基于可編程邏輯控制器（PLC）的豬舍環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

劉艷昌　左現(xiàn)剛　李國厚

摘要：為解決生豬規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)對豬舍環(huán)境參數(shù)較難控制問題，設(shè)計(jì)了一種以可編程邏輯控制器（PLC）、傳感器、無線模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)為硬件核心，以Kingview 6.53為軟件開發(fā)平臺的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線模塊將PLC采集到的豬舍參數(shù)值傳到上位機(jī)，并對其采集值進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲及控制等功能，最終實(shí)現(xiàn)對豬舍環(huán)境參數(shù)的自動控制。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集現(xiàn)場豬舍參數(shù)，在保證豬舍內(nèi)所需溫濕度基本恒定條件下，能使氣體濃度保持在適應(yīng)范圍內(nèi)，證實(shí)系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：豬舍；環(huán)境監(jiān)控；可編程邏輯控制器（PLC）；組態(tài)軟件

中圖分類號： TP277.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0377-04

收稿日期：2014-03-27

基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（編號：201310467043）；河南省科技攻關(guān)（編號：132102310030）；河南科技學(xué)院高層次人才科研啟動項(xiàng)目（編號：209010611001）。

作者簡介：劉艷昌（1979—），男，河南鶴壁人，碩士，講師，主要從事智能控制與信息檢測技術(shù)研究。E-mail：523401923@qq.com。

通信作者：李國厚，博士，教授，主要從事計(jì)算機(jī)控制、無損檢測、信號處理技術(shù)研究。E-mail：liguohou6@163.com。目前，現(xiàn)代養(yǎng)豬業(yè)主要采用集中管理方式實(shí)現(xiàn)規(guī)模養(yǎng)殖，以提高生豬的產(chǎn)量和質(zhì)量[1]。豬舍環(huán)境參數(shù)對豬的生產(chǎn)水平、健康狀況等有重要影響，它主要受氣候、豬舍地理位置等外界條件和豬舍生活環(huán)境影響較大[2]，因此如何保證豬舍環(huán)境參數(shù)正常至關(guān)重要。目前，我國養(yǎng)豬場對豬舍環(huán)境參數(shù)控制多采用工作人員主觀判斷和人工控制來實(shí)現(xiàn)，調(diào)整各參數(shù)的機(jī)械設(shè)備存在調(diào)節(jié)滯后、誤判率高、生產(chǎn)效率低、占用人力資源多且不能滿足當(dāng)前養(yǎng)豬數(shù)字化、信息化的需求[3-6]，筆者設(shè)計(jì)了一種基于可編程邏輯控制器（PLC）的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)采集與分析豬舍參數(shù)（溫濕度、氧氣、二氧化碳、氨氣和硫化氫），還可以根據(jù)測量值與設(shè)定值的分析結(jié)果，將控制指令以無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀oPLC，來控制驅(qū)動各機(jī)械設(shè)備對豬舍環(huán)境參數(shù)迅速作出調(diào)整，完成智能化的現(xiàn)場管理，進(jìn)一步提高養(yǎng)殖效益。

1系統(tǒng)總體方案

豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)、PLC控制器、傳感器、現(xiàn)場控制設(shè)備、無線收發(fā)模塊等組成。

本系統(tǒng)由手動和自動2種工作模式，在手動工作模式下，工作人員可以隨時(shí)對各個(gè)控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，并在緊急情況下對設(shè)備進(jìn)行操作。在自動模式下溫濕度傳感器、氣體（CO2、NH3、H2S）傳感器負(fù)責(zé)將豬舍中的測量參數(shù)值轉(zhuǎn)化為可識別的電信號，再把電信號經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)量程轉(zhuǎn)換處理，然后通過RS485串口將數(shù)據(jù)傳給無線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊通過天線以無線方式將采集到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過Kingview 6.53軟件編制的處理程序?qū)⒂脩粼O(shè)定值與現(xiàn)場值進(jìn)行比較，確定是否啟動溫濕度和氣體含量控制設(shè)備，最后將相關(guān)啟停控制設(shè)備指令通過天線以無線方式傳給PLC來控制現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)豬舍溫濕度和氣體含量的自動控制。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1PLC控制器

為了能夠穩(wěn)定、快速地采集和控制豬舍內(nèi)各環(huán)境參數(shù)，較好滿足豬舍每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的需求，該系統(tǒng)下位機(jī)控制器采用臺達(dá)DVP-14SS2型PLC，該型號屬于經(jīng)濟(jì)型基礎(chǔ)產(chǎn)品，其外觀輕巧，適合安裝在小型控制箱內(nèi)，其主機(jī)點(diǎn)數(shù)14（輸入：8點(diǎn)，輸出：6點(diǎn)，繼電器輸出），內(nèi)置RS232與RS485通信口，支持MODBUS、ASCII/RTU通信協(xié)議，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，也可與自帶RS485接口的無線模塊之間自由通訊，而不需要任何通信模塊。

