胡 韬，寿哲明，王子成，黄兆波

云南农业大学机电工程学院，云南昆明 650201

0 引言

随着经济发展、时代进步，在全球化背景下，中国人在饮食结构方面受到西方饮食习惯影响，逐步开始“全民牛奶运动”热潮。作为世界第一人口大国，对牛奶需求量极高，并且对牛奶品质要求相对更高。近年随着市场经济发展，乳品行业竞争激烈。云南省作为畜牧业大省，为乳品行业提供丰富的乳制品资源，在国内外市场不可或缺。产量高、品质好的牛奶对促进云南省畜牧业发展和提高养殖利润具有促进作用[1]。

本次设计主要根据荷斯坦牛的泌乳阶段生长环境，即在规模养殖下，温度、湿度和光照时间对奶牛产奶量有极大影响。研究表明，荷斯坦牛在高于24 ℃、低于8 ℃的环境下，产奶量出现下降趋势[2]。合理利用人工补光照明也能使奶牛提高进食量从而有效提高产奶量。在奶牛养殖日益精细化、科学化的管理下，合理利用光照及温度控制等资源，对牧场降低成本、提高效益、提升竞争力有很大的实际意义。因此，合理对养殖环境监测及控制，是提高奶牛生产效率和经济利益的有效工具[3]。

1 控制要求

1.1 光照控制要求

间歇性光照和接近自然光的光谱对泌乳期奶牛产奶量有一定影响。通过人工增加光照使产奶期奶牛每天光照15 h以上，可提高产奶量8%～10%[4]。灯光控制要求分为两种：第一种是晚上7点至12点打开灯光，为奶牛进食提供照明，晚上12点以后奶牛进入反刍阶段，需调低灯光强度至100 Lux，为奶牛提供适当的休息照明，直至早上6点关闭灯光。第二种是白天天气阴沉导致光照强度不够，利用传感器检测数据来判断是否需要打开补光灯。

1.2 温度控制要求

奶牛是喜凉怕热的哺乳动物，温度过高会产生热应激反应，导致产奶量下降，甚至停止产奶。要求泌乳牛舍温度高于22 ℃时打开降温措施，温度低于20 ℃时关闭降温措施。

2 环境测控系统设计

2.1 系统组成

牛舍温度、湿度、光照强度等影响产奶量。现代牛舍控制系统应根据这些环境因素变化，自动调节执行机构，如灯光调节、降温装置等。本设计基于PLC控制器、组态触摸屏和物联网平台，设计泌乳牛舍环境测控系统。该系统配有温湿度传感器、光照传感器、风速传感器，利用485通讯将传感器数据送入PLC控制器。PLC控制器通过检测到的环境数据执行机构的自动运行，并在HMI上显示运行状态。HMI界面设置环境数据实时显示，同时能完成数据存储、归档，便于管理人员通过历史数据做分析和研究。此外通过HMI自带云平台功能，可把触摸屏控制界面实时传送至手机APP，增加系统的控制灵活性（图1）。

图1 系统组成

2.2 硬件选型

2.2.1 灯光选型

目前牛舍照明多采用不可调控的白炽灯照明，导致不能满足上述可调节灯光要求。该系统采用0～10 V可调LED防水工矿灯，可利用PLC的模拟量0～10 V输出进行无极调光，基本满足光照控制要求（表1）。

表1 灯光参数表

2.2.2 控制器及HMI选型

根据上述要求，本设计采用西门子1200AC/DC/RLY作为核心控制器，外加485通讯模块和模拟量输出模块，485通讯模块用于读取传感器数据，模拟量输出模块用于调节光照强度。此PLC带有以太网接口和模拟量输入、数字量输入输出接口。HMI采用威纶通CMT2109X2，自带以太网接口和云端平台，可通过购买威纶通云平台账号，实现后期手机APP监控功能。控制器和HMI能实现以下功能：

