基于S7-200PLC的牲畜圈舍自動控制系統設計

王志秦

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063020)

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基于S7-200PLC的牲畜圈舍自動控制系統設計

王志秦

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063020)

摘要：針對目前牲畜圈舍養殖環境衛生差、管理粗放、影響牲畜養殖效益的問題，對牲畜圈舍進行技術改造，設計了一套牲畜圈舍自動控制系統。將S7-200PLC作為系統控制的核心，通過溫度傳感器對環境溫度進行采集和轉換，采用MCGS組態軟件設計控制界面，對溫度信息進行實時監測，并實現牲畜圈舍糞便的自動清掃、溫度自動調整、自動喂水排水等控制功能。通過實驗室制作模型進行了模擬運行，此系統操作簡便、可靠性高，能夠實現對牲畜圈舍的自動化管理。

關鍵詞：S7-200PLC；MCGS；牲畜圈舍；自動控制系統

0引言

目前國內牲畜養殖企業普遍存在的問題有：衛生環境差，糞便清掃困難；溫度調控不及時；喂水靠人工，水槽不能及時清理。不僅使牲畜容易感染疾病，而且浪費大量人力，影響經濟效益。用高新技術改造傳統牲畜養殖業，提高其整體效益，是加速牲畜養殖企業現代化進程的重要保障和必然要求。

德國西門子公司生產的S7-200PLC功能強大，性能優越，有很高的市場認可度，在工業生產中應用非常廣泛[1]。因此，筆者基于PLC設計了一套牲畜圈舍自動控制系統，采用S7-200PLC作為系統的控制核心，對牲畜圈舍實現糞便自動清掃、溫度自動調控、自動喂水、自動清理水槽等功能。

1總體設計方案

本系統利用PLC完成牲畜圈舍系統的自動控制。控制系統包括電源模塊、西門子S7-200PLC、傳感器、刮糞裝置模塊、溫度控制模塊、喂水等模塊。在電機上固定鏈條，通過電機帶動鏈條運動，從而使安裝在鏈條上的刮糞裝置前進或后退，以此達到清除糞便的目的。利用PT100溫度傳感器和EM235模塊對實時溫度進行采集和轉換，把溫度反應到組態監測界面，并在組態中設置高溫報警值、低溫報警值、低溫加熱值、高溫排風值，方便工作人員對圈舍溫度進行控制。利用電磁閥來控制喂水槽的定時喂水和排水。圖1為牲畜圈舍控制系統組成框圖。

圖1　牲畜圈舍控制系統組成框圖

2硬件設計

本系統選用德國西門子公司生產的S7-200PLC為控制核心，分為溫度控制、喂水排水、刮糞裝置三個模塊。

2.1溫度控制模塊

采用熱電阻PT100作為溫度傳感器。熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器，是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。PT100的阻值與溫度變化關系為：當溫度為0 ℃時PT100溫度傳感器的阻值為100 Ω，當溫度為100 ℃時PT100溫度傳感器的阻值約為138.5 Ω，隨著溫度的上升它的阻值呈線性變化[2]。

采用EM235模擬量輸入/輸出混合模塊，每一個EM235能夠同時擴展3路模擬量輸入和1路模擬量輸出通道，其中A/D轉換時間為25 μs，D/A轉換時間為100 μs，位數都為12位。而EM235模塊能夠直接將被測主回路中的交流電流轉換為按照線性比例輸出的直流4～20 mA(通過250 Ω電阻轉換DC 1～5 V或通過500 Ω電阻轉換DC 2～10 V)恒流環標準信號，連續輸送到接收裝置中[3]。

溫度控制模塊框圖如圖2所示。在被控制系統的溫度測量點，溫度信號經變送器轉換為4～20 mA的標準電流信號后送入EM235模塊的模擬量輸入通道，PLC讀入由EM235模塊輸出的溫度值后，再取其平均值作為被控系統的實際溫度值。為了把溫度傳感器PT100隨溫度變化的電阻轉換成相應的溫度變化值，需要利用下面的公式進行轉換：T℃=(溫度數字量-0℃偏置量)/1℃數字量。

當采集到的環境溫度超過預定值時，啟動排風扇；當溫度低于預定值時，啟動加熱器。當溫度在設定范圍內，排風扇和加熱器處于關閉狀態。

圖2　溫度控制模塊框圖

2.2刮糞裝置模塊

在直流電機上固定鏈條，使安裝在鏈條上的刮糞裝置前進或后退，以達到清除糞便的目的。在糞便通道的入口和出口設有限位開關，限制刮糞裝置的行程，刮糞裝置上裝配光電傳感器，當刮糞裝置與牲畜達到限定距離時，裝置自動停止運行，以防誤傷牲畜，同時增設延時功能，當延時到一定時間后，牲畜沒有移動，則發出報警信號，再進行人工處理。

2.3喂水、排水模塊

在上水管道和排水管道分別安裝電磁閥，電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔連接不同的管道，腔中間是活塞，兩面分別裝有電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來開啟或關閉不同的管道。

