基于PID 控制的奶牛場智能化控制系統設計

張曉霞，姜毅龍

（甘肅機電職業技術學院，甘肅天水，741001）

0 前言

將PID 技術引入到奶牛場的智能化系統設計中，不僅符合互聯網時代的發展需求，更有利于提高我國的奶牛飼養產業的發展水平。利用PID 控制算法，通過傳感器對奶牛場的溫濕度、光照強度等進行實時監控，并建立智能化奶牛場監控系統，提高奶牛場的生產效率，提高產品質量。在利用PID 控制算法對奶牛場智能化控制系統進行完善中，可從系統設計以及功能分析的角度進行優化，提高系統的數據采集有效性，滿足奶牛場智能化管理的發展需求[1]。

1 奶牛場智能化控制系統的功能需求分析

奶牛生長環境中的溫濕度、氨氣、二氧化碳等有害氣體濃度等一因素，對奶牛的生長狀況會產生直接的影響。因此，在奶牛場智能化控制系統的功能設計與分析中，則需要從環境控制、喂料控制等角度，對系統功能進行與優化。在奶牛場智能化控制的視角下，對禽畜的生存環境進行智能化控制，并控制溫度、濕度、光照強度等，為奶牛營造良好的生存環境。此外，奶牛場智能化控制系統的搭建與應用，還需要通過PID 控制算法對喂料系統進行優化與控制，在系統搭建視角下，可對奶牛場環境進行監控，并結合牛場場實際情況以及監控要求，實現各個功能。

2 基于PID 控制的奶牛場智能化控制系統設計

■2.1 總體設計

在奶牛場智能化控制系統搭建中，將奶牛舍作為一個獨立的控制區域，并通過ZigВee 數據采集以及S7-200 Smart PLC、PID 控制等方式，對奶牛場智能化控制系統的總體框架進行搭建與優化，具體的框架設計如圖1 所示。

圖1 總體結構

在數據采集過程中，通過協調器節點以及終端傳感器、路由器節點等實現數據采集分析，奶牛舍的內部可以通過協調器節點，對信息進行上傳與下發，在建立數形結構后，可提高相關數據信息傳遞的安全性與有效性。在奶牛場智能化控制系統中，PLC 控制部分是通過軟件程序分析數據，并控制相應的執行機構，在數據統計分析的基礎上，對奶牛場風機、加料泵等進行控制。手機遠程控制則是利用MCGS通用版對人機交互界面進行設計，并對養殖場的數據信息進行統計與分析，在信息整合與智能化控制的基礎上，提高奶牛場智能化控制系統的整體控制效果。

■2.2 硬件設計

在奶牛場智能化控制系統的硬件設計中，核心硬件設計是通過ZigВee 模塊對傳感器進行控制。整體的硬件結構設計如圖2 所示。

圖2 終端節點的硬件結構

在硬件框架設計中，溫濕度傳感器：選用威盟士4～20mA 的溫濕度一體變送器，型號為VMS-300SMGWS-120，在校準后，可傳輸有效的數字信號，提高溫濕度數據采集分析的穩定性與可靠性。光照強度傳感則是選擇ВHI750AFI 芯片，并輸出數字信號，利用ADDR 引腳以及內置的轉換器，對數據通信進行采集與控制。在選擇而這芯片的過程中，電源電壓源為5V，對光照度測量范圍為1～65535lux，最小的誤差變動為2%。氨氣濃度傳感器是結合奶牛場的特點以及系統測試要求，利用MQ-137 氨氣傳感器進行數據分析與處理的，其特點是對氨氣有較高的靈敏度，驅動效果比較好，且應用成本低。MQ-137 氨氣傳感器在實際應用中，以DOUT 引腳為TTL 電平，LED 等為報警指示，AOUT 為模擬量輸出，在A/D 轉換的基礎上，可實現數字信號轉化與傳輸控制。在噪聲傳感器方面，則選擇LM393 芯片配合駐極體話筒，將工作電壓設置為5V，采用單信號進行輸出，在有聲音輸出的情況，低電平輸出，并信號燈亮起。硬件傳輸流程如圖3 所示。

圖3 硬件控制流程

在硬件控制與等信息傳輸中，要在整體硬件邏輯搭建與優化的前提下，達到各項數據采集、處理與傳輸的目的。在利用協調器對整個ZigВee 網絡進行控制中，可對配置網絡信息以及網絡節點信息等進行綜合控制，具體的驅動電路如圖4 所示。

圖4 驅動電路

在利用驅動電路下，對數據分析處理后，可通過協調器達到數據統計與控制的目的。信號處理流程如圖5 所示。

圖5 信號處理流程

■2.3 軟件設計

S7-200 Smart PLC 控制器用的編程軟件是STEP 7-Micro/WIN SMART，在建立協議棧進行通信數據傳輸中，可對數據信息進行過初始化處理，并在LCD 上顯示設備信息，通過系統功能模塊實現智能化監控。人機界面采用MCGS 觸摸屏，該觸摸屏具有以太網接口和RS485 接口，通過在觸摸屏控制面板設置觸摸屏的相關參數，完成觸摸屏與PLC 以太網通信的設置。借助交換機實現觸摸屏與多個PLC 以及上位機的通信。具體編寫界面如圖6 所示。

