为减少人工操作带来的误差，进一步提高工作效率和机器产能，同时加强产品稳定性和工艺执行的精确性，众多行业已大面使用自动化生产系统与技术[1-3]。农业农村部对全国饲料生产的调研报告[4]指出，2019年我国饲料产业受生猪产能下滑和国际贸易形势变化等影响，全国工业饲料产值和产量下降。饲料产业的发展虽然受到一定影响，但饲料企业集约化、规模化仍是重要的发展趋势。饲料生产过程中提高自动化程度对于提高饲料产能和产品品质、节约生产成本具有重要作用[5]。因此，文章通过介绍可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）工作原理与相关模块及在饲料生产上的应用，为饲料自动化生产的进一步发展提供参考。1PLC简介PLC是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，利用编程的储存器和梯形图等语言，有效的控制工业生产设备与全套自动化系统[6]。PLC作为当今工业生产自动化的重要组成部分，在工业生产、顺序调控以及高精度产品制造的应用中体现较强的优势[7]。1.1PLC基本结构单元PLC由电源、中央处理器（central processing unit，CPU）、储存器、输入、输出单元等组成。PLC系统的电源由系统的复杂程度决定，微型PLC系统可以通过电池插入而直接供电，体积庞大且更为复杂的PLC系统需要通过外接电源以交流或直流电形式供电[8]。CPU是PLC系统的核心部件，由控制器、运算器和寄存器等部件构成，通过执行系统内固定存在的程序而实现其功能[9]。存储器由具有记忆功能的半导体电路构成，其主要功能为保存系统程序、用户程序、逻辑变量等信息。储存器内的系统程序由PLC生产厂家编写完成，且用户不能进行访问及其他个性化操作[10]。输入、输出单元以图形交互形式集成于PLC系统上，与CPU进行连接并操作，但部分模块化PLC系统需的输入、输出单元是以外接形式进行操作[11]。1.2PLC编程语言PLC在自动化应用层面较为广泛，通过互联网远程控制可以更有效地调控生产线、整合资源甚至控制整个工厂的生产[12]，通过促进PLC编程语言标准化更有利于其应用和推广。Huuck[13]认为虽然PLC系统在标准IEC 61131-3中有明确定义，但需要根据实际使用情况进行优化。目前使用的PLC编程语言囊括了复杂的图形语言和一些简单的低级编程语言，可以基本满足大众化需求[14]。PLC编程最常见的方法是用继电器逻辑梯形图的形式设计所需的控制电路，然后把梯形图输入到编程终端，终端再将梯形图转换为代码，转存于PLC系统的储存器中，除此之外还有其他更为复杂的编程方式。1.3PLC的应用领域简介PLC作为自动化、智能化生产的重要技术，在环境保护、新能源利用、工业制造等多方面具有广泛应用。Bayindir等[15]开发一种以PLC和工业无线局域网技术（IWLAN）为主要控制元件的水泵控制系统，通过水泵装置内的液体位置，通过压力变送器和限制开关的输入，向水泵发送信号以实现整个装置的开启与关闭，并在输出设备上显示液体位置等信息。Ting等[16]利用PLC技术将风力发电装置与风冷机组结合，通过识别风力机转速与机身温度而在指定条件下对发电装置与风冷机进行自动干预。Dhanabalan等[17]利用现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）对多模数转换器PLC系统进行优化，优化后的PLC系统对信号的扫描时间可低至13.17 μs。尹玉珍等[18]利用PLC负责控制饲料生产设备的运行并获取运行状态及故障信息，传感系统采集现场数据信息，利用互联网对获取数据进行管理，动态展示工艺流程等相关信息，饲料生产过程中有效提高配料效率和精度，尹玉珍等[18]的配料数据分析见表1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.01.027.T001表1配料数据分析原料仓号第1批次饲料抽样第2批次饲料抽样质量差值/kg系统控制精度/%质量差值/kg系统控制精度/%21.20.061.20.064-4.40.22-5.60.286-2.60.13-1.40.07100.80.041.20.0611-1.20.061.00.0512-2.00.01-1.60.0816-1.20.060.60.0317-1.40.07-3.00.1520-1.00.05-0.80.0422-1.80.09-1.80.0923-1.60.08-1.80.092400-0.40.022PLC的优势与劣势分析2.1PLC的优势PLC在硬件方面与电脑大体相似，但在工业自动化应用方面仍具有电脑所不具备的优势，Alphonsus等[14]对PLC的优势进行系统总结，主要优势包括：（1）PLC系统硬件相对牢固，可以在声音嘈杂的工厂内长期使用而不会因噪音震动引起仪器损坏。