基于PLC的養(yǎng)雞場智能化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張宏偉+解應(yīng)博+陳凱彬

摘 要：為了解決規(guī)?；B(yǎng)雞場自動化管理中存在的監(jiān)測參數(shù)眾多的問題，提出一種以PLC為核心處理器的多參數(shù)智能化監(jiān)控系統(tǒng)。傳感器將采集到的環(huán)境參數(shù)值傳送到PLC，經(jīng)過PLC處理后傳送到上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲和顯示，并發(fā)送相應(yīng)指令到PLC來控制設(shè)備開啟或關(guān)閉。結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測靈敏，控制設(shè)備反應(yīng)迅速，可使雞舍環(huán)境參數(shù)控制在適宜范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：PLC；多參數(shù)；上位機(jī)；智能化監(jiān)控

DOIDOI：10.11907/rjdk.171237

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0091-03

0 引言

我國是世界的雞肉生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國，特別是近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，對雞肉的需求量更是日益遞增。面對雞肉需求量的增加，傳統(tǒng)一家一戶的散養(yǎng)模式已不能滿足市場需求[1]。對雞舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測和控制是養(yǎng)殖自動化管理的關(guān)鍵[2]。傳統(tǒng)養(yǎng)雞場主要是憑借工人長年累月積累的經(jīng)驗(yàn)來判斷雞舍內(nèi)溫度、濕度和氨氣的濃度是否合適，從而開啟或關(guān)閉相應(yīng)的控制設(shè)備，不利于規(guī)模化養(yǎng)殖[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促使傳統(tǒng)落后的養(yǎng)殖模式向?qū)I(yè)化、規(guī)?；?、信息化方向發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)也朝著網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化方向發(fā)展。黃馳[4]提出了一種基于ARM11和Linux的DS18B20溫度測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的采集處理和顯示；趙娟等[5]根據(jù)AVR單片機(jī)的相關(guān)功能設(shè)計(jì)了一種氣體監(jiān)測系統(tǒng)，可以對舍內(nèi)的有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，并且通過RS485總線將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)來控制相關(guān)設(shè)備，但是存在單片機(jī)故障率高、不易擴(kuò)展、對環(huán)境依賴性大、開發(fā)周期長等缺點(diǎn)；崔曦元等[6]提出了一種基于ZigBee技術(shù)的空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用ZigBee技術(shù)傳輸采集到的參數(shù)。但雞舍內(nèi)部環(huán)境相對復(fù)雜，導(dǎo)致無線傳輸抗干擾性差，不穩(wěn)定。

針對上述問題，本文提出一種基于PLC的多參數(shù)智能化監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對雞舍內(nèi)溫度、濕度和氨氣濃度的實(shí)時在線監(jiān)測和控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要包括溫濕度傳感器、氨氣濃度傳感器、PLC、上位機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)等幾部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

溫濕度傳感器和氨氣傳感器將采集到的參數(shù)變換成電信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號傳輸?shù)絇LC，經(jīng)PLC處理后傳送到上位機(jī)，上位機(jī)通過組態(tài)王6.55編寫相應(yīng)程序，通過數(shù)據(jù)分析和處理，將采集到的數(shù)值與根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定的溫度、濕度和氨氣濃度值進(jìn)行比較，將編寫好的相關(guān)控制指令傳送到PLC，從而控制通風(fēng)系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)的啟動或者停止。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

溫濕度傳感器能將雞舍內(nèi)采集到的溫度值與濕度值轉(zhuǎn)換成容易被測量的電信號，滿足達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換模塊對輸入量的相關(guān)參數(shù)要求。本系統(tǒng)采用JCJ175A溫濕度一體式傳感器，可選配RS485通訊接口，能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時通訊，其標(biāo)準(zhǔn)的modbus通訊協(xié)議為后期軟件處理帶來很大方便，并且能夠通過各種編程語言或組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和處理。溫度測量范圍為0～50℃，濕度測量范圍為0～100%RH，溫度測量誤差在±0.5℃以內(nèi)，相對濕度測量誤差≤±3%RH。

氨氣濃度檢測選用JCJ280氨氣傳感器，JCJ280氨氣傳感器用于檢測空氣中的氨氣濃度，測量精確，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，響應(yīng)速度快，其工作量程為0～100ppm，電源為24VDC，能適應(yīng)的工作環(huán)境為-40～70℃，濕度<90%RH，輸出方式為RS485/RS232。

2.2 I/O分配表

根據(jù)雞舍環(huán)境的實(shí)際監(jiān)控需求，該監(jiān)控系統(tǒng)采用系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)停止、噴霧器開啟、噴霧器關(guān)閉等24個開關(guān)量輸入，濕簾窗電機(jī)正轉(zhuǎn)、濕簾窗電機(jī)反轉(zhuǎn)等15個開關(guān)量輸出，溫濕度傳感器等5路模擬量輸入，通風(fēng)機(jī)電機(jī)1路模擬量輸出。部分端口分配如表1所示。

