PLC控制技術(shù)在蚯蚓養(yǎng)殖中的應(yīng)用

令狐金卿，程龍波，張 波，金 茜，廖朝林，趙久倫

(1.遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563000； 2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640)

PLC控制技術(shù)在蚯蚓養(yǎng)殖中的應(yīng)用

令狐金卿1,2，程龍波1，張 波1，金 茜1，廖朝林1，趙久倫1

(1.遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563000； 2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640)

討論P(yáng)LC控制技術(shù)在蚯蚓養(yǎng)殖中的應(yīng)用，從控制系統(tǒng)組成、設(shè)計(jì)方案和硬件設(shè)計(jì)等方面對(duì)基于PLC的蚯蚓養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。通過系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)蚯蚓養(yǎng)殖中的溫度、濕度及pH值等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并自動(dòng)調(diào)節(jié)，大大提高了蚯蚓養(yǎng)殖工作的效率。

PLC； 蚯蚓； 環(huán)境參數(shù)； 監(jiān)控

蚯蚓，也稱地龍，是一種中藥，具有清熱、息風(fēng)、平喘、通絡(luò)、利尿的作用。現(xiàn)代藥理研究表明，蚯蚓體內(nèi)的蚓激酶能有效降低血液黏度[1]，抑制血小板凝集，促進(jìn)血液暢通等，對(duì)心血管病、動(dòng)脈硬化、高血壓和高血黏度癥，以及中風(fēng)、半身不遂等癥有較好的治療效果[2]。

蚯蚓體內(nèi)富含蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等，不僅能作動(dòng)物飼料及生產(chǎn)藥品和化妝品，也是一種高蛋白食品，在我國臺(tái)灣及東南亞、美國和加拿大等國極為暢銷，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]，成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

人工養(yǎng)殖蚯蚓是一項(xiàng)新興的事業(yè)，但外界溫度和濕度不僅直接影響蚯蚓的體溫及其活動(dòng)，而且還影響到它們的新陳代謝以及生長、呼吸及生殖的強(qiáng)度[4]，而傳統(tǒng)的人工養(yǎng)殖蚯蚓，需管理人員經(jīng)常測(cè)量蚯蚓生長環(huán)境的溫度、濕度及pH值等因素，因此，養(yǎng)殖成本較高。如果采用PLC控制技術(shù)，利用PLC性能優(yōu)越、靈活通用、使用方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)[5]，監(jiān)控養(yǎng)殖蚯蚓的生長環(huán)境，自動(dòng)測(cè)定蚯蚓養(yǎng)殖的溫度、濕度及有機(jī)肥酸堿度等環(huán)境要素[6]，能快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)地測(cè)定并調(diào)控，為蚯蚓養(yǎng)殖提供更加舒適的生長環(huán)境，提高蚯蚓產(chǎn)量，也大大降低了蚯蚓養(yǎng)殖的成本。

1 控制系統(tǒng)的組成和總體設(shè)計(jì)方案

用于蚯蚓養(yǎng)殖的自動(dòng)化控制裝置，包括溫度傳感器、濕度傳感器、pH傳感器、PLC控制系統(tǒng)、加熱器、加濕器和風(fēng)扇。其濕度傳感器和pH傳感器均安裝在蚯蚓養(yǎng)殖的土壤中，溫度傳感器分別安裝在蚯蚓養(yǎng)殖的土壤和空氣中，且溫度傳感器、濕度傳感器和pH傳感器的信號(hào)輸出端分別與PLC控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入端連接，而PLC控制系統(tǒng)的信號(hào)輸出端分別與加熱器、加濕器和風(fēng)扇對(duì)應(yīng)連接；PLC控制系統(tǒng)的信號(hào)輸出端還要與步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)輸入端連接，而步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)安裝于蚯蚓養(yǎng)殖土壤中的鏈條傳動(dòng)裝置上，鏈條傳動(dòng)裝置拖動(dòng)安裝在土壤中的橫桿緩慢移動(dòng)翻動(dòng)有機(jī)肥或土壤，調(diào)節(jié)蚯蚓養(yǎng)殖環(huán)境的溫度、濕度等；以及通過PLC控制系統(tǒng)增加蚯蚓養(yǎng)殖中的含氧量，避免人工翻土對(duì)蚯蚓造成傷害或致死。

