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标题 基于PLC的养鸡场智能化监控系统设计
范文 张宏伟+解应博+陈凯彬



摘 要：为了解决规模化养鸡场自动化管理中存在的监测参数众多的问题，提出一种以PLC为核心处理器的多参数智能化监控系统。传感器将采集到的环境参数值传送到PLC，经过PLC处理后传送到上位机，上位机对数据进行分析、存储和显示，并发送相应指令到PLC来控制设备开启或关闭。结果表明，该系统检测灵敏，控制设备反应迅速，可使鸡舍环境参数控制在适宜范围内。
关键词：PLC；多参数；上位机；智能化监控
DOIDOI：10.11907/rjdk.171237
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2017）008-0091-03
0 引言
我国是世界的鸡肉生产大国和消费大国，特别是近年来随着我国经济的快速发展，人们生活水平不断提高，对鸡肉的需求量更是日益递增。面对鸡肉需求量的增加，传统一家一户的散养模式已不能满足市场需求[1]。对鸡舍内的环境参数进行实时在线监测和控制是养殖自动化管理的关键[2]。传统养鸡场主要是凭借工人长年累月积累的经验来判断鸡舍内温度、湿度和氨气的浓度是否合适，从而开启或关闭相应的控制设备，不利于规模化养殖[3]。
随着科学技术的进步，促使传统落后的养殖模式向专业化、规模化、信息化方向发展，监控系统也朝着网络化、集成化、智能化方向发展。黄驰[4]提出了一种基于ARM11和Linux的DS18B20温度测量系统，实现了温度数据的采集处理和显示；赵娟等[5]根据AVR单片机的相关功能设计了一种气体监测系统，可以对舍内的有害气体浓度进行监测，并且通过RS485总线将检测到的数据传送到上位机来控制相关设备，但是存在单片机故障率高、不易扩展、对环境依赖性大、开发周期长等缺点；崔曦元等[6]提出了一种基于ZigBee技术的空气净化系统设计方案，利用ZigBee技术传输采集到的参数。但鸡舍内部环境相对复杂，导致无线传输抗干扰性差，不稳定。
针对上述问题，本文提出一种基于PLC的多参数智能化监控系统，该监控系统能够实现对鸡舍内温度、湿度和氨气浓度的实时在线监测和控制。
1 系统总体设计
监控系统整体结构主要包括温湿度传感器、氨气浓度传感器、PLC、上位机、通风系统、加热系统、降温系统、增湿系统等几部分。系统结构框架如图1所示。
温湿度传感器和氨气传感器将采集到的参数变换成电信号，经过A/D转换模块将电信号转变为相应的数字信号传输到PLC，经PLC处理后传送到上位机，上位机通过组态王6.55编写相应程序，通过数据分析和处理，将采集到的数值与根据实际情况设定的温度、湿度和氨气浓度值进行比较，将编写好的相关控制指令传送到PLC，从而控制通风系统、降温系统、加热系统和增湿系统的启动或者停止。
2 系统硬件设计
2.1 传感器选型
温湿度传感器能将鸡舍内采集到的温度值与湿度值转换成容易被测量的电信号，满足达到A/D转换模块对输入量的相关参数要求。本系统采用JCJ175A温湿度一体式传感器，可选配RS485通讯接口，能够实现温湿度的多点数据采集和实时通讯，其标准的modbus通讯协议为后期软件处理带来很大方便，并且能够通过各种编程语言或组态软件实现数据的分析和处理。温度测量范围为0～50℃，湿度测量范围为0～100%RH，温度测量误差在±0.5℃以内，相对湿度测量误差≤±3%RH。
氨气浓度检测选用JCJ280氨气传感器，JCJ280氨气传感器用于检测空气中的氨气浓度，测量精确，具有良好的稳定性和可靠性，响应速度快，其工作量程为0～100ppm，电源为24VDC，能适应的工作环境为-40～70℃，湿度<90%RH，输出方式为RS485/RS232。
2.2 I/O分配表
根据鸡舍环境的实际监控需求，该监控系统采用系统启动、系统停止、喷雾器开启、喷雾器关闭等24个开关量输入，湿帘窗电机正转、湿帘窗电机反转等15个开关量输出，温湿度传感器等5路模拟量输入，通风机电机1路模拟量输出。部分端口分配如表1所示。
2.3 PLC选型及接线
