基于PLC的规模化养牛场无线智能环境采控系统研究

韩静，王熙，刘超，韩华，王福丽，李琳（.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆69；.黑龙江八一农垦大学工程学院；.黑龙江八一农垦大学动物科技学院）



基于PLC的规模化养牛场无线智能环境采控系统研究

韩静1，王熙2，刘超1，韩华3，王福丽1，李琳1
（1.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆163319；2.黑龙江八一农垦大学工程学院；3.黑龙江八一农垦大学动物科技学院）

摘要：针对目前规模化养牛场的舍内小气候的变化对奶牛生产性能产生不利影响等问题，研制出一套基于PLC的规模化养牛场全自动无线智能环境采控系统。采控系统可以对牛舍内温度、湿度、有害气体浓度等参数进行采集和分析。PLC控制现场数据的采集，通过RS-485总线与触摸屏结合，实时监控牛舍现场的环境状况。在环境参数采控过程中可完成对历史数据的保存、分析和处理，为奶牛繁殖及产奶量统计等信息提供分析依据。

关键词：规模化；牛舍；PLC；无线；环境；采控系统

随着人类物质生活水平的提高和膳食结构的变化，对畜产品的数量、质量需求不断提高，肉、蛋、奶等高蛋白畜禽产品在饮食结构中所占的比重逐渐加大[1]。在此机遇下，现代化大型养殖场正在迅猛发展。在畜牧业的发展中，品种、饲料、疫病和环境为制约畜禽生产的四大主要因素，其中环境因素所起的作用约占20%～30%，随着规模化、集约化程度的提高，环境因素所起的制约作用也会随之增大[2]。

目前，各高校和科研单位对奶牛养殖进行了探索研究，如中国农业大学针对南方开放式肉牛舍夏季喷雾降温效果进行了研究[3]；中国农业大学、内蒙古农业大学在养殖小区牛舍建筑规划进行研究；东北农业大学、黑龙江八一农垦大学对寒区奶牛畜舍设计工艺进行研究[4-6]。目前，我国畜舍环境直接采用温室环境通用控制系统，数据采集过程缺乏针对性，数据存储功能较弱，远程通信距离较近且价格昂贵，投入产出比不高，自动控制水平还比较低，针对已有的环境自动采控系统，研究与现代化规模养牛场相配套的全自动无线智能环境采控系统[7-8]。系统可依据养牛场环境进行多点参数采集，通过无线传输模块传送至上位机，由上位机发送控制信号启动养牛场环境调节装置，现场环境实现手动和自动两种模式，实现养牛场环境全自动无线智能控制；上位机配有大容量存储器，可长期对现场采集的环境数据进行储存，为奶牛繁殖及产奶量等分析提供完善、充足的环境数据。该系统还可经过简单修改移植到其它畜禽养殖模式，对于畜牧业生产自动化、智能化发展有着重要意义。

1　系统总体结构

基于PLC的规模化养牛场无线智能环境采控系统以设计奶牛健康养殖环境控制系统为出发点，分析影响奶牛养殖业发展的各方面环境因素，通过实地调研分析牛舍的环境因素，最终确定影响奶牛生长繁育的主要环境因素。针对牛舍对系统环境控制方面的要求，确定系统设计的基本框架。以PLC为核心实现环境参数的采集处理，在实验室进行调节检测与改进，找到最佳的控制规律并确定系统的运行机制。系统可实现自动温、湿度调节，控制有害气体的含量，改善牛舍环境，提高奶牛的生长机能，营造最有利于奶牛生长繁育的小环境。对于有害气体含量的控制，选择监测氨气的含量，以此来判断牛舍内的有害气体含量的高低。氨气可燃且可溶于水有腐蚀性，一旦氨气浓度达到一定浓度，在密闭高湿的环境下，极易导致动物皮肤呼吸道感染，使奶牛生产水平下降，对疾病的抵抗力减弱。同时，在密闭牛舍中氨气达到一定浓度可引发爆炸，造成巨大损失。氨气检测的主要意义在于气体浓度含量反映畜舍通风状况和空气的污浊程度，当氨气含量增加时，表明其它有害气体含量也增高。因此，氨气浓度通常被作为监测空气污染程度和安全性的可靠指标。基于以上原因，分别选取温度、湿度和氨气的含量作为本系统的三大控制参数。系统总体结构图如图1所示。

