基于PLC的養雞場智能化監控系統設計

張宏偉+解應博+陳凱彬

摘 要：為了解決規模化養雞場自動化管理中存在的監測參數眾多的問題，提出一種以PLC為核心處理器的多參數智能化監控系統。傳感器將采集到的環境參數值傳送到PLC，經過PLC處理后傳送到上位機，上位機對數據進行分析、存儲和顯示，并發送相應指令到PLC來控制設備開啟或關閉。結果表明，該系統檢測靈敏，控制設備反應迅速，可使雞舍環境參數控制在適宜范圍內。

關鍵詞：PLC；多參數；上位機；智能化監控

DOIDOI：10.11907/rjdk.171237

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0091-03

0 引言

我國是世界的雞肉生產大國和消費大國，特別是近年來隨著我國經濟的快速發展，人們生活水平不斷提高，對雞肉的需求量更是日益遞增。面對雞肉需求量的增加，傳統一家一戶的散養模式已不能滿足市場需求[1]。對雞舍內的環境參數進行實時在線監測和控制是養殖自動化管理的關鍵[2]。傳統養雞場主要是憑借工人長年累月積累的經驗來判斷雞舍內溫度、濕度和氨氣的濃度是否合適，從而開啟或關閉相應的控制設備，不利于規?；B殖[3]。

隨著科學技術的進步，促使傳統落后的養殖模式向專業化、規?；?、信息化方向發展，監控系統也朝著網絡化、集成化、智能化方向發展。黃馳[4]提出了一種基于ARM11和Linux的DS18B20溫度測量系統，實現了溫度數據的采集處理和顯示；趙娟等[5]根據AVR單片機的相關功能設計了一種氣體監測系統，可以對舍內的有害氣體濃度進行監測，并且通過RS485總線將檢測到的數據傳送到上位機來控制相關設備，但是存在單片機故障率高、不易擴展、對環境依賴性大、開發周期長等缺點；崔曦元等[6]提出了一種基于ZigBee技術的空氣凈化系統設計方案，利用ZigBee技術傳輸采集到的參數。但雞舍內部環境相對復雜，導致無線傳輸抗干擾性差，不穩定。

針對上述問題，本文提出一種基于PLC的多參數智能化監控系統，該監控系統能夠實現對雞舍內溫度、濕度和氨氣濃度的實時在線監測和控制。

1 系統總體設計

監控系統整體結構主要包括溫濕度傳感器、氨氣濃度傳感器、PLC、上位機、通風系統、加熱系統、降溫系統、增濕系統等幾部分。系統結構框架如圖1所示。

溫濕度傳感器和氨氣傳感器將采集到的參數變換成電信號，經過A/D轉換模塊將電信號轉變為相應的數字信號傳輸到PLC，經PLC處理后傳送到上位機，上位機通過組態王6.55編寫相應程序，通過數據分析和處理，將采集到的數值與根據實際情況設定的溫度、濕度和氨氣濃度值進行比較，將編寫好的相關控制指令傳送到PLC，從而控制通風系統、降溫系統、加熱系統和增濕系統的啟動或者停止。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器選型

溫濕度傳感器能將雞舍內采集到的溫度值與濕度值轉換成容易被測量的電信號，滿足達到A/D轉換模塊對輸入量的相關參數要求。本系統采用JCJ175A溫濕度一體式傳感器，可選配RS485通訊接口，能夠實現溫濕度的多點數據采集和實時通訊，其標準的modbus通訊協議為后期軟件處理帶來很大方便，并且能夠通過各種編程語言或組態軟件實現數據的分析和處理。溫度測量范圍為0～50℃，濕度測量范圍為0～100%RH，溫度測量誤差在±0.5℃以內，相對濕度測量誤差≤±3%RH。

氨氣濃度檢測選用JCJ280氨氣傳感器，JCJ280氨氣傳感器用于檢測空氣中的氨氣濃度，測量精確，具有良好的穩定性和可靠性，響應速度快，其工作量程為0～100ppm，電源為24VDC，能適應的工作環境為-40～70℃，濕度<90%RH，輸出方式為RS485/RS232。

2.2 I/O分配表

根據雞舍環境的實際監控需求，該監控系統采用系統啟動、系統停止、噴霧器開啟、噴霧器關閉等24個開關量輸入，濕簾窗電機正轉、濕簾窗電機反轉等15個開關量輸出，溫濕度傳感器等5路模擬量輸入，通風機電機1路模擬量輸出。部分端口分配如表1所示。

2.3 PLC選型及接線

根據I/O分配情況，監控系統選擇使用S7-300系列的PLC作為控制器，數字量輸入模塊選用SM321模塊，該模塊和暖風機開、暖風機關等開關量相連，數字量輸出模塊使用SM322模塊，可以實現PLC內部信號電平到控制過程所要求的外部信號電平轉換，模擬量的輸入和輸出模塊分別選用SM331和SM332兩個模塊，開關量接線圖如圖2所示。

