現代化豬舍有害氣體智能檢測及控制系統的設計

謝曉麗，胡天讓，楊國華，張 琴，郭小會，楊發鑫

（1 甘肅畜牧工程職業技術學院，733006，甘肅武威；2 肅南裕固族自治縣農業農村局，734400，甘肅張掖）

隨著養豬事業的快速發展，為了提高養殖效率，降低養殖成本，獲得最大利潤，集約化、高密度、封閉性強、自動化控制程度越來越高是現代化養豬場的特點，但是封閉性強、密度大，極易造成豬舍內有害氣體（如二氧化碳、氨氣、二氧化硫）濃度過高，這些有害氣體嚴重影響豬只生理健康，引發多種疾病，甚至是疫病流行，導致豬場養豬過程中使用抗生素水平上升，藥物殘留超標，養殖場的生物安全風險進一步增大，生產的動物產品質量嚴重下降；所以，如何在滿足現代化養豬場生產實際需要的情況下，有效控制豬舍內有害氣體排放，降低有害氣體濃度，減少對豬只的危害，提高養殖效率，保障生物安全，減少環境污染，長期以來一直是人們研究和關注的主要問題之一，也是困擾養豬業快速健康發展的一個難題。規模化生豬養殖環境監控可以提高豬群福利，使豬只健康生長，提高畜牧業生產經濟效益，控制養殖場對外界環境的污染是實現養殖業可持續化發展的有效途徑;因此，對規模化生豬養殖環境監控系統的研究很有必要。

本文通過對河西走廊部分豬場內有害氣體排放控制系統的調查了解，結合現代化豬場生產實際，有針對性地設計了豬場內有害氣體排放系統，該系統在甘肅畜牧工程職業技術學院種豬場、甘肅永登建峰豬場使用效果良好。現介紹如下。

1 豬舍內環境智能化控制系統設計原則

總體設計思路：基于PLC（Programmable Logic Controller，即可編程邏輯控制器）控制的多點控制系統，在注重系統成本低廉、便于安裝使用的前提下，提高自動化、智能化水平，提高系統的運行效率和安全性。

豬舍環境控制必須綜合先進的生產工藝、養殖場環境、豬舍結構、舍內環境調控要點和設備、飼養工藝、環境污染控制等，多方面采取調節措施。檢測與控制豬舍內有害氣體的同時設計控制溫度和濕度，結合河西走廊自然資源特點及豬舍內排污設計實際，側重豬只體感(健康、行為、福利)，重點調控豬體周圍局部空間的環境狀況。豬舍環境參數間相互影響、相互制約，對豬舍進行多方面綜合調控，不盲目追求單因素達標。注意對舍外適宜環境的利用，舍外與舍內、自然與人工相結合，實現共同調控。

2 系統總體結構

本系統由上位PC 機與下位機的測點組成。其中系統硬件主要由PLC 控制器、HMI（觸摸屏）、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器、風機、加熱設備、PC 機組成。

豬舍內監測點的傳感器模塊完成對舍內的溫濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度采集，采用觸摸屏將豬舍內各參數狀態實時顯示出來以方便快速讀取。根據豬生長所需環境溫度的不同，用戶可通過觸摸屏設定所需溫度，作出最利于豬生長的豬舍環境調控的最終決策。系統總體結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體結構框圖

2.1 溫度控制

本系統使用溫濕度傳感器對豬生長環境的溫度參數進行測量，并通過PLC 控制器把采集到的實際參數與系統預設的適宜參數范圍進行比較，以執行相應的動作（采集值＞設定值，降溫去濕；采集值＜設定值，升溫）。升溫過程，通過控制來驅動繼電器，再通過繼電器驅動相應的執行裝置，如加熱設備等；通風降溫過程，同樣通過繼電器驅動相應的執行裝置如風機等。

2.2 有害氣體控制

本系統使用相應的氣體傳感器檢測豬舍環境內的CO2、NH3濃度等，通過模擬量輸入接口將測量參數傳遞至PLC 控制器中，PLC 對其分析處理，實際測量數據與預設值相對比，出現與設定值相偏離時，則通過控制繼電器完成電機上電操作，執行通風換氣動作。