PLC控制系統(tǒng)如圖1所示。

2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC控制技術(shù)應(yīng)用于養(yǎng)殖蚯蚓，即將溫度傳感器、濕度傳感器和pH傳感器均安裝在蚯蚓養(yǎng)殖的土壤中，且溫度等傳感器的信號(hào)輸出端分別與PLC控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入端連接，而PLC控制系統(tǒng)的信號(hào)輸出端分別與加熱器、加濕器和風(fēng)扇對(duì)應(yīng)連接，通過PLC自動(dòng)控制蚯蚓生長環(huán)境，方便管理者快速準(zhǔn)確了解蚯蚓養(yǎng)殖的溫度、濕度及酸堿度等環(huán)境要素，并快速地、自動(dòng)地調(diào)控相應(yīng)參數(shù)，為蚯蚓養(yǎng)殖提供更加舒適的生長環(huán)境。

圖1 PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 溫度檢測(cè)及顯示

溫度傳感器由熱敏電阻和溫度變送器串聯(lián)而成。溫度檢測(cè)是檢測(cè)有機(jī)肥或土壤內(nèi)部的溫度，通過溫度傳感器把數(shù)據(jù)傳送到PLC，PLC通過數(shù)據(jù)處理顯示在數(shù)碼管上。實(shí)驗(yàn)中，利用PLC溫度傳感器控制蚯蚓養(yǎng)殖溫度在15～25 ℃[7]。

2.2 濕度檢測(cè)及顯示

濕度檢測(cè)是檢測(cè)有機(jī)肥或土壤內(nèi)部的濕度，通過濕度傳感器把數(shù)據(jù)傳送到PLC，PLC通過數(shù)據(jù)處理顯示在數(shù)碼管上。濕度要控制在60%～80%。

2.3 pH值的檢測(cè)及顯示

pH值檢測(cè)是檢測(cè)有機(jī)肥及土壤內(nèi)部的pH值，通過pH值傳感器把數(shù)據(jù)傳送到PLC，PLC通過數(shù)據(jù)處理顯示在數(shù)碼管上。pH值在7.0左右。

2.4 報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)溫度、濕度或pH值超過設(shè)定值太多，外部設(shè)備無法控制環(huán)境或有機(jī)肥或土壤保持在預(yù)設(shè)的閾值內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員處理相應(yīng)的事件。2.5 系統(tǒng)的自動(dòng)控制與處理

PLC控制系統(tǒng)通過組態(tài)王(一種監(jiān)控系統(tǒng)軟件)與PC終端通訊連接，自動(dòng)調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境條件。即當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，PLC將自動(dòng)打開制冷設(shè)備或打開制熱設(shè)備，使蚯蚓養(yǎng)殖溫度保持在15～25 ℃；當(dāng)濕度超過設(shè)定值，PLC自動(dòng)打開水閥或風(fēng)機(jī)讓濕度保持在60%～80%。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于PLC的控制系統(tǒng)，PLC機(jī)型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比最優(yōu)的機(jī)型[8]。本設(shè)計(jì)采用小型控制系統(tǒng)，主要以開關(guān)量為主，還帶有3個(gè)模擬量輸入，所以綜合考慮下來主機(jī)選擇西門子的S7-200系列CPU 226 PLC和一個(gè)EM222 DO16×DC24V擴(kuò)展模塊，以及一個(gè)EM231 AI4 模擬量擴(kuò)展模塊。