2.4 通風系統設計

對于不同季節雞舍通風量要求不同，冬季氣溫較低，雞舍內主要以保暖為主。冬季雞舍內的通風系統采用變頻調速的控制方式，這樣既可以保證雞舍內的通風量滿足要求，又避免了能源浪費。根據實際需求，通風系統使用4個通風機，其中風機1采用變頻和工頻兩種調速模式，風機2、3、4采用工頻調速。FU1是熔斷器，能夠保護電路，FR1、FR2、FR3和FR4是繼電器，分別實現對電動機M1、M2、M3和M4的過載保護。當需要的通風量較小時，Q1閉合，Q2、Q3、Q4和Q5斷開，KM1閉合，此時M1變頻運行，其它電動機不工作；當需要的通風量較大時，Q1和Q3閉合，Q2、Q4和Q5斷開，KM1和KM2閉合，此時M1變頻運行，M2工頻運行，M3和M4不工作。在雞舍內通風量需求不大，只需要一臺風機變頻和一臺風機工頻運行時，M1變頻運行，M2、M3和M4可以任選其中一臺工作，其余兩臺停止運行，這樣可以避免由于風機故障而造成經濟損失，保障雞舍環境始終處于適宜狀態。根據雞舍內通風量的需求不同，可以選擇開啟不同數量的風機。通風系統主電路如圖3所示。

3 系統軟件設計

3.1 上位機軟件設計

上位機運用組態王6.55來編寫相應程序，構建智能化雞舍監控界面，實時在線顯示雞舍內的溫度、濕度以及氨氣濃度值。根據實際需求設計雞舍監控畫面，依據雞舍內相關設備的擺放位置完成安裝并連接，然后定義數據對象完成動畫連接，利用實時曲線控件對溫度、濕度和氨氣濃度曲線進行在線顯示。endprint

3.2 下位機軟件設計

下位機軟件設計包括主程序軟件和子程序軟件設計，主要實現對雞舍溫度、濕度以及氨氣濃度參數值的采集和處理，并將經過A/D轉換后的數據傳送到監控系統上位機中，通過接收相關的控制指令來決定通風系統、加熱系統、降溫系統、增濕系統的啟動和停止，達到雞舍環境參數實時在線監測和智能化控制的目的。其中濕度控制的子程序如圖4所示，系統開始運行后，傳感器將采集到的濕度值與設定的濕度值進行比較，如果采集值大于設定值上限，則濕度報警指示燈亮，同時啟動通風系統；反之則啟動噴霧器，直到濕度值回到設定的范圍值內，系統關閉噴霧器。

4 結果分析

系統對雞舍內的溫度、濕度和氨氣濃度3種主要的環境參數進行監測和控制，以一天中某一時間段監測到的環境參數值為例進行分析，其中溫度變化曲線如圖5所示。

在監控系統正常運行的情況下，雞舍溫度在設定的最佳值附近擺動，當參數值超過設定溫度，啟動相應的控制設備，使其快速恢復到設定值范圍，說明監控系統能夠較好地滿足雞舍對環境參數的監控要求。

5 結語

為了改善雞舍環境，提高對雞舍內溫度、濕度和氨氣濃度的自動化控制，設計了一種基于PLC 的多參數智能化監控系統。該監控系統能夠完成對雞舍內溫度、濕度和氨氣濃度的實時在線監測、存儲和顯示，并根據實際需要控制相關設備開啟或者關閉，保證雞舍環境始終處在適宜的狀態。使用結果表明，該監控系統有較高的檢測精度、反應迅速、系統智能化程度較高，具有一定的市場應用前景和推廣價值。

參考文獻：

[1] 熊亮.種禽養殖過程環境控制系統的設計與研究[D].銀川：寧夏大學，2013.

[2] 李麗華，于堯，陳輝，等.基于無線傳感器網絡的雞舍溫濕度實時監測系統[J].河北農業大學學報，2014，37（1）：123-126.

[3] 王麗芬.禽舍環境監測系統的設計[J].湖北農業科學，2013，52（6）：1432-1434.

[4] 黃馳.基于ARM11和Linux的DS18B20溫度測量系統設計及實現[J].軟件導刊，2012，11（6）：75-76.

[5] 趙娟，李麗華，賈蘭英，等.基于AVR單片機的雞舍有害氣體監測系統[J].農機化研究，2011，38（4）：85-88.

[6] 崔曦元，吳凌智.基于ZigBee無線技術的智能空氣凈化系統設計[J].軟件導刊，2016，15（7）：108-109.endprint