3 系統硬件設計

3.1 系統硬件

硬件主要由PLC、觸摸屏、接觸器、開關電源、低壓斷路器、控制開關、溫濕度傳感器、CO2傳感器、NH3傳感器等器件構成，主要功能是實現信息的采集及對風機設備的控制。

3.2 系統主電路設計

根據控制要求，主電路的設計主要包括風機驅動電機及加熱設備，如圖2 所示。

圖2 主電路

控制電路設計包括PLC、接觸器、傳感器、指示燈、多功能開關等，如圖3 所示。

圖3 控制電路

4 系統監控軟件設計

4.1 系統監控軟件構成及功能

本項目PLC 采用西門子S7-200 系列PLC，所選用軟件為V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9。程序設計包含了六個方面：主程序、初始化程序、系統調試程序、自動控溫程序、有害氣體檢測模塊、信息采集轉化程序。

主程序模塊主要完成控制系統各部件的初始化和實現各功能子程序的調用。

初始化模塊功能是當設備在運行過程中突然停電，等再次通電接通時，對系統數據進行初始化。

系統調試模塊功能是設備安裝調試過程中采集氣體傳感器、溫濕度傳感器數據，為PLC 后期運行提供準確參數。

有害氣體檢測模塊功能是PLC 通過傳感器采集的數據與用戶設定數據比較，控制通風量，保證有害氣體排放。

自動控溫模塊功能是PLC 通過傳感器采集的數據與用戶設定數據比較，控制風機及加熱設備運行，滿足用戶需求。

梳理程序設計，在設計中自動控制程序應重點解決四個方面的問題:

（1）現場采集數據；

（2）分析豬舍環境對豬生長的影響及舍內溫度參數調節控制的方法；

（3）根據溫度優先原則，在溫度適宜情況下，再采集CO2與NH3濃度；

（4）溫度自動補償。

程序設計流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

4.2 系統監控軟件的實時監測界面

人機交互界面即組態監控界面，通過與CPU 配合實現用戶對豬舍環境參數的監控。豬舍監控系統的人機交互界面包括開機界面、控制界面等。當系統投入運行后觸摸屏呈現的開機界面如圖5 所示。

圖5 開機主界面

登入系統后直接進入傳感數據中的舍內監控界面，顯示各個環境參數的當前值，系統采用了多種類型傳感器完成對豬舍內的溫濕度、CO2濃度、NH3濃度信息采集，用戶根據養殖需求，設置運行參數，包括溫度上限/下限、濕度上限/下限等，如圖6 所示。

圖6 舍內監測界面

5 生豬健康養殖環境監控系統現場測試

5.1 系統節點部署

現代化豬舍有害氣體智能檢測及控制系統在甘肅畜牧工程職業技術學院動物養殖場（豬場-第8 棟）實際測試，選擇安裝的具體豬舍為南北朝向，長度為60 m，寬度為8 m，高度為4.2 m，配備有照明、風機和加熱系統。在豬舍內距離地面高度為1.2 m 的2 個位置各布置了一套傳感器(溫濕度傳感器)，在距離地面高度20 cm 位置布置了二氧化碳傳感器，在豬舍操作間的墻壁上布置了終端采集控制器。經過長達1 月的測試，設備運行穩定。

5.2 系統測試結果

在實際測試現場，生豬健康養殖環境監控系統成功地實現了對環境參數的采集、無線數據傳輸、安全值判斷和控制信號的發送。以環境溫度參數監控為例，用戶設定舍內溫度為20 ℃，當PLC 讀取設定溫度后，與舍內實際溫度比較，以執行相應的動作（采集值＜設定值，升溫；反之降溫）。

6 結語

本設計提出并實現了基于PLC 傳輸組網技術的生豬健康養殖環境智能監控系統，結合豬場排污系統的設計建設，經實際測試能夠精確監測豬舍內溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度，并根據預先設定的安全閾值自動化控制各種電氣設備，尤其豬舍內距離地面20 cm 環境氣體的質量得到了有效控制，實現了對豬舍環境的智能控制，系統工作穩定可靠，節省了大量人力資源，對環境控制及時，能夠提高生豬養殖質量。