2.2溫濕度傳感器

溫濕度傳感器的作用主要是將豬舍內(nèi)溫度和濕度物理量轉(zhuǎn)換為模擬量，并以電流形式輸出，以便滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入端電氣參數(shù)的要求。系統(tǒng)溫濕度傳感器采用華圖公司生產(chǎn)的溫濕度一體式傳感器HE4000A-EX。它采用1-Wire總線接口，測量溫度范圍-30～70 ℃，精度為±0.5 ℃，測量濕度范圍0～100%，精度±3%，外置線長3 m，輸出電流范圍 4～20 mA，且實(shí)用性和可靠性高，能夠滿足豬舍的溫濕度測量要求。溫濕度傳感器的硬件連接如圖2所示。

2.3氣體傳感器

系統(tǒng)氣體傳感器采用JL_900型號的固定式氣體（CO2、H2S、NH3）變送器來實(shí)現(xiàn)，其中H2S的量程范圍為0～132 mg/m3，NH3的量程范圍為0～66 mg/m3，CO2的量程范圍為0～2 550 mg/m3，精度均<（±5%） F.S，采用三線制 4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號輸出或485信號輸出 傳輸距離>1 km，

且工作穩(wěn)定、可靠，能夠滿足豬舍氣體濃度測量要求。氣體傳感器的作用主要是將豬舍內(nèi)CO2、H2S、NH3的濃度轉(zhuǎn)換為模擬量，并以電流形式輸出，以便滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入端電氣參數(shù)的要求。氣體傳感器的硬件連接如圖3所示，其中V接 12～24 V 直流電源，G接地，S為對應(yīng)氣體傳感器輸出4～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。

2.4A/D轉(zhuǎn)換器

采用型號為DVP06AD-S的A/D轉(zhuǎn)換器，它是一款6路14位模擬量采集模塊，既可單獨(dú)使用，也可以作為PLC的功能擴(kuò)展，模擬輸入電壓范圍±10 V，對應(yīng)數(shù)字轉(zhuǎn)換范圍為 ±8 000，模擬輸入電流范圍±20 mA，對應(yīng)數(shù)字轉(zhuǎn)換范圍為 ±4 000，綜合精度±1%，具有精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。本控制系統(tǒng)中該模塊可將所收集的溫濕度值和氣體（CO2、H2S、NH3）含量值轉(zhuǎn)換為14位數(shù)字信號，以便于PLC通過主機(jī)程序以指令FROM/TO來讀寫模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)。endprint

由于本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換模塊采用電流模式輸入，與各傳感器采用電流輸出量程不一致，因此要在上位機(jī)監(jiān)控畫面上顯示豬舍各參數(shù)實(shí)際值，必須進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換。假設(shè)Am、A0為傳感器輸入測量范圍的最大值和最小值；Dm、D0是根據(jù)A/D模塊輸入電流范圍-20～20 mA對應(yīng)數(shù)值為-4 000～4 000的線性關(guān)系，將傳感器輸出電流信號4～20 mA轉(zhuǎn)換為對應(yīng)數(shù)字量為800～4 000；Dx為現(xiàn)場測量值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后對應(yīng)的數(shù)字量，Ax為Dx對應(yīng)現(xiàn)場測量值。由于模擬量標(biāo)準(zhǔn)電信號與A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為線性關(guān)系，則函數(shù)關(guān)系式為

Ax-A0Dx-D0=Am-A0Dm-D0；

即Ax=Am-A0Dm-D0（Dx-D0）+A0。

以溫度為例加以說明，溫度測量范圍-30～70 ℃，即 Am=70，A0=-30，對應(yīng)輸出電信號為 4～20 mA，則其經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后對應(yīng)Dm=4 000，D0=800。將其代入上式可知實(shí)測豬舍溫度為

