基于PLC的豬舍糞污清潔控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：文中主要研究了基于PLC的豬舍糞污清潔控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在節(jié)約成本并減少豬因環(huán)境問題感染傳染病的概率。系統(tǒng)共包含四個模式，每個模式可滿足不同情況下的需求，不僅可以自動清理豬舍糞污，而且還搭配高壓水槍噴射清洗，清理完成后可以自動開啟紫外線照射消毒；工作人員通過系統(tǒng)觀察到豬糞較多時還可以手動遠程清理。另外，系統(tǒng)設(shè)備移動時通過紅外線照射感應(yīng)行進路徑上是否有生病或睡覺的豬阻擋，若有則停止移動并暫停其余功能，同時發(fā)出轟鳴聲對豬進行驅(qū)趕，待紅外線感應(yīng)不到前方有豬時再繼續(xù)行進。系統(tǒng)還配備了故障報警系統(tǒng)，任意元件出現(xiàn)故障時，程序?qū)⑼Ｖ惯\行，對應(yīng)故障燈亮起，方便工作人員查找故障并及時修復(fù)。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠輔助工作人員清理豬舍，提高了豬舍工作人員的效率，滿足了人們對養(yǎng)豬場糞污處理的自動化需求。

關(guān)鍵詞：PLC；豬舍糞污清理；紅外線傳感器；旋轉(zhuǎn)電機；自動化；組態(tài)王

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-04

0 引 言

隨著養(yǎng)豬規(guī)模的不斷擴大和密集化養(yǎng)殖的出現(xiàn)，養(yǎng)豬業(yè)面臨著一系列問題[1]，其中糞污處理便是一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的糞污處理方式主要依靠手工清理和土地施肥，這種方式在規(guī)模化養(yǎng)殖場中已經(jīng)不再適用。于是出現(xiàn)了對養(yǎng)豬場糞污處理的自動化需求[2]。為此，本文設(shè)計了基于PLC的豬舍糞污清潔控制系統(tǒng)設(shè)計，旨在解決傳統(tǒng)方式下存在的問題，以滿足現(xiàn)代養(yǎng)豬業(yè)對生產(chǎn)效率、環(huán)境保護和經(jīng)濟效益的需求。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 糞污清潔系統(tǒng)設(shè)備組成

本文設(shè)計了基于PLC控制的小車和傳送帶系統(tǒng)對豬舍地板上的糞污進行清理[3]。主要設(shè)備如下：

（1）小車驅(qū)動電機

選擇NIDEC Corporation的直流無刷電機，NIDEC提供多種工業(yè)級BLDC電機，具備良好的耐腐蝕和防水性能，適合在豬舍等惡劣環(huán)境中使用[4]。在成本效益方面，直流有刷電機在制造成本上通常比無刷電機便宜，這主要是由于其設(shè)計較為簡單，制造過程成熟。

（2）紫外線消毒小燈

選用朗普的LP-GZ202-FB型號紫外線消毒小燈，該型號的消毒燈防爆、防飛濺、防破碎，薄膜覆蓋紫外線殺菌燈管外側(cè)，防止燈管破裂玻璃飛濺；使用了耐候性好、抗紫外線老化的薄膜，其紫外線透過率高，紫外線強度與殺菌效果與殺菌燈相當[5]。

（3）紅外線傳感器

選擇帝奇單邊漫反射光幕安全光柵紅外線傳感器，型號為DQBHTJMSF，其具有20 mm間距的兩光束配置，保護高度為200 mm。由于系統(tǒng)中的行程開關(guān)遇到任何物體時都會有反饋信號，因此要合理調(diào)整行程開關(guān)與墻的距離，避免其在靠近墻面時觸發(fā)蜂鳴器報警。

（4）高壓水槍水泵

選擇眾浪的WZB水泵，材質(zhì)為鑄鐵，其具有方便小巧、耐用、成本低、性價比高的優(yōu)勢，符合本文的應(yīng)用環(huán)境。

（5）糞污傳送帶

傳送帶需要有足夠的拉伸強度和撕裂強度，以確保能夠承受糞污的重量和傳送過程中產(chǎn)生的壓力。選擇聚氯乙烯（PVC）作為材料比較合適，因為PVC傳送帶不僅具有良好的耐化學(xué)性和耐磨性，使其成為傳送各種化學(xué)物質(zhì)（包括糞便）時的常用材料[6]，而且還便于清潔和消毒。同樣地，儲糞罐也常采用PVC材料制成。

