基于PLC的泌乳牛舍環境測控系統設計

胡 韜，壽哲明，王子成，黃兆波

云南農業大學機電工程學院，云南昆明 650201

0 引言

隨著經濟發展、時代進步，在全球化背景下，中國人在飲食結構方面受到西方飲食習慣影響，逐步開始“全民牛奶運動”熱潮。作為世界第一人口大國，對牛奶需求量極高，并且對牛奶品質要求相對更高。近年隨著市場經濟發展，乳品行業競爭激烈。云南省作為畜牧業大省，為乳品行業提供豐富的乳制品資源，在國內外市場不可或缺。產量高、品質好的牛奶對促進云南省畜牧業發展和提高養殖利潤具有促進作用[1]。

本次設計主要根據荷斯坦牛的泌乳階段生長環境，即在規模養殖下，溫度、濕度和光照時間對奶牛產奶量有極大影響。研究表明，荷斯坦牛在高于24 ℃、低于8 ℃的環境下，產奶量出現下降趨勢[2]。合理利用人工補光照明也能使奶牛提高進食量從而有效提高產奶量。在奶牛養殖日益精細化、科學化的管理下，合理利用光照及溫度控制等資源，對牧場降低成本、提高效益、提升競爭力有很大的實際意義。因此，合理對養殖環境監測及控制，是提高奶牛生產效率和經濟利益的有效工具[3]。

1 控制要求

1.1 光照控制要求

間歇性光照和接近自然光的光譜對泌乳期奶牛產奶量有一定影響。通過人工增加光照使產奶期奶牛每天光照15 h以上，可提高產奶量8%～10%[4]。燈光控制要求分為兩種：第一種是晚上7點至12點打開燈光，為奶牛進食提供照明，晚上12點以后奶牛進入反芻階段，需調低燈光強度至100 Lux，為奶牛提供適當的休息照明，直至早上6點關閉燈光。第二種是白天天氣陰沉導致光照強度不夠，利用傳感器檢測數據來判斷是否需要打開補光燈。

1.2 溫度控制要求

奶牛是喜涼怕熱的哺乳動物，溫度過高會產生熱應激反應，導致產奶量下降，甚至停止產奶。要求泌乳牛舍溫度高于22 ℃時打開降溫措施，溫度低于20 ℃時關閉降溫措施。

2 環境測控系統設計

2.1 系統組成

牛舍溫度、濕度、光照強度等影響產奶量。現代牛舍控制系統應根據這些環境因素變化，自動調節執行機構，如燈光調節、降溫裝置等。本設計基于PLC控制器、組態觸摸屏和物聯網平臺，設計泌乳牛舍環境測控系統。該系統配有溫濕度傳感器、光照傳感器、風速傳感器，利用485通訊將傳感器數據送入PLC控制器。PLC控制器通過檢測到的環境數據執行機構的自動運行，并在HMI上顯示運行狀態。HMI界面設置環境數據實時顯示，同時能完成數據存儲、歸檔，便于管理人員通過歷史數據做分析和研究。此外通過HMI自帶云平臺功能，可把觸摸屏控制界面實時傳送至手機APP，增加系統的控制靈活性（圖1）。

圖1 系統組成

2.2 硬件選型

2.2.1 燈光選型

目前牛舍照明多采用不可調控的白熾燈照明，導致不能滿足上述可調節燈光要求。該系統采用0～10 V可調LED防水工礦燈，可利用PLC的模擬量0～10 V輸出進行無極調光，基本滿足光照控制要求（表1）。

表1 燈光參數表

2.2.2 控制器及HMI選型

根據上述要求，本設計采用西門子1200AC/DC/RLY作為核心控制器，外加485通訊模塊和模擬量輸出模塊，485通訊模塊用于讀取傳感器數據，模擬量輸出模塊用于調節光照強度。此PLC帶有以太網接口和模擬量輸入、數字量輸入輸出接口。HMI采用威綸通CMT2109X2，自帶以太網接口和云端平臺，可通過購買威綸通云平臺賬號，實現后期手機APP監控功能。控制器和HMI能實現以下功能：

