范留伟++高惠芳++王建军++蔡丽阳

摘 要：提出了基于PLC和MCGS的猪舍环境自动控制系统总体设计方案。下位机使用PLC作为核心控制器，将温湿度传感器、氨气浓度传感器采集回来的数据与预设值进行比较，按照给定的法则驱动执行机构来调节猪舍内的环境参数。上位机采用MCGS组态软件编制人机界面，实现了远程监测、动态显示等功能。

关键词：猪舍环境；自动控制；PLC；MCGS

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

随着人们生活水平的日益提高，对禽蛋肉奶的需求量越来越多，而中国的传统荤菜中很多有名的菜肴都是基于猪肉制作的，因而，大规模的养猪对于国计民生有着极其重要的意义。散养模式由于生长周期长、出栏量少且效益低下，已经被逐渐淘汰；中小规模养殖场由于投资门槛低，国家扶持力度大，因而在现今中国广泛存在，但是应该注意随着国家政策的收紧，这些养殖场如果不升级设备，提高管理水平，在未来的激烈竞争中势必处于劣势；现代化大规模养殖场以其高水平的管理方式和科学合理的统筹安排，尤其是先进自动化控制系统的辅助，极大地提高了养殖密度，降低了疫病的发生，节省了养殖成本，并且能够准确估计上市天数和重量。因而猪舍环境自动控制系统的研究显得格外重要。

1 系统总体设计

本研究提出了基于无锡信捷公司研制的带有4路模拟量输入的XD-E4AD可编程控制器（PLC）和MCGS组态软件的猪舍环境自动控制系统设计方案，将温湿度传感器（AW3020）和氨气传感器（TGS826）采集到的猪舍环境参数送入现场PLC中，由现场PLC将其与各参数预设的限值进行比较分析，发出相应的指令来驱动执行机构动作，调节猪舍内的环境参数，从而实现猪舍环境的自动化控制。另外，现场PLC通过ZigBee模块将各环境参数值无线传输至办公室端的ZigBee模块中，其接收到相关数据后通过RS 485接口传输到控制平台——昆仑通态的触摸屏，然后采用MCGS组态软件完成控制系统的组态设计，实现了控制系统操作的人性化和过程的可视化。其总体设计如图1所示。

图1 总体设计示意图

2 PLC的I/O结构设计

该猪舍控制系统有手动和自动两种工作模式：手动模式是指出现应急情况等一些突发事件时，通过手动操作来控制执行机构的动作；而自动模式就是一旦设定好初值，完全无需人工参与，系统会自动的往复循环的采集数据并控制执行机构的动作。PLC控制系统的I/O结构框图如图2所示。系统由PLC控制单元、数据采集单元、执行单元、供电单元和通信单元组成。

图2 PLC的I/O结构图

该PLC控制系统将温湿度传感器AW3020采集的温度、湿度测量值（2路模拟量）及氨气浓度传感器TGS826采集的氨气浓度测量值（1路模拟量），经相应的模拟量输入接口将其转换为数字信号，送入控制单元，存储在PLC数据缓冲区；PLC通过控制算法将采集的参数与已给定的值进行分析处理，得到控制策略，输出开关量，驱动继电器，进而控制执行机构（如风机、湿帘、遮阳帘、通风小窗等）动作与否。

图中手动/自动切换旋钮可以让操作者选择想要的控制模式，启动按钮和停止按钮只在手动模式下才起作用。图中的限位开关是用来反馈遮阳帘伸展或卷起时是否达到了指定位置的信号给PLC，从而控制湿帘电机停止与否。给水电磁阀与湿帘是一体的，当湿帘打开时，需要由给水电磁阀控制给水量。供热阀门在冬季气温较低由锅炉供暖时控制热气供应与否。通讯单元用来完成下位机与上位机的数据交换。

3 硬件电路设计

本系统选用无锡信捷公司研制的一款型号为XD-E4AD的PLC，其具有4通道模拟量输入，可以选择电压输入和电流输入两种模式，其中电压输入0～5 V、0～10 V可选，电流输入0～20 mA、4～20 mA可选，2通道模拟量输出，可以选择14位的高精度模拟量输入，作为XD系列的特殊功能模块，最多可在PLC主单元右边连接10台XD-E4AD2DA模块。

深圳市诚立信传感有限公司的AW3020电流输出型温湿度变送器，它采用高质量集成式数字温湿度传感器AM2302作探头，保证了变送器优良的稳定性、低延滞性、以及强抗化学污染能力，且更换维护方便，成本较低，输出为4～20mA工业标准电流信号。广泛应用于诸如超市、图书馆、生产车间、工业自动化、环境监测、医药化工等场所。

氨气浓度的测量范围为15～20 ppm，测量误差为±3%，选用日本FIGRO公司生产的TGS826氨气传感器作为检测元件，其具有灵敏度高、应用电路简单、陶瓷基底、抗环境干扰能力强等优点。

根据系统的控制要求，得到PLC的输入/输出信号，进而确定PLC的I/O端子为16个数字量输入、3个模拟量输入、11个数字量输出。输入端口和输出端口分配表分别见表1和表2。

