基于可編程序控制器（PLC）的人員洗澡智能管控系統(tǒng)研究

張志勇，樊士冉 ＊，劉 聰，米凱臣，鄧啟偉，張瑞雪

（新希望六和股份有限公司，山東 青島 266000）

引言

近年來，由非洲豬瘟病毒引起的疫情在世界各地廣泛傳播，非洲豬瘟發(fā)病頻率高、影響范圍廣、持續(xù)時間長的特點使得非洲豬瘟成為養(yǎng)豬業(yè)的主要威脅。2018年8月，中國暴發(fā)了非洲豬瘟，給中國養(yǎng)豬業(yè)造成了巨大損失。非洲豬瘟病毒的傳播途徑有直接接觸、間接接觸兩種，直接接觸多是健康豬與攜帶病毒或確診的豬密切接觸所致。間接傳播范圍廣、較復雜，可通過人流（如訪客、內(nèi)部員工）、物品（飼料、食物工具等）、 車輛（場內(nèi)運輸車、拉豬車等）、豬群（引種、出豬、調(diào)欄等）、生物流動（鼠類、貓、狗等）進行傳播。由于目前對于非洲豬瘟尚無有效的疫苗和藥物可使用，提高豬場生物安全措施已成為養(yǎng)豬從業(yè)者對于豬場疾病控制的主要策略。需要從新豬場的選址、棟舍布局、人員淋浴通道、物資消毒方式、出豬臺等硬件設(shè)計建造上加入防止病原傳入的生物安全理念。

對于人員流動，“臟凈分區(qū)、單向流動、防止交叉”是養(yǎng)殖場生物安全核心原則。生物安全等級高的區(qū)域為凈區(qū)，生物安全等級低的區(qū)域為臟區(qū)。對于人員的跨區(qū)域流動，特別是從臟區(qū)進入凈區(qū)，必須進行嚴格的洗澡消毒程序。

然而在目前豬場管理模式下，員工洗澡基本上靠自覺。當員工對反復洗澡造成心理抵觸時，洗澡消毒效果極大降低，對生物安全造成重大隱患。而員工洗澡屬于個人私密行為，人工無法干預，無法通過人工監(jiān)管的方式實現(xiàn)強制性。當前無法通過技術(shù)手段、人工方式對洗澡消毒效果進行快速、準確的判斷。與此同時，信息技術(shù)對智慧養(yǎng)豬至關(guān)重要。針對目前豬場人員洗澡存在的管控問題，通過引入自動化、智能化技術(shù)設(shè)計一款滿足豬場人員洗澡的智能化管控系統(tǒng)勢在必行。

1 總體方案設(shè)計

1.1 研究對象分析

目前豬場常見的洗澡通道布局如圖1所示。人員從臟區(qū)進入凈區(qū)，需經(jīng)過淋浴間進行淋浴。員工在脫衣間脫下在臟區(qū)內(nèi)穿著的衣物進入淋浴間進行洗澡，洗澡完成后在穿衣間更換為凈區(qū)的衣物。由于在淋浴過程中，淋浴間為隱私密閉環(huán)境，員工的洗澡過程無法進行有效監(jiān)管。需在此通道內(nèi)進行人員洗澡智能管控系統(tǒng)的設(shè)計，保證洗澡效果。

圖1 豬場洗澡通道布局圖

1.2 工作原理

運用人員洗澡智能管控系統(tǒng)，通過裝有磁力鎖的物理門，確保人員在洗澡通道不可隨意流動；借助控制及自動化技術(shù)，對人員在洗澡通道的行動進行監(jiān)測與管控；通過對洗浴時間和水流量等因素的控制，確保人員在不被直接監(jiān)督的情況下完成有效洗澡過程。

人員洗澡智能管控系統(tǒng)設(shè)計總體方案如圖2所示。

圖2 人員洗澡智能管控系統(tǒng)總體方案圖

1.3 關(guān)鍵模塊介紹

人員洗澡智能管控系統(tǒng)主要由主控箱模塊、門禁模塊、傳感感應模塊、播報與警告模塊等組成。

1.3.1 主控箱模塊

以三菱FX3U PLC控制器為核心部件，通過控制器高速掃描刷新機制，確保人員按照指定流程完成整個洗澡過程。指紋機、開關(guān)按鈕、傳感器、流量計、電位器與控制器連接，構(gòu)成輸入通路，控制器與門鎖、電磁閥、警報器、播報器連接，構(gòu)成輸出通路?？刂破髋c外圍設(shè)備連接的示意圖如圖3所示。PLC的輸入輸出點的分配如表1所示。

表1 PLC輸入輸出點地址分配

1.3.2 門禁模塊

由指示燈、磁力鎖、按鈕開關(guān)、指紋機等組成，系統(tǒng)根據(jù)洗澡過程邏輯決定磁力鎖的通斷、指示燈的亮滅等。此模塊是限定人員軌跡的關(guān)鍵模塊。其中兩臺指紋機布置在靠近凈區(qū)的門進出口處，通過前期錄入的指紋信息，保證只有授權(quán)的人員可以進入凈區(qū)。

1.3.3 傳感感應模塊

人體傳感器以微波多普勒原理為基礎(chǔ)，可以判斷員工洗澡過程中所處房間位置。電位計用于設(shè)置單次洗澡所需要的用水量，通常設(shè)置為50 L。流量計用來記錄洗澡過程中的用水量，與電位計相比較，判定洗澡過程中的用水量是否符合要求。計時器用來記錄洗澡過程中的用時情況，通常設(shè)置為20 min，通過控制洗澡過程中充足的時長保證洗澡效果。

