基于可編程邏輯控制器（PLC）的豬舍環境參數監控系統

劉艷昌　左現剛　李國厚

摘要：為解決生豬規模化養殖企業對豬舍環境參數較難控制問題，設計了一種以可編程邏輯控制器（PLC）、傳感器、無線模塊和執行機構為硬件核心，以Kingview 6.53為軟件開發平臺的實時環境參數監控系統。該系統通過無線模塊將PLC采集到的豬舍參數值傳到上位機，并對其采集值進行分析和處理，實現了數據采集、處理、顯示、存儲及控制等功能，最終實現對豬舍環境參數的自動控制。測試結果表明，該系統能實時準確地采集現場豬舍參數，在保證豬舍內所需溫濕度基本恒定條件下，能使氣體濃度保持在適應范圍內，證實系統的可行性和實用性。

關鍵詞：豬舍；環境監控；可編程邏輯控制器（PLC）；組態軟件

中圖分類號： TP277.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0377-04

收稿日期：2014-03-27

基金項目：國家級大學生創新訓練計劃（編號：201310467043）；河南省科技攻關（編號：132102310030）；河南科技學院高層次人才科研啟動項目（編號：209010611001）。

作者簡介：劉艷昌（1979—），男，河南鶴壁人，碩士，講師，主要從事智能控制與信息檢測技術研究。E-mail：523401923@qq.com。

通信作者：李國厚，博士，教授，主要從事計算機控制、無損檢測、信號處理技術研究。E-mail：liguohou6@163.com。目前，現代養豬業主要采用集中管理方式實現規模養殖，以提高生豬的產量和質量[1]。豬舍環境參數對豬的生產水平、健康狀況等有重要影響，它主要受氣候、豬舍地理位置等外界條件和豬舍生活環境影響較大[2]，因此如何保證豬舍環境參數正常至關重要。目前，我國養豬場對豬舍環境參數控制多采用工作人員主觀判斷和人工控制來實現，調整各參數的機械設備存在調節滯后、誤判率高、生產效率低、占用人力資源多且不能滿足當前養豬數字化、信息化的需求[3-6]，筆者設計了一種基于可編程邏輯控制器（PLC）的豬舍環境監控系統。該系統不僅可以實時采集與分析豬舍參數（溫濕度、氧氣、二氧化碳、氨氣和硫化氫），還可以根據測量值與設定值的分析結果，將控制指令以無線傳輸的方式傳輸給PLC，來控制驅動各機械設備對豬舍環境參數迅速作出調整，完成智能化的現場管理，進一步提高養殖效益。

1系統總體方案

豬舍環境監控系統的結構如圖1所示，系統硬件主要由上位機、PLC控制器、傳感器、現場控制設備、無線收發模塊等組成。

本系統由手動和自動2種工作模式，在手動工作模式下，工作人員可以隨時對各個控制設備進行調試，并在緊急情況下對設備進行操作。在自動模式下溫濕度傳感器、氣體（CO2、NH3、H2S）傳感器負責將豬舍中的測量參數值轉化為可識別的電信號，再把電信號經A/D模塊轉換為數字信號，送給PLC進行數據量程轉換處理，然后通過RS485串口將數據傳給無線收發模塊，無線收發模塊通過天線以無線方式將采集到的數據傳給上位機，上位機通過Kingview 6.53軟件編制的處理程序將用戶設定值與現場值進行比較，確定是否啟動溫濕度和氣體含量控制設備，最后將相關啟停控制設備指令通過天線以無線方式傳給PLC來控制現場設備，實現豬舍溫濕度和氣體含量的自動控制。

2系統硬件結構

2.1PLC控制器

為了能夠穩定、快速地采集和控制豬舍內各環境參數，較好滿足豬舍每個監控點的需求，該系統下位機控制器采用臺達DVP-14SS2型PLC，該型號屬于經濟型基礎產品，其外觀輕巧，適合安裝在小型控制箱內，其主機點數14（輸入：8點，輸出：6點，繼電器輸出），內置RS232與RS485通信口，支持MODBUS、ASCII/RTU通信協議，可以很方便地與計算機進行通信，也可與自帶RS485接口的無線模塊之間自由通訊，而不需要任何通信模塊。