根据I/O分配情况，监控系统选择使用S7-300系列的PLC作为控制器，数字量输入模块选用SM321模块，该模块和暖风机开、暖风机关等开关量相连，数字量输出模块使用SM322模块，可以实现PLC内部信号电平到控制过程所要求的外部信号电平转换，模拟量的输入和输出模块分别选用SM331和SM332两个模块，开关量接线图如图2所示。
2.4 通风系统设计
对于不同季节鸡舍通风量要求不同，冬季气温较低，鸡舍内主要以保暖为主。冬季鸡舍内的通风系统采用变频调速的控制方式，这样既可以保证鸡舍内的通风量满足要求，又避免了能源浪费。根据实际需求，通风系统使用4个通风机，其中风机1采用变频和工频两种调速模式，风机2、3、4采用工频调速。FU1是熔断器，能够保护电路，FR1、FR2、FR3和FR4是继电器，分别实现对电动机M1、M2、M3和M4的过载保护。当需要的通风量较小时，Q1闭合，Q2、Q3、Q4和Q5断开，KM1闭合，此时M1变频运行，其它电动机不工作；当需要的通风量较大时，Q1和Q3闭合，Q2、Q4和Q5断开，KM1和KM2闭合，此时M1变频运行，M2工频运行，M3和M4不工作。在鸡舍内通风量需求不大，只需要一台风机变频和一台风机工频运行时，M1变频运行，M2、M3和M4可以任选其中一台工作，其余两台停止运行，这样可以避免由于风机故障而造成经济损失，保障鸡舍环境始终处于适宜状态。根据鸡舍内通风量的需求不同，可以选择开启不同数量的风机。通风系统主电路如图3所示。
3 系统软件设计
3.1 上位机软件设计
上位机运用组态王6.55来编写相应程序，构建智能化鸡舍监控界面，实时在线显示鸡舍内的温度、湿度以及氨气浓度值。根据实际需求设计鸡舍监控画面，依据鸡舍内相关设备的摆放位置完成安装并连接，然后定义数据对象完成动画连接，利用实时曲线控件对温度、湿度和氨气浓度曲线进行在線显示。
3.2 下位机软件设计
下位机软件设计包括主程序软件和子程序软件设计，主要实现对鸡舍温度、湿度以及氨气浓度参数值的采集和处理，并将经过A/D转换后的数据传送到监控系统上位机中，通过接收相关的控制指令来决定通风系统、加热系统、降温系统、增湿系统的启动和停止，达到鸡舍环境参数实时在线监测和智能化控制的目的。其中湿度控制的子程序如图4所示，系統开始运行后，传感器将采集到的湿度值与设定的湿度值进行比较，如果采集值大于设定值上限，则湿度报警指示灯亮，同时启动通风系统；反之则启动喷雾器，直到湿度值回到设定的范围值内，系统关闭喷雾器。
4 结果分析
系统对鸡舍内的温度、湿度和氨气浓度3种主要的环境参数进行监测和控制，以一天中某一时间段监测到的环境参数值为例进行分析，其中温度变化曲线如图5所示。
在监控系统正常运行的情况下，鸡舍温度在设定的最佳值附近摆动，当参数值超过设定温度，启动相应的控制设备，使其快速恢复到设定值范围，说明监控系统能够较好地满足鸡舍对环境参数的监控要求。
5 结语
为了改善鸡舍环境，提高对鸡舍内温度、湿度和氨气浓度的自动化控制，设计了一种基于PLC 的多参数智能化监控系统。该监控系统能够完成对鸡舍内温度、湿度和氨气浓度的实时在线监测、存储和显示，并根据实际需要控制相关设备开启或者关闭，保证鸡舍环境始终处在适宜的状态。使用结果表明，该监控系统有较高的检测精度、反应迅速、系统智能化程度较高，具有一定的市场应用前景和推广价值。
参考文献：
[1] 熊亮.种禽养殖过程环境控制系统的设计与研究[D].银川：宁夏大学，2013.
[2] 李丽华，于尧，陈辉，等.基于无线传感器网络的鸡舍温湿度实时监测系统[J].河北农业大学学报，2014，37（1）：123-126.
[3] 王丽芬.禽舍环境监测系统的设计[J].湖北农业科学，2013，52（6）：1432-1434.
[4] 黄驰.基于ARM11和Linux的DS18B20温度测量系统设计及实现[J].软件导刊，2012，11（6）：75-76.
[5] 赵娟，李丽华，贾兰英，等.基于AVR单片机的鸡舍有害气体监测系统[J].农机化研究，2011，38（4）：85-88.
[6] 崔曦元，吴凌智.基于ZigBee无线技术的智能空气净化系统设计[J].软件导刊，2016，15（7）：108-109.
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更新时间：2024/12/22 19:52:25