范留偉++高惠芳++王建軍++蔡麗陽

摘 要：提出了基于PLC和MCGS的豬舍環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。下位機(jī)使用PLC作為核心控制器，將溫濕度傳感器、氨氣濃度傳感器采集回來的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，按照給定的法則驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)豬舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。上位機(jī)采用MCGS組態(tài)軟件編制人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)顯示等功能。

關(guān)鍵詞：豬舍環(huán)境；自動(dòng)控制；PLC；MCGS

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

隨著人們生活水平的日益提高，對(duì)禽蛋肉奶的需求量越來越多，而中國(guó)的傳統(tǒng)葷菜中很多有名的菜肴都是基于豬肉制作的，因而，大規(guī)模的養(yǎng)豬對(duì)于國(guó)計(jì)民生有著極其重要的意義。散養(yǎng)模式由于生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、出欄量少且效益低下，已經(jīng)被逐漸淘汰；中小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)由于投資門檻低，國(guó)家扶持力度大，因而在現(xiàn)今中國(guó)廣泛存在，但是應(yīng)該注意隨著國(guó)家政策的收緊，這些養(yǎng)殖場(chǎng)如果不升級(jí)設(shè)備，提高管理水平，在未來的激烈競(jìng)爭(zhēng)中勢(shì)必處于劣勢(shì)；現(xiàn)代化大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)以其高水平的管理方式和科學(xué)合理的統(tǒng)籌安排，尤其是先進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的輔助，極大地提高了養(yǎng)殖密度，降低了疫病的發(fā)生，節(jié)省了養(yǎng)殖成本，并且能夠準(zhǔn)確估計(jì)上市天數(shù)和重量。因而豬舍環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究顯得格外重要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本研究提出了基于無錫信捷公司研制的帶有4路模擬量輸入的XD-E4AD可編程控制器（PLC）和MCGS組態(tài)軟件的豬舍環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將溫濕度傳感器（AW3020）和氨氣傳感器（TGS826）采集到的豬舍環(huán)境參數(shù)送入現(xiàn)場(chǎng)PLC中，由現(xiàn)場(chǎng)PLC將其與各參數(shù)預(yù)設(shè)的限值進(jìn)行比較分析，發(fā)出相應(yīng)的指令來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，調(diào)節(jié)豬舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境的自動(dòng)化控制。另外，現(xiàn)場(chǎng)PLC通過ZigBee模塊將各環(huán)境參數(shù)值無線傳輸至辦公室端的ZigBee模塊中，其接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后通過RS 485接口傳輸?shù)娇刂破脚_(tái)——昆侖通態(tài)的觸摸屏，然后采用MCGS組態(tài)軟件完成控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)操作的人性化和過程的可視化。其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)示意圖

2 PLC的I/O結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該豬舍控制系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式：手動(dòng)模式是指出現(xiàn)應(yīng)急情況等一些突發(fā)事件時(shí)，通過手動(dòng)操作來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作；而自動(dòng)模式就是一旦設(shè)定好初值，完全無需人工參與，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的往復(fù)循環(huán)的采集數(shù)據(jù)并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。PLC控制系統(tǒng)的I/O結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)由PLC控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、執(zhí)行單元、供電單元和通信單元組成。

圖2 PLC的I/O結(jié)構(gòu)圖

該P(yáng)LC控制系統(tǒng)將溫濕度傳感器AW3020采集的溫度、濕度測(cè)量值（2路模擬量）及氨氣濃度傳感器TGS826采集的氨氣濃度測(cè)量值（1路模擬量），經(jīng)相應(yīng)的模擬量輸入接口將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入控制單元，存儲(chǔ)在PLC數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；PLC通過控制算法將采集的參數(shù)與已給定的值進(jìn)行分析處理，得到控制策略，輸出開關(guān)量，驅(qū)動(dòng)繼電器，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如風(fēng)機(jī)、濕簾、遮陽簾、通風(fēng)小窗等）動(dòng)作與否。

圖中手動(dòng)/自動(dòng)切換旋鈕可以讓操作者選擇想要的控制模式，啟動(dòng)按鈕和停止按鈕只在手動(dòng)模式下才起作用。圖中的限位開關(guān)是用來反饋遮陽簾伸展或卷起時(shí)是否達(dá)到了指定位置的信號(hào)給PLC，從而控制濕簾電機(jī)停止與否。給水電磁閥與濕簾是一體的，當(dāng)濕簾打開時(shí)，需要由給水電磁閥控制給水量。供熱閥門在冬季氣溫較低由鍋爐供暖時(shí)控制熱氣供應(yīng)與否。通訊單元用來完成下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用無錫信捷公司研制的一款型號(hào)為XD-E4AD的PLC，其具有4通道模擬量輸入，可以選擇電壓輸入和電流輸入兩種模式，其中電壓輸入0～5 V、0～10 V可選，電流輸入0～20 mA、4～20 mA可選，2通道模擬量輸出，可以選擇14位的高精度模擬量輸入，作為XD系列的特殊功能模塊，最多可在PLC主單元右邊連接10臺(tái)XD-E4AD2DA模塊。

