基于PLC和云平臺的鵝孵化機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 康，丁為民，郭彬彬，顧家冰，任慧滿，施振旦

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031； 2 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014； 3 佛山市任氏機(jī)械科技有限公司，廣東 佛山 520139)

中國是鵝生產(chǎn)和貿(mào)易大國，出欄量居全球第一[1-3]。鵝種蛋孵化是鵝產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，中國鵝種蛋孵化生產(chǎn)的特征是小規(guī)模大群體、管理模式粗放、技術(shù)缺乏等[4-5]。鵝種蛋具有產(chǎn)量低、體積大、質(zhì)量大、含脂率高、孵化周期長等特點(diǎn)，相比于雞、鴨90%以上的孵化率，鵝受精蛋孵化率通常只有80%左右。這不僅與鵝種蛋的先天條件有關(guān)，也與鵝種蛋對孵化條件有嚴(yán)格要求有關(guān)。目前禽蛋人工孵化設(shè)備多是針對雞種蛋孵化設(shè)計(jì)，應(yīng)用于鵝種蛋孵化的設(shè)備相對落后，存在自動化程度低、溫度控制精度差、現(xiàn)場操作復(fù)雜等不足。

禽種蛋的人工孵化是利用仿生學(xué)原理和自動控制技術(shù)為種蛋創(chuàng)造一個(gè)類似于自然孵化的人工環(huán)境，長期研究探索出影響種蛋人工孵化性能的因素有溫度、濕度、通風(fēng)和翻蛋[6-9]。孵化過程控制是一個(gè)多干擾、多變量、純滯后的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)[10]。國外的研究多是采用模糊控制或比例-積分-微分控制 (Proportional-integral-derivative, PID)控制的方式控制孵化機(jī)的溫濕度,其中溫度控制精度達(dá)到±0.1 ℃[11-12]。國內(nèi)學(xué)者的研究主要是提出一些優(yōu)化溫濕度控制的算法以達(dá)到更精確的溫濕度控制[13-15]。通過實(shí)測現(xiàn)有鵝孵化機(jī)溫度控制，其溫度精度為±0.3 ℃。在孵化機(jī)自動化控制方面，王思江[16]設(shè)計(jì)了一套孵化設(shè)備智能控制系統(tǒng)，張薇[17]設(shè)計(jì)了微電腦控制多功能孵化機(jī)。在孵化機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，楊正君等[18]和孫冠男等[19]都提出了利用通用分組無線業(yè)務(wù) (General packet radio service，GPRS)設(shè)計(jì)孵化機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案。上述研究都促進(jìn)了孵化機(jī)溫濕度控制精度的提高和孵化機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，但也存在一些不足之處：一是上述系統(tǒng)都是針對雞種蛋設(shè)計(jì)，沒有考慮鵝種蛋孵化的特殊工藝需求，尤其是鵝種蛋孵化中重要的一道工藝-噴水晾蛋，當(dāng)前各孵化廠仍采用人工噴水的方式；二是目前鵝孵化機(jī)的操作仍采用按鍵數(shù)碼管操作方式，數(shù)據(jù)記錄采用人工定時(shí)登記方式；三是上述遠(yuǎn)程監(jiān)控只能用短信的方式進(jìn)行報(bào)警和控制操作，使用復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差，且無實(shí)用性成果。

本文在分析、借鑒前人相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來自動控制技術(shù)[20]和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[21]的發(fā)展，設(shè)計(jì)了一種基于可編程邏輯控制器(Programmable logic controller，PLC)和云平臺的鵝孵化機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)立足于“智能在端、智慧在云、管控在屏”的智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[22]，增強(qiáng)了鵝種蛋孵化過程的自動化和信息化水平、溫度控制精度、操作和監(jiān)控的便捷性，并對整套系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 鵝孵化機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 控制因素分析

