PLC控制技術在蚯蚓養殖中的應用

令狐金卿，程龍波，張 波，金 茜，廖朝林，趙久倫

(1.遵義師范學院，貴州 遵義 563000； 2.華南理工大學，廣東 廣州 510640)

PLC控制技術在蚯蚓養殖中的應用

令狐金卿1,2，程龍波1，張 波1，金 茜1，廖朝林1，趙久倫1

(1.遵義師范學院，貴州 遵義 563000； 2.華南理工大學，廣東 廣州 510640)

討論PLC控制技術在蚯蚓養殖中的應用，從控制系統組成、設計方案和硬件設計等方面對基于PLC的蚯蚓養殖監控系統進行了介紹。通過系統可實現對蚯蚓養殖中的溫度、濕度及pH值等環境參數進行監控并自動調節，大大提高了蚯蚓養殖工作的效率。

PLC； 蚯蚓； 環境參數； 監控

蚯蚓，也稱地龍，是一種中藥，具有清熱、息風、平喘、通絡、利尿的作用。現代藥理研究表明，蚯蚓體內的蚓激酶能有效降低血液黏度[1]，抑制血小板凝集，促進血液暢通等，對心血管病、動脈硬化、高血壓和高血黏度癥，以及中風、半身不遂等癥有較好的治療效果[2]。

蚯蚓體內富含蛋白質、脂肪和碳水化合物等，不僅能作動物飼料及生產藥品和化妝品，也是一種高蛋白食品，在我國臺灣及東南亞、美國和加拿大等國極為暢銷，具有極高的經濟價值[3]，成為關注的焦點。

人工養殖蚯蚓是一項新興的事業，但外界溫度和濕度不僅直接影響蚯蚓的體溫及其活動，而且還影響到它們的新陳代謝以及生長、呼吸及生殖的強度[4]，而傳統的人工養殖蚯蚓，需管理人員經常測量蚯蚓生長環境的溫度、濕度及pH值等因素，因此，養殖成本較高。如果采用PLC控制技術，利用PLC性能優越、靈活通用、使用方便、可靠性高、抗干擾能力強等一系列優點[5]，監控養殖蚯蚓的生長環境，自動測定蚯蚓養殖的溫度、濕度及有機肥酸堿度等環境要素[6]，能快速、準確、自動地測定并調控，為蚯蚓養殖提供更加舒適的生長環境，提高蚯蚓產量，也大大降低了蚯蚓養殖的成本。

1 控制系統的組成和總體設計方案

用于蚯蚓養殖的自動化控制裝置，包括溫度傳感器、濕度傳感器、pH傳感器、PLC控制系統、加熱器、加濕器和風扇。其濕度傳感器和pH傳感器均安裝在蚯蚓養殖的土壤中，溫度傳感器分別安裝在蚯蚓養殖的土壤和空氣中，且溫度傳感器、濕度傳感器和pH傳感器的信號輸出端分別與PLC控制系統對應的信號輸入端連接，而PLC控制系統的信號輸出端分別與加熱器、加濕器和風扇對應連接；PLC控制系統的信號輸出端還要與步進電機的控制信號輸入端連接，而步進電機帶動安裝于蚯蚓養殖土壤中的鏈條傳動裝置上，鏈條傳動裝置拖動安裝在土壤中的橫桿緩慢移動翻動有機肥或土壤，調節蚯蚓養殖環境的溫度、濕度等；以及通過PLC控制系統增加蚯蚓養殖中的含氧量，避免人工翻土對蚯蚓造成傷害或致死。

PLC控制系統如圖1所示。

2 PLC控制系統的設計

PLC控制技術應用于養殖蚯蚓，即將溫度傳感器、濕度傳感器和pH傳感器均安裝在蚯蚓養殖的土壤中，且溫度等傳感器的信號輸出端分別與PLC控制系統對應的信號輸入端連接，而PLC控制系統的信號輸出端分別與加熱器、加濕器和風扇對應連接，通過PLC自動控制蚯蚓生長環境，方便管理者快速準確了解蚯蚓養殖的溫度、濕度及酸堿度等環境要素，并快速地、自動地調控相應參數，為蚯蚓養殖提供更加舒適的生長環境。

