Design of automatic control system with remote pneumatic conveying feeding system based on PLC
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摘要:
为提高水产养殖投饵的自动化和工业化水平，满足现代水产养殖精确投饵的需要，研发了国内第一套远程气力输送自动投饵系统，并设计了以PLC为控制核心，集编程、传感器等技术为一体的自动化控制系统。介绍了设备的主要结构、工作原理、控制系统硬件选型及编程方法。在GX-DEVELOPER-8.34环境下采用梯形图语言编制系统运行和监控软件，实现投饵作业的精确计量、自动控制和人性化操作。检测结果表明，该自动投饵系统基本达到设计要求，风机排气压力在49.0 kPa时管道远程输送距离达到300 m以上，投饵速率达1 586 kg ·h-1，证明该设备能有效提高投饵效率和质量。
Abstract:In order to improve feeding automatization and industrialization level of feeding and meet the needs for fish feeding during modern aquaculture production, remote pneumatic conveying automatic feeding system was developed, and the automatic control for the feeding system integrated with programmable logic controller (PLC) and sensor was successfully designed. PLC was used as control core in the system, which was integrated kinds of techniques including programming and sensors, etc. The primary structure, and working principle of the feeding system, selection of controlling system hardware and measures for programming methods were also introduced. Feeding operation with accurate quantification, automatic control and humanization operationman-machine friendliness was realized and monitored through the system software programmed with the ladder diagram language, which run in the environment of GX-DEVELOPER-8.34. Test results on feeding system showed that it can handle up to 300 m feeding pipe at 1 586 kg · h-1 when discharge pressure was 49.0 kPa, which proved that the feeding system could can improve feeding efficiency and meet quality effectively.
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可编程序控制器(programmable logic controller，PLC)于1969年问世，至今已被广泛应用于汽车制造、冶金、化工、轻工、机械、电力、建筑和运输等诸多工业控制领域[1]。比较而言，PLC在水产养殖工程领域的应用较少[2-4]。相对于中国水产养殖业发展的数量和规模，水产养殖自动控制技术与装备的研发相对滞后，机械化和自动化水平均较低，其中国内相对大型的设施养殖如深水抗风浪网箱养殖、高密度工厂化养殖、水库大水面网箱养殖和大面积池塘养殖等缺乏相配套的工业化自动控制设备和技术[5-8]。中国水产养殖生产目前主要使用人工投饵，人工投饵存在劳动强度大、喂料技术因人而异、饲料落点不均匀等缺点，导致局部区域饵料残留过多，引致水域环境恶化。中国现有的投饵机主要是在小型池塘养殖上使用的机械式简易投饵机。这类投饵机大多存在定时不准确、可靠性低、投饵与间歇时间设置不合理、投饵距离不可调、饵料损耗高和储料量小等诸多缺点[9-10]。人工投饵和现有的简易投饵机均无法满足中国水产养殖规模化、现代化和自动化发展的需要。因此，开展自动投饵设备和技术方面的研究，研制和推广符合中国国情的、操作相对简便且经济性较高的自动投饵设备和技术，是迈向工业化水产养殖的重要标志。基于PLC的自动控制系统应用于水产养殖投饵, 将为水产养殖业的机械化和自动化带来一种全新的尝试。配备PLC自动控制系统的投饵设备具有高效率、高可靠性和高适用性的特点，它可以通过简单修改控制程序和控制参数而适用于大型海(淡)水网箱养殖、工厂化养殖和池塘养殖等。
1. 远程气力输送自动投饵系统构成和流程
