基于S7-200PLC的牲畜圈舍自动控制系统设计

王志秦

(唐山学院 智能与信息工程学院，河北 唐山 063020)



基于S7-200PLC的牲畜圈舍自动控制系统设计

王志秦

(唐山学院 智能与信息工程学院，河北 唐山 063020)

摘要：针对目前牲畜圈舍养殖环境卫生差、管理粗放、影响牲畜养殖效益的问题，对牲畜圈舍进行技术改造，设计了一套牲畜圈舍自动控制系统。将S7-200PLC作为系统控制的核心，通过温度传感器对环境温度进行采集和转换，采用MCGS组态软件设计控制界面，对温度信息进行实时监测，并实现牲畜圈舍粪便的自动清扫、温度自动调整、自动喂水排水等控制功能。通过实验室制作模型进行了模拟运行，此系统操作简便、可靠性高，能够实现对牲畜圈舍的自动化管理。

关键词：S7-200PLC；MCGS；牲畜圈舍；自动控制系统

0引言

目前国内牲畜养殖企业普遍存在的问题有：卫生环境差，粪便清扫困难；温度调控不及时；喂水靠人工，水槽不能及时清理。不仅使牲畜容易感染疾病，而且浪费大量人力，影响经济效益。用高新技术改造传统牲畜养殖业，提高其整体效益，是加速牲畜养殖企业现代化进程的重要保障和必然要求。

德国西门子公司生产的S7-200PLC功能强大，性能优越，有很高的市场认可度，在工业生产中应用非常广泛[1]。因此，笔者基于PLC设计了一套牲畜圈舍自动控制系统，采用S7-200PLC作为系统的控制核心，对牲畜圈舍实现粪便自动清扫、温度自动调控、自动喂水、自动清理水槽等功能。

1总体设计方案

本系统利用PLC完成牲畜圈舍系统的自动控制。控制系统包括电源模块、西门子S7-200PLC、传感器、刮粪装置模块、温度控制模块、喂水等模块。在电机上固定链条，通过电机带动链条运动，从而使安装在链条上的刮粪装置前进或后退，以此达到清除粪便的目的。利用PT100温度传感器和EM235模块对实时温度进行采集和转换，把温度反应到组态监测界面，并在组态中设置高温报警值、低温报警值、低温加热值、高温排风值，方便工作人员对圈舍温度进行控制。利用电磁阀来控制喂水槽的定时喂水和排水。图1为牲畜圈舍控制系统组成框图。

图1　牲畜圈舍控制系统组成框图

2硬件设计

本系统选用德国西门子公司生产的S7-200PLC为控制核心，分为温度控制、喂水排水、刮粪装置三个模块。

2.1温度控制模块

采用热电阻PT100作为温度传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。PT100的阻值与温度变化关系为：当温度为0 ℃时PT100温度传感器的阻值为100 Ω，当温度为100 ℃时PT100温度传感器的阻值约为138.5 Ω，随着温度的上升它的阻值呈线性变化[2]。

采用EM235模拟量输入/输出混合模块，每一个EM235能够同时扩展3路模拟量输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间为25 μs，D/A转换时间为100 μs，位数都为12位。而EM235模块能够直接将被测主回路中的交流电流转换为按照线性比例输出的直流4～20 mA(通过250 Ω电阻转换DC 1～5 V或通过500 Ω电阻转换DC 2～10 V)恒流环标准信号，连续输送到接收装置中[3]。

温度控制模块框图如图2所示。在被控制系统的温度测量点，温度信号经变送器转换为4～20 mA的标准电流信号后送入EM235模块的模拟量输入通道，PLC读入由EM235模块输出的温度值后，再取其平均值作为被控系统的实际温度值。为了把温度传感器PT100随温度变化的电阻转换成相应的温度变化值，需要利用下面的公式进行转换：T℃=(温度数字量-0℃偏置量)/1℃数字量。

当采集到的环境温度超过预定值时，启动排风扇；当温度低于预定值时，启动加热器。当温度在设定范围内，排风扇和加热器处于关闭状态。

图2　温度控制模块框图

2.2刮粪装置模块

在直流电机上固定链条，使安装在链条上的刮粪装置前进或后退，以达到清除粪便的目的。在粪便通道的入口和出口设有限位开关，限制刮粪装置的行程，刮粪装置上装配光电传感器，当刮粪装置与牲畜达到限定距离时，装置自动停止运行，以防误伤牲畜，同时增设延时功能，当延时到一定时间后，牲畜没有移动，则发出报警信号，再进行人工处理。

2.3喂水、排水模块

在上水管道和排水管道分别安装电磁阀，电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的管道，腔中间是活塞，两面分别装有电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的管道。

3软件设计

本系统以牛圈舍为例设定各参数。采用MCGS(Monitor and Control Generated System)组态软件设计模拟运行的界面，实现人机交互。主要包括温度控制程序、刮粪装置电机控制程序、喂水排水控制程序和报警程序等模块。