圖1 PLC自動控制系統

2.1 溫度檢測及顯示

溫度傳感器由熱敏電阻和溫度變送器串聯而成。溫度檢測是檢測有機肥或土壤內部的溫度，通過溫度傳感器把數據傳送到PLC，PLC通過數據處理顯示在數碼管上。實驗中，利用PLC溫度傳感器控制蚯蚓養殖溫度在15～25 ℃[7]。

2.2 濕度檢測及顯示

濕度檢測是檢測有機肥或土壤內部的濕度，通過濕度傳感器把數據傳送到PLC，PLC通過數據處理顯示在數碼管上。濕度要控制在60%～80%。

2.3 pH值的檢測及顯示

pH值檢測是檢測有機肥及土壤內部的pH值，通過pH值傳感器把數據傳送到PLC，PLC通過數據處理顯示在數碼管上。pH值在7.0左右。

2.4 報警系統

當溫度、濕度或pH值超過設定值太多，外部設備無法控制環境或有機肥或土壤保持在預設的閾值內時，系統自動報警，提醒工作人員處理相應的事件。2.5 系統的自動控制與處理

PLC控制系統通過組態王(一種監控系統軟件)與PC終端通訊連接，自動調節養殖環境條件。即當溫度超過設定值時，PLC將自動打開制冷設備或打開制熱設備，使蚯蚓養殖溫度保持在15～25 ℃；當濕度超過設定值，PLC自動打開水閥或風機讓濕度保持在60%～80%。

3 系統的硬件設計

基于PLC的控制系統，PLC機型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比最優的機型[8]。本設計采用小型控制系統，主要以開關量為主，還帶有3個模擬量輸入，所以綜合考慮下來主機選擇西門子的S7-200系列CPU 226 PLC和一個EM222 DO16×DC24V擴展模塊，以及一個EM231 AI4 模擬量擴展模塊。

3.1 溫度采集

溫度采集需要用到溫度傳感器[9]，使用市場上最常見的Pt100溫度傳感器，自帶溫度變送器，測量范圍為0～100 ℃，輸出電流信號范圍4～20 mA，其工作電源是24 V，可直接由PLC提供，不用外加電源模塊。溫度的調節需要用到的器件就是制熱和制冷設備。

3.2 濕度采集

濕度采集采用HM1500濕度傳感器，自帶濕度變送器，測量范圍為0～100%(相對濕度)，輸出電壓信號范圍+1～+4 V。濕度的控制需要的是水閥和風機。

3.3 pH采集

pH采集采用ICL7650pH傳感器，精度高，穩定性好，輸出電壓為+1～+3.5 V，對應相對pH值 0～12，如超過設定值PLC就會觸發警報系統告知工作人員有機肥或土壤pH出現偏差。

3.4 溫、濕度和pH值的顯示

采用7段數碼管，74LS47 BCD優先譯碼器，采用譯碼器的原因是用一個BCD碼表示一個十六進制的字符[10]，可以節約PLC的I/O口資源。5 V直流電源模塊，給數碼管和譯碼器提供電源。

3.5 報警和溫濕度調節

報警執行選用聲光配合的方式進行[11]，用PLC直接驅動電鈴和指示燈，以此提醒工作人員檢查溫度、濕度、pH值數據，并人工操作處理。溫度調節用PLC根據Pt100溫度傳感器采集來的數據進行判斷后直接驅動外部設備，溫度過高則打開制冷設備，太低則打開制熱設備，使溫度保持在15～25 ℃這個最適合蚯蚓養殖的范圍，溫度調節至正常范圍后則關斷相應設備。濕度調節用PLC根據HM1500濕度傳感器采集到的數據進行判斷后直接驅動外部設備，若濕度過高則打開風機通風，使土壤濕度下降，若濕度過低則打開水閥向土壤噴水，使濕度保持在60%～80%，濕度調節至正常范圍后則關斷相應設備。

