基于PLC的豬舍糞污清潔控制系統設計

摘 要：文中主要研究了基于PLC的豬舍糞污清潔控制系統，該系統旨在節約成本并減少豬因環境問題感染傳染病的概率。系統共包含四個模式，每個模式可滿足不同情況下的需求，不僅可以自動清理豬舍糞污，而且還搭配高壓水槍噴射清洗，清理完成后可以自動開啟紫外線照射消毒；工作人員通過系統觀察到豬糞較多時還可以手動遠程清理。另外，系統設備移動時通過紅外線照射感應行進路徑上是否有生病或睡覺的豬阻擋，若有則停止移動并暫停其余功能，同時發出轟鳴聲對豬進行驅趕，待紅外線感應不到前方有豬時再繼續行進。系統還配備了故障報警系統，任意元件出現故障時，程序將停止運行，對應故障燈亮起，方便工作人員查找故障并及時修復。該系統的應用能夠輔助工作人員清理豬舍，提高了豬舍工作人員的效率，滿足了人們對養豬場糞污處理的自動化需求。

關鍵詞：PLC；豬舍糞污清理；紅外線傳感器；旋轉電機；自動化；組態王

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-04

0 引 言

隨著養豬規模的不斷擴大和密集化養殖的出現，養豬業面臨著一系列問題[1]，其中糞污處理便是一大挑戰。傳統的糞污處理方式主要依靠手工清理和土地施肥，這種方式在規模化養殖場中已經不再適用。于是出現了對養豬場糞污處理的自動化需求[2]。為此，本文設計了基于PLC的豬舍糞污清潔控制系統設計，旨在解決傳統方式下存在的問題，以滿足現代養豬業對生產效率、環境保護和經濟效益的需求。

1 系統方案設計

1.1 糞污清潔系統設備組成

本文設計了基于PLC控制的小車和傳送帶系統對豬舍地板上的糞污進行清理[3]。主要設備如下：

（1）小車驅動電機

選擇NIDEC Corporation的直流無刷電機，NIDEC提供多種工業級BLDC電機，具備良好的耐腐蝕和防水性能，適合在豬舍等惡劣環境中使用[4]。在成本效益方面，直流有刷電機在制造成本上通常比無刷電機便宜，這主要是由于其設計較為簡單，制造過程成熟。

（2）紫外線消毒小燈

選用朗普的LP-GZ202-FB型號紫外線消毒小燈，該型號的消毒燈防爆、防飛濺、防破碎，薄膜覆蓋紫外線殺菌燈管外側，防止燈管破裂玻璃飛濺；使用了耐候性好、抗紫外線老化的薄膜，其紫外線透過率高，紫外線強度與殺菌效果與殺菌燈相當[5]。

（3）紅外線傳感器

選擇帝奇單邊漫反射光幕安全光柵紅外線傳感器，型號為DQBHTJMSF，其具有20 mm間距的兩光束配置，保護高度為200 mm。由于系統中的行程開關遇到任何物體時都會有反饋信號，因此要合理調整行程開關與墻的距離，避免其在靠近墻面時觸發蜂鳴器報警。

（4）高壓水槍水泵

選擇眾浪的WZB水泵，材質為鑄鐵，其具有方便小巧、耐用、成本低、性價比高的優勢，符合本文的應用環境。

（5）糞污傳送帶

傳送帶需要有足夠的拉伸強度和撕裂強度，以確保能夠承受糞污的重量和傳送過程中產生的壓力。選擇聚氯乙烯（PVC）作為材料比較合適，因為PVC傳送帶不僅具有良好的耐化學性和耐磨性，使其成為傳送各種化學物質（包括糞便）時的常用材料[6]，而且還便于清潔和消毒。同樣地，儲糞罐也常采用PVC材料制成。

1.2 系統功能需求分析

豬糞與尿液混合后會具有一定的黏性，長時間不清理干涸后會變得堅硬。由于豬舍地板采用間隙較小的長條鐵板設計，這可能導致糞污無法正常落入下方的糞槽中。因此，需要使用清掃小車進行清理。清掃小車在豬舍地板上橫向移動，前后配備高壓水槍，用于沖洗尿液和粘附在地板上的糞便，將它們沖刷到地板下方的糞槽里。同時，電動小車下方還安裝了旋轉刷頭，用于對高壓水槍難以沖洗掉的糞便進行二次沖刷。清理完畢后，會啟動紫外線消毒裝置，以減少細菌傳播，降低豬生病的可能性，并保持豬舍地板的干燥。