孵化機(jī)控制是一個(gè)多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)。通過對廣東省潮州市源生泉專業(yè)種養(yǎng)殖合作社鵝孵化場及其孵化機(jī)設(shè)備廠的實(shí)地調(diào)研，了解到鵝種蛋孵化的工藝要求和孵化機(jī)控制要求，主要包括溫度、濕度、通風(fēng)、翻蛋和噴水晾蛋。溫度是影響鵝種蛋孵化性能最重要的因素，控制精度要求較高，在設(shè)定溫度±0.1 ℃范圍內(nèi)最佳，但目前的鵝孵化機(jī)控制系統(tǒng)難以達(dá)到要求；濕度控制具有嚴(yán)重的滯后性，控制精度要求較低，現(xiàn)有控制方式可以實(shí)現(xiàn)控制要求；根據(jù)長期鵝種蛋孵化經(jīng)驗(yàn)，通風(fēng)在溫濕度調(diào)節(jié)和噴水晾蛋過程中可以自動滿足要求；翻蛋和噴水控制需根據(jù)設(shè)定的時(shí)間自動完成控制。通過分析，本文把精確溫度控制、濕度控制、自動翻蛋和自動噴水晾蛋作為監(jiān)控系統(tǒng)的主要控制因素。

圖1為現(xiàn)有鵝孵化機(jī)孵化過程中的溫度采樣數(shù)據(jù)(設(shè)定溫度為37.8 ℃)，可以看出溫度在37.5～38.1 ℃范圍內(nèi)波動，采樣數(shù)據(jù)中溫度達(dá)到目標(biāo)值±0.1 ℃ 范圍的只有 56.44%，達(dá)到目標(biāo)值±0.2 ℃范圍的只有84.16%，說明系統(tǒng)存在溫度波動大、魯棒性差等缺點(diǎn)。

圖1 現(xiàn)有鵝孵化機(jī)孵化過程溫度采樣曲線Fig. 1 Temperature sampling curve during incubation of the existing goose incubator

1.2 孵化機(jī)結(jié)構(gòu)與監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

鵝孵化機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，外形尺寸為3 990 mm×2 550 mm×2 550 mm，主要包括箱體、蛋車、攪拌風(fēng)扇、控制箱等。箱體頂部設(shè)有出風(fēng)口，機(jī)門兩側(cè)下端設(shè)有進(jìn)風(fēng)風(fēng)門，孵化機(jī)內(nèi)并排放置4臺蛋車，控制箱位于箱體頂部，攪拌風(fēng)扇設(shè)置在箱體內(nèi)部蛋車兩側(cè)，電加熱管共有6根對稱設(shè)置在箱體左右側(cè)壁上，加濕水槽位于左右兩側(cè)底部。

圖2 鵝孵化機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structural diagram of goose incubator

孵化機(jī)工作時(shí)，通過溫濕度變送器獲取溫度和濕度信息，利用電加熱管加熱，利用加濕水槽加濕，當(dāng)出現(xiàn)高溫高濕時(shí)，利用安裝在出風(fēng)口的排氣扇進(jìn)行降溫除濕；翻蛋控制根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔啟動翻蛋電機(jī)；噴水晾蛋控制根據(jù)設(shè)定的時(shí)刻運(yùn)行噴水晾蛋程序；攪拌風(fēng)扇始終保持啟動狀態(tài)，強(qiáng)迫孵化機(jī)內(nèi)空氣運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)均溫、均濕?，F(xiàn)場監(jiān)控由觸摸屏連接PLC實(shí)現(xiàn)，顯示實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)、報(bào)警情況，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、手/自動控制切換等。遠(yuǎn)程監(jiān)控利用GPRS智能網(wǎng)關(guān)和云平臺實(shí)現(xiàn)，通過手機(jī)端的微信公眾號或網(wǎng)頁查看孵化機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)下載。