圖6 軟件顯示界面

驅動裝置主要由步進電機以及步進電機驅動器組成，步進電機采用57 系列步進電機，驅動器采用DM542，該驅動器是一款專業的步進電機驅動器，可達128 細分，電流可達4.2 A，噪音小，運行較為平穩。在本系統設計中，驅動器輸入端接線方式采用的是共陰極接法，分別將驅動器中PUL-，DIR-連接到控制系統的地端；脈沖輸入信號通過PUL+接入，方向信號通過DIR+接入，PLC 輸出信號不能直接與步進電機驅動器信號輸入端進行連接，需要串聯2k限流電阻，按照電機接線方式，完成步進電機與驅動器的連接。最后，根據控制系統的要求完成驅動器細分設定以及電流設置。

在利用ZigВee 網絡對通信控制中，則需要在系統功能設計的基礎上，加入FFD 節點，并對信道進行掃描，在數據采集與分析處理的基礎上，對養殖場數據信息進行采集與記錄，在網絡信息描述與分析的基礎上，可提高奶牛場智能化控制系統的通信傳輸控制效果。

奶牛場智能化控制系統終端節點軟件的關鍵任務是數據采集，在傳感器的應用下，對溫濕度、光照強度等進行采集與處理。在終端節點上進行系統柜初始化，并建立ZigВee 網絡后，發送加入網絡請求，并將其分配到16 位的網絡地址。在完成數據初始化后，可對數據信息進行轉化與控制，利用協調器節點，實現奶牛場智能化控制系統的數據傳輸與應用。

■2.4 奶牛場智能化控制系統的功能模塊控制流程

奶牛場智能化控制系統的設計中，其中包含通風、投食、清掃排泄物等，所以，在利用PID 對奶牛場智能化控制系統的操作進行控制中，可對投食過程、通風過程、清掃操作等進行功能優化，對提高奶牛場智能化控制系統的操作效果有現實意義。在通風功能控制中，則可以通過電機為窗戶的開關提供動力，利用PID 程序對其進行控制，從而提高奶牛場智能化控制系統的功能設計效果。還需要通過PID 程序對投放時間、投放量等進行綜合控制，在實際操作中，可結合實際需求，對奶牛場智能化控制系統的操作過程進行優化，滿足奶牛場智能化控制系統的操作需求，具體的操作流程設計如圖7 所示。

圖7 功能控制流程

在PID 控制視角下，奶牛場智能化控制系統運行中，變頻器帶動送料機啟動后，采集PLC 反饋粉碎機的工作電流值，PLC 可以將工作電流以及設定電流進行橫向比較，在通過PID 運算后，可輸出0～10V 模擬量，對變頻器輸出頻率進行控制，從而達到控制物料量的目的。軟件通信傳輸中，具體控制程序如圖8 所示。

圖8 S7—200 Smart PLC 控制器的軟件通信

在軟件通信傳輸與信息處理中，利用S7-200 Smart PLC 控制器實現奶牛舍的環境信息、管理信息采集與整合，并在通信數據傳輸與控制下提高智能化控制系統的應用效果。在工作電流大于設定值的前提下，可結合計算結果，對送料的開度進行調整。考慮到喂料過程具有動態屬性，所以，在實際操作與控制中，可通過PID 控制，提高粉碎機以及喂料系統的應用效果。

3 基于PID 控制的奶牛場智能化控制系統調試分析

利用PID 控制，對奶牛場智能化控制系統的功能模塊進行檢驗與分析。在實際測試的過程中，具體的功能測試結果如下：

奶牛場智能化控制系統中的自動飲水功能，在遮擋紅外發射器后，約為0.5s 后水龍頭可出水，說明奶牛場智能化控制系統的飲控制功能正常。

噴水降溫功能測試：在設置30℃后，畜舍加熱溫度高于30℃的狀態下，PID 控制電磁閥打開水龍頭噴水。溫度小于30℃的狀態下，電磁閥管壁，停止噴水，說明噴水降溫功能逐漸恢復正常。

定時通風功能在實際測試的過程中，當達到設定的第一次通風時間后，可將奶牛場的窗戶拉開并通風。當達到關閉窗戶時間后，可以通過電機進行通風關閉。在PID 程度控制下，可實現通次通風，并延長通風時間，從而提高奶牛場智能化控制系統的綜合應用效果。

定時投食功能：在達到投食時間后，可通過電機轉動對飼料投放進行控制，其中包含投放量以及投放時間等。在實際操作控制的過程中，可選擇電機反轉的方式關閉投食系統。在奶牛場智能化控制系統設計與測試中，PID 控制程序可以對投食時間、投食方式等進行綜合控制，從而滿足實際設計需求。

定時清掃功能，在奶牛場智能化控制系統搭建與應用中，清掃操作與處理，則需要PID 控制打開電磁閥噴水，與此同時，控制電磁閥轉動，將奶牛排泄物清掃到排污溝。在清掃1min 后，時鐘到達結束清掃時間后，PID 控制程序可以對驅動電路進行控制，并關閉電磁閥。

在對奶牛場智能化控制系統的實際應用進行測試中，可以結合奶牛場的實際需求對相關功能的操作時間進行設定，從而滿足奶牛場智能操作與管理的綜合需求。

4 結論

本次研究基于PID 控制下的奶牛場智能化控制系統的設計，包括硬件和軟件兩個部分。而該智能化控制系統也是智能社區中的重要組成部分，對于提高工作性能、節約成本以及保持奶牛場的實時智能管理而言至關重要。通過PID控制的方式，提高奶牛場智能化控制系統的操作控制效果，在奶牛場智能化控制系統設計中，系統可正常投入到實際管理中，且性能相對比較穩定，方便其他功能的擴展以及技術更新，可滿足奶牛場的綜合發展需求。