孫濤 單慧勇 張學(xué)煒 趙輝 衛(wèi)勇

摘 要：為了有效監(jiān)測(cè)和控制牛場(chǎng)中的牛舍環(huán)境參數(shù)，提出基于PLC的多節(jié)點(diǎn)牛舍無(wú)線智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。選用各類(lèi)傳感器實(shí)現(xiàn)牛舍環(huán)境中光照度，溫度，濕度，CO2，H2S，NH3，風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由PLC控制現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理以及風(fēng)機(jī)、噴霧降溫設(shè)備、遮光簾等的工作狀態(tài)，并采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)熱應(yīng)激進(jìn)行預(yù)警。通過(guò)巨控GRM500模塊搭建現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的保存、分析與處理，為養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)評(píng)價(jià)提供分析依據(jù)。初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能快速調(diào)節(jié)牛舍環(huán)境參數(shù)，使熱應(yīng)激水平得到有效控制，且具有智能化程度高、響應(yīng)速度快、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)于牛的健康生長(zhǎng)，特別是預(yù)防熱應(yīng)激具有重要意義。

關(guān)鍵詞：牛舍;熱應(yīng)激;環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng);PLC;GRM500模塊;可編程控制器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）03-00-04

0 引 言

目前我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，養(yǎng)殖場(chǎng)飼養(yǎng)密度也較高，使得畜舍中的環(huán)境非常差，缺乏有效的調(diào)控策略與手段，熱應(yīng)激水平?jīng)]有得到良好的控制，因此給養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了較大阻礙[1]。近些年，一些大、中型飼養(yǎng)場(chǎng)在這方面做了一定的工作，但大多設(shè)備都是從清洗設(shè)備、溫室降溫設(shè)備中移植過(guò)來(lái)的，不但成本高，而且不能較好地適應(yīng)牛的生理特點(diǎn)。因此，研制一種適合牛生理特點(diǎn)，特別是適合中小牛場(chǎng)、養(yǎng)牛個(gè)體戶需要的成本低廉的牛舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)牛舍環(huán)境，預(yù)防熱應(yīng)激，以使牛舍達(dá)到適合牛生長(zhǎng)的環(huán)境要求是非常必要且有意義的[2]。

現(xiàn)代化的養(yǎng)牛業(yè)需要調(diào)節(jié)牛舍環(huán)境，提高勞動(dòng)效率與生產(chǎn)力[3]。本文設(shè)計(jì)基于PLC的牛舍無(wú)線智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控牛舍中的各種環(huán)境因素，通過(guò)PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)牛舍環(huán)境，并基于各種環(huán)境因素進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前改變環(huán)境，從歷史環(huán)境數(shù)據(jù)與熱應(yīng)激水平的變化規(guī)律對(duì)牛舍環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，從而使整個(gè)系統(tǒng)更加智能化、自動(dòng)化，并節(jié)省勞力、降低牛的發(fā)病率、預(yù)防熱應(yīng)激。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于PLC的牛舍無(wú)線智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)牛舍中牛的生長(zhǎng)環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，利用環(huán)境參數(shù)采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、智能遠(yuǎn)程控制模塊、PLC、變頻器、風(fēng)機(jī)、固態(tài)繼電器、遮光簾、噴霧降溫設(shè)備等裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)牛舍環(huán)境的監(jiān)測(cè)并自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先通過(guò)各種環(huán)境參數(shù)采集模塊傳感器把牛舍環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊傳輸?shù)絇LC識(shí)別并保存在PLC的局部?jī)?chǔ)存器中;然后PLC與智能遠(yuǎn)程控制模塊、觸摸屏等上位機(jī)通信，預(yù)制程序的PLC在適當(dāng)時(shí)機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，以預(yù)防牛的熱應(yīng)激，觸摸屏上的組態(tài)畫(huà)面用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和手動(dòng)控制;同時(shí)，智能遠(yuǎn)程模塊將牛舍環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)皆贫?，用戶與系統(tǒng)維護(hù)人員通過(guò)登錄網(wǎng)站即可查看牛舍的組態(tài)畫(huà)面并可手動(dòng)控制施控設(shè)備[4]。