图1　系统总体结构图Fig.1Overall structure diagram of the system

2　系统硬件设计

系统通过传感器实时采集牛舍的环境参数，经过CPU分析后，输出相应控制信号，然后驱动各执行机构。该系统主要包括西门子S7-200系列PLC （CPU226XM）、模拟量输入模块（EM231）、温湿度监测模块、气体浓度监测模块、上位机（PC）、人机界面（HMI）等。

2.1系统电源及驱动设备

配电系统电路如图2所示。主要元件有：接触器（KM1等）、空气开关（QF1等）、热继电器（KR1等）、电动机（M1等）等执行器件。为大电压大电流执行机构提供动力电。图2的右侧部分是把220 V电源转化为24 V控制电路所需要的电源，为PLC、触摸屏等设备供电。

图2　配电系统电路图Fig.2Schematic of distribution system

2.2控制系统的硬件配置

无线智能环境采控系统包括传感器、PLC以及相应的扩展模块和人机界面等。根据牛舍环境控制的要求，考虑到未来功能扩展的需要，选择西门子（SIMENS）公司生产的S7-200系列PLC中CPU226XP作为主控器件；扩展EM231模拟量输入模块，提供4通道模拟量数据采集；采用DB420F01TS-10系列温湿度一体变送器及MIC-500-NH3氨气变送器。通过变送器内部的处理器和数模转换器，将数字信号转换成4～20 mA电流信号输出。

2.2.1温湿度变送器

系统采用DB420F01TS-10系列温湿度一体变送器。通过变送器内部的处理器和数模转换器，将数字信号转换成4～20 mA电流信号输出。本温湿度变送器具有测量准确、工作稳定、使用寿命长等特点。DB420F01TS-10系列温湿度变送器的主要技术参数如下：

（1）温度：-40℃～120℃

（2）湿度：0～100%RH

（3）精度：±4.5%RH，±0.5℃

（4）功率：≤2.5 W

（5）输出负载：250 Ω＜R＜650 Ω

2.2.2氨气变送器

系统采用MIC-500-NH3氨气变送器。固定式氨气检测仪采用进口电化学式二氧化碳传感器，具有高精度，高分辨率，性能稳定等特点。可将气体信号转换成4～20 mA电流信号，方便处理。MIC-500-NH3变送器的主要技术参数如下：

（1）量程：0-100、1 000、5 000、50 000 ppm、100%LEL

（2）分辨率：0.01 ppm（0～100 ppm）；0.1 ppm（0～1 000 ppm）；1 ppm（0～5 000 ppm）；

（3）精度：＜±3%（F.S）

（4）响应时间：≤45秒

（5）检测方式：扩散式

2.2.3无线通信设备

为了实现与远程计算机的通信，系统考虑设计与计算机的无线通信，满足在实际应用中远程实时监控现场的需求。系统使用Port1口做自由口通信与远程计算机建立联系，实现远程无线通信。系统无线数据传输模块选用上海兆富通信技术有限公司生产的ZF02P系列产品。该系列产品性能指标如下：

（1）频段：433 M ISM频段内，8个信道，信道通过用跳线自行设置

（2）通信方式：FSK半双工

（3）波特率：1 200、2 400、4 800、9 600、19 200 bps

（4）输出功率：50 mW（毫瓦）

（5）数据格式：TTL和RS232（或485）接口，数据格式8E1/8N1

（6）传输距离：室外空旷地1 200 m，室内100～300 m

（7）电流：接收时25 mA；发送时100 mA

2.3信号采集和转换处理

在S7-200CPU内部，0～20 mA模拟电流信号对应的数值范围为0～32 000；对于4～20 mA的信号，对应的内部数值为6 400～32 000。经过转换公式（1）得到最终模拟量转换值。

系统在控制卷帘开关时，当需要开卷帘通风，系统用卷帘开的时间来控制卷帘开度大小。具体方法为：在程序中加一个“卷帘时间”的子程序，将设置在室外的温度变送器穿的温度信号送入LD0，然后和设置的温度上限LD4进行比较，经过公式（2）换算得到卷帘动作时间LW12。

同时为输入参数转换数据块，在模块“转换工程单位”中编程调用功能块“转换所有输入模拟量”，根据实际情况为每个测量对象分别设定其参数的量程、上下限值等，完成从WORD到REAL的转换。