2.2溫濕度傳感器

溫濕度傳感器的作用主要是將豬舍內溫度和濕度物理量轉換為模擬量，并以電流形式輸出，以便滿足A/D轉換器輸入端電氣參數的要求。系統溫濕度傳感器采用華圖公司生產的溫濕度一體式傳感器HE4000A-EX。它采用1-Wire總線接口，測量溫度范圍-30～70 ℃，精度為±0.5 ℃，測量濕度范圍0～100%，精度±3%，外置線長3 m，輸出電流范圍 4～20 mA，且實用性和可靠性高，能夠滿足豬舍的溫濕度測量要求。溫濕度傳感器的硬件連接如圖2所示。

2.3氣體傳感器

系統氣體傳感器采用JL_900型號的固定式氣體（CO2、H2S、NH3）變送器來實現，其中H2S的量程范圍為0～132 mg/m3，NH3的量程范圍為0～66 mg/m3，CO2的量程范圍為0～2 550 mg/m3，精度均<（±5%） F.S，采用三線制 4～20 mA 標準信號輸出或485信號輸出 傳輸距離>1 km，

且工作穩定、可靠，能夠滿足豬舍氣體濃度測量要求。氣體傳感器的作用主要是將豬舍內CO2、H2S、NH3的濃度轉換為模擬量，并以電流形式輸出，以便滿足A/D轉換器輸入端電氣參數的要求。氣體傳感器的硬件連接如圖3所示，其中V接 12～24 V 直流電源，G接地，S為對應氣體傳感器輸出4～20 mA 的標準電流信號。

2.4A/D轉換器

采用型號為DVP06AD-S的A/D轉換器，它是一款6路14位模擬量采集模塊，既可單獨使用，也可以作為PLC的功能擴展，模擬輸入電壓范圍±10 V，對應數字轉換范圍為 ±8 000，模擬輸入電流范圍±20 mA，對應數字轉換范圍為 ±4 000，綜合精度±1%，具有精度高、響應速度快的特點。本控制系統中該模塊可將所收集的溫濕度值和氣體（CO2、H2S、NH3）含量值轉換為14位數字信號，以便于PLC通過主機程序以指令FROM/TO來讀寫模塊內的數據。endprint

由于本系統A/D轉換模塊采用電流模式輸入，與各傳感器采用電流輸出量程不一致，因此要在上位機監控畫面上顯示豬舍各參數實際值，必須進行量程轉換。假設Am、A0為傳感器輸入測量范圍的最大值和最小值；Dm、D0是根據A/D模塊輸入電流范圍-20～20 mA對應數值為-4 000～4 000的線性關系，將傳感器輸出電流信號4～20 mA轉換為對應數字量為800～4 000；Dx為現場測量值經A/D轉換后對應的數字量，Ax為Dx對應現場測量值。由于模擬量標準電信號與A/D轉換后的數字量為線性關系，則函數關系式為

Ax-A0Dx-D0=Am-A0Dm-D0；

即Ax=Am-A0Dm-D0（Dx-D0）+A0。

以溫度為例加以說明，溫度測量范圍-30～70 ℃，即 Am=70，A0=-30，對應輸出電信號為 4～20 mA，則其經A/D轉化后對應Dm=4 000，D0=800。將其代入上式可知實測豬舍溫度為

AT=[70-（-30）]Dx-8004 000-800+（-30）=Dx-1 76032。

2.4無線收發模塊

采用型號為DTD433MC無線收發模塊，它提供透明的RS232/RS485接口，無線可靠傳輸距離可達3 km，無線數據終端中心頻率為433MHz，同時提供8個信道供用戶選擇。具體通信時只需將PLC的Modbus通信速率與無線傳輸模塊的波特率設置一致即可，本系統通信格式設置為9 600 bps，8-E-1，RTU。為了保證通信距離，提高通信質量，天線采用型號為BYD433的車載吸盤天線，該產品工作頻率為 428～438 MHz，帶寬10 MHz，增益5.5 dBi，最大功率50 W，能夠滿足監控室到豬舍監測點半徑為3 Km范圍的數據傳輸及控制實現。