3.6 I/O配置

輔助設備采用的是中間繼電器來控制，如當要觸發制熱設備時，PLC會觸發相對應的中間繼電器來控制制熱設備的通斷。每一個輔助設備都有相對應的中間繼電器，每個繼電器又由PLC控制。這樣就可以減少PLC I/O口的使用量，大大節約I/O口(表1)。中間繼電器選用歐姆龍MY2N-GS中間繼電器，線圈額定電壓為AC 220V，機械壽命5 000萬次。

表1 系統中的I/O配置

4 PLC技術在蚯蚓養殖中的具體應用

PLC控制技術在蚯蚓養殖中的應用，涉及PLC的數碼顯示、數字量處理、模擬量處理等，其難點和核心部分之一是模擬量的采集與處理，通過模擬量的采集傳感器與PLC之間進行連接，在PLC和傳感器之間要一個變送器相連，將模擬量變送成PLC能處理的電壓/電流信號，通過PLC對模擬量的編程、調試進行處理；其次是利用PLC進行數碼管顯示，在該技術中使用的PLC為繼電器型，輸出響應有一定的延遲，對于數碼管顯示如果采用動態掃描輸出肯定是不可取的，除非是采用集體管型的PLC，那只能是對單個進行驅動顯示，這樣一來顯示的問題可以解決，但是又有一個新問題隨之而產生，每個數碼管都要占用一個字節(8個)的輸出口，本設計需要使用四位數碼管，總共就需要占用32個輸出口，對于PLC的輸出資源造成極大的浪費[12]，所以本設計采用的方法是利用BCD碼進行數碼顯示，每顯示一位數碼管，只需要用4個輸出口，在外部接上譯碼器就可以驅動數碼管7段顯示，從繼電器型的PLC來說，節約了一半的輸出口資源。

圖2為實驗室養殖蚯蚓溫濕度檢測和顯示，通過溫度傳感器和濕度傳感器采集的溫度和濕度[13]，經過PLC處理，再將采集到的溫度值和濕度值通過數碼顯示，將養殖蚯蚓的溫度和濕度顯示出來。圖中左邊數碼管所顯示“20”代表此時蚯蚓養殖實驗室的溫度為20 ℃，右邊數碼顯示的“55”代表此時養殖蚯蚓的土壤相對濕度為55%，由于土壤濕度低于最佳濕度范圍，因此監控系統會啟動加濕裝置的水閥，向土壤噴水。

圖2 蚯蚓養殖中溫濕度檢測

圖3為溫度傳感器、濕度傳感器及pH傳感器在蚯蚓養殖中監控的具體應用，在檢測過程中對傳感器的使用有要求，必須按照要求準確使用傳感器才能檢測到準確的數據。

圖3 蚯蚓養殖中溫濕度監控傳感器

圖4為工作人員對PLC自動化監控設備進行調試，檢測蚯蚓養殖過程中養殖環境的溫度、濕度及pH值。PLC自動化監控設備在不同的環境下都要求進行不同的調試過程，耐心、細致地調試。

圖4 溫濕度調控

綜上所述，采用PLC自動化控制蚯蚓生長環境，蚯蚓生長環境的各個參數均一目了然，方便管理者快速準確了解蚯蚓養殖的溫度、濕度及有機肥酸堿度等環境要素，并快速地、自動地調控相應參數，為蚯蚓養殖提供更加舒適的生長環境，不僅減少不必要的損失，同時提高了蚯蚓產出率；大大減少了養殖人員的工作量，也降低了養殖成本。

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(責任編輯：盧福莊)

2016-10-08

貴州省科技廳資助項目(黔科合LH字[2015]7010號)；遵義市創新人才團隊培養項目[遵市科合(2016)3號]

令狐金卿(1985—)，男，講師，在讀博士，從事電氣控制和電力電子方面的研究工作，E-mail：hongye123123@163.com或252225578@qq.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170250

S899.8；PT273.1

B

0528-9017(2017)02-0349-04

文獻著錄格式：令狐金卿，程龍波，張波，等. PLC控制技術在蚯蚓養殖中的應用[J].浙江農業科學，2017，58(2)：349-352.