系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備有軸流風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)機(jī)、噴霧降溫設(shè)備、遮光簾、電動(dòng)窗戶等，每個(gè)設(shè)備并不單單影響唯一的環(huán)境因子。如溫度控制，如果檢測(cè)溫度高于設(shè)定值，PLC就會(huì)發(fā)出相應(yīng)指令控制開(kāi)啟軸流風(fēng)機(jī)和噴霧降溫設(shè)備，但這必然又會(huì)影響環(huán)境濕度。針對(duì)以上情況，根據(jù)環(huán)境因子的不同重要性，設(shè)置優(yōu)先級(jí)，即溫度>濕度>光照度等。根據(jù)優(yōu)先級(jí)關(guān)系設(shè)計(jì)相應(yīng)的級(jí)控程序[5]。

2 硬件設(shè)計(jì)與選型

2.1 PLC選型

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求確定I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，應(yīng)增加約10%的備用點(diǎn)數(shù)，便于控制要求改變時(shí)增加控制功能。系統(tǒng)中PLC的I/O點(diǎn)數(shù)：4個(gè)數(shù)字輸入量、4個(gè)數(shù)字輸出量，見(jiàn)表1所列。

根據(jù)系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)、經(jīng)濟(jì)性、存儲(chǔ)器容量、控制精度等方面的指標(biāo)，選取國(guó)產(chǎn)信捷PLC，繼電器輸出工作電壓為AC 110～240 V，通信接口為RS 485，RS 232。

2.2 傳感器選型

從實(shí)用性與價(jià)格等多方面因素考慮，選用威海精訊電子科技公司的各類(lèi)環(huán)境傳感器，包括濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、NH3傳感器、H2S傳感器、風(fēng)速傳感器。工作電壓為DC 12～24 V，RS 485信號(hào)輸出，具有信號(hào)穩(wěn)定、精度高，測(cè)量范圍寬，線性度好，便于安裝，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

2.3 無(wú)線傳輸設(shè)備選型

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中牛場(chǎng)內(nèi)短距離無(wú)線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，選用成都億佰特電子科技公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，其載波頻率為433 MHz，發(fā)射功率為17 dBm，無(wú)線通信距離最大為1 km，接口類(lèi)型有RS 232和RS 485。高速傳輸在連續(xù)傳輸下不限數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)9 600/19 200等波特率的連續(xù)不間斷傳輸，支持Modbus協(xié)議。定長(zhǎng)傳輸方式下可靈活配置參數(shù)，將數(shù)據(jù)包以高效的方式傳輸，實(shí)現(xiàn)低延遲、高響應(yīng)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏選型

顯示設(shè)備選擇具有可視化與按鍵功能且性能穩(wěn)定的MCGS觸摸屏。該觸摸屏是一款以低功耗CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

2.5 遠(yuǎn)程模塊選型

選用廣州巨控科技開(kāi)發(fā)的智能遠(yuǎn)程控制終端。該控制器采用一種非透?jìng)髂Ｊ降腉PRS方案，通過(guò)廠家提供的云服務(wù)器和OPC組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，用戶無(wú)需搭建服務(wù)器，無(wú)需固定IP地址或動(dòng)態(tài)域名，所有設(shè)備和監(jiān)控端只需接入Internet網(wǎng)絡(luò)即可。用戶只需使用一臺(tái)可以上網(wǎng)的電腦或手機(jī)，就能在制定網(wǎng)站上輸入用戶名和密碼登錄進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)畫(huà)面，并通過(guò)關(guān)聯(lián)下位機(jī)PLC的軟元件對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

2.6 執(zhí)行設(shè)備

為了預(yù)防熱應(yīng)激，需要給牛舍降溫。采用效果顯著又廉價(jià)的噴霧降溫設(shè)備，利用其動(dòng)力強(qiáng)勁的水泵配合微口徑的噴頭，在牛舍中進(jìn)行噴“霧”。造霧降溫系統(tǒng)散發(fā)到空氣中的水微粒在汽化過(guò)程中吸收周?chē)h(huán)境中的大量熱量，蒸發(fā)冷卻從而降低周?chē)h(huán)境溫度。這種利用自然水的物理降溫法環(huán)保無(wú)害。

