現(xiàn)代化豬舍有害氣體智能檢測及控制系統(tǒng)的設(shè)計

謝曉麗，胡天讓，楊國華，張 琴，郭小會，楊發(fā)鑫

（1 甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，733006，甘肅武威；2 肅南裕固族自治縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，734400，甘肅張掖）

隨著養(yǎng)豬事業(yè)的快速發(fā)展，為了提高養(yǎng)殖效率，降低養(yǎng)殖成本，獲得最大利潤，集約化、高密度、封閉性強、自動化控制程度越來越高是現(xiàn)代化養(yǎng)豬場的特點，但是封閉性強、密度大，極易造成豬舍內(nèi)有害氣體（如二氧化碳、氨氣、二氧化硫）濃度過高，這些有害氣體嚴(yán)重影響豬只生理健康，引發(fā)多種疾病，甚至是疫病流行，導(dǎo)致豬場養(yǎng)豬過程中使用抗生素水平上升，藥物殘留超標(biāo)，養(yǎng)殖場的生物安全風(fēng)險進一步增大，生產(chǎn)的動物產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重下降；所以，如何在滿足現(xiàn)代化養(yǎng)豬場生產(chǎn)實際需要的情況下，有效控制豬舍內(nèi)有害氣體排放，降低有害氣體濃度，減少對豬只的危害，提高養(yǎng)殖效率，保障生物安全，減少環(huán)境污染，長期以來一直是人們研究和關(guān)注的主要問題之一，也是困擾養(yǎng)豬業(yè)快速健康發(fā)展的一個難題。規(guī)模化生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控可以提高豬群福利，使豬只健康生長，提高畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益，控制養(yǎng)殖場對外界環(huán)境的污染是實現(xiàn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的有效途徑;因此，對規(guī)模化生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究很有必要。

本文通過對河西走廊部分豬場內(nèi)有害氣體排放控制系統(tǒng)的調(diào)查了解，結(jié)合現(xiàn)代化豬場生產(chǎn)實際，有針對性地設(shè)計了豬場內(nèi)有害氣體排放系統(tǒng)，該系統(tǒng)在甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院種豬場、甘肅永登建峰豬場使用效果良好。現(xiàn)介紹如下。

1 豬舍內(nèi)環(huán)境智能化控制系統(tǒng)設(shè)計原則

總體設(shè)計思路：基于PLC（Programmable Logic Controller，即可編程邏輯控制器）控制的多點控制系統(tǒng)，在注重系統(tǒng)成本低廉、便于安裝使用的前提下，提高自動化、智能化水平，提高系統(tǒng)的運行效率和安全性。

豬舍環(huán)境控制必須綜合先進的生產(chǎn)工藝、養(yǎng)殖場環(huán)境、豬舍結(jié)構(gòu)、舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控要點和設(shè)備、飼養(yǎng)工藝、環(huán)境污染控制等，多方面采取調(diào)節(jié)措施。檢測與控制豬舍內(nèi)有害氣體的同時設(shè)計控制溫度和濕度，結(jié)合河西走廊自然資源特點及豬舍內(nèi)排污設(shè)計實際，側(cè)重豬只體感(健康、行為、福利)，重點調(diào)控豬體周圍局部空間的環(huán)境狀況。豬舍環(huán)境參數(shù)間相互影響、相互制約，對豬舍進行多方面綜合調(diào)控，不盲目追求單因素達標(biāo)。注意對舍外適宜環(huán)境的利用，舍外與舍內(nèi)、自然與人工相結(jié)合，實現(xiàn)共同調(diào)控。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由上位PC 機與下位機的測點組成。其中系統(tǒng)硬件主要由PLC 控制器、HMI（觸摸屏）、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器、風(fēng)機、加熱設(shè)備、PC 機組成。

豬舍內(nèi)監(jiān)測點的傳感器模塊完成對舍內(nèi)的溫濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度采集，采用觸摸屏將豬舍內(nèi)各參數(shù)狀態(tài)實時顯示出來以方便快速讀取。根據(jù)豬生長所需環(huán)境溫度的不同，用戶可通過觸摸屏設(shè)定所需溫度，作出最利于豬生長的豬舍環(huán)境調(diào)控的最終決策。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 溫度控制

本系統(tǒng)使用溫濕度傳感器對豬生長環(huán)境的溫度參數(shù)進行測量，并通過PLC 控制器把采集到的實際參數(shù)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的適宜參數(shù)范圍進行比較，以執(zhí)行相應(yīng)的動作（采集值＞設(shè)定值，降溫去濕；采集值＜設(shè)定值，升溫）。升溫過程，通過控制來驅(qū)動繼電器，再通過繼電器驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行裝置，如加熱設(shè)備等；通風(fēng)降溫過程，同樣通過繼電器驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行裝置如風(fēng)機等。

2.2 有害氣體控制

本系統(tǒng)使用相應(yīng)的氣體傳感器檢測豬舍環(huán)境內(nèi)的CO2、NH3濃度等，通過模擬量輸入接口將測量參數(shù)傳遞至PLC 控制器中，PLC 對其分析處理，實際測量數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值相對比，出現(xiàn)與設(shè)定值相偏離時，則通過控制繼電器完成電機上電操作，執(zhí)行通風(fēng)換氣動作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件

