基于可编程逻辑控制器（PLC）的猪舍环境参数监控系统

刘艳昌　左现刚　李国厚

摘要：为解决生猪规模化养殖企业对猪舍环境参数较难控制问题，设计了一种以可编程逻辑控制器（PLC）、传感器、无线模块和执行机构为硬件核心，以Kingview 6.53为软件开发平台的实时环境参数监控系统。该系统通过无线模块将PLC采集到的猪舍参数值传到上位机，并对其采集值进行分析和处理，实现了数据采集、处理、显示、存储及控制等功能，最终实现对猪舍环境参数的自动控制。测试结果表明，该系统能实时准确地采集现场猪舍参数，在保证猪舍内所需温湿度基本恒定条件下，能使气体浓度保持在适应范围内，证实系统的可行性和实用性。

关键词：猪舍；环境监控；可编程逻辑控制器（PLC）；组态软件

中图分类号： TP277.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0377-04

收稿日期：2014-03-27

基金项目：国家级大学生创新训练计划（编号：201310467043）；河南省科技攻关（编号：132102310030）；河南科技学院高层次人才科研启动项目（编号：209010611001）。

作者简介：刘艳昌（1979—），男，河南鹤壁人，硕士，讲师，主要从事智能控制与信息检测技术研究。E-mail：523401923@qq.com。

通信作者：李国厚，博士，教授，主要从事计算机控制、无损检测、信号处理技术研究。E-mail：liguohou6@163.com。目前，现代养猪业主要采用集中管理方式实现规模养殖，以提高生猪的产量和质量[1]。猪舍环境参数对猪的生产水平、健康状况等有重要影响，它主要受气候、猪舍地理位置等外界条件和猪舍生活环境影响较大[2]，因此如何保证猪舍环境参数正常至关重要。目前，我国养猪场对猪舍环境参数控制多采用工作人员主观判断和人工控制来实现，调整各参数的机械设备存在调节滞后、误判率高、生产效率低、占用人力资源多且不能满足当前养猪数字化、信息化的需求[3-6]，笔者设计了一种基于可编程逻辑控制器（PLC）的猪舍环境监控系统。该系统不仅可以实时采集与分析猪舍参数（温湿度、氧气、二氧化碳、氨气和硫化氢），还可以根据测量值与设定值的分析结果，将控制指令以无线传输的方式传输给PLC，来控制驱动各机械设备对猪舍环境参数迅速作出调整，完成智能化的现场管理，进一步提高养殖效益。

1系统总体方案

猪舍环境监控系统的结构如图1所示，系统硬件主要由上位机、PLC控制器、传感器、现场控制设备、无线收发模块等组成。

本系统由手动和自动2种工作模式，在手动工作模式下，工作人员可以随时对各个控制设备进行调试，并在紧急情况下对设备进行操作。在自动模式下温湿度传感器、气体（CO2、NH3、H2S）传感器负责将猪舍中的测量参数值转化为可识别的电信号，再把电信号经A/D模块转换为数字信号，送给PLC进行数据量程转换处理，然后通过RS485串口将数据传给无线收发模块，无线收发模块通过天线以无线方式将采集到的数据传给上位机，上位机通过Kingview 6.53软件编制的处理程序将用户设定值与现场值进行比较，确定是否启动温湿度和气体含量控制设备，最后将相关启停控制设备指令通过天线以无线方式传给PLC来控制现场设备，实现猪舍温湿度和气体含量的自动控制。

2系统硬件结构

2.1PLC控制器

为了能够稳定、快速地采集和控制猪舍内各环境参数，较好满足猪舍每个监控点的需求，该系统下位机控制器采用台达DVP-14SS2型PLC，该型号属于经济型基础产品，其外观轻巧，适合安装在小型控制箱内，其主机点数14（输入：8点，输出：6点，继电器输出），内置RS232与RS485通信口，支持MODBUS、ASCII/RTU通信协议，可以很方便地与计算机进行通信，也可与自带RS485接口的无线模块之间自由通讯，而不需要任何通信模块。

2.2温湿度传感器

温湿度传感器的作用主要是将猪舍内温度和湿度物理量转换为模拟量，并以电流形式输出，以便满足A/D转换器输入端电气参数的要求。系统温湿度传感器采用华图公司生产的温湿度一体式传感器HE4000A-EX。它采用1-Wire总线接口，测量温度范围-30～70 ℃，精度为±0.5 ℃，测量湿度范围0～100%，精度±3%，外置线长3 m，输出电流范围 4～20 mA，且实用性和可靠性高，能够满足猪舍的温湿度测量要求。温湿度传感器的硬件连接如图2所示。