3軟件設計

本系統以牛圈舍為例設定各參數。采用MCGS(Monitor and Control Generated System)組態軟件設計模擬運行的界面，實現人機交互。主要包括溫度控制程序、刮糞裝置電機控制程序、喂水排水控制程序和報警程序等模塊。

3.1PLC I/O口分配

圈舍自動控制系統I/O分配如表1所示。

3.2位存儲區匯總

程序中的PLC位存儲區如表2所示。

3.3PLC梯形圖設計

3.3.1溫度控制程序

PT100溫度傳感器的測量量程為0～100 ℃，并且模擬量范圍為4～20 mA，因為PLC模擬通道的AIW0對應的是6 400～32 000的整數，所以按照公式需要先減去6 400，轉換成雙整數，再把雙整數轉換成實數，最后除以256得到0～100.0的實際溫度值。溫度采集程序如圖3所示。

表1　圈舍控制系統I/O分配

表2　PLC位存儲區匯總

圖3　溫度采集程序

牛圈舍較適宜溫度為5～25 ℃，設置溫度下降到5 ℃時開始啟動加熱器來升高溫度，如果加熱器沒有正常加熱，當溫度降低到0 ℃時開始低溫報警。當溫度達到25 ℃時排風扇開始啟動降溫，如果排風扇沒有正常工作，當達到30 ℃時開始高溫報警。溫度控制程序如圖4和圖5所示。

圖4　低溫啟動加熱器

圖5　高溫啟動風扇

3.3.2刮糞裝置電機控制程序

當按下啟動按鈕或在組態界面中點擊啟動按鈕后，電機處于啟動狀態。當按下停止按鈕或組態停止按鈕，電機停止轉動。當刮糞裝置碰到左限位或右限位開關時，電機反轉。為了防止誤傷牛，當碰到牛時，刮糞板停止前進，電機停止轉動。部分程序如圖6所示。

圖6　刮糞裝置電機控制部分程序

3.3.3喂水排水程序

系統在每天8：10，11：10，15：10，18：10四個固定的時間段開始喂水。在每天9：10，12：10，16：10，19：10四個固定的時間段開始排水。喂水、排水部分程序如圖7和圖8所示。

圖7　喂水部分程序

圖8　排水部分程序

4MCGS組態界面設計

本系統選用MCGS構成上位機監控系統。MCGS具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。MCGS通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有著廣泛的應用[4]。本系統組態界面由時間控制模塊、溫度控制模塊、電機運轉控制模塊、喂水排水模塊和報警模塊構成，模擬運行界面如圖9所示，其中溫度控制窗口如圖10所示。

圖9　模擬運行界面

圖10　溫度控制窗口

5系統調試

調試內容包括：

(1)刮糞裝置的運行是否正確，當刮糞裝置碰到障礙物時是否停車等待。

(2)溫度監測與控制系統運行是否正確，當溫度超過設定范圍時，是否自動啟動風扇或者加熱器。

(3)給水和排水系統是否按照設定時間進行自動喂水和排水。

(4)報警系統是否按要求正常報警。

(5)將組態界面與PLC現場連接調試，制作系統的機械化模型，通過觀察模型的運行情況分析系統各個輸出是否正確，能否達到遠程控制的目的。

經過調試，系統運行正常，能夠實現預期的設計目標。

6結論

基于S7-200PLC的牲畜圈舍自動控制系統實現了圈舍糞便的自動清掃、溫度自動調整、定時自動喂水排水等控制功能。該系統結合MCGS組態軟件，既可以對設備進行現場控制，又可以通過人機界面實現遠距離調控，調試方便，維護量小，使牲畜圈舍環境得以智能化調控，避免了傳統的人工測定各種數據耗時費力、獲得數據不準確等缺點，而且能夠及時地了解各種環境因子的變化情況，并對環境參數自動控制，可以大大降低養殖場的投入成本，提高勞動生產率。

參考文獻：

[1]黃寧.S7-200PLC在自動生產線中的應用[J].自動化技術與應用，2009，28(9)：86-89.

[2]田裕鵬，姚恩濤，李開宇.傳感器原理[M].3版.北京：科學出版社，2007：309-312.

[3]喬橋.基于S7-200系列PLC及EM235模塊的谷物烘干設備研制[J].中國農機化，2012(4)：107-113.

[4]劉少軍，張思雨.基于MCGS的污水處理集散控制系統的設計[J].研究與開發，2015，34(9)：48-51.

(責任編校：李秀榮)

An S7-200PLC-Based Design of Automatic Control System for the Livestock Houses

WANG Zhi-qin

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：The author of this paper has designed a new automatic control system for the livestock houses in view of the current low breeding efficiency due to the poor breeding livestock house sanitation and slack management. S7-200PLC is the core of the control system and temperature sensors collects and converts the environment temperature. MCGS is applied to design the control interface. This system can perform real-time monitoring of temperature， automatic cleaning， automatic adjustment o temperature， and automatic feeding and water drainage. Laboratory models were constructed and simulation showed that this system has the advantages of simple operation， high reliability and automatic management of livestock houses.Key Words： S7-200PLC；MCGS； livestock house；automatic control system

作者簡介：王志秦(1979-)，女，河北唐山人，講師，碩士，主要從事自動控制研究。

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0021-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.007