1.2 系統(tǒng)功能需求分析

豬糞與尿液混合后會具有一定的黏性，長時間不清理干涸后會變得堅硬。由于豬舍地板采用間隙較小的長條鐵板設(shè)計，這可能導(dǎo)致糞污無法正常落入下方的糞槽中。因此，需要使用清掃小車進行清理。清掃小車在豬舍地板上橫向移動，前后配備高壓水槍，用于沖洗尿液和粘附在地板上的糞便，將它們沖刷到地板下方的糞槽里。同時，電動小車下方還安裝了旋轉(zhuǎn)刷頭，用于對高壓水槍難以沖洗掉的糞便進行二次沖刷。清理完畢后，會啟動紫外線消毒裝置，以減少細菌傳播，降低豬生病的可能性，并保持豬舍地板的干燥。

下方的糞槽由電機驅(qū)動的傳送帶組成，最終將糞污送入儲糞池。這樣一來，豬舍地板能夠保持清潔，清理效率也大大提高，節(jié)省了人力。然而，隨著時間的推移，如果地板下方的傳送帶沒有清洗裝置，可能會遭受腐蝕，縮短其使用壽命。為此，在傳送帶遠離儲糞池的一端安裝了清潔刷和水槍。隨著傳送帶的移動，其表面會被全面清洗，從而確保所有設(shè)備都能延長使用壽命并保持清潔。

（1）清潔控制

該系統(tǒng)設(shè)計了四種工作模式，以滿足不同情境下的糞污清理需求：

①全面清洗與消毒模式：啟動清洗小車總開關(guān)后，小車將在指定路徑上移動，同時驅(qū)動其下方的電機旋轉(zhuǎn)，帶動清掃頭進行旋轉(zhuǎn)清掃。此外，高壓水槍會同步噴水進行沖洗。完成多次往返清洗后，系統(tǒng)將自動開啟紫外線照射裝置進行消毒，并保持環(huán)境干燥。

②旋轉(zhuǎn)清洗頭單獨工作模式：在此模式下，小車仍然移動，但僅下方的旋轉(zhuǎn)清洗頭運作，高壓水槍清洗、紫外線消毒等其他功能保持關(guān)閉狀態(tài)。

③高壓水槍沖洗模式：小車移動時，僅高壓水槍噴水進行沖洗，旋轉(zhuǎn)清洗頭、紫外線消毒等其他功能不運作。

④紫外線烘干消毒模式：小車移動的同時，紫外線消毒裝置開啟進行烘干和消毒，而旋轉(zhuǎn)清洗頭、高壓水槍等其他功能則處于非工作狀態(tài)。

（2）循環(huán)控制

考慮到一次清掃不能達到衛(wèi)生標準，在小車上設(shè)置了行程開關(guān)，預(yù)先測量好豬舍的尺寸，設(shè)定小車行進路徑，當設(shè)備到達豬舍終點時，行程開關(guān)會觸發(fā)電機反轉(zhuǎn)，小車開始掉頭并反向運行進行再次清掃，以此提高清掃效率。

（3）安全保護

當有豬停留在小車行進路線上時，紅外線傳感器會接收到信號，隨即觸發(fā)小車停止移動并啟動報警系統(tǒng)以驅(qū)趕豬；若遇到緊急事件，操作人員可按下緊急報警按鈕，小車將立即切斷電源并停止所有運作，同時報警指示燈會亮起。

（4）故障診斷與報警

故障診斷功能：負責監(jiān)測系統(tǒng)各個部件的運行狀態(tài)，當某個元件出現(xiàn)故障時，對應(yīng)的元件故障燈將會點亮，方便工作人員排查。

報警功能：當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況或故障時，停止運行，對應(yīng)故障燈點亮。

2 仿真調(diào)試過程

2.1 豬舍小車清潔系統(tǒng)