采用軸流風(fēng)機(jī)和熱風(fēng)機(jī)調(diào)控環(huán)境濕度，前者通風(fēng)換氣，后者強(qiáng)力干燥。為了得到智能微調(diào)的效果，需要給風(fēng)機(jī)調(diào)壓。固態(tài)繼電器體積小，使用便捷，是由微電子電路、分立電子器件、電力電子功率器件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，控制端與負(fù)載端的隔離利用光電耦合或脈沖信號(hào)。固態(tài)繼電器輸入端為PLC的高速脈沖信號(hào)，利用其對(duì)信號(hào)進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)等大電流負(fù)載，從而達(dá)到智能調(diào)壓，靈活控制風(fēng)機(jī)的功率。

采用自動(dòng)遮光簾也可對(duì)牛舍進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)。由精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)遮光簾的滾輪滑動(dòng)，兩邊安置限位開(kāi)關(guān)，主控模塊PLC綜合控制其運(yùn)動(dòng)。另外，利用簡(jiǎn)單機(jī)械連鎖設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)窗戶同樣由主控模塊PLC綜合控制，可對(duì)牛舍的自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)精確控制，自動(dòng)化程度較高。

3 智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)

3.1.1 PLC主程序設(shè)計(jì)

PLC主程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。PLC上電，寄存器寫(xiě)入初始化值后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，選擇是否更新參數(shù)或選擇工作方式。工作方式分為手動(dòng)與自動(dòng)模式，手動(dòng)模式中選擇環(huán)境參數(shù)設(shè)置模式或設(shè)備驅(qū)動(dòng)模式，自動(dòng)模式為系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)這兩種模式遇到設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行并報(bào)警。

3.1.2 系統(tǒng)自動(dòng)工作子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)自動(dòng)工作是指在數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)之間自動(dòng)循環(huán)，其子程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，各傳感器檢測(cè)到環(huán)境參數(shù)后送到PLC寄存器中，當(dāng)該值超出正常范圍后，PLC驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備調(diào)整工作狀態(tài)。待環(huán)境參數(shù)回歸安全范圍后，施控設(shè)備回歸正常工作狀態(tài)。

3.1.3 模糊PID控制算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)執(zhí)行器除了程序預(yù)設(shè)的分級(jí)調(diào)控運(yùn)行外，還引入模糊PID控制供用戶使用。該設(shè)計(jì)將PID參數(shù)自整定與模糊理論相結(jié)合，通過(guò)將操作技術(shù)人員的操作經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行模糊化，并儲(chǔ)存模糊化的控制規(guī)則于控制器中，能夠?qū)骰貋?lái)的實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行模糊化并且與控制器中儲(chǔ)存的模糊規(guī)則進(jìn)行對(duì)比，最終得出控制的輸出信號(hào)，智能分配各執(zhí)行設(shè)備的工作功率，更快地調(diào)控環(huán)境參數(shù)[6]。

3.2 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)

觸摸屏和GRM500模塊是系統(tǒng)顯示儲(chǔ)存的核心器件，系統(tǒng)框圖如圖4所示，具備以下可視化組態(tài)功能：

（1）每個(gè)用戶有單獨(dú)的用戶名和密碼，對(duì)用戶進(jìn)行分級(jí)管理，根據(jù)權(quán)限進(jìn)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)維護(hù)方可監(jiān)控所有用戶的牛舍，以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，及時(shí)更新和提高系統(tǒng)的控制精度，并反饋給用戶。

（2）能顯示用戶各牛舍的環(huán)境參數(shù)及施控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，繪制各牛舍環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)曲線。

（3）實(shí)時(shí)控制操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或設(shè)定環(huán)境參數(shù)。