①可接收HMI上所设置的温度、光照强度等参数的上下限值设置。

②可实时监测输入部分环境数据，并在HMI上实时显示。

③根据采集的输入值进行程序处理，动态执行补光、启停散热风扇等操作。

④根据采集的输入值，在故障和报警时可发出报警信号。

⑤养殖户可根据经验，进行手动开启或关闭执行机构。

2.2.3 检测输入部分选型

由于牛舍面积较大，传感器和PLC通讯距离较远，此设计采用485总线通讯协议传输监测数据，传感器型号、地址等参数见表2，485总线接线见图2。

表2 传感器参数表

图2 485总线接线图

2.3 硬件设计

硬件设计包括I/O地址分配表、PLC控制电路和主电路。

2.3.1 I/O地址分配及PLC端口接线

I/O地址是PLC和外部设备之间联系的主要通道，通过对该控制系统中各类输入信号和输出信号进行区分，并在PLC里分配不同的地址，来实现PLC和外部设备之间信息交换，可使PLC准确无误控制外部输出设备[5]，部分I/O分配表如表3所示。

表3 部分I/O分配表

根据I/O分配表，PLC端口接线如图3、图4所示。

图3 PLC输入接线图

图4 PLC输出接线图

2.3.2 主电路设计

主电路图采用三线四线制进行设计，L1、L2、L3、N四线。考虑节省控制器件，每三台风扇电机利用一台熔断器做过载保护，每台电机采用单独的一个交流接触器做独立控制，灯光以15 盏并联采用一个交流接触进行控制，如图5所示。

图5 PLC主电路图

2.4 软件设计

2.4.1 系统流程图

如图6所示，工作模式分为手动模式和自动模式。手动模式时养殖户可根据养殖经验自行手动控制灯光和风扇的开闭。自动模式通过传感器采集数据，由控制器程序判断执行输出设备的过程。

图6 系统流程图

2.4.2 HMI界面设计

主界面：泌乳牛舍主界面如图7所示。开机后显示界面，通过按键可进入对应操作界面，如环境温湿度监控界面等[6]。界面切换按键采用功能键进行编辑，功能选择切换基本窗口，然后选择对应窗口。编辑好后仿真时能正常切换界面。

图7 HMI主界面

泌乳牛舍运行界面：该界面将环境温湿度等数据实时显示。需要手动操作时，可进行手动模式、自动模式切换。还可手动控制温湿度控制系统和设备运行状态显示。该界面分为六块区域，分别是：界面标题及时间显示区域、环境数据实时显示区域、运行状态指示区域、手动控制区域、自动/手动切换控制区域和窗口切换按键区域（图8）。

图8 HMI泌乳牛舍运行界面

参数设置界面：主要通过手动设置温湿度上下限、PLC内部时钟校准和一些程序参数，使控制程序可通过参数调节变得更灵活（图9）。

图9 HMI参数设置界面

2.4.3 HMI远程操控设计

威纶通触摸屏要实现远程监控功能，需用到EasyAccess2.0。EasyAccess2.0将触摸屏与远端设备建立通讯，远端设备通过EasyAccess2.0的对应软件，可对现场触摸屏监控[7]。

EasyAccess2.0云平台可对HMI分配和管理。通过管理员账号操作将HMI分配给用户，该用户登录EasyAccess2.0软件，可在软件内对触摸屏控制操作（图10）。

图10 EasyAccess2.0用户设备管理示意图

泌乳牛舍环境测控系统最后部分是通过网络将操作控制系统上传到云端[8]，实现远程对程序控制和数据查看。本次选用的威纶通触摸屏可轻松实现这个功能，CMT2109X2这款产品带有一个以太网络接口10/100 Base-T×1，通过网口进行网络连接。

在HMI设计界面时需添加一个功能键，点击该功能键，弹出EasyAccess2.0 视窗。点击[Start]按键，开启EasyAccess2.0的远端功能（图11）。

图11 EasyAccess2.0开启弹出窗口

电脑或手机都有对应EasyAccess2.0软件，使用所需监控的触摸屏对应EasyAccess2.0用户账号登录，可对想要监控的HMI设备进行远端操作。

3 结语

泌乳牛舍环境测控系统通过主控制器PLC与HMI控制牛舍的灯光、风扇，接收和显示牛舍环境参数；通过安装温湿度和光照等传感器，实时监测牛舍环境；实现PLC组态触摸屏和物联网平台通讯，自动执行牛舍环境调整措施。该系统减少奶牛养殖过程中人工操作的延时性及不稳定性问题，实现自动化控制牛舍环境，间接提高奶牛产奶量和质量。试验结果显示，该系统可靠稳定，界面操作方便，具有较好的推广价值。