PLC和MCGS組態軟件在豬舍環境自動控制系統中的應用

范留偉++高惠芳++王建軍++蔡麗陽

摘 要：提出了基于PLC和MCGS的豬舍環境自動控制系統總體設計方案。下位機使用PLC作為核心控制器，將溫濕度傳感器、氨氣濃度傳感器采集回來的數據與預設值進行比較，按照給定的法則驅動執行機構來調節豬舍內的環境參數。上位機采用MCGS組態軟件編制人機界面，實現了遠程監測、動態顯示等功能。

關鍵詞：豬舍環境；自動控制；PLC；MCGS

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

隨著人們生活水平的日益提高，對禽蛋肉奶的需求量越來越多，而中國的傳統葷菜中很多有名的菜肴都是基于豬肉制作的，因而，大規模的養豬對于國計民生有著極其重要的意義。散養模式由于生長周期長、出欄量少且效益低下，已經被逐漸淘汰；中小規模養殖場由于投資門檻低，國家扶持力度大，因而在現今中國廣泛存在，但是應該注意隨著國家政策的收緊，這些養殖場如果不升級設備，提高管理水平，在未來的激烈競爭中勢必處于劣勢；現代化大規模養殖場以其高水平的管理方式和科學合理的統籌安排，尤其是先進自動化控制系統的輔助，極大地提高了養殖密度，降低了疫病的發生，節省了養殖成本，并且能夠準確估計上市天數和重量。因而豬舍環境自動控制系統的研究顯得格外重要。

1 系統總體設計

本研究提出了基于無錫信捷公司研制的帶有4路模擬量輸入的XD-E4AD可編程控制器（PLC）和MCGS組態軟件的豬舍環境自動控制系統設計方案，將溫濕度傳感器（AW3020）和氨氣傳感器（TGS826）采集到的豬舍環境參數送入現場PLC中，由現場PLC將其與各參數預設的限值進行比較分析，發出相應的指令來驅動執行機構動作，調節豬舍內的環境參數，從而實現豬舍環境的自動化控制。另外，現場PLC通過ZigBee模塊將各環境參數值無線傳輸至辦公室端的ZigBee模塊中，其接收到相關數據后通過RS 485接口傳輸到控制平臺——昆侖通態的觸摸屏，然后采用MCGS組態軟件完成控制系統的組態設計，實現了控制系統操作的人性化和過程的可視化。其總體設計如圖1所示。

圖1 總體設計示意圖

2 PLC的I/O結構設計

該豬舍控制系統有手動和自動兩種工作模式：手動模式是指出現應急情況等一些突發事件時，通過手動操作來控制執行機構的動作；而自動模式就是一旦設定好初值，完全無需人工參與，系統會自動的往復循環的采集數據并控制執行機構的動作。PLC控制系統的I/O結構框圖如圖2所示。系統由PLC控制單元、數據采集單元、執行單元、供電單元和通信單元組成。

圖2 PLC的I/O結構圖

該PLC控制系統將溫濕度傳感器AW3020采集的溫度、濕度測量值（2路模擬量）及氨氣濃度傳感器TGS826采集的氨氣濃度測量值（1路模擬量），經相應的模擬量輸入接口將其轉換為數字信號，送入控制單元，存儲在PLC數據緩沖區；PLC通過控制算法將采集的參數與已給定的值進行分析處理，得到控制策略，輸出開關量，驅動繼電器，進而控制執行機構（如風機、濕簾、遮陽簾、通風小窗等）動作與否。

圖中手動/自動切換旋鈕可以讓操作者選擇想要的控制模式，啟動按鈕和停止按鈕只在手動模式下才起作用。圖中的限位開關是用來反饋遮陽簾伸展或卷起時是否達到了指定位置的信號給PLC，從而控制濕簾電機停止與否。給水電磁閥與濕簾是一體的，當濕簾打開時，需要由給水電磁閥控制給水量。供熱閥門在冬季氣溫較低由鍋爐供暖時控制熱氣供應與否。通訊單元用來完成下位機與上位機的數據交換。

3 硬件電路設計

本系統選用無錫信捷公司研制的一款型號為XD-E4AD的PLC，其具有4通道模擬量輸入，可以選擇電壓輸入和電流輸入兩種模式，其中電壓輸入0～5 V、0～10 V可選，電流輸入0～20 mA、4～20 mA可選，2通道模擬量輸出，可以選擇14位的高精度模擬量輸入，作為XD系列的特殊功能模塊，最多可在PLC主單元右邊連接10臺XD-E4AD2DA模塊。

深圳市誠立信傳感有限公司的AW3020電流輸出型溫濕度變送器，它采用高質量集成式數字溫濕度傳感器AM2302作探頭，保證了變送器優良的穩定性、低延滯性、以及強抗化學污染能力，且更換維護方便，成本較低，輸出為4～20mA工業標準電流信號。廣泛應用于諸如超市、圖書館、生產車間、工業自動化、環境監測、醫藥化工等場所。

氨氣濃度的測量范圍為15～20 ppm，測量誤差為±3%，選用日本FIGRO公司生產的TGS826氨氣傳感器作為檢測元件，其具有靈敏度高、應用電路簡單、陶瓷基底、抗環境干擾能力強等優點。

根據系統的控制要求，得到PLC的輸入/輸出信號，進而確定PLC的I/O端子為16個數字量輸入、3個模擬量輸入、11個數字量輸出。輸入端口和輸出端口分配表分別見表1和表2。