（4）保存環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)，并以曲線、報(bào)表形式顯示。

（5）顯示熱應(yīng)激水平參數(shù)，當(dāng)熱應(yīng)激水平超標(biāo)時(shí)報(bào)警。

3.3 熱應(yīng)激預(yù)警顯示設(shè)計(jì)

利用THI指數(shù)法體現(xiàn)對(duì)牛生長(zhǎng)有重要影響的熱應(yīng)激水平。將環(huán)境參數(shù)中的溫度和濕度值代入下式：

THI=0.81T+（0.9T-14.3）×R+46.3

式中：THI表示牛舍環(huán)境溫濕度指數(shù);T表示牛舍平均溫度（單位：℃）;R表示牛舍平均濕度（單位：%RH）。

（1）當(dāng)72≤THI≤79時(shí)，牛處于輕度熱應(yīng)激狀態(tài);

（2）當(dāng)79

（3）當(dāng)THI>88時(shí)，牛處于高度熱應(yīng)激狀態(tài)[7]。

將THI指數(shù)和熱應(yīng)激狀態(tài)顯示在組態(tài)界面中，使得環(huán)境檢測(cè)更加全面直觀。

另外，為確保穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)置熱應(yīng)激預(yù)警。當(dāng)出現(xiàn)意外情況，環(huán)境參數(shù)朝不可控方向發(fā)展時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊及時(shí)向業(yè)主或維護(hù)人員發(fā)送預(yù)警信息，便于人為操控，避免不必要的損失。

3.4 多節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)采集設(shè)計(jì)

為避免牛舍角落陰暗潮濕等特殊情況影響環(huán)境調(diào)控，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)采集，在牛舍內(nèi)不同位置安放環(huán)境參數(shù)采集裝置，綜合多節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)，取均值作為牛舍整體環(huán)境參數(shù)考察指標(biāo)。

4 遠(yuǎn)程通信設(shè)計(jì)

上位機(jī)遠(yuǎn)程智能模塊GRM500通過(guò)RS 485總線協(xié)議與下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)內(nèi)部寄存器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，映射到與之相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部寄存器中。用戶只需按照說(shuō)明書(shū)添加從機(jī)設(shè)備，按照PLC內(nèi)部軟元件地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)即可。將手機(jī)SIM卡插入或連接到Internet，將安裝通用組態(tài)軟件的電腦接入網(wǎng)絡(luò)，利用巨控公司的Internet云監(jiān)控服務(wù)器即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控。

遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示主界面如圖5所示。對(duì)于每個(gè)牛舍中的PLC主控制器，將其內(nèi)部寄存器空間分為環(huán)境參數(shù)、系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)三個(gè)部分。系統(tǒng)上電后，采集實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，進(jìn)入適宜環(huán)境參數(shù)設(shè)定界面，設(shè)定值默認(rèn)保存上一次設(shè)置。系統(tǒng)分為自動(dòng)運(yùn)行與手動(dòng)運(yùn)行兩種工作方式，用戶可查看執(zhí)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并手動(dòng)控制。

點(diǎn)擊變量值，進(jìn)入變量修改界面，如圖6所示。可手動(dòng)修改PLC主控制器寄存器中所有的開(kāi)關(guān)量與數(shù)值量，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與執(zhí)行設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，如切換手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行與改變軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率。

網(wǎng)頁(yè)端還配置了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖和歷史數(shù)據(jù)曲線圖。實(shí)時(shí)曲線如圖7所示，用于直觀反映環(huán)境參數(shù)水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)完成了對(duì)牛舍溫度、濕度、CO2和有害氣體含量信號(hào)的采集與處理，并用于直接控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與環(huán)境預(yù)測(cè)，提前改善環(huán)境。PLC將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至智能模塊、組態(tài)軟件、觸摸屏等上位機(jī)保存，上位機(jī)可設(shè)定下位機(jī)PLC 的工作參數(shù)，完成對(duì)歷史數(shù)據(jù)的保存、分析與處理，實(shí)時(shí)顯示牛舍現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境狀況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)牛舍的監(jiān)控，有效預(yù)防熱應(yīng)激效應(yīng)。

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