下方的糞槽由電機驅動的傳送帶組成，最終將糞污送入儲糞池。這樣一來，豬舍地板能夠保持清潔，清理效率也大大提高，節省了人力。然而，隨著時間的推移，如果地板下方的傳送帶沒有清洗裝置，可能會遭受腐蝕，縮短其使用壽命。為此，在傳送帶遠離儲糞池的一端安裝了清潔刷和水槍。隨著傳送帶的移動，其表面會被全面清洗，從而確保所有設備都能延長使用壽命并保持清潔。

（1）清潔控制

該系統設計了四種工作模式，以滿足不同情境下的糞污清理需求：

①全面清洗與消毒模式：啟動清洗小車總開關后，小車將在指定路徑上移動，同時驅動其下方的電機旋轉，帶動清掃頭進行旋轉清掃。此外，高壓水槍會同步噴水進行沖洗。完成多次往返清洗后，系統將自動開啟紫外線照射裝置進行消毒，并保持環境干燥。

②旋轉清洗頭單獨工作模式：在此模式下，小車仍然移動，但僅下方的旋轉清洗頭運作，高壓水槍清洗、紫外線消毒等其他功能保持關閉狀態。

③高壓水槍沖洗模式：小車移動時，僅高壓水槍噴水進行沖洗，旋轉清洗頭、紫外線消毒等其他功能不運作。

④紫外線烘干消毒模式：小車移動的同時，紫外線消毒裝置開啟進行烘干和消毒，而旋轉清洗頭、高壓水槍等其他功能則處于非工作狀態。

（2）循環控制

考慮到一次清掃不能達到衛生標準，在小車上設置了行程開關，預先測量好豬舍的尺寸，設定小車行進路徑，當設備到達豬舍終點時，行程開關會觸發電機反轉，小車開始掉頭并反向運行進行再次清掃，以此提高清掃效率。

（3）安全保護

當有豬停留在小車行進路線上時，紅外線傳感器會接收到信號，隨即觸發小車停止移動并啟動報警系統以驅趕豬；若遇到緊急事件，操作人員可按下緊急報警按鈕，小車將立即切斷電源并停止所有運作，同時報警指示燈會亮起。

（4）故障診斷與報警

故障診斷功能：負責監測系統各個部件的運行狀態，當某個元件出現故障時，對應的元件故障燈將會點亮，方便工作人員排查。

報警功能：當系統出現異常情況或故障時，停止運行，對應故障燈點亮。

2 仿真調試過程

2.1 豬舍小車清潔系統

豬舍小車清潔系統在整個系統中扮演著最重要的角色。系統架構設計中確定小車有四種工作模式，以對應不同情況下的糞污清掃需求。當按下按鈕1時，小車進入工作模式1，開始移動、清掃、噴水、消毒作業，直至按下停止按鈕，小車才會返回原點并停止運行。當按下按鈕2時，小車切換至工作模式2，開始移動并進行清掃，其他功能停止運行；當按下按鈕3時，小車進入工作模式3，開始移動并噴水，其他功能停止運行；當按下按鈕4時進入工作模式4，小車開始移動并開始紫外線消毒；當按下按鈕5時，小車回到原位后停止工作。當紅外線傳感器檢測到障礙物時，小車會立即停止工作，并觸發蜂鳴器報警，直至障礙物消失后才會繼續運行。

本文使用了多款軟件進行系統設計，包括Auto CAD LT2022、GX Works2、MELSOFT MX OPC Server DA Configuration Tool、組態王6.55等。其中，重點使用組態王6.55軟件完成豬舍糞污清潔控制系統的仿真模擬[7]。組態王模擬畫面設計的主要步驟包括：新項目建立、數據變量添加、移動畫面創建（包括小車與皮帶移動）、豬舍糞污模型及小車各模式運行畫面的控制變量設置、數據庫構建、畫面保存、切換到運行視圖、設備與畫面連接以及模擬系統運行狀態等。小車清潔系統的運行流程如圖1所示。

