基于PLC的牛舍無線智能環境監控系統

孫濤 單慧勇 張學煒 趙輝 衛勇

摘 要：為了有效監測和控制牛場中的牛舍環境參數，提出基于PLC的多節點牛舍無線智能環境監控系統。選用各類傳感器實現牛舍環境中光照度，溫度，濕度，CO2，H2S，NH3，風速等環境參數的實時監測，由PLC控制現場數據的采集處理以及風機、噴霧降溫設備、遮光簾等的工作狀態，并采用經驗公式對熱應激進行預警。通過巨控GRM500模塊搭建現場數據云存儲與遠程監測系統，實現歷史數據的保存、分析與處理，為養殖環境參數評價提供分析依據。初步實驗測試結果表明，該系統能快速調節牛舍環境參數，使熱應激水平得到有效控制，且具有智能化程度高、響應速度快、可靠性強等特點，對于牛的健康生長，特別是預防熱應激具有重要意義。

關鍵詞：牛舍;熱應激;環境監控系統;PLC;GRM500模塊;可編程控制器

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-04

0 引 言

目前我國養殖業的規模不斷擴大，養殖場飼養密度也較高，使得畜舍中的環境非常差，缺乏有效的調控策略與手段，熱應激水平沒有得到良好的控制，因此給養殖業的發展帶來了較大阻礙[1]。近些年，一些大、中型飼養場在這方面做了一定的工作，但大多設備都是從清洗設備、溫室降溫設備中移植過來的，不但成本高，而且不能較好地適應牛的生理特點。因此，研制一種適合牛生理特點，特別是適合中小牛場、養牛個體戶需要的成本低廉的牛舍環境監控系統，對于監測和調節牛舍環境，預防熱應激，以使牛舍達到適合牛生長的環境要求是非常必要且有意義的[2]。

現代化的養牛業需要調節牛舍環境，提高勞動效率與生產力[3]。本文設計基于PLC的牛舍無線智能環境監控系統，該系統的主要功能是實時監控牛舍中的各種環境因素，通過PLC自動調節牛舍環境，并基于各種環境因素進行預測，提前改變環境，從歷史環境數據與熱應激水平的變化規律對牛舍環境進行調控，從而使整個系統更加智能化、自動化，并節省勞力、降低牛的發病率、預防熱應激。

1 系統總體結構

基于PLC的牛舍無線智能環境監控系統以監測牛舍中牛的生長環境為出發點，利用環境參數采集模塊、無線傳輸模塊、智能遠程控制模塊、PLC、變頻器、風機、固態繼電器、遮光簾、噴霧降溫設備等裝置實現對牛舍環境的監測并自動或遠程控制。

系統總體結構如圖1所示。首先通過各種環境參數采集模塊傳感器把牛舍環境參數轉化為電流信號，通過無線數傳模塊傳輸到PLC識別并保存在PLC的局部儲存器中;然后PLC與智能遠程控制模塊、觸摸屏等上位機通信，預制程序的PLC在適當時機驅動執行設備運轉，以預防牛的熱應激，觸摸屏上的組態畫面用于現場監測和手動控制;同時，智能遠程模塊將牛舍環境參數傳輸到云端，用戶與系統維護人員通過登錄網站即可查看牛舍的組態畫面并可手動控制施控設備[4]。

系統的執行設備有軸流風機、熱風機、噴霧降溫設備、遮光簾、電動窗戶等，每個設備并不單單影響唯一的環境因子。如溫度控制，如果檢測溫度高于設定值，PLC就會發出相應指令控制開啟軸流風機和噴霧降溫設備，但這必然又會影響環境濕度。針對以上情況，根據環境因子的不同重要性，設置優先級，即溫度>濕度>光照度等。根據優先級關系設計相應的級控程序[5]。

2 硬件設計與選型

2.1 PLC選型

根據系統的控制要求確定I/O點數時，應增加約10%的備用點數，便于控制要求改變時增加控制功能。系統中PLC的I/O點數：4個數字輸入量、4個數字輸出量，見表1所列。

根據系統I/O點數、經濟性、存儲器容量、控制精度等方面的指標，選取國產信捷PLC，繼電器輸出工作電壓為AC 110～240 V，通信接口為RS 485，RS 232。