3.1PLC I/O口分配

圈舍自动控制系统I/O分配如表1所示。

3.2位存储区汇总

程序中的PLC位存储区如表2所示。

3.3PLC梯形图设计

3.3.1温度控制程序

PT100温度传感器的测量量程为0～100 ℃，并且模拟量范围为4～20 mA，因为PLC模拟通道的AIW0对应的是6 400～32 000的整数，所以按照公式需要先减去6 400，转换成双整数，再把双整数转换成实数，最后除以256得到0～100.0的实际温度值。温度采集程序如图3所示。

表1　圈舍控制系统I/O分配

表2　PLC位存储区汇总

图3　温度采集程序

牛圈舍较适宜温度为5～25 ℃，设置温度下降到5 ℃时开始启动加热器来升高温度，如果加热器没有正常加热，当温度降低到0 ℃时开始低温报警。当温度达到25 ℃时排风扇开始启动降温，如果排风扇没有正常工作，当达到30 ℃时开始高温报警。温度控制程序如图4和图5所示。

图4　低温启动加热器

图5　高温启动风扇

3.3.2刮粪装置电机控制程序

当按下启动按钮或在组态界面中点击启动按钮后，电机处于启动状态。当按下停止按钮或组态停止按钮，电机停止转动。当刮粪装置碰到左限位或右限位开关时，电机反转。为了防止误伤牛，当碰到牛时，刮粪板停止前进，电机停止转动。部分程序如图6所示。

图6　刮粪装置电机控制部分程序

3.3.3喂水排水程序

系统在每天8：10，11：10，15：10，18：10四个固定的时间段开始喂水。在每天9：10，12：10，16：10，19：10四个固定的时间段开始排水。喂水、排水部分程序如图7和图8所示。

图7　喂水部分程序

图8　排水部分程序

4MCGS组态界面设计

本系统选用MCGS构成上位机监控系统。MCGS具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。MCGS通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用[4]。本系统组态界面由时间控制模块、温度控制模块、电机运转控制模块、喂水排水模块和报警模块构成，模拟运行界面如图9所示，其中温度控制窗口如图10所示。

图9　模拟运行界面

图10　温度控制窗口

5系统调试

调试内容包括：

(1)刮粪装置的运行是否正确，当刮粪装置碰到障碍物时是否停车等待。

(2)温度监测与控制系统运行是否正确，当温度超过设定范围时，是否自动启动风扇或者加热器。

(3)给水和排水系统是否按照设定时间进行自动喂水和排水。

(4)报警系统是否按要求正常报警。

(5)将组态界面与PLC现场连接调试，制作系统的机械化模型，通过观察模型的运行情况分析系统各个输出是否正确，能否达到远程控制的目的。

经过调试，系统运行正常，能够实现预期的设计目标。

6结论

基于S7-200PLC的牲畜圈舍自动控制系统实现了圈舍粪便的自动清扫、温度自动调整、定时自动喂水排水等控制功能。该系统结合MCGS组态软件，既可以对设备进行现场控制，又可以通过人机界面实现远距离调控，调试方便，维护量小，使牲畜圈舍环境得以智能化调控，避免了传统的人工测定各种数据耗时费力、获得数据不准确等缺点，而且能够及时地了解各种环境因子的变化情况，并对环境参数自动控制，可以大大降低养殖场的投入成本，提高劳动生产率。

参考文献：

[1]黄宁.S7-200PLC在自动生产线中的应用[J].自动化技术与应用，2009，28(9)：86-89.

[2]田裕鹏，姚恩涛，李开宇.传感器原理[M].3版.北京：科学出版社，2007：309-312.

[3]乔桥.基于S7-200系列PLC及EM235模块的谷物烘干设备研制[J].中国农机化，2012(4)：107-113.

[4]刘少军，张思雨.基于MCGS的污水处理集散控制系统的设计[J].研究与开发，2015，34(9)：48-51.

(责任编校：李秀荣)

An S7-200PLC-Based Design of Automatic Control System for the Livestock Houses

WANG Zhi-qin

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：The author of this paper has designed a new automatic control system for the livestock houses in view of the current low breeding efficiency due to the poor breeding livestock house sanitation and slack management. S7-200PLC is the core of the control system and temperature sensors collects and converts the environment temperature. MCGS is applied to design the control interface. This system can perform real-time monitoring of temperature， automatic cleaning， automatic adjustment o temperature， and automatic feeding and water drainage. Laboratory models were constructed and simulation showed that this system has the advantages of simple operation， high reliability and automatic management of livestock houses.Key Words： S7-200PLC；MCGS； livestock house；automatic control system

作者简介：王志秦(1979-)，女，河北唐山人，讲师，硕士，主要从事自动控制研究。

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1672-349X(2016)03-0021-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.007