韓靜，王熙，劉超，韓華，王福麗，李琳（.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶69；.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院；.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院）

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基于PLC的規(guī)模化養(yǎng)牛場(chǎng)無(wú)線智能環(huán)境采控系統(tǒng)研究

韓靜1，王熙2，劉超1，韓華3，王福麗1，李琳1
（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院）

摘要：針對(duì)目前規(guī)?；B(yǎng)牛場(chǎng)的舍內(nèi)小氣候的變化對(duì)奶牛生產(chǎn)性能產(chǎn)生不利影響等問(wèn)題，研制出一套基于PLC的規(guī)模化養(yǎng)牛場(chǎng)全自動(dòng)無(wú)線智能環(huán)境采控系統(tǒng)。采控系統(tǒng)可以對(duì)牛舍內(nèi)溫度、濕度、有害氣體濃度等參數(shù)進(jìn)行采集和分析。PLC控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)RS-485總線與觸摸屏結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)控牛舍現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境狀況。在環(huán)境參數(shù)采控過(guò)程中可完成對(duì)歷史數(shù)據(jù)的保存、分析和處理，為奶牛繁殖及產(chǎn)奶量統(tǒng)計(jì)等信息提供分析依據(jù)。

關(guān)鍵詞：規(guī)?；慌Ｉ?；PLC；無(wú)線；環(huán)境；采控系統(tǒng)

隨著人類物質(zhì)生活水平的提高和膳食結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)畜產(chǎn)品的數(shù)量、質(zhì)量需求不斷提高，肉、蛋、奶等高蛋白畜禽產(chǎn)品在飲食結(jié)構(gòu)中所占的比重逐漸加大[1]。在此機(jī)遇下，現(xiàn)代化大型養(yǎng)殖場(chǎng)正在迅猛發(fā)展。在畜牧業(yè)的發(fā)展中，品種、飼料、疫病和環(huán)境為制約畜禽生產(chǎn)的四大主要因素，其中環(huán)境因素所起的作用約占20%～30%，隨著規(guī)?；⒓s化程度的提高，環(huán)境因素所起的制約作用也會(huì)隨之增大[2]。

目前，各高校和科研單位對(duì)奶牛養(yǎng)殖進(jìn)行了探索研究，如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)南方開(kāi)放式肉牛舍夏季噴霧降溫效果進(jìn)行了研究[3]；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)在養(yǎng)殖小區(qū)牛舍建筑規(guī)劃進(jìn)行研究；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)對(duì)寒區(qū)奶牛畜舍設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行研究[4-6]。目前，我國(guó)畜舍環(huán)境直接采用溫室環(huán)境通用控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集過(guò)程缺乏針對(duì)性，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能較弱，遠(yuǎn)程通信距離較近且價(jià)格昂貴，投入產(chǎn)出比不高，自動(dòng)控制水平還比較低，針對(duì)已有的環(huán)境自動(dòng)采控系統(tǒng)，研究與現(xiàn)代化規(guī)模養(yǎng)牛場(chǎng)相配套的全自動(dòng)無(wú)線智能環(huán)境采控系統(tǒng)[7-8]。系統(tǒng)可依據(jù)養(yǎng)牛場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行多點(diǎn)參數(shù)采集，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳送至上位機(jī)，由上位機(jī)發(fā)送控制信號(hào)啟動(dòng)養(yǎng)牛場(chǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)裝置，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)牛場(chǎng)環(huán)境全自動(dòng)無(wú)線智能控制；上位機(jī)配有大容量存儲(chǔ)器，可長(zhǎng)期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，為奶牛繁殖及產(chǎn)奶量等分析提供完善、充足的環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還可經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改移植到其它畜禽養(yǎng)殖模式，對(duì)于畜牧業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化發(fā)展有著重要意義。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于PLC的規(guī)模化養(yǎng)牛場(chǎng)無(wú)線智能環(huán)境采控系統(tǒng)以設(shè)計(jì)奶牛健康養(yǎng)殖環(huán)境控制系統(tǒng)為出發(fā)點(diǎn)，分析影響奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的各方面環(huán)境因素，通過(guò)實(shí)地調(diào)研分析牛舍的環(huán)境因素，最終確定影響奶牛生長(zhǎng)繁育的主要環(huán)境因素。針對(duì)牛舍對(duì)系統(tǒng)環(huán)境控制方面的要求，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本框架。以PLC為核心實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集處理，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)節(jié)檢測(cè)與改進(jìn)，找到最佳的控制規(guī)律并確定系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫、濕度調(diào)節(jié)，控制有害氣體的含量，改善牛舍環(huán)境，提高奶牛的生長(zhǎng)機(jī)能，營(yíng)造最有利于奶牛生長(zhǎng)繁育的小環(huán)境。對(duì)于有害氣體含量的控制，選擇監(jiān)測(cè)氨氣的含量，以此來(lái)判斷牛舍內(nèi)的有害氣體含量的高低。氨氣可燃且可溶于水有腐蝕性，一旦氨氣濃度達(dá)到一定濃度，在密閉高濕的環(huán)境下，極易導(dǎo)致動(dòng)物皮膚呼吸道感染，使奶牛生產(chǎn)水平下降，對(duì)疾病的抵抗力減弱。同時(shí)，在密閉牛舍中氨氣達(dá)到一定濃度可引發(fā)爆炸，造成巨大損失。氨氣檢測(cè)的主要意義在于氣體濃度含量反映畜舍通風(fēng)狀況和空氣的污濁程度，當(dāng)氨氣含量增加時(shí)，表明其它有害氣體含量也增高。因此，氨氣濃度通常被作為監(jiān)測(cè)空氣污染程度和安全性的可靠指標(biāo)?；谝陨显颍謩e選取溫度、濕度和氨氣的含量作為本系統(tǒng)的三大控制參數(shù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1Overall structure diagram of the system