2 鵝孵化機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成與控制方式

根據(jù)鵝種蛋孵化的實(shí)際孵化需求，孵化機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)分為2層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場監(jiān)控層，由各種信息采集元件、執(zhí)行元件、PLC控制器、觸摸屏和電源模塊組成；遠(yuǎn)程監(jiān)控層，由GPRS智能網(wǎng)關(guān)、云平臺服務(wù)器和移動端的電腦或手機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鵝孵化機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structural diagram of the monitoring system of goose incubator

現(xiàn)場監(jiān)控層的信息采集元件主要有：采集溫度和濕度信息的變送器、采集位置信息的行程開關(guān)和采集攪拌風(fēng)扇故障信息的接近開關(guān)；執(zhí)行元件主要有：電加熱管、加濕水槽、攪拌風(fēng)扇、翻蛋電機(jī)、供水閥和旋轉(zhuǎn)電機(jī)；監(jiān)控元件有：PLC主機(jī)和觸摸屏顯示器。溫度控制通過PLC接收、處理溫度變送器傳遞的溫度信息，進(jìn)而控制電加熱管的啟停狀態(tài)；濕度控制通過PLC接收、處理濕度變送器傳遞的濕度信息，進(jìn)而控制加濕水槽中帶動加濕片轉(zhuǎn)動的直流電機(jī)的啟停；翻蛋控制根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔和翻蛋位置開關(guān)狀態(tài)，PLC判斷翻蛋電機(jī)轉(zhuǎn)向并控制翻蛋電機(jī)的啟停；噴水控制根據(jù)設(shè)定的噴水啟動時(shí)間，PLC控制供水閥和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的啟停，啟動后供水閥為水管供水，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動水管和噴頭旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行掃射噴水；攪拌風(fēng)扇始終保持啟動狀態(tài)，強(qiáng)迫孵化機(jī)內(nèi)空氣運(yùn)動，完成均溫、均濕；當(dāng)溫度或濕度超出設(shè)定閾值，通過啟動排氣扇降溫、降濕；觸摸屏通過RS232串口與PLC連接，可以實(shí)現(xiàn)手動/自動控制模式切換，顯示實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)、報(bào)警情況，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)保存等。

遠(yuǎn)程監(jiān)控層利用GPRS智能網(wǎng)關(guān)通過RS485串口與PLC連接，將PLC中的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，云服務(wù)器接收并將數(shù)據(jù)處理后保存在云數(shù)據(jù)庫；移動端的電腦或手機(jī)可以直接訪問云數(shù)據(jù)庫中PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可以下載歷史數(shù)據(jù)；移動端可以對PLC發(fā)出控制指令，控制各執(zhí)行元件和進(jìn)行參數(shù)修改。

2.2 系統(tǒng)電源及驅(qū)動設(shè)備

配電系統(tǒng)包括主電路部分和控制電路部分，如圖4所示。主電路部分包括斷路器(QF)、交流接觸器 (KM1～KM4)、熱過載繼電器 (FR1～FR5)、固態(tài)繼電器(SSR)、中間繼電器、加熱管、三相電機(jī)和單相電機(jī)驅(qū)動的其他執(zhí)行元件等。

圖4 鵝孵化機(jī)配電系統(tǒng)電路圖Fig. 4 Circuit diagram of power distribution systemof the goose incubator

控制電路部分以PLC為核心，包括與之相連的觸摸屏、電源模塊、信息采集元件等。PLC通過輸入端口接收信息采集元件傳遞的信息，通過輸出端口控制中間繼電器的通、斷，進(jìn)而控制執(zhí)行元件的啟、停。電源模塊將220V交流強(qiáng)電轉(zhuǎn)為24V直流弱電，為PLC、觸摸屏、GPRS智能模塊、報(bào)警器和各類信息采集元件供電。

2.3 系統(tǒng)主要硬件配置

主要硬件選型要求產(chǎn)品穩(wěn)定性好、耐用、價(jià)格合適且易采購，以下是監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件配置。

