng)采用變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)采用Atmel公司的AT9621控制器實現(xiàn)混凝土攪拌機工業(yè)控制系統(tǒng)?；炷翑嚢铏C工業(yè)控制系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 混凝土攪拌機工業(yè)控制系統(tǒng)整體框架圖Fig.1 The overall frame diagram of industrial control system for concrete mixer

系統(tǒng)采用Atmel公司的AT9621微處理器為核心控制器件，配料系統(tǒng)(包括稱重傳感器、電動機等)由微處理器進行控制，人機交互由模塊接口連接輸入輸出實現(xiàn)，服務(wù)器與微處理器之間通過TCP/IP的方式進行數(shù)據(jù)的傳輸與共享。

從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能來分，整個攪拌機控制可以分為控制層、監(jiān)測層和設(shè)備驅(qū)動層。

從網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)上來說，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為3個層次：控制層、監(jiān)控層和設(shè)備層。 其中，控制層主要由服務(wù)器和AT9621微處理器構(gòu)成，二者是整個控制系統(tǒng)的大腦，通過讀取現(xiàn)場信號、對內(nèi)部程序的掃描和接收服務(wù)器發(fā)送過來的指令信息，輸出信號對現(xiàn)場控制柜進行控制操作；監(jiān)控層則通過人機交互界面對微處理器的一些原先設(shè)定的參數(shù)信息進行修改，并實現(xiàn)對整個混凝土攪拌機工作流程的監(jiān)視；設(shè)備層則包括現(xiàn)場的傳感器、電動機、電磁閥和現(xiàn)場控制開關(guān)，具體是通過傳感器獲取現(xiàn)場的作業(yè)信息，實現(xiàn)對設(shè)備的驅(qū)動控制。

混凝土攪拌機工業(yè)控制系統(tǒng)的作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 混凝土攪拌機工業(yè)控制系統(tǒng)的作業(yè)流程圖

Fig.2 The operation flow chart of industrial control system of concrete mixer

2 全混飼料攪拌機智能控制系統(tǒng)

全混飼料攪拌機是根據(jù)牛、羊、豬等牲畜生產(chǎn)階段，按照配方將各原材料混合攪拌成的一種富有營養(yǎng)的全價日糧。本文在混凝土攪拌車優(yōu)選配合比控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合飼料攪拌機的特性，研發(fā)了一種全混飼料攪拌機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用合理的控制方法，能夠?qū)υ牧线M行攪拌、切割等操作，使各種飼料按比例混合，保證了飼料的營養(yǎng)價格，達到科學(xué)飼養(yǎng)的目的。

2.1 全混飼料攪拌裝置的設(shè)計方案

本文根據(jù)全混飼料原材料剪切、揉搓、混合等攪拌特點，在混凝土攪拌車優(yōu)選配合比控制系統(tǒng)上設(shè)計了一種全混飼料攪拌機智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的攪拌裝置由加料和卸料機構(gòu)、拌倉、原動機、混合室、出料門、傳動機構(gòu)、螺旋攪龍、梅花刀片、機架，以及支承裝置等組成。全混飼料攪拌裝置總體設(shè)計方案，如圖3所示。

全混飼料攪拌裝置是一種新型高效混合設(shè)備，螺旋攪龍共有3個，上層兩個攪龍將物料從中央向兩側(cè)輸送，完成物料的對流混合，下層單個攪龍將攪拌好的物料進行輸出；其減速電機主要為旋轉(zhuǎn)攪龍?zhí)峁﹦恿?，安裝于攪龍螺旋葉片上的梅花刀片隨攪龍旋轉(zhuǎn)。

圖3 全混飼料攪拌裝置總體設(shè)計方案Fig.3 The overall design scheme of mixing equipment for whole mixed feed

2.2 智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

攪拌機智能控制系統(tǒng)以AT9621微處理器為核心，根據(jù)全混飼料的攪拌規(guī)則，結(jié)合螺旋攪龍控制方式，以物料的分類稱重及均勻攪拌為目的，按照配料控制算法自動、連續(xù)地控制各部分物料的計量，自動進行配料、投料，實現(xiàn)麥秸稈、小麥粉、玉米粉的精細混合，完成生產(chǎn)任務(wù)。攪拌機智能控制系統(tǒng)包括微處理器、稱重傳感器、可控硅、控制柜、LCD、鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)口等部件。攪拌機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

圖4 攪拌機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖Fig.4 The structure diagram of intelligent control system of mixer

2.2.2 稱重傳感單元

稱重傳感單元由稱重傳感器、信號調(diào)理電路、閥門開關(guān)及電機驅(qū)動等部分構(gòu)成，如圖5所示。

稱重傳感器將原料倉輸送過來的物料質(zhì)量轉(zhuǎn)化為微弱的模擬信號，傳送給微處理器。由于工業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜多變，為了使稱重傳感器輸出的模擬信號準(zhǔn)備被單片機采集到，特加入信號調(diào)理電路，通過放大、濾波和AD轉(zhuǎn)換后傳送給微處理器，解決了信號線路中的衰減誤差。另外，為了準(zhǔn)確控制原材料的質(zhì)量，采用電機驅(qū)動的方式對閥門開關(guān)進行實時關(guān)閉，保證優(yōu)選配比的精度。

圖5 稱重傳感單元結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure of weighing sensor unit