2.3 PLC選型及接線

根據(jù)I/O分配情況，監(jiān)控系統(tǒng)選擇使用S7-300系列的PLC作為控制器，數(shù)字量輸入模塊選用SM321模塊，該模塊和暖風(fēng)機(jī)開、暖風(fēng)機(jī)關(guān)等開關(guān)量相連，數(shù)字量輸出模塊使用SM322模塊，可以實(shí)現(xiàn)PLC內(nèi)部信號電平到控制過程所要求的外部信號電平轉(zhuǎn)換，模擬量的輸入和輸出模塊分別選用SM331和SM332兩個模塊，開關(guān)量接線圖如圖2所示。

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于不同季節(jié)雞舍通風(fēng)量要求不同，冬季氣溫較低，雞舍內(nèi)主要以保暖為主。冬季雞舍內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速的控制方式，這樣既可以保證雞舍內(nèi)的通風(fēng)量滿足要求，又避免了能源浪費(fèi)。根據(jù)實(shí)際需求，通風(fēng)系統(tǒng)使用4個通風(fēng)機(jī)，其中風(fēng)機(jī)1采用變頻和工頻兩種調(diào)速模式，風(fēng)機(jī)2、3、4采用工頻調(diào)速。FU1是熔斷器，能夠保護(hù)電路，F(xiàn)R1、FR2、FR3和FR4是繼電器，分別實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)M1、M2、M3和M4的過載保護(hù)。當(dāng)需要的通風(fēng)量較小時，Q1閉合，Q2、Q3、Q4和Q5斷開，KM1閉合，此時M1變頻運(yùn)行，其它電動機(jī)不工作；當(dāng)需要的通風(fēng)量較大時，Q1和Q3閉合，Q2、Q4和Q5斷開，KM1和KM2閉合，此時M1變頻運(yùn)行，M2工頻運(yùn)行，M3和M4不工作。在雞舍內(nèi)通風(fēng)量需求不大，只需要一臺風(fēng)機(jī)變頻和一臺風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時，M1變頻運(yùn)行，M2、M3和M4可以任選其中一臺工作，其余兩臺停止運(yùn)行，這樣可以避免由于風(fēng)機(jī)故障而造成經(jīng)濟(jì)損失，保障雞舍環(huán)境始終處于適宜狀態(tài)。根據(jù)雞舍內(nèi)通風(fēng)量的需求不同，可以選擇開啟不同數(shù)量的風(fēng)機(jī)。通風(fēng)系統(tǒng)主電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)運(yùn)用組態(tài)王6.55來編寫相應(yīng)程序，構(gòu)建智能化雞舍監(jiān)控界面，實(shí)時在線顯示雞舍內(nèi)的溫度、濕度以及氨氣濃度值。根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)雞舍監(jiān)控畫面，依據(jù)雞舍內(nèi)相關(guān)設(shè)備的擺放位置完成安裝并連接，然后定義數(shù)據(jù)對象完成動畫連接，利用實(shí)時曲線控件對溫度、濕度和氨氣濃度曲線進(jìn)行在線顯示。endprint

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括主程序軟件和子程序軟件設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)對雞舍溫度、濕度以及氨氣濃度參數(shù)值的采集和處理，并將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)中，通過接收相關(guān)的控制指令來決定通風(fēng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)的啟動和停止，達(dá)到雞舍環(huán)境參數(shù)實(shí)時在線監(jiān)測和智能化控制的目的。其中濕度控制的子程序如圖4所示，系統(tǒng)開始運(yùn)行后，傳感器將采集到的濕度值與設(shè)定的濕度值進(jìn)行比較，如果采集值大于設(shè)定值上限，則濕度報警指示燈亮，同時啟動通風(fēng)系統(tǒng)；反之則啟動噴霧器，直到濕度值回到設(shè)定的范圍值內(nèi)，系統(tǒng)關(guān)閉噴霧器。

4 結(jié)果分析

系統(tǒng)對雞舍內(nèi)的溫度、濕度和氨氣濃度3種主要的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制，以一天中某一時間段監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)值為例進(jìn)行分析，其中溫度變化曲線如圖5所示。

在監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，雞舍溫度在設(shè)定的最佳值附近擺動，當(dāng)參數(shù)值超過設(shè)定溫度，啟動相應(yīng)的控制設(shè)備，使其快速恢復(fù)到設(shè)定值范圍，說明監(jiān)控系統(tǒng)能夠較好地滿足雞舍對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控要求。

5 結(jié)語

為了改善雞舍環(huán)境，提高對雞舍內(nèi)溫度、濕度和氨氣濃度的自動化控制，設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的多參數(shù)智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成對雞舍內(nèi)溫度、濕度和氨氣濃度的實(shí)時在線監(jiān)測、存儲和顯示，并根據(jù)實(shí)際需要控制相關(guān)設(shè)備開啟或者關(guān)閉，保證雞舍環(huán)境始終處在適宜的狀態(tài)。使用結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)有較高的檢測精度、反應(yīng)迅速、系統(tǒng)智能化程度較高，具有一定的市場應(yīng)用前景和推廣價值。

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