豬舍小車清潔系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中扮演著最重要的角色。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中確定小車有四種工作模式，以對應(yīng)不同情況下的糞污清掃需求。當按下按鈕1時，小車進入工作模式1，開始移動、清掃、噴水、消毒作業(yè)，直至按下停止按鈕，小車才會返回原點并停止運行。當按下按鈕2時，小車切換至工作模式2，開始移動并進行清掃，其他功能停止運行；當按下按鈕3時，小車進入工作模式3，開始移動并噴水，其他功能停止運行；當按下按鈕4時進入工作模式4，小車開始移動并開始紫外線消毒；當按下按鈕5時，小車回到原位后停止工作。當紅外線傳感器檢測到障礙物時，小車會立即停止工作，并觸發(fā)蜂鳴器報警，直至障礙物消失后才會繼續(xù)運行。

本文使用了多款軟件進行系統(tǒng)設(shè)計，包括Auto CAD LT2022、GX Works2、MELSOFT MX OPC Server DA Configuration Tool、組態(tài)王6.55等。其中，重點使用組態(tài)王6.55軟件完成豬舍糞污清潔控制系統(tǒng)的仿真模擬[7]。組態(tài)王模擬畫面設(shè)計的主要步驟包括：新項目建立、數(shù)據(jù)變量添加、移動畫面創(chuàng)建（包括小車與皮帶移動）、豬舍糞污模型及小車各模式運行畫面的控制變量設(shè)置、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、畫面保存、切換到運行視圖、設(shè)備與畫面連接以及模擬系統(tǒng)運行狀態(tài)等。小車清潔系統(tǒng)的運行流程如圖1所示。

2.2 豬舍傳送帶

皮帶運行系統(tǒng)具備兩種工作模式，并通過三個按鈕進行控制。按下第一個按鈕，系統(tǒng)將啟動第一個工作模式，此時電機開始運轉(zhuǎn)，驅(qū)動皮帶向前移動，將糞污有效輸送至儲糞罐中[8]。按下第二個按鈕，則切換至第二個工作模式，傳送帶開始運行，并且位于傳送帶遠離儲糞罐一側(cè)的旋轉(zhuǎn)電機也會啟動，帶動清掃頭工作，同時紫外線燈亮起，開始進行消毒作業(yè)。第三個按鈕作為停止按鈕，無論當前處于哪個工作模式，一旦按下，傳送帶、清掃頭以及紫外線照射燈都將立即停止運行。此外，系統(tǒng)還配備了故障檢測功能，當皮帶發(fā)生故障時，皮帶故障指示燈會亮起，同時皮帶會立即停止運行。若皮帶清掃裝置或紫外線燈出現(xiàn)故障，相應(yīng)的故障指示燈也會亮起，并且皮帶及其所有相關(guān)部件會停止工作，以確保安全。這樣的設(shè)計不僅提高了皮帶運行系統(tǒng)的靈活性和效率，還增強了其安全性和可靠性。

2.3 豬舍糞污清理的畫面模擬

（1）本次利用組態(tài)王軟件設(shè)計的模擬畫面主要分為兩大部分：小車部分與皮帶部分。小車部分專注于豬舍地板糞污的清理與消毒等作業(yè)；而皮帶部分則負責將小車清理后遺落的糞污進行輸送，并具備自我清潔的功能。圖2展示了小車在靜止狀態(tài)下的模擬圖[9]。

（2）小車部分的設(shè)計中，紅色報警燈在小車前方的紅外線傳感器探測到信號時，會亮起并發(fā)出警報[10]；三角形模塊則對應(yīng)高壓水槍的噴射功能；小車中心的旋轉(zhuǎn)電機負責驅(qū)動小車的清掃頭進行工作；小車底部的長方形模塊則對應(yīng)小車的紫外線燈功能。各功能模塊展示如圖3所示。

（3）皮帶部分總共包含2個電機及1個紫外線模塊：其中一個電機負責驅(qū)動傳送帶的運行，以輸送糞污；另一個電機則負責驅(qū)動清掃裝置，以清理傳送帶上的殘留物；而紫外線模塊則專門用于對傳送帶及其周圍環(huán)境進行消毒殺菌。

（4）按鈕部分被設(shè)計為4個獨立的模塊，第1個模塊負責控制小車的操作，包括4種運行模式的選擇以及1個用于停止小車的按鈕。第2個模塊專門用于皮帶的控制，包含2種工作模式的選擇和1個停止按鈕，用以控制皮帶的運行與停止。第3個模塊設(shè)有1個緊急停止按鈕，用于在緊急情況下立即停止整個系統(tǒng)的運行，確保安全。第4個模塊則用于模擬系統(tǒng)中各元件的故障狀態(tài)輸入，以便測試系統(tǒng)對故障情況的響應(yīng)和處理能力。