4 系统软件设计

4.1 控制理论研究

查阅相关文献得出猪生长的适宜温度T为15～21 ℃，适宜相对湿度RH为60%～75%，氨气浓度应当保持在15ppm以下。如何为猪只创造适宜的温湿环境，提高生产能力，增加经济收益，已成为畜牧工程技术工作者的重要任务。因此，因地制宜的研究适合当地气候特点和经济承受能力的猪舍环境控制理论势在必行。

温度和湿度对于养殖是最为重要的，而且温度和湿度这两个环境因子关系密切，应综合考虑，因而本设计采用基于THI（温湿度指数）和湿度（RH）的控制方案。THI的计算公式：

THI=0.81*Td+（0.99*Td-14.3）*RH+46.3

Td为舍内温度值，RH为百分相对湿度值。

将THI根据三个预设值划分为四个区间，对应四种热应激状态。当THI小于最小设定值（min）时，对应无应激状态，记为标号1；当THI大于最小设定值（min）而小于中间设定值（mid）时，对应轻微热应激状态，记为标号2；当THI大于中间设定值（mid）而小于最大设定值（max）时，对应中度热应激状态，记为标号3；当THI大于最大设定值（max）时，对应严重热应激状态，记为标号4。min，mid，max的典型值分别是72，79，89，可根据不同的地域和时间进行微调。

RH的上、中、下限对应的典型值分别是90%、80%、25%，当然根据实际应用调整。同样可以按照上面的情况划分为四个区间，依次记为标号1、2、3、4。连同上面THI的四个区间共得到16种工作状态，如表3所示。这16种工作状态可以根据需要合理安排对应的控制策略。

氨气对于猪舍的环境影响最为恶劣，对猪和工作人员的身体都是极为有害的，一旦累计到足够的浓度必须及时排除，典型的容忍值为15～20 ppm。对于它的调控，目前最有效的手段就是通风，必要时可以开启湿帘，因为氨气能够溶于水。考虑到它的毒性，安装报警装置是很有必要的，一旦超过最高限度，发出警报，提醒工作人员小心，此时需要带上防毒口罩进入猪舍作业。同样将其划分为四个区间。当小于15 ppm时，不动作；大于15 ppm，开启1号风机；大于18 ppm，增开2号风机；大于20 ppm，增开湿帘，并发出报警信号。

4.2 PLC控制软件设计

4.2.1 设计原则

根据春夏秋冬四季外部环境的不同，制定两种工作模式：夏季模式，冬季模式。每种模式基本控制思想是一致的，但侧重的量不一样。以南方为例，夏季高温潮湿，主要考虑降温和除湿；冬季寒冷潮湿，主要考虑升温和除湿的问题。

以夏季高温模式为例，详细说明温湿度控制的设计思想：

目标：猪舍中的温度控制在26 ℃左右，湿度控制在65% RH左右。

硬件：风机、湿帘、遮阳帘。遮阳帘能够遮挡阳光，在夏季中午时分光照充足的情况下打开，能够迅速有效地降低舍内温度。风机-湿帘降温系统是指在猪舍一端安装湿帘，另一端安装风机，风机向外排风时舍内形成负压，空气便从湿帘那方进入，空气在流过有水的湿帘时，温度就会降低，这些冷空气进入猪舍内与猪体皮肤接触即可有效降低猪的体表温度。这是猪场降温效果较好的一种方式，不仅温度降低了，而且加强了空气流通，能在一定程度上预防细菌的滋生繁衍。

设计思想：首先依据给定值合理地得出THI和RH的min、mid、max值，将其输入到PLC中。温湿度传感器将检测到的温湿度数据输入到PLC输入端子，PLC定时读取温湿度测量值，并对读取的数据进行处理，得到的处理数据为当前的温度T（℃）和相对湿度S（%）的实际值，将数据实时显示到触摸屏上，便于观察。同时与预设值进行比较，确定当前环境处于16种工作状态的哪一种。假如处在第0、1、4种状态，不需要任何动作；处在第2、5、8种状态，打开1号风机；处在3、6、7、12种状态，继续打开2号风机；处在第9、13、14、15种状态，湿帘启动；处在第10、11种状态，遮阳帘开启。如果策略有效，温湿度的值就会降低，根据需要按照反方向依次关闭遮阳帘、湿帘、2号风机、1号风机。

4.2.2 软件设计流程图

具体以温度超出上限为例，给出软件设计流程图，其他的量的控制大同小异。

5 组态软件设计

MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。共三个版本，本设计选用通用版。图4是设计的监控画面。

图3 温度升高时PLC控制程序流程图

图4 MCGS人机界面

打开MCGS组态软件，进入运行环境，可以看到设计的界面一目了然、友好简洁。面板不仅能够动态地实时显示各环境因子的当前值，而且以动画的形式来直观地显示相关执行设备是否运行。此外，软件能够将这些数据存贮起来，方便管理员日后查询或者制作历史曲线，为智能决策提供依据。用户还能随时通过面板上的控制按钮来调整各环境参数的上下限值，达到远程控制的目的。

6 结 语

随着我国养殖业现代化的发展，自动化控制必将是大规模养殖场的标准配置。本文设计了一种基于PLC和MCGS的智能猪舍环境控制系统，目前该系统已经在嘉兴市五丰牧业有限公司安装运行，经初步测试，系统运行稳定，取得了良好的控制效果，具有一定的推广价值。

参考文献

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