4 系統軟件設計

4.1 控制理論研究

查閱相關文獻得出豬生長的適宜溫度T為15～21 ℃，適宜相對濕度RH為60%～75%，氨氣濃度應當保持在15ppm以下。如何為豬只創造適宜的溫濕環境，提高生產能力，增加經濟收益，已成為畜牧工程技術工作者的重要任務。因此，因地制宜的研究適合當地氣候特點和經濟承受能力的豬舍環境控制理論勢在必行。

溫度和濕度對于養殖是最為重要的，而且溫度和濕度這兩個環境因子關系密切，應綜合考慮，因而本設計采用基于THI（溫濕度指數）和濕度（RH）的控制方案。THI的計算公式：

THI=0.81*Td+（0.99*Td-14.3）*RH+46.3

Td為舍內溫度值，RH為百分相對濕度值。

將THI根據三個預設值劃分為四個區間，對應四種熱應激狀態。當THI小于最小設定值（min）時，對應無應激狀態，記為標號1；當THI大于最小設定值（min）而小于中間設定值（mid）時，對應輕微熱應激狀態，記為標號2；當THI大于中間設定值（mid）而小于最大設定值（max）時，對應中度熱應激狀態，記為標號3；當THI大于最大設定值（max）時，對應嚴重熱應激狀態，記為標號4。min，mid，max的典型值分別是72，79，89，可根據不同的地域和時間進行微調。

RH的上、中、下限對應的典型值分別是90%、80%、25%，當然根據實際應用調整。同樣可以按照上面的情況劃分為四個區間，依次記為標號1、2、3、4。連同上面THI的四個區間共得到16種工作狀態，如表3所示。這16種工作狀態可以根據需要合理安排對應的控制策略。

氨氣對于豬舍的環境影響最為惡劣，對豬和工作人員的身體都是極為有害的，一旦累計到足夠的濃度必須及時排除，典型的容忍值為15～20 ppm。對于它的調控，目前最有效的手段就是通風，必要時可以開啟濕簾，因為氨氣能夠溶于水。考慮到它的毒性，安裝報警裝置是很有必要的，一旦超過最高限度，發出警報，提醒工作人員小心，此時需要帶上防毒口罩進入豬舍作業。同樣將其劃分為四個區間。當小于15 ppm時，不動作；大于15 ppm，開啟1號風機；大于18 ppm，增開2號風機；大于20 ppm，增開濕簾，并發出報警信號。

4.2 PLC控制軟件設計

4.2.1 設計原則

根據春夏秋冬四季外部環境的不同，制定兩種工作模式：夏季模式，冬季模式。每種模式基本控制思想是一致的，但側重的量不一樣。以南方為例，夏季高溫潮濕，主要考慮降溫和除濕；冬季寒冷潮濕，主要考慮升溫和除濕的問題。

以夏季高溫模式為例，詳細說明溫濕度控制的設計思想：

目標：豬舍中的溫度控制在26 ℃左右，濕度控制在65% RH左右。

硬件：風機、濕簾、遮陽簾。遮陽簾能夠遮擋陽光，在夏季中午時分光照充足的情況下打開，能夠迅速有效地降低舍內溫度。風機-濕簾降溫系統是指在豬舍一端安裝濕簾，另一端安裝風機，風機向外排風時舍內形成負壓，空氣便從濕簾那方進入，空氣在流過有水的濕簾時，溫度就會降低，這些冷空氣進入豬舍內與豬體皮膚接觸即可有效降低豬的體表溫度。這是豬場降溫效果較好的一種方式，不僅溫度降低了，而且加強了空氣流通，能在一定程度上預防細菌的滋生繁衍。

設計思想：首先依據給定值合理地得出THI和RH的min、mid、max值，將其輸入到PLC中。溫濕度傳感器將檢測到的溫濕度數據輸入到PLC輸入端子，PLC定時讀取溫濕度測量值，并對讀取的數據進行處理，得到的處理數據為當前的溫度T（℃）和相對濕度S（%）的實際值，將數據實時顯示到觸摸屏上，便于觀察。同時與預設值進行比較，確定當前環境處于16種工作狀態的哪一種。假如處在第0、1、4種狀態，不需要任何動作；處在第2、5、8種狀態，打開1號風機；處在3、6、7、12種狀態，繼續打開2號風機；處在第9、13、14、15種狀態，濕簾啟動；處在第10、11種狀態，遮陽簾開啟。如果策略有效，溫濕度的值就會降低，根據需要按照反方向依次關閉遮陽簾、濕簾、2號風機、1號風機。

4.2.2 軟件設計流程圖

具體以溫度超出上限為例，給出軟件設計流程圖，其他的量的控制大同小異。

5 組態軟件設計

MCGS是北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司研發的一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制。共三個版本，本設計選用通用版。圖4是設計的監控畫面。

圖3 溫度升高時PLC控制程序流程圖

圖4 MCGS人機界面

打開MCGS組態軟件，進入運行環境，可以看到設計的界面一目了然、友好簡潔。面板不僅能夠動態地實時顯示各環境因子的當前值，而且以動畫的形式來直觀地顯示相關執行設備是否運行。此外，軟件能夠將這些數據存貯起來，方便管理員日后查詢或者制作歷史曲線，為智能決策提供依據。用戶還能隨時通過面板上的控制按鈕來調整各環境參數的上下限值，達到遠程控制的目的。

6 結 語

隨著我國養殖業現代化的發展，自動化控制必將是大規模養殖場的標準配置。本文設計了一種基于PLC和MCGS的智能豬舍環境控制系統，目前該系統已經在嘉興市五豐牧業有限公司安裝運行，經初步測試，系統運行穩定，取得了良好的控制效果，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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