李鑫安，譚鶴群,2，艾正茂

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 湖北 武漢 430070）

集約化、規(guī)模化養(yǎng)殖場飼養(yǎng)密度高，致使溫度、濕度、有害氣體濃度等環(huán)境參數(shù)對畜禽生長的影響尤為突出。舍內(nèi)環(huán)境問題引起的畜禽應(yīng)激反應(yīng)，會導(dǎo)致畜禽生產(chǎn)性能與產(chǎn)品品質(zhì)降低，嚴(yán)重時還可能引起畜禽死亡，造成大量的經(jīng)濟損失［1-2］。此外，畜禽舍內(nèi)有害氣體如氨氣、硫化氫、二氧化碳、甲烷以及臭味氣體等［3-4］的濃度與時間、季節(jié)、畜禽舍空間分布以及畜禽不同生長階段等因素有緊密關(guān)聯(lián)［5-7］，給舍內(nèi)有害氣體濃度控制帶來了困難，對畜禽舍內(nèi)有害氣體濃度監(jiān)測提出了更高的要求。

為滿足畜禽舍有害氣體濃度長期持續(xù)監(jiān)測的需要，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。代小蓉等［8］采用多點布置采樣器形式對華東地區(qū)保育豬舍進(jìn)行了為期1 年的連續(xù)監(jiān)測，研究結(jié)果表明豬舍二氧化碳濃度分布呈現(xiàn)白天高夜晚低趨勢，氨氣濃度分布呈現(xiàn)下午與傍晚高上午低，夏季高于其他季節(jié)的趨勢。Salvador Calvet 等［9］將無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)與電化學(xué)氣體濃度傳感器結(jié)合，對畜禽舍內(nèi)不同位置處CO2濃度空間分布情況進(jìn)行監(jiān)測，并評估了該系統(tǒng)在畜禽舍的適用性。高云等［10］在樓房豬舍的頂層、中間層和底層布置無線氣體傳感器，持續(xù)監(jiān)測了不同樓層豬舍熱環(huán)境和有害氣體濃度等環(huán)境參數(shù)。王嬌嬌等［11］設(shè)計了1 種基于無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的豬舍環(huán)境監(jiān)測綜合系統(tǒng)，該系統(tǒng)可擴充傳感器節(jié)點的種類和數(shù)量，實現(xiàn)豬舍內(nèi)多測量點氣體監(jiān)測。無線傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)具有組網(wǎng)快速、價格適中、使用方便的特點［12］，廣泛應(yīng)用于畜禽環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。但畜禽舍空氣濕度大、粉塵多以及有害氣體相互交叉干擾，往往會影響檢測精度以及信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，造成信息數(shù)據(jù)包丟失［9,13］。此外，電化學(xué)氣體濃度傳感器存在易老化、壽命短的問題［14］，不利于實現(xiàn)畜禽舍環(huán)境因子長期持續(xù)的監(jiān)測要求。

為解決上述問題，本研究基于西門子S7-200 smart PLC 設(shè)計了畜禽舍多路氣體采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可依序采集畜禽舍內(nèi)不同區(qū)域的待測氣體，搭配可調(diào)諧吸收光譜（TDLAS）氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)或氣體分析儀可實現(xiàn)畜禽舍內(nèi)多區(qū)域、長期持續(xù)的在線監(jiān)測，為精準(zhǔn)調(diào)控畜禽舍環(huán)境與研究畜禽舍有害氣體分布規(guī)律提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

為充分利用TDLAS 氣體濃度檢測系統(tǒng)或氣體分析儀檢測精度高、穩(wěn)定性高、使用壽命長的特點，實現(xiàn)多區(qū)域檢測以此有效降低檢測系統(tǒng)配置成本，采集系統(tǒng)應(yīng)可根據(jù)實際使用需求靈活布置采集管路的路數(shù)與長度。此外，氣體采集系統(tǒng)要求解決畜禽舍內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下氣體采集、傳輸以及干燥處理問題，使待測氣體在不失真條件下滿足氣體檢測系統(tǒng)要求。因此對系統(tǒng)有如下要求：系統(tǒng)可通過手動或自動模式采集待測樣氣；分析回路顆粒物粒徑小于0.3 μm；管路加熱溫度約98 ℃；采集系統(tǒng)整體滯后時間應(yīng)小于60 s［15］；系統(tǒng)泄漏率與檢測誤差應(yīng)滿足HJT 47—1999（煙氣采樣器技術(shù)條件）采樣標(biāo)準(zhǔn)。

