基于MCGS家禽飼養溫控系統的設計與開發*

麻麗明，何應良，谷子中，袁 瑞，謝青海，劉青川

（河北機電職業技術學院電氣工程系，河北邢臺 054000）

0 引言

家禽的飼養不僅需要食物的喂養，更需要有適宜生活的環境。在家禽的飼養環境中，影響家禽生存和生活的諸多因素中，直接影響家禽生活中最重要的因素就是溫度，溫度過低或過高都會影響降低家禽的生存率，帶來各種流行疾病，均不利于家禽的生存，所以在家禽的飼養過程中溫度的控制就尤為重要。

在家禽的生活環境中，需要對環境的溫度實時監測，記錄下溫度的歷史數據很重要，更重要的是能夠在監測溫度的同時，在第一時間對監測環境中溫度進行調控，本系統不僅實現溫度的遠距離的監測，還可根據監測的溫度，第一時間對溫度進行升溫和降溫的自動調控。

利用溫度傳感器實現實時溫度數據的讀取，當溫度出現不穩定變化時，能夠通過PLC 控制程序及時地對溫度進行PID 調控，使溫度能夠維持在一個適宜的范圍內，溫度對整個飼養環境極其重要。該系統是利用組態監控軟件MCGS的監控畫面的繪制與S7-200 SMART PLC硬件設備的連接實現的。MCGS 是北京某公司研發的一套組態監控軟件，可用于搭建與工控機的監控系統的工業軟件，實現對工業現場數據采集、監測與控制，廣泛應用于Windows操作系[1-2]。

該控制系統首先利用溫控傳感器的實時數據監測，將各個不同環境的溫度數據實時傳輸到S7-200 SMART PLC 程序中，通過PLC 程序的運行計算，將數據以數值的形式，呈現到MCGS 組態監控畫面中，通過MCGS 組態軟件與作為控制器可以實現對多個從站環境中的溫度進行監控。當監測到某個飼養環境出現溫度異常時，可以實時地打開與關閉加熱風扇和排風風扇對溫度進行調控，在溫度的監控方面保證了實時性與準確性，確保整個系統能夠穩定地運行，減少了飼養環境溫度的失調，并且通過監控軟件實現了遠距離的數據監測與控制，減少了人員的現場管理，節約人員，對于實際的家禽飼養提供了參考，整個系統在設計與運行過程中表現了良好測穩定性。

1 主站與多從站飼養環境溫度監控系統的設計

1.1 主站與多從站的設計

在實際的生態養殖過程中會有多個檢查溫差，例如，雞、鴨、鵝等存在不同的溫度需求。不同種類的多個家禽飼養環境中，需要對多個飼養環境進行溫度監控，保證每一個從站中飼養環境的穩定性，在溫控系統的運行中，通過不同從站的溫度傳感器的實時監測，在監控畫面中可以實時讀取與處理，保證了傳輸數據的實時性與準確性。在多個飼養環境中進行溫控系統的設計，但是最終都需要溫度能保持在設定的范圍內，多個從站溫控系統的關系網絡如圖1所示。

圖1 多個從站溫控系統關系網絡示意圖

對于多種家禽不同生活環境溫度監控系統的設計中，可以選擇兩種主從站的網絡布局，具體如下。

（1）可以選擇大型的PLC 設備，利用其多I∕O 的優勢，對不同的家禽生活環境進行分配I∕O點，在進行PLC程序設定方面，利用主程序調用不同子程序的方式對不同的溫控系統進行PID 溫度調節。這種布局減少了PLC控制器的數量使用，增加了控制器程序的占用內存和線路布局的繁瑣，主要控制器PLC 發生故障，很容易導致整個系統的崩潰和故障發生。

（2）選擇一個PLC 控制器作為一個主站控制器，在每個從站家禽飼養環境使用一個PLC 控制器，主站與多個從站形成分級控制，這種布局雖然增加了PLC 控制器的數量，但從站的PLC 有故障不會影響主站系統故障，逐級分工，對于整個系統來說具有一定的可靠性[3-4]。

1.2 單個從站溫控系統的設計

針對每一個家禽飼養從站，均是通過溫度傳感器對飼養環境的溫度進行實時監測，并通過PLC 程序對溫度異常進行實時調控，針對單個從站的溫控系統的硬件控制結構如圖2所示。

圖2 單個從站溫控系統的硬件控制結構示意圖

單個從站溫控系統的系統控制要求：在實際的飼養環境中，家禽的溫度需要實時控制，因為在飼養環境的溫度過高或過低時，都會影響家禽的生存。溫度傳感器實時監測飼養環境，把監測到溫度實時傳送到PLC控制器中，并通過PLC程序的PID自動調控，使溫度維持在一個合適的環境中，MCGS觸摸屏通過監控界面能夠實時監控飼養環境的當前狀態，同時可通過觸摸屏的軟按鈕對PLC程序進行手動控制，PLC程序的自動調控或觸摸屏的手動控制均可對加熱風扇和排風扇進行控制，達到對飼養環境溫度的調控。

針對但從站溫控系統的控制要求，MCGS 組態軟件進行單從站監控界面的繪制，完成組態軟件與硬件PLC設備的通信連接，完成了對單從站溫控系統的實時數據的監測與調控[5-6]。

