基于可編程序控制器（PLC）的人員洗澡智能管控系統研究

張志勇，樊士冉 ＊，劉 聰，米凱臣，鄧啟偉，張瑞雪

（新希望六和股份有限公司，山東 青島 266000）

引言

近年來，由非洲豬瘟病毒引起的疫情在世界各地廣泛傳播，非洲豬瘟發病頻率高、影響范圍廣、持續時間長的特點使得非洲豬瘟成為養豬業的主要威脅。2018年8月，中國暴發了非洲豬瘟，給中國養豬業造成了巨大損失。非洲豬瘟病毒的傳播途徑有直接接觸、間接接觸兩種，直接接觸多是健康豬與攜帶病毒或確診的豬密切接觸所致。間接傳播范圍廣、較復雜，可通過人流（如訪客、內部員工）、物品（飼料、食物工具等）、 車輛（場內運輸車、拉豬車等）、豬群（引種、出豬、調欄等）、生物流動（鼠類、貓、狗等）進行傳播。由于目前對于非洲豬瘟尚無有效的疫苗和藥物可使用，提高豬場生物安全措施已成為養豬從業者對于豬場疾病控制的主要策略。需要從新豬場的選址、棟舍布局、人員淋浴通道、物資消毒方式、出豬臺等硬件設計建造上加入防止病原傳入的生物安全理念。

對于人員流動，“臟凈分區、單向流動、防止交叉”是養殖場生物安全核心原則。生物安全等級高的區域為凈區，生物安全等級低的區域為臟區。對于人員的跨區域流動，特別是從臟區進入凈區，必須進行嚴格的洗澡消毒程序。

然而在目前豬場管理模式下，員工洗澡基本上靠自覺。當員工對反復洗澡造成心理抵觸時，洗澡消毒效果極大降低，對生物安全造成重大隱患。而員工洗澡屬于個人私密行為，人工無法干預，無法通過人工監管的方式實現強制性。當前無法通過技術手段、人工方式對洗澡消毒效果進行快速、準確的判斷。與此同時，信息技術對智慧養豬至關重要。針對目前豬場人員洗澡存在的管控問題，通過引入自動化、智能化技術設計一款滿足豬場人員洗澡的智能化管控系統勢在必行。

1 總體方案設計

1.1 研究對象分析

目前豬場常見的洗澡通道布局如圖1所示。人員從臟區進入凈區，需經過淋浴間進行淋浴。員工在脫衣間脫下在臟區內穿著的衣物進入淋浴間進行洗澡，洗澡完成后在穿衣間更換為凈區的衣物。由于在淋浴過程中，淋浴間為隱私密閉環境，員工的洗澡過程無法進行有效監管。需在此通道內進行人員洗澡智能管控系統的設計，保證洗澡效果。

圖1 豬場洗澡通道布局圖

1.2 工作原理

運用人員洗澡智能管控系統，通過裝有磁力鎖的物理門，確保人員在洗澡通道不可隨意流動；借助控制及自動化技術，對人員在洗澡通道的行動進行監測與管控；通過對洗浴時間和水流量等因素的控制，確保人員在不被直接監督的情況下完成有效洗澡過程。

人員洗澡智能管控系統設計總體方案如圖2所示。

圖2 人員洗澡智能管控系統總體方案圖

1.3 關鍵模塊介紹

人員洗澡智能管控系統主要由主控箱模塊、門禁模塊、傳感感應模塊、播報與警告模塊等組成。

1.3.1 主控箱模塊

以三菱FX3U PLC控制器為核心部件，通過控制器高速掃描刷新機制，確保人員按照指定流程完成整個洗澡過程。指紋機、開關按鈕、傳感器、流量計、電位器與控制器連接，構成輸入通路，控制器與門鎖、電磁閥、警報器、播報器連接，構成輸出通路。控制器與外圍設備連接的示意圖如圖3所示。PLC的輸入輸出點的分配如表1所示。

表1 PLC輸入輸出點地址分配

1.3.2 門禁模塊

由指示燈、磁力鎖、按鈕開關、指紋機等組成，系統根據洗澡過程邏輯決定磁力鎖的通斷、指示燈的亮滅等。此模塊是限定人員軌跡的關鍵模塊。其中兩臺指紋機布置在靠近凈區的門進出口處，通過前期錄入的指紋信息，保證只有授權的人員可以進入凈區。

1.3.3 傳感感應模塊

人體傳感器以微波多普勒原理為基礎，可以判斷員工洗澡過程中所處房間位置。電位計用于設置單次洗澡所需要的用水量，通常設置為50 L。流量計用來記錄洗澡過程中的用水量，與電位計相比較，判定洗澡過程中的用水量是否符合要求。計時器用來記錄洗澡過程中的用時情況，通常設置為20 min，通過控制洗澡過程中充足的時長保證洗澡效果。