远程气力输送自动投饵技术是一种高效养殖配套技术。采用低压压送式气力输送技术将饲料输送并抛撒到养殖水面[11]，可以实现全天候全自动高效精确投饵，从而达到节约劳力、提高饲料利用率和养殖效率的目的。
远程气力输送自动投饵系统方案尤其充分考虑深水网箱养殖生产现场远离海岸且自然条件复杂多变的特点，力求实现设备自身提供动力，封闭式自动控制，且性能稳定的技术目标。在同一养殖对象的不同养殖阶段，投饵次数和投饵量等养殖工艺参数通常会有比较大的变化，采用先进的PLC控制技术可以提高投饵参数修改的便利性并简化设备的调试过程，提高自动投饵的效率和可靠性，方便操作和使用。
该投饵系统由进料、供气、传输、动力、控制和降噪等6套子系统构成。系统原理和工作流程见图 1。起动电机起动柴油机，柴油机带动风机工作，风机使管道中形成高速低压空气流，旋转供料器和加速器向管道中添加饲料，饲料颗粒在高速气流驱动下经过分配器沿指定管道向不同目标养殖水域输送，在管道末端由撒料器将饲料均匀抛洒到养殖水面。分配器可将饲料的输送途径在通向不同养殖水域的管道之间切换，实现一投饵系统对多目标养殖水域投饵。
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图 1 远程气力输送自动投饵系统流程示意图Figure 1. Flow chart of remote pneumatic conveying automatic feeding system此系统选用PLC作为控制核心，使投饵系统可以按照每日的投饵要求自动启动并全自动地对多个目标水域进行定时、定量投饵，保证投饵行为准时且精确。控制柜内的PLC控制起动电机、油门控制器、排空阀、旋转供料器、分配器和吸料机的运行(图 2)。PLC使各被控制部件实现如下基本功能：起动电机定时自动运行；油门控制器配合起动电机完成柴油机的起动动作，并通过控制油门使系统变换输出功率或者停机；排空阀使风机在无负载条件下起动或停止，以及在特定时间点实现自动启闭，保证输送管道压力维持在安全范围；旋转供料器将贮料仓内的饲料添加到管道内，且能在各规定的时间点自动运行与停止；吸料机自动向贮料仓补充饲料，维持贮料仓内饲料量处于适当水平；分配器滑动接头在接近开关的配合下自动在不同管道之间切换，使饲料通过不同的管道到达指定的投饵水域。
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图 2 远程气力输送自动投饵系统结构和控制部件示意图1. 大料仓；2. 柴油机；3. 起动电机；4. 控制柜；5. 罗茨风机；6. 发电机；7. 蓄电池；8. 贮料仓；9. 吸料机；10. 旋转供料器电机和减速器；11. 排空阀；12. 旋转供料器；13. 分配器；14. 分配器滑动头；15. 接近开关；16. 分支管道接头；17. 加速器；18. 分配器电机和减速机Figure 2. Structure and control unit schematic diagram of remote pneumatic conveying automatic feeding system1. large bin; 2. diesel engine; 3. starting motor; 4. control cabinet; 5. roots blower; 6. generator; 7. battery; 8. silo; 9. suction machine; 10. motor and reducer of rotation feeder; 11. emptying machine; 12. rotation feeder; 13. distributor; 14. sliding joint of distributor; 15. proximity switch; 16. joint of branch pipeline; 17. accelerator; 18. motor and reducer of distributor2. 远程气力输送自动投饵控制系统设计
要实现整套系统的定时自动启动并完成上述工作流程，必须使被控各部件协调工作，完成一系列的动作程序，并明确各动作之间的连锁关系，保障投饵系统运行的安全性和动作的准确性。PLC是自动控制系统的核心，其它相关的电气元件如交流接触器、中间继电器等将PLC的指令传达到各电机和执行器；电感式接近开关用于判断分配器滑动接头所处的位置，起到定位和反馈的作用[12]。PLC程序指挥各电子元件准确无误地完成一系列的投饵动作。如上所述，控制系统的构建包括硬件方面的电气元件组成和电路的设计以及软件方面控制程序的编写和调试。控制程序是严格以硬件结构为基础而编写，硬件系统设计和程序开发互为关联，巧妙提高硬件应变能力的同时最大限度实现程度简化。
2.1 控制系统总体方案设计及功能实现
该系统选用MITSUBISHI FX2n-64MR-D PLC，结合CHINT CJX1-9交流接触器、OMRON MY4NJ和MK2P-I中间继电器以及LJ12A3-4-Z/BX电感式接近开关等电器元件一同组成控制系统的硬件(图 3)。供料器、吸料机和分配器滑动接头均由电动机驱动。控制对象的电动机主要由交流接触器和中间继电器完成起、停控制。油门控制器主要由RAINSSION RC-10电动执行器和自行设计的机械部件构成，通过控制电动执行器的起、停、正转、反转和运行时间(转动角度)来控制油门的启、闭和油门量。排空阀就是附加了电动执行器的球阀，通过控制电动执行器的正、反转和运行时间实现球阀的启、闭。因此，2个电动执行器电动机均要采用正、反转控制。接近开关信号作为PLC的输入信号，用以分配器滑动接头的定位。