2 單個從站飼養溫控系統的方案設計

2.1 溫控方案

單個從站飼養溫控系統的實際要求，當飼養環境溫度發生變化時，根據程序中的PID 調節，使環境中的溫度能維持在設定范圍內。單個從站溫控系統的設計流程如圖3所示。

圖3 單個從站溫控系統設計流程

溫控系統流程如下。

在初始狀態，全都至零，按下PID 自動調節，自動化項目將進行自動調節狀態，當自動調節出現故障或調節較慢可以選擇手動調節。

（1）自動模式：觸摸屏按PID自動調節則會將PID手自動調節設為1，則調為自動狀態，在按下自動開啟，在觸摸屏上設置自動調節溫度（可按當時適溫設置），則自動調節溫度將顯示觸摸屏上；兩個加熱元件動作，且指示燈亮；觸摸屏顯示的當前溫度隨著溫度上升而顯示動作。當溫度到達臨近設置溫度，加熱元件不動作、指示燈滅。自動模式溫度則在設置溫度緩緩浮動。溫度達到上限則會上限報警燈亮，排風扇動作排風、指示燈亮。溫度達到下限則會下限報警、上限報警燈亮，加熱元件動作、指示燈也動作。當前溫度過高或過低，則會在報警欄提示溫度過高或溫度過低。關閉自動模式按下觸摸屏，停止自動模式即可。

（2）手動模式：按觸摸屏PID自動調節則將成0，為初始狀態成手動模式；可在手動設定溫度設置適當溫度，排風扇或加熱元件則會有動作；當未達到所需溫度，加熱元件動作、指示燈亮，達到所需溫度則會停止動作；當所需溫度過高，手動啟動排風扇，排風扇動作指示燈亮，當溫度達到設定溫度，最后停止。

2.2 梯形圖程序設計

根據單個從站溫控系統控制要求，I∕O分配如表1所示。

表1 控制系統I/O分配

單個從站溫控系統的主程序如圖4所示。單個從站溫控系統的PID 恒溫調節程序如圖5所示[7]。單個從站溫控系統的手動調節排風程序如圖6所示。單個從站溫控系統的手動調節加溫程序如圖7所示。

圖4 單從站溫控系統主程序

圖5 單從站溫控系統PID恒溫調節程序

圖6 單從站溫控系統手動排風程序

圖7 單從站溫控系統手動調節加溫程序

3 單個從站飼養溫控系統的設計

3.1 系統硬件和軟件設計

組態軟件MCGS 運行于Windows 操作系統，PLC 編程軟件為STEP 7-MicroWIN SMART[8]。組態軟件為MCGS，根據飼養環境中溫度的調控要求，利用MCGS 軟件的操作流程繪制出具體的監控界面，組態監控界面操作步驟如下：（1）建立新的工程文件；（2）監控畫面的繪制；（3）MCGS 數據對象設置；（4）畫面的動畫連接操作；（5）腳本程序的編寫；（6）監控畫面的運行[9-10]。通過以上步驟完成多個主從站溫控系統的監控界面的設計。

3.2 MCGS與PLC控制器的連接

具體連接步驟如下：

（1）在電腦桌面上雙擊MCGS組態環境快捷圖標；

（2）在打開的組態環境軟件窗口左上角依次點擊菜單欄-文件-新建工程；

（3）然后再次點擊新建工程設置-TPC；

（4）打開工作臺-設置窗口-鼠標雙擊設備窗口；

（5）打開設備窗口后，在空白處右鍵鼠標，然后選擇設備工具箱；

（6）在設備工具箱中，點擊設備管理；

（7）在設備管理窗口中，選定設備通用TCP∕IP 父設備，點擊選擇后，在右側就會出現所選擇的設備名稱；

（8）在設備管理窗口中，選擇控制器型號-西門子SMART 200，點擊選擇后，同樣在設備窗口右側就會出現所選擇的設備名稱；

（9）在設備工具箱窗口中，點擊設備管理選項，一次點擊通用TCP∕IP 父設備和西門子_SMART 200 兩個選項，使兩個選項都出現在設備組態窗口即可去；

（10）在設備組態窗口雙擊控制器選項（西門子SMART 200），進入設備編輯窗口；

（11）在設備編輯窗口設備屬性里填寫填寫IP地址；

（12）在設備編輯窗口，添加設備通道，添加PLC變量地址[11-12]。

3.3 監控界面設計

主站可與多個從站飼養溫控系統相連，構成多系統的局域網絡溫控監控系統，單個從站溫控系統的監控界面如圖8所示。

圖8 多從站監控界面的設計

3.4 仿真效果與分析

當飼養環境溫度過高或過低時，溫控系統都會進行自動調節溫度，使溫度一直維持在設定溫度范圍內，溫度過高監控界面如圖9所示，溫度過低監控界面如圖10所示。

圖9 溫度過高監控界面

圖10 溫度過低監控界面

根據溫控監控界面的實時信息顯示，可以監測當前溫度具體數值，并能根據監控界面的變化，在第一時間做出對應處理，提高了排查故障和維修故障的效率。

4 結束語

本文所設計的主控制站實現了與多從站家禽飼養溫控系統的設計與開發，在保證了單個溫控系統的穩定前提下，通過MCGS監控界面與S7-200 SMART PLC程序運行，實現了在自動與手動情況下的溫度調節，通過監控界面的實時數據監測及時提醒到工作人員去發現和解決問題，實現了人員不在生產現場遠距離也能及時得知故障發生位置。在保證了多從站家禽飼養溫控系統的穩定運行的前提下，設計和實現了組態界面的遠距離監控功能，極大程度地解決了人員的浪費，提高了實際的生產效率，對實際的生產和資源利用方面具有很高參考價值。