2.3气体传感器

系统气体传感器采用JL_900型号的固定式气体（CO2、H2S、NH3）变送器来实现，其中H2S的量程范围为0～132 mg/m3，NH3的量程范围为0～66 mg/m3，CO2的量程范围为0～2 550 mg/m3，精度均<（±5%） F.S，采用三线制 4～20 mA 标准信号输出或485信号输出 传输距离>1 km，

且工作稳定、可靠，能够满足猪舍气体浓度测量要求。气体传感器的作用主要是将猪舍内CO2、H2S、NH3的浓度转换为模拟量，并以电流形式输出，以便满足A/D转换器输入端电气参数的要求。气体传感器的硬件连接如图3所示，其中V接 12～24 V 直流电源，G接地，S为对应气体传感器输出4～20 mA 的标准电流信号。

2.4A/D转换器

采用型号为DVP06AD-S的A/D转换器，它是一款6路14位模拟量采集模块，既可单独使用，也可以作为PLC的功能扩展，模拟输入电压范围±10 V，对应数字转换范围为 ±8 000，模拟输入电流范围±20 mA，对应数字转换范围为 ±4 000，综合精度±1%，具有精度高、响应速度快的特点。本控制系统中该模块可将所收集的温湿度值和气体（CO2、H2S、NH3）含量值转换为14位数字信号，以便于PLC通过主机程序以指令FROM/TO来读写模块内的数据。endprint

由于本系统A/D转换模块采用电流模式输入，与各传感器采用电流输出量程不一致，因此要在上位机监控画面上显示猪舍各参数实际值，必须进行量程转换。假设Am、A0为传感器输入测量范围的最大值和最小值；Dm、D0是根据A/D模块输入电流范围-20～20 mA对应数值为-4 000～4 000的线性关系，将传感器输出电流信号4～20 mA转换为对应数字量为800～4 000；Dx为现场测量值经A/D转换后对应的数字量，Ax为Dx对应现场测量值。由于模拟量标准电信号与A/D转换后的数字量为线性关系，则函数关系式为

Ax-A0Dx-D0=Am-A0Dm-D0；

即Ax=Am-A0Dm-D0（Dx-D0）+A0。

以温度为例加以说明，温度测量范围-30～70 ℃，即 Am=70，A0=-30，对应输出电信号为 4～20 mA，则其经A/D转化后对应Dm=4 000，D0=800。将其代入上式可知实测猪舍温度为

AT=[70-（-30）]Dx-8004 000-800+（-30）=Dx-1 76032。

2.4无线收发模块

采用型号为DTD433MC无线收发模块，它提供透明的RS232/RS485接口，无线可靠传输距离可达3 km，无线数据终端中心频率为433MHz，同时提供8个信道供用户选择。具体通信时只需将PLC的Modbus通信速率与无线传输模块的波特率设置一致即可，本系统通信格式设置为9 600 bps，8-E-1，RTU。为了保证通信距离，提高通信质量，天线采用型号为BYD433的车载吸盘天线，该产品工作频率为 428～438 MHz，带宽10 MHz，增益5.5 dBi，最大功率50 W，能够满足监控室到猪舍监测点半径为3 Km范围的数据传输及控制实现。

3系统软件设计

3.1下位机软件设计

下位机通过台达WPLSoft软件对PLC进行软件编程，下位机PLC在系统中主要完成对猪舍温湿度、气体浓度进行数据采集、处理，经A/D转换后将数据以无线传输方式传给上位机，以及接受上位机传来的控制指令来驱动温湿度控制设备和气体含量控制设备，从而实现猪舍环境参数的自动控制。图4为猪舍环境现场参数采集控制程序流程。