3.1 溫度采集

溫度采集需要用到溫度傳感器[9]，使用市場(chǎng)上最常見的Pt100溫度傳感器，自帶溫度變送器，測(cè)量范圍為0～100 ℃，輸出電流信號(hào)范圍4～20 mA，其工作電源是24 V，可直接由PLC提供，不用外加電源模塊。溫度的調(diào)節(jié)需要用到的器件就是制熱和制冷設(shè)備。

3.2 濕度采集

濕度采集采用HM1500濕度傳感器，自帶濕度變送器，測(cè)量范圍為0～100%(相對(duì)濕度)，輸出電壓信號(hào)范圍+1～+4 V。濕度的控制需要的是水閥和風(fēng)機(jī)。

3.3 pH采集

pH采集采用ICL7650pH傳感器，精度高，穩(wěn)定性好，輸出電壓為+1～+3.5 V，對(duì)應(yīng)相對(duì)pH值 0～12，如超過設(shè)定值PLC就會(huì)觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)告知工作人員有機(jī)肥或土壤pH出現(xiàn)偏差。

3.4 溫、濕度和pH值的顯示

采用7段數(shù)碼管，74LS47 BCD優(yōu)先譯碼器，采用譯碼器的原因是用一個(gè)BCD碼表示一個(gè)十六進(jìn)制的字符[10]，可以節(jié)約PLC的I/O口資源。5 V直流電源模塊，給數(shù)碼管和譯碼器提供電源。

3.5 報(bào)警和溫濕度調(diào)節(jié)

報(bào)警執(zhí)行選用聲光配合的方式進(jìn)行[11]，用PLC直接驅(qū)動(dòng)電鈴和指示燈，以此提醒工作人員檢查溫度、濕度、pH值數(shù)據(jù)，并人工操作處理。溫度調(diào)節(jié)用PLC根據(jù)Pt100溫度傳感器采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，溫度過高則打開制冷設(shè)備，太低則打開制熱設(shè)備，使溫度保持在15～25 ℃這個(gè)最適合蚯蚓養(yǎng)殖的范圍，溫度調(diào)節(jié)至正常范圍后則關(guān)斷相應(yīng)設(shè)備。濕度調(diào)節(jié)用PLC根據(jù)HM1500濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，若濕度過高則打開風(fēng)機(jī)通風(fēng)，使土壤濕度下降，若濕度過低則打開水閥向土壤噴水，使?jié)穸缺３衷?0%～80%，濕度調(diào)節(jié)至正常范圍后則關(guān)斷相應(yīng)設(shè)備。

3.6 I/O配置

輔助設(shè)備采用的是中間繼電器來控制，如當(dāng)要觸發(fā)制熱設(shè)備時(shí)，PLC會(huì)觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的中間繼電器來控制制熱設(shè)備的通斷。每一個(gè)輔助設(shè)備都有相對(duì)應(yīng)的中間繼電器，每個(gè)繼電器又由PLC控制。這樣就可以減少PLC I/O口的使用量，大大節(jié)約I/O口(表1)。中間繼電器選用歐姆龍MY2N-GS中間繼電器，線圈額定電壓為AC 220V，機(jī)械壽命5 000萬次。