（2）工作模块标准化，新模块/单元添加更为便捷。（3）信号水平和输入/输出单元已有准化定义，方便推广应用。（4）相比于机电设备和继电器逻辑控制系统每次打开会产生物理磨损，PLC更为可靠和稳定。（5）编程系统相对容易，同时允许在电脑上对PLC程序进行开发应用，且可以通过仿真软件进行模拟评价，方便在系统成形之前找出问题并解决问题。（6）广泛的应用基础，PLC软件在众多行业支持广泛的离散和模拟应用。（7）成本低、资源占用少，PLC的成本与规模在有显著改善，一个功能强大的微型PLC可以便于携带，且价格低于300美元。（8）控制能力增强，即使PLC制造成本和使用成本在逐步降低，但PLC对工业系统的控制能力却在扩大。在拥有众多专利和国际网络标准对控制进行联网和分配的能力的条件下，PLC可以控制整个工厂乃至整个制造系统。2.2PLC的局限性除了PLC在工业自动化生产普遍应用外，电脑也逐步在自动化领域大面积推广。自动化生产中电脑可视为PLC的主要竞争对手，因此本节根据二者特性，对PLC的局限性做出分析：（1） 相比于电脑，PLC发展速度相对偏慢，其功能远不及个人电脑。（2） 使用相对陈旧的奔腾处理器的个人电脑的运算速度不亚于最新款PLC的运算速度。（3） 电脑更新换代比PLC快。（4） 电脑的储存容量以Tb计，但PLC储存能力仍在Mb，甚至kb范围内。（5） 电脑在全球范围供应速度快，只要有需要可以很快购入并使用。（6） 电脑程序开发人员众多，使得电脑的硬件和软件兼容性与易用性飞速提升。（7） 电脑可以提供工业生产集成解决方案，通过集成PLC、人机交互和终端编程功能，利用逻辑软件可以模拟整个PLC系统的功能。电脑与PLC在工业自动化生产中各有优势和劣势，主要根据自动化程度与市场需要来决定。Ahshan等[19]在对低成本小型风力发电机的自动化控制研究中指出，PLC的应用成本相对低廉，在此操作中不需要强大的计算能力，因此在该领域PLC更为经济有效。3PLC在饲料生产上的应用3.1PLC在配料系统自动化上的应用目前，饲料生产自动化使以实现配料自动化和称量打包自动化为主，国内计算机配料系统主要有3种形式：电脑+数据采集卡+料绞龙点动配料；电脑+数据采集卡+变频器+料绞龙点动配料；工业专用电脑+PLC结合分布式控制。前两者自动化配料形式具有抗电磁干扰能力差、维护成本高、电脑易损坏和板卡替代性差等缺陷，因此以工业专用电脑+PLC技术方式较为普遍。此种操作模式下，保证自动化系统控制功能与系统稳定性有所增强，并且能兼容多种通信协议，可以利用互联网进行远程操[20]。电脑+PLC技术在长时间使用下，维护成本低，即使硬件受损也能很快进行更新。高保泰等[21]使用滤波技术结合PLC技术对饲料配料控制系统的研究中发现，两项技术结合系统数据采集的最大误差仅为0.2，满足饲料生产高精度的要求，两项技术结合使用不仅提高饲料配料精度且将平均配料时间从25 min降低至18 min，还节约人力、提高劳动生产效率，提高饲料生产企业的经济效益。张小亮[22]开发的基于PLC和组态王的微量物质自动配料系统，使用下位机-上位机的分布控制模式，下位机使用西门子S7-1200控制，上位机使用Dell工控机，配合北京亚控的组态王配SQL Server数据库。结果表明，利用多环误差校验算法，配料误差在0.3%以内，且配料总时间在90 s以内,在同行业中占据领先优势，项目已投入饲料生产厂家稳定运行8个月。3.2PLC在称量系统自动化的应用在控制器、称量传感器等设备齐全的条件下，利用PLC技术可以实现饲料称重与包装自动化，宋志峰[23]认为，应用PLC技术实现饲料称重打包自动化的企业，应用电阻应变式传感器较为普遍，电阻应变式传感器主要分为半导体应变式和金属丝电阻应变式两大类。