2.2 傳感器選型

從實用性與價格等多方面因素考慮，選用威海精訊電子科技公司的各類環境傳感器，包括濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、NH3傳感器、H2S傳感器、風速傳感器。工作電壓為DC 12～24 V，RS 485信號輸出，具有信號穩定、精度高，測量范圍寬，線性度好，便于安裝，傳輸距離遠等特點。

2.3 無線傳輸設備選型

根據系統設計理念中牛場內短距離無線傳輸的特點，選用成都億佰特電子科技公司設計生產的無線數傳電臺，其載波頻率為433 MHz，發射功率為17 dBm，無線通信距離最大為1 km，接口類型有RS 232和RS 485。高速傳輸在連續傳輸下不限數據長度，實現9 600/19 200等波特率的連續不間斷傳輸，支持Modbus協議。定長傳輸方式下可靈活配置參數，將數據包以高效的方式傳輸，實現低延遲、高響應。

2.4 現場觸摸屏選型

顯示設備選擇具有可視化與按鍵功能且性能穩定的MCGS觸摸屏。該觸摸屏是一款以低功耗CPU為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，預裝了MCGS嵌入式組態軟件，具備強大的圖像顯示和數據處理功能。

2.5 遠程模塊選型

選用廣州巨控科技開發的智能遠程控制終端。該控制器采用一種非透傳模式的GPRS方案，通過廠家提供的云服務器和OPC組件進行數據交互，用戶無需搭建服務器，無需固定IP地址或動態域名，所有設備和監控端只需接入Internet網絡即可。用戶只需使用一臺可以上網的電腦或手機，就能在制定網站上輸入用戶名和密碼登錄進入現場組態畫面，并通過關聯下位機PLC的軟元件對環境參數進行讀寫操作。

2.6 執行設備

為了預防熱應激，需要給牛舍降溫。采用效果顯著又廉價的噴霧降溫設備，利用其動力強勁的水泵配合微口徑的噴頭，在牛舍中進行噴“霧”。造霧降溫系統散發到空氣中的水微粒在汽化過程中吸收周圍環境中的大量熱量，蒸發冷卻從而降低周圍環境溫度。這種利用自然水的物理降溫法環保無害。

采用軸流風機和熱風機調控環境濕度，前者通風換氣，后者強力干燥。為了得到智能微調的效果，需要給風機調壓。固態繼電器體積小，使用便捷，是由微電子電路、分立電子器件、電力電子功率器件組成的無觸點開關，控制端與負載端的隔離利用光電耦合或脈沖信號。固態繼電器輸入端為PLC的高速脈沖信號，利用其對信號進行PWM脈寬調制，驅動風機等大電流負載，從而達到智能調壓，靈活控制風機的功率。

采用自動遮光簾也可對牛舍進行溫濕度調節。由精度高、穩定性強的步進電動機驅動遮光簾的滾輪滑動，兩邊安置限位開關，主控模塊PLC綜合控制其運動。另外，利用簡單機械連鎖設計的步進電機驅動的電動窗戶同樣由主控模塊PLC綜合控制，可對牛舍的自然通風實現精確控制，自動化程度較高。

3 智能環境監測系統的軟件設計

3.1 下位機PLC程序設計

3.1.1 PLC主程序設計

PLC主程序設計流程如圖2所示。PLC上電，寄存器寫入初始化值后進行系統設置，選擇是否更新參數或選擇工作方式。工作方式分為手動與自動模式，手動模式中選擇環境參數設置模式或設備驅動模式，自動模式為系統自動運行。當這兩種模式遇到設備故障時，系統停止運行并報警。

3.1.2 系統自動工作子程序設計

系統自動工作是指在數據采集與執行設備運轉之間自動循環，其子程序設計流程如圖3所示。系統上電啟動后，各傳感器檢測到環境參數后送到PLC寄存器中，當該值超出正常范圍后，PLC驅動相應設備調整工作狀態。待環境參數回歸安全范圍后，施控設備回歸正常工作狀態。