3　系统软件设计

畜禽舍环境控制系统能够实时采集数据，完成处理分析。完成牛舍内温度、相对湿度和气体浓度等多传感器信息融合，进行实际测量值的计算处理。触摸屏上同时显示相关环境参数，并可对相关参数的目标值进行设置。

通过启动按钮控制系统运行，由传感器检测到的温度和相对湿度信息，送入PLC的模拟量输入扩展模块，存入模拟量输入映像寄存器AQ，首先进行软件滤波，然后对这些采集到的信息进行多传感器信息融合处理，得到实时温湿度和气体浓度信息，与上位机触摸屏设定的温度、相对湿度和气体浓度值进行比较，分别动作电动机和电磁阀，进行升温降温、加湿去湿及通风等操作，直至达到设定值。其程序流程图如图3所示。

图3　控制系统程序流程图Fig.3Flowchart of control system program

根据系统的控制与操作要求，在满足操作的直观性、方便性等要求下，设计如图4所示的触摸屏显示界面。触摸屏可以显示当前环境参数；对风机和阀门等执行元件的手动自动切换，当调到手动模式时，可利用按钮打开或关闭相关设备；对环境参数进行设置，通过0到9的数值键盘，即可设置需要的参数。

4　结论

良好的环境对奶牛的生长和繁殖起到至关重要的作用，系统实现了牛舍温度、湿度和有害气体含量信号的采集与处理，通过RS-485总线实现现场PLC采集数据与触摸屏控制相结合，可完成对历史数据的保存、分析处理，实时显示牛舍现场的环境状况，从而实现对牛舍环境的监控。

系统在设计过程中还存在问题，比如卷帘还不能实时跟随温度变化而改变其开度大小，只能在达到温度限定值的时候才会动作，在温度控制还有一定波动。其次，应结合畜禽养殖的特点，研究多种环境参数在控制时的平衡点，以改善畜禽生长环境、有效提高畜产品的质量，实现畜牧业可持续发展。

图4　触摸屏显示界面Fig.4Interface of touch-screen display

参考文献：

［1］刘金华.基于虚拟仪器的畜禽舍环境监控系统研究［D］.保定：河北农业大学，2003.

［2］王冉，徐本崇，魏瑞成，等.基于无线传感网络的畜禽舍环境监控系统的设计与实现［J］.江苏农业学报，2010，26 （3）：562-566.

［3］丁露雨，王美芝，陈昭辉，等.南方开放式肉牛舍夏季喷雾降温效果［J］.农业工程学报，2013，29（2）：224-231.

［4］贾永全，周德刚.黑龙江省垦区畜牧业发展策略研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2009，21（6）：89-93.

［5］田芳明，韦春波.寒区标准化奶牛舍环境多参数采集系统设计［J］.安徽农业科学，2013，41（6）：371-373.

［6］陈俊杰，李刚.基于WSN的畜禽规模设施养殖远程网络化环境监控系统［J］.中国家禽，2010，32（1）：11-15.

［7］宁营营.规模畜禽养殖场分布式实时监控系统设计研究［D］.镇江：江苏大学，2009.

［8］秦雯，衣淑娟，赵斌，等.水稻育秧群棚智能化监控系统的设计［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2014，26（1）：75-78.

Research on Automatic Wireless Smart Environmental Controller Based on PLC in Large-scale Cattle Farm

Han Jing1，Wang Xi2，Liu Chao1，Han Hua3，Wang Fuli1，Li Lin1
（1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University；3.College of Animal Science and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University）

Abstract:In view of the negative influence of the microclimate change to productivity of cows inside the barn，a set of automatic wireless smart environment control system based on PLC for the present large-scale cattle farms was developed.The control system gathered the parameters，such as temperature，humidity，concentration of harmful gases，then analyzed this parameters.The parameters of PLC controls field through RS-485 bus was combined with touch screen in order to real-time monitor the environmental conditions barn scene.The history data would be saved，and analyzed and processed during wireless environment control process，which provided the basis for the statistic information of cow breeding and milk production.

Key words：scale；barn；PLC；wireless；environment；control system

中图分类号：S126

文献标识码：A

文章编号：1002-2090（2016）01-0088-05

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.020

收稿日期：2015-03-17

基金项目：黑龙江省教育厅项目（12531466）。

作者简介：韩静（1975-），女，副教授，黑龙江八一农垦大学在读博士研究生，现主要从事数字畜牧业的研究工作。

通讯作者：王熙，男，教授，博士研究生导师，E-mail：ndwangxi@163.com。