3系統軟件設計

3.1下位機軟件設計

下位機通過臺達WPLSoft軟件對PLC進行軟件編程，下位機PLC在系統中主要完成對豬舍溫濕度、氣體濃度進行數據采集、處理，經A/D轉換后將數據以無線傳輸方式傳給上位機，以及接受上位機傳來的控制指令來驅動溫濕度控制設備和氣體含量控制設備，從而實現豬舍環境參數的自動控制。圖4為豬舍環境現場參數采集控制程序流程。

3.2上位機軟件設計

上位機采用Kingview 6.53軟件編制相應程序，實現對工藝流程圖和測量數據的顯示，建立豬舍環境智能控制監控畫面，能夠準確實時再現被控對象的真實狀態。管理人員可以通過監控界面上的操作方式選擇按鈕實現對豬舍環境監控系統的手動和自動控制，手動操作方式主要是通過鼠標點擊單個按鈕實現可控設備的啟/停控制，自動操作方式是根據參數設定值與采集值進行比較后，通過控制指令實現系統的啟/停、運行、參數超限報警及數據存取等整個過程的自動運行及在線監視。同時，管理人員還可以根據室內外氣候及環境條件調節各參數設定值和采集值，并將這些需要控制的各項參數以無線傳輸方式送入下位機指定地址內，實現新的自動控制。豬舍環境智能監控系統如圖5所示。

4結果與分析

為了驗證該系統的可行性、有效性和實用性，本系統以河南誼發牧業有限責任公司的某肥育豬舍為對像，對豬舍內溫濕度和NH3、CO2、H2S氣體濃度進行自動控制測試和數據分析。室內控制參數選擇如下：室內溫度設定值18 ℃，相對濕度設定為70%，CO2濃度510 mg/m3，NH3濃度10.56 mg/m3，H2S濃度1.98 mg/m3。在24 h內豬舍環境參數變化情況如表1所示。

溫度變化最大值為1.93 ℃，且溫度偏離設定值的最大值為 1.2 ℃，最大相對誤差為6.7%，這說明溫度變化范圍較小，外界因素對其影響不大，溫度比較穩定且在控制要求內。豬舍內相對濕度平均值為71.53%，最大值為75.36%，最小值為67.53%，其最大值偏離設定值5.36%的數值，相對誤差為765%，最大值沒有超出相對濕度適合范圍的上限，能夠保持在控制要求之內。豬舍內NH3濃度平均值為9.54 mg/m3，最大值為11.31 mg/m3，最小值為7.68 mg/m3，其最大值偏離設定值的0.75 mg/m3數值，相對誤差為9.63%，其最大值沒有超過NH3濃度的要求15.85 mg/m3。舍內CO2濃度平均值為 520.53 mg/m3，最大值為612.04 mg/m3，最小值為 456.72 mg/m3，其最大值偏離設定值的數值為 112.04 mg/m3，相對誤差為10.45%，其最大值沒有超過CO2濃度的要求765.00 mg/m3。舍內H2S濃度平均值為 1.94 mg/m3，最大值為2.23 mg/m3，最小值為1.66 mg/m3，其最大值偏離設定值的數值為0.25 mg/m3，相對誤差為1267%，其最大值沒有超過H2S濃度2.65 mg/m3的要求。上述結果表明，該系統可實現精確獲取舍內環境參數并能夠精確控制各設備，在保證舍內合適溫濕度基本恒定情況下，也能保持NH3、CO2、H2S的濃度在合適的控制范圍內。

5結語

針對豬舍環境參數較難控制問題，本試驗在綜合考慮豬舍內溫濕度與氣體濃度之間相互影響因素的基礎上，設計一種以PLC控制器為核心的豬舍環境智能無線監控系統，該系統能夠對環境參數進行實時監控，且一旦超出設置的環境參數范圍，加溫系統、干燥系統、噴霧系統和通風換氣系統等控制設備能夠自行啟動調整環境參數。實例應用結果表明，該系統在保證豬舍溫濕度基本恒定條件下，能使豬舍內氣體濃度含量保持在設定的范圍內，證實了系統的可行性和實用性，避免了人工操作的主觀性和隨意性，在農牧領域具有一定的應用前景和實用價值。

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