表1 系統(tǒng)中的I/O配置

4 PLC技術(shù)在蚯蚓養(yǎng)殖中的具體應(yīng)用

PLC控制技術(shù)在蚯蚓養(yǎng)殖中的應(yīng)用，涉及PLC的數(shù)碼顯示、數(shù)字量處理、模擬量處理等，其難點(diǎn)和核心部分之一是模擬量的采集與處理，通過模擬量的采集傳感器與PLC之間進(jìn)行連接，在PLC和傳感器之間要一個(gè)變送器相連，將模擬量變送成PLC能處理的電壓/電流信號(hào)，通過PLC對(duì)模擬量的編程、調(diào)試進(jìn)行處理；其次是利用PLC進(jìn)行數(shù)碼管顯示，在該技術(shù)中使用的PLC為繼電器型，輸出響應(yīng)有一定的延遲，對(duì)于數(shù)碼管顯示如果采用動(dòng)態(tài)掃描輸出肯定是不可取的，除非是采用集體管型的PLC，那只能是對(duì)單個(gè)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)顯示，這樣一來顯示的問題可以解決，但是又有一個(gè)新問題隨之而產(chǎn)生，每個(gè)數(shù)碼管都要占用一個(gè)字節(jié)(8個(gè))的輸出口，本設(shè)計(jì)需要使用四位數(shù)碼管，總共就需要占用32個(gè)輸出口，對(duì)于PLC的輸出資源造成極大的浪費(fèi)[12]，所以本設(shè)計(jì)采用的方法是利用BCD碼進(jìn)行數(shù)碼顯示，每顯示一位數(shù)碼管，只需要用4個(gè)輸出口，在外部接上譯碼器就可以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管7段顯示，從繼電器型的PLC來說，節(jié)約了一半的輸出口資源。

圖2為實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖蚯蚓溫濕度檢測(cè)和顯示，通過溫度傳感器和濕度傳感器采集的溫度和濕度[13]，經(jīng)過PLC處理，再將采集到的溫度值和濕度值通過數(shù)碼顯示，將養(yǎng)殖蚯蚓的溫度和濕度顯示出來。圖中左邊數(shù)碼管所顯示“20”代表此時(shí)蚯蚓養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室的溫度為20 ℃，右邊數(shù)碼顯示的“55”代表此時(shí)養(yǎng)殖蚯蚓的土壤相對(duì)濕度為55%，由于土壤濕度低于最佳濕度范圍，因此監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)加濕裝置的水閥，向土壤噴水。

圖2 蚯蚓養(yǎng)殖中溫濕度檢測(cè)

圖3為溫度傳感器、濕度傳感器及pH傳感器在蚯蚓養(yǎng)殖中監(jiān)控的具體應(yīng)用，在檢測(cè)過程中對(duì)傳感器的使用有要求，必須按照要求準(zhǔn)確使用傳感器才能檢測(cè)到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖3 蚯蚓養(yǎng)殖中溫濕度監(jiān)控傳感器

圖4為工作人員對(duì)PLC自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，檢測(cè)蚯蚓養(yǎng)殖過程中養(yǎng)殖環(huán)境的溫度、濕度及pH值。PLC自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備在不同的環(huán)境下都要求進(jìn)行不同的調(diào)試過程，耐心、細(xì)致地調(diào)試。

圖4 溫濕度調(diào)控

綜上所述，采用PLC自動(dòng)化控制蚯蚓生長環(huán)境，蚯蚓生長環(huán)境的各個(gè)參數(shù)均一目了然，方便管理者快速準(zhǔn)確了解蚯蚓養(yǎng)殖的溫度、濕度及有機(jī)肥酸堿度等環(huán)境要素，并快速地、自動(dòng)地調(diào)控相應(yīng)參數(shù)，為蚯蚓養(yǎng)殖提供更加舒適的生長環(huán)境，不僅減少不必要的損失，同時(shí)提高了蚯蚓產(chǎn)出率；大大減少了養(yǎng)殖人員的工作量，也降低了養(yǎng)殖成本。

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(責(zé)任編輯：盧福莊)

2016-10-08

貴州省科技廳資助項(xiàng)目(黔科合LH字[2015]7010號(hào))；遵義市創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)項(xiàng)目[遵市科合(2016)3號(hào)]

令狐金卿(1985—)，男，講師，在讀博士，從事電氣控制和電力電子方面的研究工作，E-mail：hongye123123@163.com或252225578@qq.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170250

S899.8；PT273.1

B

0528-9017(2017)02-0349-04

文獻(xiàn)著錄格式：令狐金卿，程龍波，張波，等. PLC控制技術(shù)在蚯蚓養(yǎng)殖中的應(yīng)用[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(2)：349-352.