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集牛舍的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過(guò)CPU分析后，輸出相應(yīng)控制信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)主要包括西門子S7-200系列PLC （CPU226XM）、模擬量輸入模塊（EM231）、溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、氣體濃度監(jiān)測(cè)模塊、上位機(jī)（PC）、人機(jī)界面（HMI）等。

2.1系統(tǒng)電源及驅(qū)動(dòng)設(shè)備

配電系統(tǒng)電路如圖2所示。主要元件有：接觸器（KM1等）、空氣開(kāi)關(guān)（QF1等）、熱繼電器（KR1等）、電動(dòng)機(jī)（M1等）等執(zhí)行器件。為大電壓大電流執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力電。圖2的右側(cè)部分是把220 V電源轉(zhuǎn)化為24 V控制電路所需要的電源，為PLC、觸摸屏等設(shè)備供電。

圖2　配電系統(tǒng)電路圖Fig.2Schematic of distribution system

2.2控制系統(tǒng)的硬件配置

無(wú)線智能環(huán)境采控系統(tǒng)包括傳感器、PLC以及相應(yīng)的擴(kuò)展模塊和人機(jī)界面等。根據(jù)牛舍環(huán)境控制的要求，考慮到未來(lái)功能擴(kuò)展的需要，選擇西門子（SIMENS）公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC中CPU226XP作為主控器件；擴(kuò)展EM231模擬量輸入模塊，提供4通道模擬量數(shù)據(jù)采集；采用DB420F01TS-10系列溫濕度一體變送器及MIC-500-NH3氨氣變送器。通過(guò)變送器內(nèi)部的處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)輸出。

2.2.1溫濕度變送器

系統(tǒng)采用DB420F01TS-10系列溫濕度一體變送器。通過(guò)變送器內(nèi)部的處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)輸出。本溫濕度變送器具有測(cè)量準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。DB420F01TS-10系列溫濕度變送器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）溫度：-40℃～120℃

（2）濕度：0～100%RH

（3）精度：±4.5%RH，±0.5℃

（4）功率：≤2.5 W

（5）輸出負(fù)載：250 Ω＜R＜650 Ω

2.2.2氨氣變送器

系統(tǒng)采用MIC-500-NH3氨氣變送器。固定式氨氣檢測(cè)儀采用進(jìn)口電化學(xué)式二氧化碳傳感器，具有高精度，高分辨率，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)?？蓪怏w信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)，方便處理。MIC-500-NH3變送器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）量程：0-100、1 000、5 000、50 000 ppm、100%LEL

（2）分辨率：0.01 ppm（0～100 ppm）；0.1 ppm（0～1 000 ppm）；1 ppm（0～5 000 ppm）；

（3）精度：＜±3%（F.S）

（4）響應(yīng)時(shí)間：≤45秒

（5）檢測(cè)方式：擴(kuò)散式

2.2.3無(wú)線通信設(shè)備

為了實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的通信，系統(tǒng)考慮設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)的無(wú)線通信，滿足在實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的需求。系統(tǒng)使用Port1口做自由口通信與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線通信。系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊選用上海兆富通信技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ZF02P系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品性能指標(biāo)如下：

（1）頻段：433 M ISM頻段內(nèi)，8個(gè)信道，信道通過(guò)用跳線自行設(shè)置

（2）通信方式：FSK半雙工

（3）波特率：1 200、2 400、4 800、9 600、19 200 bps

（4）輸出功率：50 mW（毫瓦）

（5）數(shù)據(jù)格式：TTL和RS232（或485）接口，數(shù)據(jù)格式8E1/8N1

（6）傳輸距離：室外空曠地1 200 m，室內(nèi)100～300 m

（7）電流：接收時(shí)25 mA；發(fā)送時(shí)100 mA

2.3信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換處理

在S7-200CPU內(nèi)部，0～20 mA模擬電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)值范圍為0～32 000；對(duì)于4～20 mA的信號(hào)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)部數(shù)值為6 400～32 000。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換公式（1）得到最終模擬量轉(zhuǎn)換值。