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图 3 自动控制系统硬件构成和控制柜内布局示意图1. OMRON MY4NJ中间继电器；2. OMRON MK2P-I中间继电器；3. CHINT CJX1-9交流接触器Figure 3. Schematic diagram of hardware structure and control cabinet layout of automatic control system1. OMRON MY4NJ intermediate relay; 2. OMRON MK2P-I intermediate relay; 3. CHINT CJX1-9 AC contactor自动投饵系统配备一台常工动力柴油机，柴油机运行时为分配器电机、供料器电机和吸料机供电，同时为蓄电池充电。柴油机启动之前的系统电力由蓄电池提供，包括排空阀电动执行器、油门电动执行器和PLC电源等。因此，系统电路为交流和直流并存(图 4)。交流主电路中有3台电动机，分配器电动机M1、供料器电动机M2和吸料机电动机M3。分配器电动机由交流接触器KM4和KM5的2组主触点构成电动机的正反转接线。供料器电动机M2和吸料机电动机M3分别由交流接触器KM3和KM1的主触点控制其接通与断开。交流主电路中发电机还通过充电机为蓄电池组充电，以便蓄电池组为直流电路提供电源。直流电路中有以下3台电动机：油门电动执行器电机M4、排空阀电动执行器电机M5和D起动电机M6。油门电动执行器电机M4由中间继电器KM6和KM7的2组主触点构成电动机的正反转接线。排空阀电动执行器电机M5由中间继电器KM8和KM9的2组主触点构成电动机的正反转接线。D起动电机M6由中间继电器KM10的主触点控制其接通与断开。
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图 4 远程气力输送自动投饵控制系统主电路示意图Figure 4. Main circuit of remote pneumatic conveying automatic control feeding system自动投饵装置动作复杂，功能较多，采用PLC控制需要的输入输出点数较多，因此选用三菱FX2n-64MR-D型可满足上述功能的要求。根据自动投饵装置操作控制要求，设计PLC控制电路原理图(图 5)，相应的PLC输入/输出接口功能表见表 1和表 2。
表 1 远程气力输送自动投饵系统PLC输入接口功能表Table 1. PLC interface input function table of remote pneumatic conveying automatic control feeding system输入口
input port工位名称
work station name输入元件
input elementsX0 停止 按钮SB1 X1 自动运行模式 按钮SB2 X2 手动运行模式 按钮SB3 X3 手动柴油机起动 按钮SB4 X4 吸料机手动接通 按钮SB5 X5 吸料机手动断开 按钮SB X6 供料器手动运行 按钮SB7 X7 供料器手动停止 按钮SB X10 排空阀手动开启 按钮SB9 X11 排空阀手动关闭 按钮SB10 X12 1#位选择 按钮SB11 X13 2#位选择 按钮SB12 X14 3#位选择 按钮SB13 X15 4#位选择 按钮SB14 X16 5#位选择 按钮SB15 X17 6#位选择 按钮SB16 X20 1#位定位 电感式接近开关SQ1 X21 2#位定位 电感式接近开关SQ2 X22 3#位定位 电感式接近开关SQ3 X23 4#位定位 电感式接近开关SQ4 X24 5#位定位 电感式接近开关SQ5 X25 6#位定位 电感式接近开关SQ6 X26 交流检测 CHINT CJX1-9交流接触器KM11 X27~X37 9个输入点备用 表 2 远程气力输送自动投饵系统PLC输出接口功能表Table 2. PLC interface output function table of remote pneumatic conveying automatic control feeding system输入口
input port工位名称
work station name输入元件
input elementsY0 吸料机接通 CHINT CJX1-9交流接触器KM1 Y1 充电机接通 OMRON MY4NJ中间继电器KM2 & CHINT CJX1-9交流接触器 Y2 供料器运行 OMRON MY4NJ中间继电器KM3 & CHINT CJX1-9交流接触器 Y3 分配器正转 OMRON MY4NJ中间继电器KM4 & CHINT CJX1-9交流接触器 Y4 分配器反转 OMRON MY4NJ中间继电器KM5 & CHINT CJX1-9交流接触器 Y5 油门电动执行器正转(调大油门) 中间继电器OMRON MY4NJ KM6 Y6 油门电动执行器反转(调小油门) 中间继电器OMRON MY4NJ KM7 Y7 排空阀电动执行器正转(排空阀开启) 中间继电器OMRON MY4NJ KM8 Y10 排空阀电动执行器反转(排空阀关闭) 中间继电器OMRON MY4NJ KM9 Y11 起动机运行 OMRON MK2P-I中间继电器KM10 Y12 自动运行模式指示 绿色指示灯 Y13 手动运行模式指示 黄色指示灯 Y14 柴油机运行指示(交流电路通电) 绿色指示灯 Y15 吸料机接通指示 绿色指示灯 Y16 供料器运行指示 绿色指示灯 Y17 排空阀开启指示 绿色指示灯 Y20 排空阀关闭指示 黄色指示灯 Y21 1#位指示 黄色指示灯 Y22 2#位指示 黄色指示灯 Y23 3#位指示 黄色指示灯 Y24 4#位指示 黄色指示灯 Y25 5#位指示 黄色指示灯 Y26 6#位指示 黄色指示灯 Y25~Y37 9个输出口备用 2.2 PLC控制程序设计