1)主控器件：臺達(dá)PLC型號為DVP60ES200R，采用繼電器輸出，提供36個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和24個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)以滿足系統(tǒng)需要，2組RS485串口和1組RS232串口支持Modbus主從站協(xié)議，具有開發(fā)周期短、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2)現(xiàn)場監(jiān)控主器件：威綸通的MT6103iP型號觸摸屏，設(shè)計(jì)后用戶可以通過文本、按鈕、圖形和數(shù)字相結(jié)合的方式實(shí)時(shí)監(jiān)控變化的信息，屏幕畫面直觀，操作簡單，能夠在現(xiàn)場便捷地設(shè)定和修改孵化機(jī)參數(shù)，查看孵化機(jī)工作狀態(tài)[23]。

3)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊：GPRS智能網(wǎng)關(guān)是把GPRS技術(shù)整合到智能網(wǎng)關(guān)中，通過4G/5G或Wi-Fi與云平臺連接，該云平臺架設(shè)于阿里云，在客戶端和云平臺之間建立了1條安全套接字協(xié)議(Secure sockets layer, SSL)安全通道。移動端的手機(jī)、PC 等可以通過微信公眾號、APP或網(wǎng)頁登錄云平臺查看孵化機(jī)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以發(fā)出控制指令[24-25]。

4)信息采集元件：溫度和濕度信息選用溫濕度變送器采集，其顯示分辨率分別是0.1 ℃、0.1%，采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-RTU協(xié)議傳輸信息到PLC控制器。攪拌風(fēng)扇工作狀態(tài)檢測選用金屬感應(yīng)傳感器(接近開關(guān))，以工作時(shí)的接通頻率作為正常工作判斷的依據(jù)。滾輪搖臂式位置開關(guān)用于判斷翻蛋情況和作為風(fēng)門開度調(diào)整的標(biāo)尺。

5)執(zhí)行元件：加熱元件選用翅片電加熱管，220 V單相電壓供電，功率為1 kW，具有熱效率高、使用壽命長等特點(diǎn)。加濕器選用常規(guī)孵化機(jī)用水槽加濕片型加濕器，具有控制簡單、加濕效率高的特點(diǎn)。翻蛋由減速電機(jī)驅(qū)動，包括電機(jī)和減速器，電機(jī)型號YE2-63M2-4，額定轉(zhuǎn)速 1 320 r/min，功率 0.18 kW；減速器型號RV040，減速比25。噴水控制元件包括供水閥和旋轉(zhuǎn)電機(jī)，供水閥為AC 220 V常閉型電磁閥，控制電壓為DC 24 V；旋轉(zhuǎn)電機(jī)為單相減速電機(jī)，電源電壓 220 V，功率 40 W。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制策略

溫度是影響孵化最重要的因素，有些學(xué)者針對孵化機(jī)的溫度控制提出了一些精確控制方法[13,15-16]，但實(shí)際應(yīng)用較少或無實(shí)際應(yīng)用，目前鵝孵化機(jī)行業(yè)中常用的溫度控制多為簡單、可靠的位式控制方法，存在波動大、控制精度低等不足。為了提高鵝種蛋孵化過程中溫度控制的精度和靈敏度，設(shè)計(jì)了多級-自整定PID控溫方法。該方法在孵化機(jī)箱體左右兩側(cè)面分別安裝3個(gè)加熱管，根據(jù)同一時(shí)刻電加熱管啟動的數(shù)量和工作模式將加熱過程分為3個(gè)等級，如圖5所示，其中一級加熱時(shí)把PID控制和自整定思想相結(jié)合，利用PLC程序控制固態(tài)繼電器的連續(xù)通斷，進(jìn)而控制加熱管的啟停。

圖5 鵝孵化機(jī)溫度多級控制原理圖Fig. 5 Schematic diagram of temperature multi-level control of the goose incubator