系統(tǒng)在控制卷簾開(kāi)關(guān)時(shí)，當(dāng)需要開(kāi)卷簾通風(fēng)，系統(tǒng)用卷簾開(kāi)的時(shí)間來(lái)控制卷簾開(kāi)度大小。具體方法為：在程序中加一個(gè)“卷簾時(shí)間”的子程序，將設(shè)置在室外的溫度變送器穿的溫度信號(hào)送入LD0，然后和設(shè)置的溫度上限LD4進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)公式（2）換算得到卷簾動(dòng)作時(shí)間LW12。

同時(shí)為輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)塊，在模塊“轉(zhuǎn)換工程單位”中編程調(diào)用功能塊“轉(zhuǎn)換所有輸入模擬量”，根據(jù)實(shí)際情況為每個(gè)測(cè)量對(duì)象分別設(shè)定其參數(shù)的量程、上下限值等，完成從WORD到REAL的轉(zhuǎn)換。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

畜禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)，完成處理分析。完成牛舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度和氣體濃度等多傳感器信息融合，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量值的計(jì)算處理。觸摸屏上同時(shí)顯示相關(guān)環(huán)境參數(shù)，并可對(duì)相關(guān)參數(shù)的目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)置。

通過(guò)啟動(dòng)按鈕控制系統(tǒng)運(yùn)行，由傳感器檢測(cè)到的溫度和相對(duì)濕度信息，送入PLC的模擬量輸入擴(kuò)展模塊，存入模擬量輸入映像寄存器AQ，首先進(jìn)行軟件濾波，然后對(duì)這些采集到的信息進(jìn)行多傳感器信息融合處理，得到實(shí)時(shí)溫濕度和氣體濃度信息，與上位機(jī)觸摸屏設(shè)定的溫度、相對(duì)濕度和氣體濃度值進(jìn)行比較，分別動(dòng)作電動(dòng)機(jī)和電磁閥，進(jìn)行升溫降溫、加濕去濕及通風(fēng)等操作，直至達(dá)到設(shè)定值。其程序流程圖如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.3Flowchart of control system program

根據(jù)系統(tǒng)的控制與操作要求，在滿足操作的直觀性、方便性等要求下，設(shè)計(jì)如圖4所示的觸摸屏顯示界面。觸摸屏可以顯示當(dāng)前環(huán)境參數(shù)；對(duì)風(fēng)機(jī)和閥門等執(zhí)行元件的手動(dòng)自動(dòng)切換，當(dāng)調(diào)到手動(dòng)模式時(shí)，可利用按鈕打開(kāi)或關(guān)閉相關(guān)設(shè)備；對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)0到9的數(shù)值鍵盤，即可設(shè)置需要的參數(shù)。

4　結(jié)論

良好的環(huán)境對(duì)奶牛的生長(zhǎng)和繁殖起到至關(guān)重要的作用，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了牛舍溫度、濕度和有害氣體含量信號(hào)的采集與處理，通過(guò)RS-485總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)PLC采集數(shù)據(jù)與觸摸屏控制相結(jié)合，可完成對(duì)歷史數(shù)據(jù)的保存、分析處理，實(shí)時(shí)顯示牛舍現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境狀況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)牛舍環(huán)境的監(jiān)控。

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中還存在問(wèn)題，比如卷簾還不能實(shí)時(shí)跟隨溫度變化而改變其開(kāi)度大小，只能在達(dá)到溫度限定值的時(shí)候才會(huì)動(dòng)作，在溫度控制還有一定波動(dòng)。其次，應(yīng)結(jié)合畜禽養(yǎng)殖的特點(diǎn)，研究多種環(huán)境參數(shù)在控制時(shí)的平衡點(diǎn)，以改善畜禽生長(zhǎng)環(huán)境、有效提高畜產(chǎn)品的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

圖4　觸摸屏顯示界面Fig.4Interface of touch-screen display

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Research on Automatic Wireless Smart Environmental Controller Based on PLC in Large-scale Cattle Farm

Han Jing1，Wang Xi2，Liu Chao1，Han Hua3，Wang Fuli1，Li Lin1
（1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University；3.College of Animal Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University）

Abstract:In view of the negative influence of the microclimate change to productivity of cows inside the barn，a set of automatic wireless smart environment control system based on PLC for the present large-scale cattle farms was developed.The control system gathered the parameters，such as temperature，humidity，concentration of harmful gases，then analyzed this parameters.The parameters of PLC controls field through RS-485 bus was combined with touch screen in order to real-time monitor the environmental conditions barn scene.The history data would be saved，and analyzed and processed during wireless environment control process，which provided the basis for the statistic information of cow breeding and milk production.

Key words：scale；barn；PLC；wireless；environment；control system

中圖分類號(hào)：S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-2090（2016）01-0088-05

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.020

收稿日期：2015-03-17

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳項(xiàng)目（12531466）。

作者簡(jiǎn)介：韓靜（1975-），女，副教授，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)在讀博士研究生，現(xiàn)主要從事數(shù)字畜牧業(yè)的研究工作。

通訊作者：王熙，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：ndwangxi@163.com。