如圖1 所示，氣體采集系統(tǒng)采用PLC 作為下位機控制系統(tǒng)硬件，可編程控制器通過分析溫度、壓力、流量傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)管路狀態(tài)監(jiān)控，PLC 根據(jù)程序觸發(fā)高低電平變化控制分組電磁閥、真空泵、電熱帶等執(zhí)行元件。下位機通過OPC 服務(wù)器技術(shù)與上位機監(jiān)控軟件LabVIEW 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)讀取以及命令發(fā)送。

圖1 氣體采集系統(tǒng)示意圖Fig.1 Gas collection system schematic diagram

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 氣路設(shè)計

如圖2 所示，氣體采集與輸送氣路由電磁閥、溫度傳感器、差壓傳感器、流量傳感器、真空泵以及管路等組成。采集裝置當(dāng)前可完成3 路氣體的采集任務(wù)，實際應(yīng)用時可根據(jù)監(jiān)測需求添加采集管路。此外，由于規(guī)?；笄萆醿?nèi)空間大，采樣管布置跨度較大，因此系統(tǒng)采取旁通回路與分析回路同步工作方案以減少待測樣氣在管路的滯后時間，提高整個檢測系統(tǒng)效率與精準(zhǔn)度。系統(tǒng)滯后時間主要由分析回路抽真空與進(jìn)氣時間決定，以最大采集長度20 m 計算，系統(tǒng)單路采集用時設(shè)置為50 s。

圖2 采集系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Gas path structure of acquisition system

2.2 硬件選型

2.2.1 系統(tǒng)主控 畜禽舍內(nèi)工況復(fù)雜，空氣濕度大、粉塵顆粒多，對系統(tǒng)主控的抗干擾性與連續(xù)工作穩(wěn)定性提出更高的要求，因此本系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的SMATIC S7-200 smart PLC 作為主控。根據(jù)系統(tǒng)對輸入/ 輸出點的數(shù)量要求，選用CPU 模塊型號為SR30，模擬量輸入模塊型號為EM AE04。該選型具有18 個數(shù)字量輸入、12 個數(shù)字量輸出、4 個模擬量輸入，該組合最多可完成7 路氣體采集，添加拓展模塊滿足更多管路采集需求。PLC 的I/O 口地址分配見表1。電氣原理圖如圖3 所示。

表1 PLC I/O 口地址分配表Table 1 I/O Distribution table of the control system

圖3 采集系統(tǒng)電氣連接圖Fig.3 Electrical connection diagram of gas collection system

2.2.2 其他硬件選型 采集系統(tǒng)氣體采集以及輸送動力來源于泵吸，根據(jù)真空度以及流速要求采用型號為HC-G5440DCB 真空泵。為過濾待測樣氣中的顆粒物雜質(zhì)，采集系統(tǒng)采用型號為FP-2T 的二級過濾器。系統(tǒng)管路采用耐腐蝕、耐高溫、吸附性低的聚四氟乙烯（PTEE）采樣管。為降低氨氣吸附于管路對檢測結(jié)果的影響，對分析回路采用型號為HYBRG-D42-B2 的電熱帶進(jìn)行伴熱處理，溫度控制使用PLC 自帶的PID 控制工具，通過優(yōu)化增益、積分時間、微分時間等參數(shù)，將分析回路中的管路溫度控制在89 ℃左右［16-17］，以降低氨氣在水汽和管路中的吸附，提高系統(tǒng)檢測精度［18］。溫度、壓力以及流速傳感器用來感知系統(tǒng)狀態(tài)，其中采用穩(wěn)定性與線性響應(yīng)性較好的Pt100 鉑電阻搭配變送器模塊實現(xiàn)對管路溫度監(jiān)測、采用型號為SPRA001D的差壓傳感器實現(xiàn)對管路壓力監(jiān)測、采用型號為CAFS5000 的氣體質(zhì)量流量傳感器實現(xiàn)對管路氣流速度監(jiān)測。各硬件具體參數(shù)如表2 所示。

表2 系統(tǒng)硬件參數(shù)Table 2 System hardware parameters

3 軟件程序設(shè)計

3.1 PLC 控制程序

采用SIMATIC STEP7 軟件為S7-200 smart PLC編寫控制程序，程序包括：主程序、管路控制子程序、標(biāo)定子程序、管路測漏子程序以及故障報警子程序等。主程序存放在組織塊OB1 中，通過調(diào)用子程序或功能塊實現(xiàn)采集系統(tǒng)自動循環(huán)采集功能、手動采集功能。管路控制子程序通過控制泵體與電磁閥實現(xiàn)采集功能（圖4）。

圖4 采集工作流程圖Fig.4 Gas collection workflow

標(biāo)定子程序用于采集標(biāo)準(zhǔn)氣，協(xié)助完成檢測儀器的標(biāo)定任務(wù)。管路測漏子程序用于檢測采集系統(tǒng)氣密性。故障報警子程序用于讀取各傳感器狀態(tài)，判斷系統(tǒng)伴熱是否正常、管路有無堵塞等問題。