根据自动投饵装置的控制流程(图 6)，结合PLC控制电路在GX-DEVELOPER-8.34编程环境下使用梯形图语言(又称为继电器梯形逻辑图编程语言)编制PLC控制程序[13]。根据期望实现的控制功能将控制流程分割成多个功能模块，先编制各功能模块的程序，再将这些程序嵌入到主程序中结合其它辅助程序完成最终的编程。主程序主要包括手动和自动2种模式的选择和切换以及各功能模块程序之间的顺序和连锁关系等。各功能模块的程序主要包括柴油机的手动起动和停止、手动吸料、手动供料、分配器管道的手动切换和系统的自动投饵程序模块。辅助程序主要是自动模式下柴油机定时自动起动，计算单位时间内的投饵次数，系统运行状况监测和报警程序等。以下简要介绍柴油机起停控制、分配器手动切换和系统自动运行程序的实现。
2.2.1 柴油机起停程序实现
如图 7和图 5所示，按下柴油机启动按钮SB3，触点X3接通，柴油机油门控制器正转(Y5动作)T0时间，使油门由0位到30%位；油门到位后，起动电机运行(Y11动作)T1时间，起动柴油机；起动电机停止后油门控制器正转T2时间，使油门由30%位到70%位，使柴油机达到额定转速，完成柴油机的起动动作。
2.2.2 分配器模块程序实现
通过图 8所示程序，操作者指定任一投饵水域，按下相应的按钮，分配器滑动头就可切换到指定管道。例如，假设滑动头的初始位置在2#(2#感应开关SQ2接通，X21常闭触点断开)，现要对6#网箱投饵，按下6#位选择按钮SB16，X17常开触点闭合，图 8中下面部分程序无动作，上面部分程序动作，分配器电机正转，直到滑动头移动到6#位置，6#感应开关SQ6触发，X25常闭触点断开，分配器电机停止正转，滑动头定位在6#网箱投饵管道位置，实现投饵要求。
2.2.3 自动投饵模块程序实现
该程序模块主要包括自动控制模式下，柴油机的自动启动、油门自动控制、排空阀的自动启闭、供料器的运行和停止、分配器的自动切换和系统的自动停止等功能的实现，主要是实现了图 6所示自动控制部分的功能。
3. 结语
(1) 该投饵系统采用低压压送式气力输送原理，对输送过程使用的关键部件进行特别的设计，以满足颗粒状饲料的输送和投喂要求。使用低压空气将饲料输送到养殖水面，较好地降低了饲料颗粒的破碎率。同时，较低的输送温度，减小了输送过程中饲料内油份的挥发，有效地保持了饲料的营养成分。2007年9月针对整套投饵系统开展了深水网箱养殖现场试验和初步测试。结果表明，样机基本达到设计要求，风机排气压力在49.0 kPa时管道远程输送试验距离达到300 m以上，投饵速率达1 586 kg · h-1以上，完全满足设计指标要求。
(2) 该设备首次将基于PLC的自动控制系统应用于水产养殖投饵领域，使该设备具有高效率和高适用性且操作简便的特点。采用PLC、传感器等构成的饲料投喂控制系统，不仅具有良好的可靠性和快速性，控制的精度高和准确性强，整个投饵系统完全能满足深水网箱养殖等用户的需要，还可以根据用户的实际需要对投饵系统进行扩展、修改和强化，在大水面池塘养殖和工厂化养殖中推广应用。
(3) 该系统样机仍有待进一步提高智能化水平，强化投饵程序和控制软件的开发，建立便捷的人机交流模式，并可在此基础上结合各种监测、反馈设备(水下摄像机、传感器等)，并开发远程遥控功能。目前，PLC共富余18个I/O接口，为今后系统的升级和扩展预留了空间。
随着科学技术的发展，各种技术不断涌现，投饵设备的智能化和远程控制是未来水产养殖投饵技术的发展方向，远程气力输送自动投饵系统有着广阔的应用前景。
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图 1 远程气力输送自动投饵系统流程示意图
Figure 1. Flow chart of remote pneumatic conveying automatic feeding system
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图 2 远程气力输送自动投饵系统结构和控制部件示意图
1. 大料仓；2. 柴油机；3. 起动电机；4. 控制柜；5. 罗茨风机；6. 发电机；7. 蓄电池；8. 贮料仓；9. 吸料机；10. 旋转供料器电机和减速器；11. 排空阀；12. 旋转供料器；13. 分配器；14. 分配器滑动头；15. 接近开关；16. 分支管道接头；17. 加速器；18. 分配器电机和减速机
Figure 2. Structure and control unit schematic diagram of remote pneumatic conveying automatic feeding system