2.2 豬舍傳送帶

皮帶運行系統具備兩種工作模式，并通過三個按鈕進行控制。按下第一個按鈕，系統將啟動第一個工作模式，此時電機開始運轉，驅動皮帶向前移動，將糞污有效輸送至儲糞罐中[8]。按下第二個按鈕，則切換至第二個工作模式，傳送帶開始運行，并且位于傳送帶遠離儲糞罐一側的旋轉電機也會啟動，帶動清掃頭工作，同時紫外線燈亮起，開始進行消毒作業。第三個按鈕作為停止按鈕，無論當前處于哪個工作模式，一旦按下，傳送帶、清掃頭以及紫外線照射燈都將立即停止運行。此外，系統還配備了故障檢測功能，當皮帶發生故障時，皮帶故障指示燈會亮起，同時皮帶會立即停止運行。若皮帶清掃裝置或紫外線燈出現故障，相應的故障指示燈也會亮起，并且皮帶及其所有相關部件會停止工作，以確保安全。這樣的設計不僅提高了皮帶運行系統的靈活性和效率，還增強了其安全性和可靠性。

2.3 豬舍糞污清理的畫面模擬

（1）本次利用組態王軟件設計的模擬畫面主要分為兩大部分：小車部分與皮帶部分。小車部分專注于豬舍地板糞污的清理與消毒等作業；而皮帶部分則負責將小車清理后遺落的糞污進行輸送，并具備自我清潔的功能。圖2展示了小車在靜止狀態下的模擬圖[9]。

（2）小車部分的設計中，紅色報警燈在小車前方的紅外線傳感器探測到信號時，會亮起并發出警報[10]；三角形模塊則對應高壓水槍的噴射功能；小車中心的旋轉電機負責驅動小車的清掃頭進行工作；小車底部的長方形模塊則對應小車的紫外線燈功能。各功能模塊展示如圖3所示。

（3）皮帶部分總共包含2個電機及1個紫外線模塊：其中一個電機負責驅動傳送帶的運行，以輸送糞污；另一個電機則負責驅動清掃裝置，以清理傳送帶上的殘留物；而紫外線模塊則專門用于對傳送帶及其周圍環境進行消毒殺菌。

（4）按鈕部分被設計為4個獨立的模塊，第1個模塊負責控制小車的操作，包括4種運行模式的選擇以及1個用于停止小車的按鈕。第2個模塊專門用于皮帶的控制，包含2種工作模式的選擇和1個停止按鈕，用以控制皮帶的運行與停止。第3個模塊設有1個緊急停止按鈕，用于在緊急情況下立即停止整個系統的運行，確保安全。第4個模塊則用于模擬系統中各元件的故障狀態輸入，以便測試系統對故障情況的響應和處理能力。

（5）當小車處于模式2、3、4中的任意一種時，若再次按下對應模式1的按鈕，小車將會切換至模式1運行，并且那些在此前模式下未激活的功能也會隨之啟動。例如，如果小車當前在模式2下運行，正在進行移動和清掃作業，此時若再次按下模式2的按鈕，小車的紫外線消毒和高壓水槍噴射功能將會同時加入運行。當按下停止按鈕時，小車會首先完成當前任務，然后返回原位并停止所有工作。而按下緊急按鈕時，小車會立即切斷電源，無論當前處于何種狀態或執行什么任務，都會無條件地停止所有動作，以確保人員和設備的安全。

（6）當小車處于模式1時，若移動、噴水、紫外線消毒或清掃中的任意一項功能發生故障，小車會立即停止所有運行動作，并且相應的故障指示燈會亮起，以便工作人員迅速定位并檢查具體的故障點。同樣地，當小車運行在其他模式下時，如果該模式下包含的任意功能出現故障，小車也會立即停止該模式的所有運行動作，并點亮對應的故障指示燈，如圖4所示。

2.4 I/O地址分配表

為了清晰地界定每個控制按鈕、傳感器、執行器以及指示燈等硬件組件與軟件程序中的變量或指令之間的對應關系，編制了I/O地址分配表，具體見表1。

3 結 語

本文設計了基于PLC的豬舍糞污清潔控制系統。經過精心設計與反復調試，其梯形圖編程邏輯與組態模擬畫面的仿真結果均已達到并基本超越了初始設計方案的要求。系統不僅實現了對小車與皮帶部分的精準控制，確保了糞污清理與消毒作業的高效執行，而且在故障檢測與響應機制上也展現出了高度的可靠性與穩定性。

參考文獻

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收稿日期：2024-05-22 修回日期：2024-06-25

基金項目：2023年大連理工大學城市學院教育教學研究基金立項課題：“互聯網+”校企合作新模式的研究──以電氣工程及其自動化專業為例（JXYJ2023012）；遼寧省民辦教育協會教育科學“十四五”規劃2023年度立項課題：民辦高校“校企合作”新模式的研究（LMJX2023201遼民教協發〔2023〕2號）