在一級加熱時(shí)采用PID控制方法，PID控制方法可靠性高，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，控制規(guī)律表達(dá)式如公式(1)和(2)所示。孵化過程中被控對象的負(fù)荷多變、干擾因素復(fù)雜，要想獲得滿意的控制效果，每次孵化都要對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。針對孵化環(huán)境和PLC控制的特點(diǎn)，采用了自整定數(shù)字遞推增量式PID控制方式，利用臨界比例度法對數(shù)字遞推增量式PID參數(shù)進(jìn)行整定，從而滿足多變被控對象的要求，使被控對象有良好的性能。

PID控制規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)式：

偏差表達(dá)式：

式中， MV(t)表示輸出值；KP表示比例增益；E(t)表示偏差值；K表示積分增益；K表示微分增益；表示積分值；E(t)S表示微分值；S V(t)表示目標(biāo)值。

根據(jù)實(shí)際需要，溫度設(shè)置高溫溫度T1、上限溫度（設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度）T2、下限溫度T3和低溫下限溫度T4，對比采集溫度T0時(shí)，可把溫度劃分為（T0≥T1，T1＞T0≥T2，T2＞T0≥T3，T3＞T0≥T4，T4＞T0）5段區(qū)域。系統(tǒng)根據(jù)采集溫度T0所在的區(qū)域選擇不同的加熱情況和加熱等級，選擇策略如圖6所示。

濕度控制在孵化過程的控制精度要求較低，實(shí)際控制過程中也較易滿足要求，根據(jù)鵝孵化機(jī)常用加濕器存在較大的滯后性的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用雙位式控制策略，濕度大于上限值時(shí)啟動排風(fēng)降濕，濕度小于下限值時(shí)啟動加濕器加濕，使?jié)穸染S持在一定范圍。翻蛋控制主要根據(jù)位置開關(guān)的狀態(tài)確定翻蛋電機(jī)的啟停和旋轉(zhuǎn)方向。位置開關(guān)設(shè)置有前翻位置開關(guān)和后翻位置開關(guān)，翻蛋達(dá)到設(shè)定位置，蛋架撥動常開的位置開關(guān)閉合時(shí)，電機(jī)停止并啟動計(jì)時(shí)器，達(dá)到設(shè)定時(shí)間，電機(jī)反向啟動。

圖6 鵝孵化機(jī)精確控溫流程圖Fig. 6 Flow chart of precise temperature control of the goose incubator

鵝種蛋孵化過程噴水晾蛋是一個(gè)重要的工藝，根據(jù)人工操作流程設(shè)計(jì)自動噴水晾蛋策略，可分為噴水、晾蛋和抽濕3步，由于不同地區(qū)、不同季節(jié)噴水晾蛋需求不同，在設(shè)計(jì)自動噴水晾蛋時(shí)要能夠調(diào)整噴水、晾蛋和抽濕的時(shí)間。自動噴水晾蛋流程如圖7所示，首先蛋車和風(fēng)門復(fù)位；然后供水電磁閥和旋轉(zhuǎn)電機(jī)打開；噴頭向種蛋噴水并回轉(zhuǎn)運(yùn)動；晾蛋時(shí)開啟排風(fēng)，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后結(jié)束；最后是抽濕，抽濕開始時(shí)關(guān)閉排風(fēng)，開啟三級加熱，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定抽濕溫度后停止加熱，開啟排風(fēng)到設(shè)定時(shí)間后結(jié)束自動噴水晾蛋。

圖7 鵝孵化機(jī)自動噴水晾蛋流程圖Fig. 7 Flow chart of automatic water spray of the goose incubator

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用WPLSoft軟件、梯形圖語言編寫，包括初始化程序、信息采集程序和輸出程序。結(jié)合孵化工藝要求設(shè)計(jì)2種操作模式，如圖8所示，分別是手動控制模式和自動控制模式。手動模式下，通過觸摸屏手動控制各執(zhí)行元件工作。自動控制模式下，PLC根據(jù)信息采集元件得到的信息和自動控制程序中定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的設(shè)定，通過輸出端輸出信號，自動控制各執(zhí)行元件工作。