虽然金属丝电阻应变式传感器重复性好、精度高、线度优良且不同温度下性能稳定性强，但在实际的饲料称量和自动包装系统中仍以半导体应变式传感器居多，主要因为其使用的便捷性；自动称量打包系统中，控制器的选择对于发挥PLC的最大效率只管重要，因为在此过程中既需要实现开关量控制，又要满足分辨率较高的模拟通道。冯美英等[24]认为，除PLC系统外，称量打包系统其他零部件相关的电子元件及供电电压也对PLC系统效率和精度影响极大，PLC系统控制下的称量打包装置需要定期检测相关元件以保证工艺和产品稳定。吴文君[25]在设计PLC对饲料称量打包系统的控制研究中指出，在称斗上安装2个S梁式应变式拉力传感器，将质量信号转换成电压信号，电压信号经放大器放大后传输至PLC模拟量模块中，在达到饲料包装规格要求的质量后，PLC停止机器下料并打开称斗门，以控制饲料进入包装袋打包而后传输至储存板，此种设计可以高效完成饲料称量打包，节约大量人力。3.3PLC在饲料质量控制上的应用饲料质量控制对于提高饲料产品市场竞争力和提升动物生产性能具有重要意义，我国饲料产量巨大，利用手工操作方式进行检测具有工作效率低和精度差两大缺陷。冯美英[26]针对目前黄曲霉毒素B1手工检测模式利用PLC来实现自动控制，所设计的检测系统包括黄曲霉毒素B1检测样品自动处理装置，溶剂量取装置、混合溶解装置和样品提取装置，及PLC控制系统流程图和PLC控制接线图，研究中所设计的系统可以实现对待检饲料样品进行称重处理，量取50.0 mL甲醇水（1：1）溶液作为提取液，甲醇水液体与待检样品的自动混合，通过PLC系统设定检测样品提取值，自动修正待测样品质量，控制称量误差和质量自动补偿机制，自动保健和停止运行等功能。植物提取物在饲料行业的应用逐步广泛，对于提取物工艺执行程度和工作效率的提升是影响其在饲料产品效果和推广的重要因素。孙晓平等[27]采用基于以太网环网的三级控制模式对传统中药提取进行自动化改造及智能化制造的研究，控制系统以西门子中大型PLCS7-1500作为主站和灵活紧凑型PLCS7-1200作为从站，采用分散式控制，运行结果表明该系统极大提高了工艺执行度、产品质量，并有效降低人工成本、减少原料损耗、降低设备运行故障率、节约用电量。肖文豪[28] 对下料控制、配料称重、搅拌混合3个环节进行分析研究，设计出PLC饲料生产线控制系统，以工控机作为主控终端，利用PLC作为开关量输入输出及配料称重采集模块，可达到对配料生产全过程控制的目的，同时利用RS-232串口通信方式完成PLC与工控机之间的数据传输，利用SQL Server2000数据库，保证饲料生产过程中原料配方及产品生产、原料消耗等信息的合理存储，实际运行结果表明，该系统操作便捷、易于使用，配料精度（±0.5 kg）显著提升、有效保证各营养要素符合企业制定的产品标准、极大提高了饲料企业的生产效益。3.4PLC在生产设备控制的应用为改善人工调节调质温度不足之处，邹和东[29]使用RS232标准接口结合触摸屏控制技术对饲料制粒过程进行优化，在蒸汽管路中增加电动阀替代原手动调节蒸汽量的截止阀处，温度传感器和电动阀由PLC进行控制，操作人员可以通过触摸显示屏对调质温度进行设定，该系统极大提高了制粒机工作效率，同时保证了饲料颗粒的稳定性。张宜钢等[30]开发一种以PLC为基础，以光电编码器达到闭环控制，用步进电机驱动具有掉电保护的全自动环形饲料模深孔钻系统，该系统基本工艺要求为钻削头转速4 000~8 500 r/min，滑台进给速度40~100 mm/min，转盘转动转速1 r/min且减速比为120，转盘移动速度为1 mm/s，且具有掉压保护，该控制系统包含FX2-80MT主单元和一个16点的输入单元及4个步进电机，滑台移动选用步距角为0.9°二相八拍驱动电机，转盘转动以一个0.9°二相八拍驱动的电机驱动。此项饲料模深孔钻机使得环模孔径的开口更为精确，更有利于饲料制粒达到指定工艺。4结论以PLC技术构建的自动化控制系统在工业生产中使用广泛，优势与局限性并存，但通过与其他系统相互结合，在饲料自动化生产中体现出较大优势，可以有效提升配料称量与打包称量精度、节约时间、降低人工成本。PCL应用于饲料自动化生产还可以大幅度提高机械设备产能，由于其便捷性与维护成本低等特点，可以有效提高饲料企业的经济效益。