通過光柵確定人員洗澡所處位置為正確位置，保證花灑噴淋的有效性。光柵設置兩組紅外光柵對，分別為豎直光柵對和水平光柵對。兩個光柵對分別兩兩對應的設置在房間中環繞淋浴噴頭的四個水平空間面上。豎直光柵對的兩根光柵豎直對稱設置在淋浴噴頭兩側，豎直光柵的感應范圍為淋浴噴頭下方；水平光柵設置與豎直光柵相鄰的兩個面上，水平光柵和地面的間距為800～1 200 mm。兩組光柵對的聯合使用可以用于判斷人員是否在洗澡位置。光柵實物如圖4所示。

圖4 光柵實物圖

只有人員在正確洗澡位置時，計時器開始計時，流量計開始記錄流量，保證人員洗澡足夠的時間與用水量。

1.3.4 播報與警告模塊

多路語音播報器根據流程中各節點進行相應播報，可提示流程過程中的正確操作與違規事項。多路語音播報器如圖5所示。

圖5 多路語音播報器示意圖

警告模塊的作用是洗澡人員因緊急情況按下緊急按鈕或者系統判定人員洗澡非正常超時，聲光報警器啟動，同時門禁斷電，方便緊急狀況處理。人員洗澡非正常超時是指未檢測到人（人靜止，考慮昏厥等突發情況）的持續時間超過10 min。聲光報警器如圖6所示。

圖6 聲光報警器示意圖

2 系統操作流程

2.1 臟區進入凈區流程

圖7為人員從臟區進入凈區洗澡智能管控流程圖，閉門前提下，淋浴時間和用水量須滿足洗澡要求，方可開門進入凈區。期間若有折返臟區行為，統計都將復位。具體流程如下：

圖7 臟區進入凈區管控流程圖

a）進出兩個門都關好的情況下，若指示燈亮著，說明里面有人，此時打不開門；燈若未亮，則說明里面沒人，按下按鈕，開門進入。

b）進入脫衣間，關好門（門若未關好，播報器會提示“請關好門”），脫衣間內的人體感應器感知內部有人，播報器提醒人員洗浴注意事項。

c）從脫衣間到淋浴間開始洗浴，時間和用水量達到要求后，播報器會播報合格（若未合格，從淋浴間返回脫衣間，播報器會提醒“勿返回”，同時之前的淋浴條件會復位；若未合格，從淋浴間到穿衣間，播報器會提示“您已違規，請返回繼續淋浴”，同時記錄違規信息到指紋機，此時也無法打開門到達凈區）。

合格后，從淋浴間到穿衣間，播報器提醒人員已完成淋浴。被穿衣間的人體傳感器感知，則判斷人員已到達穿衣間，可刷指紋開門進入凈區，同時關好門，否則會播報提醒“請關好門”。系統檢測內部無人，整個系統自檢復位，一個淋浴過程完成。

2.2 凈區進入臟區流程

圖8為人員從凈區返回臟區的洗澡智能管控流程圖，人員返回臟區時系統對于淋浴時間和用水量不做強制管控。具體流程如下：

圖8 凈區返回臟區管控流程圖

a）進出兩個門都關好的情況下，若指示燈亮著，說明里面有人，此時打不開門；燈若未亮，則說明里面沒人，按指紋，開門進入。

b）進入穿衣間，關好門。

c）依次進入淋浴間、脫衣間（不強制洗澡）；此時若想要返回凈區，需按規定完成淋浴，否則會語音提醒且無法開門進入凈區。

d）按下按鈕，開門，進入臟區并關好門。

3 試驗驗證

人員智能洗澡管控系統驗證試驗于2020年5月在唐山新好農牧有限公司的入場關口進行。關口已有相應的洗澡通道，具有熱水器、花灑等基礎洗澡功能。對已有洗澡通道進行改造，改造完成之后的效果圖如圖9所示。

圖9 人員洗澡智能管控系統實施效果圖

現場安裝完成后的部分細節圖如圖10所示。安裝完成后對管控系統的功能進行試驗驗證，經過試驗，人員洗澡智能管控系統實現了對洗澡過程的智能管控。人員從臟區進入洗澡間，若不按規定要求完成淋浴過程，則無法打開凈區門進入內部，實現了管控的智能化、無人化，大大提升了人員跨區域流動的生物安全管理水平。

圖10 人員洗澡智能管控系統現場安裝圖

4 結論

文章研究了一款基于PLC的人員洗澡智能管控系統，通過控制人員的洗澡位置、洗澡時長、用水量等參數，對人員跨區域流動的洗澡效果起到了非常好的保障作用，解決了目前行業內洗澡無法監管的難題。對于豬場非洲豬瘟等流行性疾病的防控起到非常重要的作用，有極強的應用前景與行業推廣價值。