采集系統(tǒng)執(zhí)行采集任務(wù)時，可根據(jù)上位機指令選定自動采集、手動采集以及系統(tǒng)標(biāo)定3 種不同的采集模式。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為自動采集模式時，采集系統(tǒng)將依照管路序號自動完成管路布置區(qū)域氣體采集工作（圖4（a）所示）。以1 號管路為例，首先對氣室及其管路進(jìn)行沖洗，當(dāng)沖洗時間達(dá)到20 s 后沖洗氣室流程停止，2 臺真空泵率先工作，1 臺將分析回路抽至真空狀態(tài)，以減少氣室及管路殘留氣體對檢測造成干擾。另一臺將1 號管所在畜禽舍內(nèi)區(qū)域的氣體抽進(jìn)快速旁通回路。當(dāng)分析回路真空度達(dá)到預(yù)定值時，兩位三通電磁閥V 將分析回路與一號管路導(dǎo)通，分析回路真空泵持續(xù)工作70 s（該參數(shù)根據(jù)氣室大小以及流量確定）將待測區(qū)域氣體吸進(jìn)檢測氣室，檢測系統(tǒng)將對一號管所在區(qū)域的氣體濃度進(jìn)行檢測。采集系統(tǒng)將依據(jù)系統(tǒng)標(biāo)號（1-N-1）依次循環(huán)完成各管路的采集任務(wù)，當(dāng)自動采集模式停止時，系統(tǒng)將繼續(xù)執(zhí)行完當(dāng)前管路采集與檢測任務(wù)后回到初始狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為手動采集模式時，操作者根據(jù)上位機圖形界面選擇待采集管路，采集系統(tǒng)將依照上述工作流程完成采集工作。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為濃度標(biāo)定模式時（圖4（b）所示），將標(biāo)定管路連接特定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣瓶或氣體稀釋裝置。當(dāng)真空泵將分析管路抽至預(yù)設(shè)真空度（50 kPa），分析回路與標(biāo)定管路導(dǎo)通，管路通過負(fù)壓將標(biāo)準(zhǔn)氣吸入氣室，負(fù)壓充氣時間設(shè)定為70 s，待氣體均勻充填至氣室，啟動檢測系統(tǒng)完成后續(xù)標(biāo)定工作。

3.2 上位機監(jiān)控界面設(shè)計

上位機軟件采用美國儀器公司軟件LabVIEW 2018 進(jìn)行圖形界面設(shè)計。OPC 服務(wù)器作為中間媒介負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)源讀取數(shù)據(jù)再跟另外一端的客戶端通信，與此同時客上位機戶端也可以向服務(wù)器寫入數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)上位機客戶端與下位機的數(shù)據(jù)通信［19-20］。PLC 通過以太網(wǎng)通信模塊將程序變量地址與NIOPC 服務(wù)器的變量地址綁定，將數(shù)據(jù)信息存儲到NI-OPC 服務(wù)器，LabVIEW 作為OPC 客戶端通過數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊讀寫OPC 服務(wù)器中網(wǎng)絡(luò)共享變量，實現(xiàn)上位機LabVIEW 與下位機PLC 之間數(shù)據(jù)通信。

上位機圖形監(jiān)控界面由管理員登錄界面、自動采集監(jiān)控界面、手動采集界面、標(biāo)定采集界面以及數(shù)據(jù)存儲界面等組成。管理員登錄界面用于用戶認(rèn)證；自動采集界面主要用于監(jiān)控各傳感器實時參數(shù)、各動作執(zhí)行部件當(dāng)前狀態(tài)以及采集管路異常情況；手動采集界面同自動采集界面類似，但在此基礎(chǔ)上增添了管路選擇功能區(qū)；標(biāo)定采集界面用于氣體標(biāo)定控制與狀態(tài)監(jiān)控；數(shù)據(jù)存儲界面主要用于存儲傳感器數(shù)據(jù)與各管路采集的信息。圖5 為上位機操作流程。圖6 為系統(tǒng)軟件界面。

圖5 軟件程序流程圖Fig.5 Software program flow

圖6 系統(tǒng)軟件界面Fig.6 System software interface4

4 性能試驗

4.1 試樣

為進(jìn)一步驗證采集裝置性能，試驗樣氣采用標(biāo)準(zhǔn)氣配置，其中氨氣濃度為30 ppm，二氧化碳濃度為2 000 ppm。

4.2 試驗儀器

零空氣發(fā)生器（型號Environics S7000，輸出氣體濃度小于0.5 ppm，流量1 ～20 LPM）；多組分氣體混合儀（型號Environics S4000，精度±1.0%，重復(fù)性±1.0%）；便攜式氣體檢測儀（型號AP-S4-D，精 度±2.0% FS）； 流 量 計（ 型 號LZB-6WB， 量程0 ～15 L/min，精度±4.0%）。