通過光柵確定人員洗澡所處位置為正確位置，保證花灑噴淋的有效性。光柵設(shè)置兩組紅外光柵對，分別為豎直光柵對和水平光柵對。兩個光柵對分別兩兩對應的設(shè)置在房間中環(huán)繞淋浴噴頭的四個水平空間面上。豎直光柵對的兩根光柵豎直對稱設(shè)置在淋浴噴頭兩側(cè)，豎直光柵的感應范圍為淋浴噴頭下方；水平光柵設(shè)置與豎直光柵相鄰的兩個面上，水平光柵和地面的間距為800～1 200 mm。兩組光柵對的聯(lián)合使用可以用于判斷人員是否在洗澡位置。光柵實物如圖4所示。

圖4 光柵實物圖

只有人員在正確洗澡位置時，計時器開始計時，流量計開始記錄流量，保證人員洗澡足夠的時間與用水量。

1.3.4 播報與警告模塊

多路語音播報器根據(jù)流程中各節(jié)點進行相應播報，可提示流程過程中的正確操作與違規(guī)事項。多路語音播報器如圖5所示。

圖5 多路語音播報器示意圖

警告模塊的作用是洗澡人員因緊急情況按下緊急按鈕或者系統(tǒng)判定人員洗澡非正常超時，聲光報警器啟動，同時門禁斷電，方便緊急狀況處理。人員洗澡非正常超時是指未檢測到人（人靜止，考慮昏厥等突發(fā)情況）的持續(xù)時間超過10 min。聲光報警器如圖6所示。

圖6 聲光報警器示意圖

2 系統(tǒng)操作流程

2.1 臟區(qū)進入凈區(qū)流程

圖7為人員從臟區(qū)進入凈區(qū)洗澡智能管控流程圖，閉門前提下，淋浴時間和用水量須滿足洗澡要求，方可開門進入凈區(qū)。期間若有折返臟區(qū)行為，統(tǒng)計都將復位。具體流程如下：

圖7 臟區(qū)進入凈區(qū)管控流程圖

a）進出兩個門都關(guān)好的情況下，若指示燈亮著，說明里面有人，此時打不開門；燈若未亮，則說明里面沒人，按下按鈕，開門進入。

b）進入脫衣間，關(guān)好門（門若未關(guān)好，播報器會提示“請關(guān)好門”），脫衣間內(nèi)的人體感應器感知內(nèi)部有人，播報器提醒人員洗浴注意事項。

c）從脫衣間到淋浴間開始洗浴，時間和用水量達到要求后，播報器會播報合格（若未合格，從淋浴間返回脫衣間，播報器會提醒“勿返回”，同時之前的淋浴條件會復位；若未合格，從淋浴間到穿衣間，播報器會提示“您已違規(guī)，請返回繼續(xù)淋浴”，同時記錄違規(guī)信息到指紋機，此時也無法打開門到達凈區(qū)）。

合格后，從淋浴間到穿衣間，播報器提醒人員已完成淋浴。被穿衣間的人體傳感器感知，則判斷人員已到達穿衣間，可刷指紋開門進入凈區(qū)，同時關(guān)好門，否則會播報提醒“請關(guān)好門”。系統(tǒng)檢測內(nèi)部無人，整個系統(tǒng)自檢復位，一個淋浴過程完成。

2.2 凈區(qū)進入臟區(qū)流程

圖8為人員從凈區(qū)返回臟區(qū)的洗澡智能管控流程圖，人員返回臟區(qū)時系統(tǒng)對于淋浴時間和用水量不做強制管控。具體流程如下：

圖8 凈區(qū)返回臟區(qū)管控流程圖

a）進出兩個門都關(guān)好的情況下，若指示燈亮著，說明里面有人，此時打不開門；燈若未亮，則說明里面沒人，按指紋，開門進入。

b）進入穿衣間，關(guān)好門。

c）依次進入淋浴間、脫衣間（不強制洗澡）；此時若想要返回凈區(qū)，需按規(guī)定完成淋浴，否則會語音提醒且無法開門進入凈區(qū)。

d）按下按鈕，開門，進入臟區(qū)并關(guān)好門。

3 試驗驗證

人員智能洗澡管控系統(tǒng)驗證試驗于2020年5月在唐山新好農(nóng)牧有限公司的入場關(guān)口進行。關(guān)口已有相應的洗澡通道，具有熱水器、花灑等基礎(chǔ)洗澡功能。對已有洗澡通道進行改造，改造完成之后的效果圖如圖9所示。

圖9 人員洗澡智能管控系統(tǒng)實施效果圖

現(xiàn)場安裝完成后的部分細節(jié)圖如圖10所示。安裝完成后對管控系統(tǒng)的功能進行試驗驗證，經(jīng)過試驗，人員洗澡智能管控系統(tǒng)實現(xiàn)了對洗澡過程的智能管控。人員從臟區(qū)進入洗澡間，若不按規(guī)定要求完成淋浴過程，則無法打開凈區(qū)門進入內(nèi)部，實現(xiàn)了管控的智能化、無人化，大大提升了人員跨區(qū)域流動的生物安全管理水平。

圖10 人員洗澡智能管控系統(tǒng)現(xiàn)場安裝圖

4 結(jié)論

文章研究了一款基于PLC的人員洗澡智能管控系統(tǒng)，通過控制人員的洗澡位置、洗澡時長、用水量等參數(shù)，對人員跨區(qū)域流動的洗澡效果起到了非常好的保障作用，解決了目前行業(yè)內(nèi)洗澡無法監(jiān)管的難題。對于豬場非洲豬瘟等流行性疾病的防控起到非常重要的作用，有極強的應用前景與行業(yè)推廣價值。