趙毅 趙爾迪 王偉 安鶴峰

摘要：根據(jù)國(guó)內(nèi)奶牛飼喂技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，采用PLC驅(qū)動(dòng)飼喂機(jī)器人完成定位、給料、前后行走、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。介紹PLC技術(shù)的主要特點(diǎn)、控制原理，以及PLC技術(shù)與計(jì)算機(jī)的通信程序，為提高飼喂機(jī)器人的給料精度提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC；奶牛飼喂；設(shè)計(jì)；機(jī)器人；通信

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）02-0030-03

奶牛業(yè)在我國(guó)畜牧業(yè)中占有舉足輕重的地位。奶牛飼喂分為傳統(tǒng)飼喂技術(shù)、TMR飼喂技術(shù)和飼喂機(jī)器人技術(shù)3種，與這3種飼喂技術(shù)配套的設(shè)備都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。

1 奶牛飼喂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)牛場(chǎng)普遍采用傳統(tǒng)飼喂技術(shù)。傳統(tǒng)飼喂技術(shù)有兩種方式：一是粗精飼料分類喂飼，將青貯、干草、塊根、糟渣類和精飼料分別喂給奶牛，每日3次擠奶、3次上槽飼喂。我國(guó)絕大部分奶牛場(chǎng)仍采用這種飼喂方式。二是經(jīng)機(jī)械或人工攪拌后混合喂飼。傳統(tǒng)飼喂技術(shù)易造成奶牛挑食和搶食現(xiàn)象，且飼喂過程繁瑣，機(jī)械化作業(yè)困難，需要大量人工，生產(chǎn)率低。針對(duì)這一問題，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)60年代開始推廣應(yīng)用一種新的飼喂技術(shù)——全混合日糧飼喂方式（TOTAL Mixed Ration，TMR），我國(guó)于20世紀(jì)80年代引入該技術(shù)。TMR飼喂采用先進(jìn)的控制方式，將奶牛的精飼料和粗飼料加工調(diào)制、攪拌混合、送料及喂料連成一體化，能夠使不同階段的牛群飼養(yǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化、定量化和營(yíng)養(yǎng)均衡化。研究表明：該技術(shù)可以有效增加奶牛對(duì)飼料中干物質(zhì)的需求，提高牛奶中蛋白質(zhì)和脂肪的含量，簡(jiǎn)化飼養(yǎng)程序，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)奶量約10%；受精/懷孕比從1.63提高至2.27；懷孕時(shí)間從395 d縮短到372 d。該飼喂方式也存在一些缺點(diǎn)，如成本過高、無(wú)法實(shí)現(xiàn)個(gè)體奶牛的飼喂等。而利用飼喂機(jī)器人（如圖1所示）代替人工作業(yè)，就可以有效地解決這個(gè)難題。通過PLC的精確自動(dòng)控制，可以提高飼料利用率以及產(chǎn)奶率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少浪費(fèi)，進(jìn)一步提高牛場(chǎng)的投入產(chǎn)出比。 2 PLC技術(shù)的主要特點(diǎn)及控制原理

2.1 PLC技術(shù)的主要特點(diǎn)

可編程序控制器（PLC）因具有功能性強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、易于編程及適應(yīng)工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用等一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。使用其作為系統(tǒng)的核心，不僅可使控制系統(tǒng)體積減小、功能易于擴(kuò)展、系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定，還可大幅降低成本。PLC的主要特點(diǎn)為：1） 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；2） 控制程序編程簡(jiǎn)單，多數(shù)采用繼電器控制線路的梯形圖形式，具有很好的柔性；3） 豐富的I/O接口模塊，與外部設(shè)備連接方便，功能完善；4） 適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活；5） 體積小、質(zhì)量輕，是“機(jī)電一體化”特有的產(chǎn)品。

2.2 PLC飼喂控制原理

控制電路以PLC為核心。PLC接收嵌入式計(jì)算機(jī)的指令（同時(shí)向計(jì)算機(jī)發(fā)送相應(yīng)響應(yīng)），驅(qū)動(dòng)周邊控制器件，以完成機(jī)器人的定位、給料、前后行走、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。采用PLC控制伺服電機(jī)，可使伺服電機(jī)控制螺旋桿更加精確地完成給料動(dòng)作。該種方式的工作流程為：計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)將飼喂量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)字符串→數(shù)據(jù)字符串指令發(fā)送給PLC→PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成給定的步進(jìn)量，完成飼喂過程。流程如圖2所示。

通過軌道運(yùn)行的飼喂機(jī)器人按奶牛個(gè)體體況飼喂相應(yīng)的飼料。機(jī)器人由一個(gè)精料料斗和一個(gè)青貯料倉(cāng)組成，懸掛于牛舍上部的工字鋼上，使用完全免維護(hù)的長(zhǎng)效電池驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在工字鋼上運(yùn)行到牛上方進(jìn)行給料。

3 PLC與嵌入式計(jì)算機(jī)的通信程序設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，PLC已得到廣泛而深入的應(yīng)用，然而它也存在一些固有的缺點(diǎn)，如數(shù)據(jù)的計(jì)算處理和管理能力較弱、無(wú)法提供人性化的交互界面等。將PLC與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)能彌補(bǔ)這些不足，兩者結(jié)合的橋梁為PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信。現(xiàn)以松下PLC-FP0為例，討論P(yáng)LC與計(jì)算機(jī)通信的規(guī)范和程序設(shè)計(jì)。