圖8 鵝孵化機(jī)PLC控制流程圖Fig. 8 PLC control flow chart of the goose incubator

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用GPRS智能網(wǎng)關(guān)和云平臺實(shí)現(xiàn)，無需搭建服務(wù)器，用于管理人員移動端實(shí)時(shí)監(jiān)控孵化機(jī)工作情況，還可以用于緊急情況的遠(yuǎn)程處理和歷史數(shù)據(jù)的保存。

遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由GPRS智能網(wǎng)關(guān)、4/5GSIM卡和移動端的手機(jī)、電腦等組成。如圖3所示，GPRS智能網(wǎng)關(guān)與PLC控制器通過RS485串口連接，采用Modbus RTU主機(jī)協(xié)議通訊，將PLC中的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器；云服務(wù)器對收到的數(shù)據(jù)解析后保存到云數(shù)據(jù)庫；移動端通過微信公眾號、APP或網(wǎng)頁可以訪問和下載云數(shù)據(jù)庫中PLC上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以圖表的形式展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化讀取。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，可以由移動端向PLC發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的檢測和控制。

遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用過程中每個(gè)GPRS智能網(wǎng)關(guān)對應(yīng)1個(gè)賬號，每個(gè)賬號可以設(shè)計(jì)三級密碼權(quán)限，根據(jù)工作人員工作性質(zhì)的差異授予不同等級權(quán)限的密碼?？煽康倪h(yuǎn)程報(bào)警是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)當(dāng)有報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，移動手機(jī)可以接收到微信推送、報(bào)警短信和報(bào)警電話，在監(jiān)控頁面可以看到報(bào)警原因。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，于2020年6—8月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院示范基地進(jìn)行搭建、調(diào)試后進(jìn)行試驗(yàn)，3個(gè)月的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控功能，無故障出現(xiàn)，運(yùn)行穩(wěn)定。

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

圖9a是現(xiàn)場觸摸屏監(jiān)控主界面，包括各執(zhí)行元件工作狀態(tài)、孵化機(jī)內(nèi)環(huán)境信息、手/自動切換按鈕等，通過主界面底部的菜單欄可以切換到參數(shù)設(shè)置、報(bào)警記錄、溫濕度曲線等界面。圖9b是遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的Web客戶端主界面，移動端通過對應(yīng)的賬號和密碼登錄后，可以進(jìn)行孵化機(jī)的實(shí)時(shí)溫濕度查看、參數(shù)設(shè)置和各執(zhí)行元件工作狀態(tài)查看，通過界面上部的切換按鈕可以查看溫濕度歷史曲線圖、溫濕度歷史數(shù)據(jù)表、報(bào)警記錄和下載歷史數(shù)據(jù)。

圖9 鵝孵化機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)操作界面Fig. 9 Monitoring system operation interface of the goose incubator

系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行測試中，各項(xiàng)功能得到有效的測試，且運(yùn)行穩(wěn)定。

4.2 溫度控制性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)精確溫度控制的抗干擾性能，在孵化機(jī)正常工作過程中對系統(tǒng)進(jìn)行干擾測試，并與現(xiàn)有鵝孵化機(jī)控制系統(tǒng)對比。如圖10a所示，孵化機(jī)正常運(yùn)行過程中 (設(shè)定溫度為 37.8 ℃)，在 90 s處打開機(jī)門并保持60 s作為干擾，可以看出精確溫度控制能夠快速調(diào)節(jié)被控對象，具有較高的魯棒性。

圖10 鵝孵化機(jī)溫度采樣曲線Fig. 10 Temperature sampling curve of the goose incubator

圖10b所示為本監(jiān)控系統(tǒng)在孵化生產(chǎn)過程中一段時(shí)間的溫度采樣數(shù)據(jù)(設(shè)定溫度37.8 ℃)，可以看出溫度在37.7～37.9 ℃范圍內(nèi)變化，采樣數(shù)據(jù)中溫度100%達(dá)到目標(biāo)值±0.1 ℃范圍，與現(xiàn)有鵝孵化機(jī)溫度采樣數(shù)據(jù)對比，突顯本系統(tǒng)的優(yōu)勢，說明本系統(tǒng)具有良好的溫度控制精度。