1. large bin; 2. diesel engine; 3. starting motor; 4. control cabinet; 5. roots blower; 6. generator; 7. battery; 8. silo; 9. suction machine; 10. motor and reducer of rotation feeder; 11. emptying machine; 12. rotation feeder; 13. distributor; 14. sliding joint of distributor; 15. proximity switch; 16. joint of branch pipeline; 17. accelerator; 18. motor and reducer of distributor
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图 3 自动控制系统硬件构成和控制柜内布局示意图
1. OMRON MY4NJ中间继电器；2. OMRON MK2P-I中间继电器；3. CHINT CJX1-9交流接触器
Figure 3. Schematic diagram of hardware structure and control cabinet layout of automatic control system
1. OMRON MY4NJ intermediate relay; 2. OMRON MK2P-I intermediate relay; 3. CHINT CJX1-9 AC contactor
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图 4 远程气力输送自动投饵控制系统主电路示意图
Figure 4. Main circuit of remote pneumatic conveying automatic control feeding system
表 1 远程气力输送自动投饵系统PLC输入接口功能表
Table 1 PLC interface input function table of remote pneumatic conveying automatic control feeding system
输入口
input port工位名称
work station name输入元件
input elementsX0 停止 按钮SB1 X1 自动运行模式 按钮SB2 X2 手动运行模式 按钮SB3 X3 手动柴油机起动 按钮SB4 X4 吸料机手动接通 按钮SB5 X5 吸料机手动断开 按钮SB X6 供料器手动运行 按钮SB7 X7 供料器手动停止 按钮SB X10 排空阀手动开启 按钮SB9 X11 排空阀手动关闭 按钮SB10 X12 1#位选择 按钮SB11 X13 2#位选择 按钮SB12 X14 3#位选择 按钮SB13 X15 4#位选择 按钮SB14 X16 5#位选择 按钮SB15 X17 6#位选择 按钮SB16 X20 1#位定位 电感式接近开关SQ1 X21 2#位定位 电感式接近开关SQ2 X22 3#位定位 电感式接近开关SQ3 X23 4#位定位 电感式接近开关SQ4 X24 5#位定位 电感式接近开关SQ5 X25 6#位定位 电感式接近开关SQ6 X26 交流检测 CHINT CJX1-9交流接触器KM11 X27~X37 9个输入点备用 
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表 2 远程气力输送自动投饵系统PLC输出接口功能表
Table 2 PLC interface output function table of remote pneumatic conveying automatic control feeding system
输入口
input port工位名称
work station name输入元件
input elementsY0 吸料机接通 CHINT CJX1-9交流接触器KM1 Y1 充电机接通 OMRON MY4NJ中间继电器KM2 & CHINT CJX1-9交流接触器 Y2 供料器运行 OMRON MY4NJ中间继电器KM3 & CHINT CJX1-9交流接触器 Y3 分配器正转 OMRON MY4NJ中间继电器KM4 & CHINT CJX1-9交流接触器 Y4 分配器反转 OMRON MY4NJ中间继电器KM5 & CHINT CJX1-9交流接触器 Y5 油门电动执行器正转(调大油门) 中间继电器OMRON MY4NJ KM6 Y6 油门电动执行器反转(调小油门) 中间继电器OMRON MY4NJ KM7 Y7 排空阀电动执行器正转(排空阀开启) 中间继电器OMRON MY4NJ KM8 Y10 排空阀电动执行器反转(排空阀关闭) 中间继电器OMRON MY4NJ KM9 Y11 起动机运行 OMRON MK2P-I中间继电器KM10 Y12 自动运行模式指示 绿色指示灯 Y13 手动运行模式指示 黄色指示灯 Y14 柴油机运行指示(交流电路通电) 绿色指示灯 Y15 吸料机接通指示 绿色指示灯 Y16 供料器运行指示 绿色指示灯 Y17 排空阀开启指示 绿色指示灯 Y20 排空阀关闭指示 黄色指示灯 Y21 1#位指示 黄色指示灯 Y22 2#位指示 黄色指示灯 Y23 3#位指示 黄色指示灯 Y24 4#位指示 黄色指示灯 Y25 5#位指示 黄色指示灯 Y26 6#位指示 黄色指示灯 Y25~Y37 9个输出口备用
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