4.3 試驗方法

本研究采用堵塞與泄漏程度和檢測誤差來評價采集裝置的性能。

堵塞與泄漏測試依據(jù)HJT47—1999（煙氣采樣器技術(shù)條件）與HJT75—2007（固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（示范））標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗。為保證系統(tǒng)管路測試完整性，測試時將采集回路與分析回路接通。

堵塞測試時，將壓力為5 kPa 的干燥零空氣以 3 L/min 流速通入管路，通氣一段時間觀察并記錄出氣口處流量計示數(shù)。泄漏測試時，關(guān)閉進(jìn)、出氣口閥門，真空泵持續(xù)抽氣至管路負(fù)壓為13 kPa，靜置1 min，觀察并記錄壓力傳感器數(shù)值變換。

檢測誤差試驗時，采集系統(tǒng)分別采用長度為1、10、20 m 的PTEE 采集管將試驗樣氣送入氣室，并使用便攜式氣體檢測儀檢測氣室內(nèi)氣體濃度。

為考察分析回路伴熱對氨氣檢測誤差的影響，上述試驗按分析管路伴熱與不伴熱2 種情形分別進(jìn)行測試。每組試驗重復(fù)3 次，按式（1）計算采集裝置的檢測誤差。

式中，y 為檢測誤差，%；C1為待測樣氣濃度，其中氨氣為30 ppm，二氧化碳為2 000 ppm；C2為便攜式氣體檢測儀檢測出的待測氣體濃度，ppm。

4.4 結(jié)果分析

如表3 所示，堵塞試驗中，盡管采集系統(tǒng)中的粗、細(xì)過濾器對氣流有一定阻塞作用，但出口流量計示數(shù)平均仍可達(dá)2.6 L/min，說明氣流上述阻塞作用對氣體在采集管路內(nèi)的流動影響很小，氣體在采集系統(tǒng)內(nèi)可以順暢流動。泄漏試驗中，當(dāng)管內(nèi)初始壓力為13 kPa 時，密閉1 min 后管內(nèi)壓力上升 0.12 kPa，滿足HJT47—1999（煙氣采樣器技術(shù)條件）中小于0.15 kPa 的技術(shù)要求，表明裝置氣密性滿足采集要求。

表3 堵塞與泄漏試驗數(shù)據(jù)Table 3 Plugging and leaking test data

檢測誤差試驗結(jié)果如表4，在采集管路長度為1、10 、20 m 測試條件下，分析回路不伴熱的情況下，二氧化碳的檢測誤差依次為0.42%、0.78% 和1.03%，氨氣的檢測誤差依次為1.44%、4.44%和7.33%，氣體檢測誤差隨采集管路長度增加而變大。因此，為保證檢測裝置的檢測準(zhǔn)確性，采集管路最大長度以不超過20 m 為宜。同時，畜禽舍布置檢測系統(tǒng)時，應(yīng)選取合適位置使各路采集管路長度適中。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，相比于二氧化碳，氨氣在采集傳輸過程中濃度檢測誤差較高，這可能是因為部分氨氣吸附于管路中。分析回路在采取伴熱處理后氨氣檢測誤差降低為1.19%、3.67%和7.11%，這說明伴熱處理對降低管路氨氣吸附有一定作用。此外，在實際應(yīng)用時，采集回路多管路輪換采集一段時間后，管路吸附氨氣達(dá)到飽和狀態(tài)，可進(jìn)一步提升整個系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確性。

表4 檢測誤差試驗數(shù)據(jù)Table 4 Detection error test data

5 結(jié)論

筆者設(shè)計的基于PLC 的畜禽舍多路氣體采集系統(tǒng)，搭配TDLAS 氣體濃度檢測系統(tǒng)可對畜禽舍內(nèi)重要監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行氣體輪換采集和長期監(jiān)測。該采集系統(tǒng)單路采集用時為50 s，最大采集長度20 m。經(jīng)試驗分析，管路長度影響氣體的檢測誤差，其中以1 、10 、20 m 長度采集樣氣時，二氧化碳檢測誤差分別為0.42%、0.78%和1.03%，氨氣檢測誤差分別為1.44%、4.44%和7.33%。此外，分析回路管路伴熱將氨氣檢測誤差降低為1.19%、3.67%和7.11%。該采集系統(tǒng)可充分利用TDLAS 氣體濃度檢測系統(tǒng)檢測精度高、使用壽命長的特點，實現(xiàn)多區(qū)域檢測以此有效降低檢測系統(tǒng)配置成本，為畜禽舍內(nèi)氣體濃度連續(xù)檢測需求提供了1 種新的解決途徑。