深圳市誠(chéng)立信傳感有限公司的AW3020電流輸出型溫濕度變送器，它采用高質(zhì)量集成式數(shù)字溫濕度傳感器AM2302作探頭，保證了變送器優(yōu)良的穩(wěn)定性、低延滯性、以及強(qiáng)抗化學(xué)污染能力，且更換維護(hù)方便，成本較低，輸出為4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。廣泛應(yīng)用于諸如超市、圖書館、生產(chǎn)車間、工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)藥化工等場(chǎng)所。

氨氣濃度的測(cè)量范圍為15～20 ppm，測(cè)量誤差為±3%，選用日本FIGRO公司生產(chǎn)的TGS826氨氣傳感器作為檢測(cè)元件，其具有靈敏度高、應(yīng)用電路簡(jiǎn)單、陶瓷基底、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，得到PLC的輸入/輸出信號(hào)，進(jìn)而確定PLC的I/O端子為16個(gè)數(shù)字量輸入、3個(gè)模擬量輸入、11個(gè)數(shù)字量輸出。輸入端口和輸出端口分配表分別見表1和表2。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制理論研究

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得出豬生長(zhǎng)的適宜溫度T為15～21 ℃，適宜相對(duì)濕度RH為60%～75%，氨氣濃度應(yīng)當(dāng)保持在15ppm以下。如何為豬只創(chuàng)造適宜的溫濕環(huán)境，提高生產(chǎn)能力，增加經(jīng)濟(jì)收益，已成為畜牧工程技術(shù)工作者的重要任務(wù)。因此，因地制宜的研究適合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和經(jīng)濟(jì)承受能力的豬舍環(huán)境控制理論勢(shì)在必行。

溫度和濕度對(duì)于養(yǎng)殖是最為重要的，而且溫度和濕度這兩個(gè)環(huán)境因子關(guān)系密切，應(yīng)綜合考慮，因而本設(shè)計(jì)采用基于THI（溫濕度指數(shù)）和濕度（RH）的控制方案。THI的計(jì)算公式：

THI=0.81*Td+（0.99*Td-14.3）*RH+46.3

Td為舍內(nèi)溫度值，RH為百分相對(duì)濕度值。

將THI根據(jù)三個(gè)預(yù)設(shè)值劃分為四個(gè)區(qū)間，對(duì)應(yīng)四種熱應(yīng)激狀態(tài)。當(dāng)THI小于最小設(shè)定值（min）時(shí)，對(duì)應(yīng)無應(yīng)激狀態(tài)，記為標(biāo)號(hào)1；當(dāng)THI大于最小設(shè)定值（min）而小于中間設(shè)定值（mid）時(shí)，對(duì)應(yīng)輕微熱應(yīng)激狀態(tài)，記為標(biāo)號(hào)2；當(dāng)THI大于中間設(shè)定值（mid）而小于最大設(shè)定值（max）時(shí)，對(duì)應(yīng)中度熱應(yīng)激狀態(tài)，記為標(biāo)號(hào)3；當(dāng)THI大于最大設(shè)定值（max）時(shí)，對(duì)應(yīng)嚴(yán)重?zé)釕?yīng)激狀態(tài)，記為標(biāo)號(hào)4。min，mid，max的典型值分別是72，79，89，可根據(jù)不同的地域和時(shí)間進(jìn)行微調(diào)。

RH的上、中、下限對(duì)應(yīng)的典型值分別是90%、80%、25%，當(dāng)然根據(jù)實(shí)際應(yīng)用調(diào)整。同樣可以按照上面的情況劃分為四個(gè)區(qū)間，依次記為標(biāo)號(hào)1、2、3、4。連同上面THI的四個(gè)區(qū)間共得到16種工作狀態(tài)，如表3所示。這16種工作狀態(tài)可以根據(jù)需要合理安排對(duì)應(yīng)的控制策略。