4.3 溫濕度監(jiān)測試驗(yàn)

圖11給出了孵化過程中某天從0:00—24:00的孵化機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)，知設(shè)定溫度為37.8 ℃，設(shè)定濕度范圍為65%～75%。11:10—13:25時(shí)間段為自動噴水晾蛋階段，噴水后晾蛋時(shí)箱體內(nèi)溫度下降、濕度上升；晾蛋結(jié)束后加熱到抽濕溫度，達(dá)到抽濕溫度后啟動排風(fēng)，溫度、濕度同時(shí)下降；抽濕結(jié)束，自動噴水晾蛋完成，溫濕度逐漸回歸設(shè)定值。21:30改孵化機(jī)自動模式為手動模式，進(jìn)行照蛋，21:30—22:40孵化機(jī)內(nèi)溫濕度都低于設(shè)定值，照蛋結(jié)束，孵化機(jī)重新設(shè)為自動模式，溫濕度逐漸回歸設(shè)定值。除噴水和照蛋過程之外，溫度在(37.8±0.1)℃的數(shù)據(jù)占全部采樣數(shù)據(jù)的100%，濕度在65%～75%的數(shù)據(jù)占全部采樣數(shù)據(jù)的99.8%；說明系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。

圖11 孵化過程溫濕度曲線Fig. 11 Temperature and humidity curve during incubation

4.4 孵化生產(chǎn)性能試驗(yàn)

為了更好地說明監(jiān)控系統(tǒng)的性能，搭載該系統(tǒng)后詳細(xì)記錄3批獅頭鵝種蛋的孵化數(shù)據(jù)。結(jié)果如表1所示，受精蛋孵化率最高為90.09%，最低為87.12%，3批試驗(yàn)受精蛋的平均孵化率為87.84%，比業(yè)界現(xiàn)有記載中最高紀(jì)錄[9,26]高出1.44%；說明該系統(tǒng)能夠有效提高種蛋的孵化生產(chǎn)性能。

表1 鵝蛋孵化性能記錄Table 1 Records of hatching performance of goose eggs

5 結(jié)論

本研究根據(jù)鵝種蛋孵化過程的工藝要求和鵝孵化機(jī)的工作原理，利用PLC作為核心控制器，設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件程序，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鵝種蛋孵化過程溫度、濕度、翻蛋和噴水晾蛋的自動控制和手動控制?；谟|摸屏設(shè)計(jì)了現(xiàn)場監(jiān)控的人機(jī)交互界面，用戶可以直觀地監(jiān)控孵化機(jī)的工作狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、報(bào)警記錄和溫濕度歷史數(shù)據(jù)查詢。采用GPRS智能網(wǎng)關(guān)和云平臺作為遠(yuǎn)程傳輸橋梁，設(shè)計(jì)了基于PLC的鵝孵化機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了移動端和控制系統(tǒng)的雙向通信以及鵝孵化機(jī)的遠(yuǎn)程報(bào)警。

樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)符合實(shí)際生產(chǎn)使用要求，設(shè)備操作簡單、運(yùn)行可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)鵝種蛋孵化過程的自動控制、現(xiàn)場監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)際運(yùn)行中溫度自動控制的抗干擾能力優(yōu)于現(xiàn)有鵝孵化機(jī)，溫度控制精度能夠100%滿足孵化過程的控制要求，3批孵化生產(chǎn)試驗(yàn)中獅頭鵝受精蛋平均孵化率為87.84%，比現(xiàn)有記載最高紀(jì)錄高出1.44%，說明該監(jiān)控系統(tǒng)有助于提高鵝種蛋的孵化生產(chǎn)性能。遠(yuǎn)程監(jiān)控降低了孵化管理人員的工作強(qiáng)度，提高了鵝孵化機(jī)作業(yè)的信息化水平。