3.2上位机软件设计

上位机采用Kingview 6.53软件编制相应程序，实现对工艺流程图和测量数据的显示，建立猪舍环境智能控制监控画面，能够准确实时再现被控对象的真实状态。管理人员可以通过监控界面上的操作方式选择按钮实现对猪舍环境监控系统的手动和自动控制，手动操作方式主要是通过鼠标点击单个按钮实现可控设备的启/停控制，自动操作方式是根据参数设定值与采集值进行比较后，通过控制指令实现系统的启/停、运行、参数超限报警及数据存取等整个过程的自动运行及在线监视。同时，管理人员还可以根据室内外气候及环境条件调节各参数设定值和采集值，并将这些需要控制的各项参数以无线传输方式送入下位机指定地址内，实现新的自动控制。猪舍环境智能监控系统如图5所示。

4结果与分析

为了验证该系统的可行性、有效性和实用性，本系统以河南谊发牧业有限责任公司的某肥育猪舍为对像，对猪舍内温湿度和NH3、CO2、H2S气体浓度进行自动控制测试和数据分析。室内控制参数选择如下：室内温度设定值18 ℃，相对湿度设定为70%，CO2浓度510 mg/m3，NH3浓度10.56 mg/m3，H2S浓度1.98 mg/m3。在24 h内猪舍环境参数变化情况如表1所示。

温度变化最大值为1.93 ℃，且温度偏离设定值的最大值为 1.2 ℃，最大相对误差为6.7%，这说明温度变化范围较小，外界因素对其影响不大，温度比较稳定且在控制要求内。猪舍内相对湿度平均值为71.53%，最大值为75.36%，最小值为67.53%，其最大值偏离设定值5.36%的数值，相对误差为765%，最大值没有超出相对湿度适合范围的上限，能够保持在控制要求之内。猪舍内NH3浓度平均值为9.54 mg/m3，最大值为11.31 mg/m3，最小值为7.68 mg/m3，其最大值偏离设定值的0.75 mg/m3数值，相对误差为9.63%，其最大值没有超过NH3浓度的要求15.85 mg/m3。舍内CO2浓度平均值为 520.53 mg/m3，最大值为612.04 mg/m3，最小值为 456.72 mg/m3，其最大值偏离设定值的数值为 112.04 mg/m3，相对误差为10.45%，其最大值没有超过CO2浓度的要求765.00 mg/m3。舍内H2S浓度平均值为 1.94 mg/m3，最大值为2.23 mg/m3，最小值为1.66 mg/m3，其最大值偏离设定值的数值为0.25 mg/m3，相对误差为1267%，其最大值没有超过H2S浓度2.65 mg/m3的要求。上述结果表明，该系统可实现精确获取舍内环境参数并能够精确控制各设备，在保证舍内合适温湿度基本恒定情况下，也能保持NH3、CO2、H2S的浓度在合适的控制范围内。

5结语

针对猪舍环境参数较难控制问题，本试验在综合考虑猪舍内温湿度与气体浓度之间相互影响因素的基础上，设计一种以PLC控制器为核心的猪舍环境智能无线监控系统，该系统能够对环境参数进行实时监控，且一旦超出设置的环境参数范围，加温系统、干燥系统、喷雾系统和通风换气系统等控制设备能够自行启动调整环境参数。实例应用结果表明，该系统在保证猪舍温湿度基本恒定条件下，能使猪舍内气体浓度含量保持在设定的范围内，证实了系统的可行性和实用性，避免了人工操作的主观性和随意性，在农牧领域具有一定的应用前景和实用价值。

参考文献：

[1]郑争兵. 基于AVR的猪舍温湿度监测系统研究[J]. 广东农业科学，2012，39（4）：125-127.

[2]朱凤武，邹丽娜，涂川川，等. 基于LabVIEW的猪舍温度监控系统的研究[J]. 中国农机化学报，2013，2（2）：68-71.

[3]朱伟兴，戴陈云，黄鹏. 基于物联网的保育猪舍环境监控系统[J]. 农业工程学报，2012，28（11）：177-182.

[4]李立峰，武佩，麻硕士，等. 哺乳母猪舍环境监控系统的研究[J]. 农机化研究，2011，33（11）：195-198，202.

[5]李立峰，武佩，麻硕士，等. 基于组态软件和模糊控制的分娩母猪舍环境监控系统[J]. 农业工程学报，2011，27（6）：231-236.

[6]张新柱，牛晓晨，马博，等. 基于网络的猪舍环境监测预警系统[J]. 西安邮电学院学报，2013，18（4）：109-112.王瑾 周忠发，胡九超，等. 石漠化地区现代烟草农业基地单元工程配置对土地利用的影响[J]. 江苏农业科学，2015，43（2）：381-384.endprint