氨氣對(duì)于豬舍的環(huán)境影響最為惡劣，對(duì)豬和工作人員的身體都是極為有害的，一旦累計(jì)到足夠的濃度必須及時(shí)排除，典型的容忍值為15～20 ppm。對(duì)于它的調(diào)控，目前最有效的手段就是通風(fēng)，必要時(shí)可以開啟濕簾，因?yàn)榘睔饽軌蛉苡谒??？紤]到它的毒性，安裝報(bào)警裝置是很有必要的，一旦超過最高限度，發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員小心，此時(shí)需要帶上防毒口罩進(jìn)入豬舍作業(yè)。同樣將其劃分為四個(gè)區(qū)間。當(dāng)小于15 ppm時(shí)，不動(dòng)作；大于15 ppm，開啟1號(hào)風(fēng)機(jī)；大于18 ppm，增開2號(hào)風(fēng)機(jī)；大于20 ppm，增開濕簾，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4.2 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)春夏秋冬四季外部環(huán)境的不同，制定兩種工作模式：夏季模式，冬季模式。每種模式基本控制思想是一致的，但側(cè)重的量不一樣。以南方為例，夏季高溫潮濕，主要考慮降溫和除濕；冬季寒冷潮濕，主要考慮升溫和除濕的問題。

以夏季高溫模式為例，詳細(xì)說明溫濕度控制的設(shè)計(jì)思想：

目標(biāo)：豬舍中的溫度控制在26 ℃左右，濕度控制在65% RH左右。

硬件：風(fēng)機(jī)、濕簾、遮陽簾。遮陽簾能夠遮擋陽光，在夏季中午時(shí)分光照充足的情況下打開，能夠迅速有效地降低舍內(nèi)溫度。風(fēng)機(jī)-濕簾降溫系統(tǒng)是指在豬舍一端安裝濕簾，另一端安裝風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)向外排風(fēng)時(shí)舍內(nèi)形成負(fù)壓，空氣便從濕簾那方進(jìn)入，空氣在流過有水的濕簾時(shí)，溫度就會(huì)降低，這些冷空氣進(jìn)入豬舍內(nèi)與豬體皮膚接觸即可有效降低豬的體表溫度。這是豬場(chǎng)降溫效果較好的一種方式，不僅溫度降低了，而且加強(qiáng)了空氣流通，能在一定程度上預(yù)防細(xì)菌的滋生繁衍。

設(shè)計(jì)思想：首先依據(jù)給定值合理地得出THI和RH的min、mid、max值，將其輸入到PLC中。溫濕度傳感器將檢測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)輸入到PLC輸入端子，PLC定時(shí)讀取溫濕度測(cè)量值，并對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的處理數(shù)據(jù)為當(dāng)前的溫度T（℃）和相對(duì)濕度S（%）的實(shí)際值，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到觸摸屏上，便于觀察。同時(shí)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，確定當(dāng)前環(huán)境處于16種工作狀態(tài)的哪一種。假如處在第0、1、4種狀態(tài)，不需要任何動(dòng)作；處在第2、5、8種狀態(tài)，打開1號(hào)風(fēng)機(jī)；處在3、6、7、12種狀態(tài)，繼續(xù)打開2號(hào)風(fēng)機(jī)；處在第9、13、14、15種狀態(tài)，濕簾啟動(dòng)；處在第10、11種狀態(tài)，遮陽簾開啟。如果策略有效，溫濕度的值就會(huì)降低，根據(jù)需要按照反方向依次關(guān)閉遮陽簾、濕簾、2號(hào)風(fēng)機(jī)、1號(hào)風(fēng)機(jī)。

4.2.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

具體以溫度超出上限為例，給出軟件設(shè)計(jì)流程圖，其他的量的控制大同小異。

5 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

MCGS是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。共三個(gè)版本，本設(shè)計(jì)選用通用版。圖4是設(shè)計(jì)的監(jiān)控畫面。

圖3 溫度升高時(shí)PLC控制程序流程圖

圖4 MCGS人機(jī)界面

打開MCGS組態(tài)軟件，進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境，可以看到設(shè)計(jì)的界面一目了然、友好簡(jiǎn)潔。面板不僅能夠動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)顯示各環(huán)境因子的當(dāng)前值，而且以動(dòng)畫的形式來直觀地顯示相關(guān)執(zhí)行設(shè)備是否運(yùn)行。此外，軟件能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)存貯起來，方便管理員日后查詢或者制作歷史曲線，為智能決策提供依據(jù)。用戶還能隨時(shí)通過面板上的控制按鈕來調(diào)整各環(huán)境參數(shù)的上下限值，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

6 結(jié) 語

隨著我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，自動(dòng)化控制必將是大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC和MCGS的智能豬舍環(huán)境控制系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在嘉興市五豐牧業(yè)有限公司安裝運(yùn)行，經(jīng)初步測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，取得了良好的控制效果，具有一定的推廣價(jià)值。

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