①可接收HMI上所設置的溫度、光照強度等參數的上下限值設置。

②可實時監測輸入部分環境數據，并在HMI上實時顯示。

③根據采集的輸入值進行程序處理，動態執行補光、啟停散熱風扇等操作。

④根據采集的輸入值，在故障和報警時可發出報警信號。

⑤養殖戶可根據經驗，進行手動開啟或關閉執行機構。

2.2.3 檢測輸入部分選型

由于牛舍面積較大，傳感器和PLC通訊距離較遠，此設計采用485總線通訊協議傳輸監測數據，傳感器型號、地址等參數見表2，485總線接線見圖2。

表2 傳感器參數表

圖2 485總線接線圖

2.3 硬件設計

硬件設計包括I/O地址分配表、PLC控制電路和主電路。

2.3.1 I/O地址分配及PLC端口接線

I/O地址是PLC和外部設備之間聯系的主要通道，通過對該控制系統中各類輸入信號和輸出信號進行區分，并在PLC里分配不同的地址，來實現PLC和外部設備之間信息交換，可使PLC準確無誤控制外部輸出設備[5]，部分I/O分配表如表3所示。

表3 部分I/O分配表

根據I/O分配表，PLC端口接線如圖3、圖4所示。

圖3 PLC輸入接線圖

圖4 PLC輸出接線圖

2.3.2 主電路設計

主電路圖采用三線四線制進行設計，L1、L2、L3、N四線。考慮節省控制器件，每三臺風扇電機利用一臺熔斷器做過載保護，每臺電機采用單獨的一個交流接觸器做獨立控制，燈光以15 盞并聯采用一個交流接觸進行控制，如圖5所示。

圖5 PLC主電路圖

2.4 軟件設計

2.4.1 系統流程圖

如圖6所示，工作模式分為手動模式和自動模式。手動模式時養殖戶可根據養殖經驗自行手動控制燈光和風扇的開閉。自動模式通過傳感器采集數據，由控制器程序判斷執行輸出設備的過程。

圖6 系統流程圖

2.4.2 HMI界面設計

主界面：泌乳牛舍主界面如圖7所示。開機后顯示界面，通過按鍵可進入對應操作界面，如環境溫濕度監控界面等[6]。界面切換按鍵采用功能鍵進行編輯，功能選擇切換基本窗口，然后選擇對應窗口。編輯好后仿真時能正常切換界面。

圖7 HMI主界面

泌乳牛舍運行界面：該界面將環境溫濕度等數據實時顯示。需要手動操作時，可進行手動模式、自動模式切換。還可手動控制溫濕度控制系統和設備運行狀態顯示。該界面分為六塊區域，分別是：界面標題及時間顯示區域、環境數據實時顯示區域、運行狀態指示區域、手動控制區域、自動/手動切換控制區域和窗口切換按鍵區域（圖8）。

圖8 HMI泌乳牛舍運行界面

參數設置界面：主要通過手動設置溫濕度上下限、PLC內部時鐘校準和一些程序參數，使控制程序可通過參數調節變得更靈活（圖9）。

圖9 HMI參數設置界面

2.4.3 HMI遠程操控設計

威綸通觸摸屏要實現遠程監控功能，需用到EasyAccess2.0。EasyAccess2.0將觸摸屏與遠端設備建立通訊，遠端設備通過EasyAccess2.0的對應軟件，可對現場觸摸屏監控[7]。

EasyAccess2.0云平臺可對HMI分配和管理。通過管理員賬號操作將HMI分配給用戶，該用戶登錄EasyAccess2.0軟件，可在軟件內對觸摸屏控制操作（圖10）。

圖10 EasyAccess2.0用戶設備管理示意圖

泌乳牛舍環境測控系統最后部分是通過網絡將操作控制系統上傳到云端[8]，實現遠程對程序控制和數據查看。本次選用的威綸通觸摸屏可輕松實現這個功能，CMT2109X2這款產品帶有一個以太網絡接口10/100 Base-T×1，通過網口進行網絡連接。

在HMI設計界面時需添加一個功能鍵，點擊該功能鍵，彈出EasyAccess2.0 視窗。點擊[Start]按鍵，開啟EasyAccess2.0的遠端功能（圖11）。

圖11 EasyAccess2.0開啟彈出窗口

電腦或手機都有對應EasyAccess2.0軟件，使用所需監控的觸摸屏對應EasyAccess2.0用戶賬號登錄，可對想要監控的HMI設備進行遠端操作。

3 結語

泌乳牛舍環境測控系統通過主控制器PLC與HMI控制牛舍的燈光、風扇，接收和顯示牛舍環境參數；通過安裝溫濕度和光照等傳感器，實時監測牛舍環境；實現PLC組態觸摸屏和物聯網平臺通訊，自動執行牛舍環境調整措施。該系統減少奶牛養殖過程中人工操作的延時性及不穩定性問題，實現自動化控制牛舍環境，間接提高奶牛產奶量和質量。試驗結果顯示，該系統可靠穩定，界面操作方便，具有較好的推廣價值。