3.1.3 模糊PID控制算法設計

系統執行器除了程序預設的分級調控運行外，還引入模糊PID控制供用戶使用。該設計將PID參數自整定與模糊理論相結合，通過將操作技術人員的操作經驗和專家的設計理念進行模糊化，并儲存模糊化的控制規則于控制器中，能夠將傳回來的實時檢測信號進行模糊化并且與控制器中儲存的模糊規則進行對比，最終得出控制的輸出信號，智能分配各執行設備的工作功率，更快地調控環境參數[6]。

3.2 上位機組態設計

觸摸屏和GRM500模塊是系統顯示儲存的核心器件，系統框圖如圖4所示，具備以下可視化組態功能：

（1）每個用戶有單獨的用戶名和密碼，對用戶進行分級管理，根據權限進行相應的操作。系統維護方可監控所有用戶的牛舍，以便于進行數據分析，及時更新和提高系統的控制精度，并反饋給用戶。

（2）能顯示用戶各牛舍的環境參數及施控設備運行狀態，繪制各牛舍環境參數實時曲線。

（3）實時控制操作現場設備或設定環境參數。

（4）保存環境參數歷史數據，并以曲線、報表形式顯示。

（5）顯示熱應激水平參數，當熱應激水平超標時報警。

3.3 熱應激預警顯示設計

利用THI指數法體現對牛生長有重要影響的熱應激水平。將環境參數中的溫度和濕度值代入下式：

THI=0.81T+（0.9T-14.3）×R+46.3

式中：THI表示牛舍環境溫濕度指數;T表示牛舍平均溫度（單位：℃）;R表示牛舍平均濕度（單位：%RH）。

（1）當72≤THI≤79時，牛處于輕度熱應激狀態;

（2）當79

（3）當THI>88時，牛處于高度熱應激狀態[7]。

將THI指數和熱應激狀態顯示在組態界面中，使得環境檢測更加全面直觀。

另外，為確保穩定性，系統設置熱應激預警。當出現意外情況，環境參數朝不可控方向發展時，系統通過遠程通信模塊及時向業主或維護人員發送預警信息，便于人為操控，避免不必要的損失。

3.4 多節點環境參數采集設計

為避免牛舍角落陰暗潮濕等特殊情況影響環境調控，系統設計了多節點環境參數采集，在牛舍內不同位置安放環境參數采集裝置，綜合多節點環境參數，取均值作為牛舍整體環境參數考察指標。

4 遠程通信設計

上位機遠程智能模塊GRM500通過RS 485總線協議與下位機PLC進行數據交換，對內部寄存器狀態進行實時讀取，映射到與之相關聯的內部寄存器中。用戶只需按照說明書添加從機設備，按照PLC內部軟元件地址進行關聯即可。將手機SIM卡插入或連接到Internet，將安裝通用組態軟件的電腦接入網絡，利用巨控公司的Internet云監控服務器即可實現無線遠程監控。

遠程網頁監控數據顯示主界面如圖5所示。對于每個牛舍中的PLC主控制器，將其內部寄存器空間分為環境參數、系統開關、設備運行狀態三個部分。系統上電后，采集實時環境參數，進入適宜環境參數設定界面，設定值默認保存上一次設置。系統分為自動運行與手動運行兩種工作方式，用戶可查看執行設備運行狀態并手動控制。

點擊變量值，進入變量修改界面，如圖6所示。可手動修改PLC主控制器寄存器中所有的開關量與數值量，實現對系統運行狀態與執行設備的遠程控制，如切換手動/自動運行與改變軸流風機運行功率。

網頁端還配置了實時數據曲線圖和歷史數據曲線圖。實時曲線如圖7所示，用于直觀反映環境參數水平。

5 結 語

本文系統完成了對牛舍溫度、濕度、CO2和有害氣體含量信號的采集與處理，并用于直接控制現場環境與環境預測，提前改善環境。PLC將監測數據傳送至智能模塊、組態軟件、觸摸屏等上位機保存，上位機可設定下位機PLC 的工作參數，完成對歷史數據的保存、分析與處理，實時顯示牛舍現場的環境狀況，從而實現對牛舍的監控，有效預防熱應激效應。

參 考 文 獻

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