AT=[70-（-30）]Dx-8004 000-800+（-30）=Dx-1 76032。

2.4無線收發(fā)模塊

采用型號為DTD433MC無線收發(fā)模塊，它提供透明的RS232/RS485接口，無線可靠傳輸距離可達(dá)3 km，無線數(shù)據(jù)終端中心頻率為433MHz，同時(shí)提供8個(gè)信道供用戶選擇。具體通信時(shí)只需將PLC的Modbus通信速率與無線傳輸模塊的波特率設(shè)置一致即可，本系統(tǒng)通信格式設(shè)置為9 600 bps，8-E-1，RTU。為了保證通信距離，提高通信質(zhì)量，天線采用型號為BYD433的車載吸盤天線，該產(chǎn)品工作頻率為 428～438 MHz，帶寬10 MHz，增益5.5 dBi，最大功率50 W，能夠滿足監(jiān)控室到豬舍監(jiān)測點(diǎn)半徑為3 Km范圍的數(shù)據(jù)傳輸及控制實(shí)現(xiàn)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)通過臺達(dá)WPLSoft軟件對PLC進(jìn)行軟件編程，下位機(jī)PLC在系統(tǒng)中主要完成對豬舍溫濕度、氣體濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)以無線傳輸方式傳給上位機(jī)，以及接受上位機(jī)傳來的控制指令來驅(qū)動溫濕度控制設(shè)備和氣體含量控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境參數(shù)的自動控制。圖4為豬舍環(huán)境現(xiàn)場參數(shù)采集控制程序流程。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用Kingview 6.53軟件編制相應(yīng)程序，實(shí)現(xiàn)對工藝流程圖和測量數(shù)據(jù)的顯示，建立豬舍環(huán)境智能控制監(jiān)控畫面，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)再現(xiàn)被控對象的真實(shí)狀態(tài)。管理人員可以通過監(jiān)控界面上的操作方式選擇按鈕實(shí)現(xiàn)對豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的手動和自動控制，手動操作方式主要是通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊單個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)可控設(shè)備的啟/停控制，自動操作方式是根據(jù)參數(shù)設(shè)定值與采集值進(jìn)行比較后，通過控制指令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟/停、運(yùn)行、參數(shù)超限報(bào)警及數(shù)據(jù)存取等整個(gè)過程的自動運(yùn)行及在線監(jiān)視。同時(shí)，管理人員還可以根據(jù)室內(nèi)外氣候及環(huán)境條件調(diào)節(jié)各參數(shù)設(shè)定值和采集值，并將這些需要控制的各項(xiàng)參數(shù)以無線傳輸方式送入下位機(jī)指定地址內(nèi)，實(shí)現(xiàn)新的自動控制。豬舍環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖5所示。

4結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性、有效性和實(shí)用性，本系統(tǒng)以河南誼發(fā)牧業(yè)有限責(zé)任公司的某肥育豬舍為對像，對豬舍內(nèi)溫濕度和NH3、CO2、H2S氣體濃度進(jìn)行自動控制測試和數(shù)據(jù)分析。室內(nèi)控制參數(shù)選擇如下：室內(nèi)溫度設(shè)定值18 ℃，相對濕度設(shè)定為70%，CO2濃度510 mg/m3，NH3濃度10.56 mg/m3，H2S濃度1.98 mg/m3。在24 h內(nèi)豬舍環(huán)境參數(shù)變化情況如表1所示。

溫度變化最大值為1.93 ℃，且溫度偏離設(shè)定值的最大值為 1.2 ℃，最大相對誤差為6.7%，這說明溫度變化范圍較小，外界因素對其影響不大，溫度比較穩(wěn)定且在控制要求內(nèi)。豬舍內(nèi)相對濕度平均值為71.53%，最大值為75.36%，最小值為67.53%，其最大值偏離設(shè)定值5.36%的數(shù)值，相對誤差為765%，最大值沒有超出相對濕度適合范圍的上限，能夠保持在控制要求之內(nèi)。豬舍內(nèi)NH3濃度平均值為9.54 mg/m3，最大值為11.31 mg/m3，最小值為7.68 mg/m3，其最大值偏離設(shè)定值的0.75 mg/m3數(shù)值，相對誤差為9.63%，其最大值沒有超過NH3濃度的要求15.85 mg/m3。舍內(nèi)CO2濃度平均值為 520.53 mg/m3，最大值為612.04 mg/m3，最小值為 456.72 mg/m3，其最大值偏離設(shè)定值的數(shù)值為 112.04 mg/m3，相對誤差為10.45%，其最大值沒有超過CO2濃度的要求765.00 mg/m3。舍內(nèi)H2S濃度平均值為 1.94 mg/m3，最大值為2.23 mg/m3，最小值為1.66 mg/m3，其最大值偏離設(shè)定值的數(shù)值為0.25 mg/m3，相對誤差為1267%，其最大值沒有超過H2S濃度2.65 mg/m3的要求。上述結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確獲取舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)并能夠精確控制各設(shè)備，在保證舍內(nèi)合適溫濕度基本恒定情況下，也能保持NH3、CO2、H2S的濃度在合適的控制范圍內(nèi)。

5結(jié)語

針對豬舍環(huán)境參數(shù)較難控制問題，本試驗(yàn)在綜合考慮豬舍內(nèi)溫濕度與氣體濃度之間相互影響因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種以PLC控制器為核心的豬舍環(huán)境智能無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且一旦超出設(shè)置的環(huán)境參數(shù)范圍，加溫系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)和通風(fēng)換氣系統(tǒng)等控制設(shè)備能夠自行啟動調(diào)整環(huán)境參數(shù)。實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)在保證豬舍溫濕度基本恒定條件下，能使豬舍內(nèi)氣體濃度含量保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，證實(shí)了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性，避免了人工操作的主觀性和隨意性，在農(nóng)牧領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

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