2.2.3 控制柜與操作臺

攪拌現(xiàn)場的控制柜中，微處理器AT9621輸出的I/O信號經(jīng)過放大驅(qū)動電路去控制繼電器，由繼電器的閉合和斷開實現(xiàn)對其他功率負載的控制。而其他生產(chǎn)過程中的正常信號及異常信號則經(jīng)過電平轉(zhuǎn)化后由微處理器AT9621的IO采集，并根據(jù)實現(xiàn)預(yù)設(shè)的軟件子系統(tǒng)進行處理。

操作臺配備手動切換開關(guān)，現(xiàn)場工作人員可以通過該操作平臺上的各種開關(guān)按鈕實現(xiàn)對整個攪拌流程的控制。其中，原材料的質(zhì)量以及攪拌時序都可以通過現(xiàn)場的LCD顯示屏進行了解，方便操作人員進行生產(chǎn)控制和調(diào)試。

2.3 智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)正常運行的核心，全混飼料攪拌機是按照預(yù)設(shè)的程序流程運行的。智能控制系統(tǒng)軟件主程序流程如圖6所示。

圖6 軟件主程序流程圖Fig.6 The flowchart of software main program

系統(tǒng)上電后，首先會經(jīng)過一系列的初始化操作，然后會設(shè)置一些參數(shù)，進而可以選擇采用自動配料或手動配料方式，接下來根據(jù)流程跳用其他個子程序進行上料攪拌等操作，實現(xiàn)全混飼料的攪拌功能。

3 全混飼料攪拌機配比設(shè)計

3.1 全混飼料攪拌機配比設(shè)計

為了確保全混飼料攪拌機原材料在攪拌過程中混合均勻，本文采用閉環(huán)反饋的控制方法對麥秸稈、小麥粉、玉米粉等流量和比例進行精準(zhǔn)控制。為了提高系統(tǒng)整體的智能化程度，本文采用微處理器驅(qū)動電機和稱重的方式嚴(yán)格控制原材料管道的流量。全混飼料攪拌機配比設(shè)計框架如圖7所示。

圖7 全混飼料攪拌機配比設(shè)計框架圖

Fig.7 The frame diagram of mix proportion design for full mixing feed mixer

本文采用驅(qū)動電機的方式控制3種物料的流量，省去了人類機械式的體力勞動，大大節(jié)省了人力財力。其中，電機1、2、3分別用于A、B、C物料管道的流量，3個電機則使用PID調(diào)節(jié)控制，極大地提高原材料混合前的比例程度。另外，在攪拌過程中，攪拌機啟停的延時、空中物料對稱量傳感器的沖擊，都會影響配料誤差。為了提高原材料配比精度，系統(tǒng)專門有一個PID調(diào)節(jié)控制部件對攪拌電機進行控制，系統(tǒng)可以根據(jù)攪拌流程實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，如開始時高速攪拌，當(dāng)流程快結(jié)束時轉(zhuǎn)為慢速攪拌。

3.2 配比結(jié)果檢驗標(biāo)準(zhǔn)

本文采用變異系數(shù)為全混飼料物料混合度評價方法，并使用大米為攪拌均勻度示蹤劑。設(shè)定變異系數(shù)在10%以下表示混合效果好；10%～20%之間表示效果一般但是可以接收；超過20%則表示不合格。全混飼料變異系數(shù)計算公式為

(1)

其中，C為全混飼料變異系數(shù)；S為示蹤劑大米含量標(biāo)準(zhǔn)差；x為示蹤劑大米含量平均值。

4 試驗結(jié)果與分析

為了驗證全混飼料攪拌機智能控制系統(tǒng)可行性與準(zhǔn)確性，進行了麥秸稈、小麥粉及玉米粉的精細混合試驗。試驗中，選用新鮮收割的麥秸稈，其含水率在15.6%左右，長度約200mm，玉米粉含水率為13.2%，小麥粉含水率16.8%；另外，作為示蹤劑的大米含水率為14.9%。試驗原材料如圖8所示。

圖8 試驗原材料Fig.8 Test raw materials

試驗中，原材料麥秸稈、小麥粉、玉米粉的比例分別為70%、15%、15%進行配比，然后對麥秸稈、小麥粉、玉米粉以及配比均勻度進行計算，即對選取的樣本中的麥秸稈、小麥粉、玉米粉及示蹤劑大米的所占比例進行計算。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果Table 1 Test result %

由表1可以看出：經(jīng)過該攪拌機配比后的全混飼料變異度全部在20%以下，有3份樣本在10%以下，說明飼料混合均勻度很高；而5份樣本中，麥秸稈、小麥粉和玉米粉都分別在75%、15%和15%左右，精度非常高，能夠達到設(shè)計要求，證明該系統(tǒng)的有效性和可行性。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖的發(fā)展需求，以全混飼料攪拌為研究對象，在混凝土攪拌車優(yōu)選配合比控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計和研究了一套全混飼料攪拌機智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件包括微處理器、稱重傳感器、可控硅、控制柜、LCD、鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)口等部件。軟件上以C語言編寫開發(fā)，可以選擇采用自動或手動兩種配料模式。試驗結(jié)果表明：該全混飼料攪拌機智能控制系統(tǒng)精度非常高，能夠達到設(shè)計要求，具有較高的有效性和可行性。