（5）當小車處于模式2、3、4中的任意一種時，若再次按下對應(yīng)模式1的按鈕，小車將會切換至模式1運行，并且那些在此前模式下未激活的功能也會隨之啟動。例如，如果小車當前在模式2下運行，正在進行移動和清掃作業(yè)，此時若再次按下模式2的按鈕，小車的紫外線消毒和高壓水槍噴射功能將會同時加入運行。當按下停止按鈕時，小車會首先完成當前任務(wù)，然后返回原位并停止所有工作。而按下緊急按鈕時，小車會立即切斷電源，無論當前處于何種狀態(tài)或執(zhí)行什么任務(wù)，都會無條件地停止所有動作，以確保人員和設(shè)備的安全。

（6）當小車處于模式1時，若移動、噴水、紫外線消毒或清掃中的任意一項功能發(fā)生故障，小車會立即停止所有運行動作，并且相應(yīng)的故障指示燈會亮起，以便工作人員迅速定位并檢查具體的故障點。同樣地，當小車運行在其他模式下時，如果該模式下包含的任意功能出現(xiàn)故障，小車也會立即停止該模式的所有運行動作，并點亮對應(yīng)的故障指示燈，如圖4所示。

2.4 I/O地址分配表

為了清晰地界定每個控制按鈕、傳感器、執(zhí)行器以及指示燈等硬件組件與軟件程序中的變量或指令之間的對應(yīng)關(guān)系，編制了I/O地址分配表，具體見表1。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于PLC的豬舍糞污清潔控制系統(tǒng)。經(jīng)過精心設(shè)計與反復(fù)調(diào)試，其梯形圖編程邏輯與組態(tài)模擬畫面的仿真結(jié)果均已達到并基本超越了初始設(shè)計方案的要求。系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對小車與皮帶部分的精準控制，確保了糞污清理與消毒作業(yè)的高效執(zhí)行，而且在故障檢測與響應(yīng)機制上也展現(xiàn)出了高度的可靠性與穩(wěn)定性。

參考文獻

[1] 李改紅.豬疫病防控及治療關(guān)鍵技術(shù)論述[J].吉林畜牧獸醫(yī)，2024，45（2）：28-30.

[2] 常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器[M]. 3版. 北京：機械工業(yè)出版社， 2021.

[3] 姚騰飛.基于PLC的豬舍糞污清潔裝置及遠程控制系統(tǒng)設(shè)計[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021.

[4] 賈萍，胡博，宋力，等.井下高溫電機伺服控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2023，36（8）：154-155.

[5] 肖國宗.規(guī)?；i場能繁母豬的管理措施[J].中國動物保健，2024，26（1）：79-80.

[6] 吳浩亮.智能化技術(shù)在帶式輸送機中的應(yīng)用研究[J].造紙裝備及材料，2024，53（3）：17-19.

[7] 陸大同，盧翠珍.基于PLC電動車集中充電控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電工材料，2024（1）：60-63.

[8] 蘇云順，劉琴，顧茜.姚安縣畜禽糞污資源化利用助力鄉(xiāng)村振興[J].中國畜牧業(yè)，2023（16）：23-24.

[9] 劉迪，王成剛，王晶，等.基于PLC和變頻器控制電機轉(zhuǎn)速的設(shè)計與分析[J].電子設(shè)計工程，2022，30（14）：165-169.

[10] 馬飛躍.廢鋼檢驗的現(xiàn)狀分析與展望[J].河北冶金，2024（3）：1-5.

收稿日期：2024-05-22 修回日期：2024-06-25

基金項目：2023年大連理工大學(xué)城市學(xué)院教育教學(xué)研究基金立項課題：“互聯(lián)網(wǎng)+”校企合作新模式的研究──以電氣工程及其自動化專業(yè)為例（JXYJ2023012）；遼寧省民辦教育協(xié)會教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度立項課題：民辦高?！靶Ｆ蠛献鳌毙履Ｊ降难芯浚↙MJX2023201遼民教協(xié)發(fā)〔2023〕2號）