3.1 通信原理及規(guī)范

計(jì)算機(jī)與PLC間的通信一般采用RS485或RS232接口，信息交換以“幀”的格式進(jìn)行。信息幀由ASCII字符串組成，其通信規(guī)范采用松下電工公司專用通信協(xié)議——MEWTOCOL-COM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在以計(jì)算機(jī)作為主站、PLC為從站的通信網(wǎng)絡(luò)中，通信由主站發(fā)起，將命令幀發(fā)向從站，從站以響應(yīng)幀或錯(cuò)誤幀作應(yīng)答。MEWTOCOL-COM協(xié)議對(duì)命令幀、響應(yīng)幀及錯(cuò)誤幀格式做了嚴(yán)格規(guī)定。

在圖3所示的命令幀格式中：%OR<為MEWTOCOL-COM的命令幀開始標(biāo)志，以%開頭的信息幀單幀最大長(zhǎng)度為118字節(jié)，<為擴(kuò)展頭，單幀最大長(zhǎng)度可達(dá)2048字節(jié)；H，L為站地址的高位與低位；#為命令幀標(biāo)識(shí)碼；命令代碼由兩個(gè)字節(jié)組成，讀寫IR/SR區(qū)時(shí)為RR和WR，讀寫DM區(qū)時(shí)為RD和WD；BCC為兩個(gè)字節(jié)的塊檢查碼，由從幀開始標(biāo)志起到文本數(shù)據(jù)最后一個(gè)字節(jié)止的各字節(jié)相或得到；CR為回車結(jié)束符。在發(fā)送多幀命令時(shí)用字符“&”連接。

值得注意的是，在多幀命令發(fā)送的過程中，一幀發(fā)送后，只有當(dāng)PLC發(fā)回響應(yīng)消息后，下一幀才能發(fā)送。

圖4所示為錯(cuò)誤幀格式，其中“！”為錯(cuò)誤幀標(biāo)識(shí)碼；“Err”為兩字節(jié)的錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)碼。

計(jì)算機(jī)運(yùn)用MEWTOCOL-COM協(xié)議提供的命令對(duì)PLC的寄存器（X）、寄存器（Y）、數(shù)據(jù)寄存器（D）、定時(shí)器（T）、輔助寄存器（R）、計(jì)數(shù)器（C）進(jìn)行讀寫及監(jiān)控。不同的命令將通過命令幀中的命令代碼來(lái)區(qū)別，MEWTOCOL-COM指令見表1。

3.2 通信程序的設(shè)計(jì)

上位機(jī)的通信程序基于C++語(yǔ)言編寫，將各PLC讀寫命令以函數(shù)的形式封裝到一個(gè)串行通信類CAccessPLC中。

3.2.1 CAN總線 CAN是Controller Area Network的縮寫，是ISO*1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。飼喂機(jī)器人的通信控制程序?yàn)椋?/p>

voidCAccessCan：：StartAccessCan（）

{if（IsRun（）） return；

m_CANRecv.m_pAccessCan = this；

StartThread（）；}

voidCAccessCan：：StopAccessCan（）

{StopThread（）；}

DWORD CAccessCan：：RunThread（）

while（！IsThreadAborted（））

{Sleep（50）；

m_CANRecv.Start（）；

WriteStationIDs（）；}

return 0；}

voidCAccessCan：：WriteStationIDs（）

{m_CANRecv.Start（）；

for （size_ti=0； iGetMilkStationDataNum（）； i++）

CAN_PACKET Pkt；

//設(shè)置CAN Packet

memset（&Pkt;， sizeof（CAN_PACKET）， 0 ）；

Pkt.dwType = CAN_PACKET_TYPE_STANDARD；

Pkt.dwID = 1；

Pkt.dwPrio = 0；

Pkt.dwDatLen = 8；

m_CANRecv.WriteCAN（&Pkt;）；

strcpy（command， commandstr）；

//定義BCC的高位和低位字符

char BCC_H， BCC_L；

3.2.2 生成BCC函數(shù)

charCAccessPLC：： exor（const char*rs， intlen， char*pH， char*pL）

{if （len<=0） return -1；

chareo；

if （len==1） eo =*rs；

elseeo = （*rs）^exor（rs+1，len-1， NULL， NULL）；

if（pH &&pL;）

{if （ （eo>>4） < 0xA ） *pH = （eo>>4） + 0x30；

Else*pH = （eo>>4） + 0x37；

if （ （eo& 0x0F） < 0xA ）

*pL = （eo& 0x0F） + 0x30；

Else*pL = （eo& 0x0F） + 0x37；}

returneo；}

3.2.3 接收響應(yīng) 由于PLC與計(jì)算機(jī)的串行通信有一定延遲，所以在發(fā)送完一條指令后，應(yīng)該等待一段時(shí)間再進(jìn)行響應(yīng)數(shù)據(jù)接收。

4 結(jié)論

機(jī)器人控制系統(tǒng)采用上、下機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，將管理和控制分離開來(lái)。機(jī)器人的控制作為下位機(jī)以嵌入式微處理實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。上位機(jī)為工業(yè)PC，主要實(shí)施奶牛場(chǎng)的管理。通過在牛舍安裝軌道，簡(jiǎn)化移動(dòng)式飼喂機(jī)器人的自主導(dǎo)航和定位，降低其控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，為低價(jià)格飼喂機(jī)器人的推廣和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。飼喂機(jī)器人的研究和開發(fā)，能夠推進(jìn)畜牧業(yè)的自動(dòng)化和奶牛場(chǎng)的科學(xué)管理，提高奶牛的產(chǎn)奶量和身體健康水平，可在奶牛場(chǎng)廣泛推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 范冠雄.基于Visual C++的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問技術(shù)比較研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010（1）：54-57.

[2] 楊存志，李源源，楊旭，等.FR-200型奶牛智能化精確飼喂機(jī)器人的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（2）：120-122.

[3] 李源源，王軍，閆景鳳，等.奶牛精確飼喂機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013（11）：36-37.