硬件主要由PLC、觸摸屏、接觸器、開關(guān)電源、低壓斷路器、控制開關(guān)、溫濕度傳感器、CO2傳感器、NH3傳感器等器件構(gòu)成，主要功能是實現(xiàn)信息的采集及對風(fēng)機設(shè)備的控制。

3.2 系統(tǒng)主電路設(shè)計

根據(jù)控制要求，主電路的設(shè)計主要包括風(fēng)機驅(qū)動電機及加熱設(shè)備，如圖2 所示。

圖2 主電路

控制電路設(shè)計包括PLC、接觸器、傳感器、指示燈、多功能開關(guān)等，如圖3 所示。

圖3 控制電路

4 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)監(jiān)控軟件構(gòu)成及功能

本項目PLC 采用西門子S7-200 系列PLC，所選用軟件為V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9。程序設(shè)計包含了六個方面：主程序、初始化程序、系統(tǒng)調(diào)試程序、自動控溫程序、有害氣體檢測模塊、信息采集轉(zhuǎn)化程序。

主程序模塊主要完成控制系統(tǒng)各部件的初始化和實現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用。

初始化模塊功能是當(dāng)設(shè)備在運行過程中突然停電，等再次通電接通時，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行初始化。

系統(tǒng)調(diào)試模塊功能是設(shè)備安裝調(diào)試過程中采集氣體傳感器、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，為PLC 后期運行提供準(zhǔn)確參數(shù)。

有害氣體檢測模塊功能是PLC 通過傳感器采集的數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定數(shù)據(jù)比較，控制通風(fēng)量，保證有害氣體排放。

自動控溫模塊功能是PLC 通過傳感器采集的數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定數(shù)據(jù)比較，控制風(fēng)機及加熱設(shè)備運行，滿足用戶需求。

梳理程序設(shè)計，在設(shè)計中自動控制程序應(yīng)重點解決四個方面的問題:

（1）現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)；

（2）分析豬舍環(huán)境對豬生長的影響及舍內(nèi)溫度參數(shù)調(diào)節(jié)控制的方法；

（3）根據(jù)溫度優(yōu)先原則，在溫度適宜情況下，再采集CO2與NH3濃度；

（4）溫度自動補償。

程序設(shè)計流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

4.2 系統(tǒng)監(jiān)控軟件的實時監(jiān)測界面

人機交互界面即組態(tài)監(jiān)控界面，通過與CPU 配合實現(xiàn)用戶對豬舍環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。豬舍監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互界面包括開機界面、控制界面等。當(dāng)系統(tǒng)投入運行后觸摸屏呈現(xiàn)的開機界面如圖5 所示。

圖5 開機主界面

登入系統(tǒng)后直接進入傳感數(shù)據(jù)中的舍內(nèi)監(jiān)控界面，顯示各個環(huán)境參數(shù)的當(dāng)前值，系統(tǒng)采用了多種類型傳感器完成對豬舍內(nèi)的溫濕度、CO2濃度、NH3濃度信息采集，用戶根據(jù)養(yǎng)殖需求，設(shè)置運行參數(shù)，包括溫度上限/下限、濕度上限/下限等，如圖6 所示。

圖6 舍內(nèi)監(jiān)測界面

5 生豬健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場測試

5.1 系統(tǒng)節(jié)點部署

現(xiàn)代化豬舍有害氣體智能檢測及控制系統(tǒng)在甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院動物養(yǎng)殖場（豬場-第8 棟）實際測試，選擇安裝的具體豬舍為南北朝向，長度為60 m，寬度為8 m，高度為4.2 m，配備有照明、風(fēng)機和加熱系統(tǒng)。在豬舍內(nèi)距離地面高度為1.2 m 的2 個位置各布置了一套傳感器(溫濕度傳感器)，在距離地面高度20 cm 位置布置了二氧化碳傳感器，在豬舍操作間的墻壁上布置了終端采集控制器。經(jīng)過長達1 月的測試，設(shè)備運行穩(wěn)定。

5.2 系統(tǒng)測試結(jié)果

在實際測試現(xiàn)場，生豬健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了對環(huán)境參數(shù)的采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、安全值判斷和控制信號的發(fā)送。以環(huán)境溫度參數(shù)監(jiān)控為例，用戶設(shè)定舍內(nèi)溫度為20 ℃，當(dāng)PLC 讀取設(shè)定溫度后，與舍內(nèi)實際溫度比較，以執(zhí)行相應(yīng)的動作（采集值＜設(shè)定值，升溫；反之降溫）。

6 結(jié)語

本設(shè)計提出并實現(xiàn)了基于PLC 傳輸組網(wǎng)技術(shù)的生豬健康養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合豬場排污系統(tǒng)的設(shè)計建設(shè)，經(jīng)實際測試能夠精確監(jiān)測豬舍內(nèi)溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的安全閾值自動化控制各種電氣設(shè)備，尤其豬舍內(nèi)距離地面20 cm 環(huán)境氣體的質(zhì)量得到了有效控制，實現(xiàn)了對豬舍環(huán)境的智能控制，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省了大量人力資源，對環(huán)境控制及時，能夠提高生豬養(yǎng)殖質(zhì)量。