基于PLC的生猪智慧养殖模式创新研究

蔡杰 杨立新 刘艳芳

摘要：生猪智慧养殖模式能极大地节省养殖环节人力成本，提高生猪养殖效率，实现猪舍“无人化”管理，是生猪养殖业发展必然趋势。结合湖北省生猪养殖模式现状与需求，提出了基于PLC的生猪智慧养殖模式，并对该模式的软硬件设计进行了详细分析，为湖北省生猪养殖模式开辟了新的途径。

关键词：生猪；智慧养殖；PLC；模式创新

中图分类号：S828 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）20-0138-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.20.032 開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Pig breeding mode can save manpower cost in breeding link， raise pig breeding efficiency and realize “unmanned” management of pig house， which is an inevitable trend of pig breeding industry. Based on the current situation and demand of Hubei pig breeding mode， this paper puts forward the design of pig intelligent breeding mode based on PLC， and analyzes the software and hardware design of the model in detail.

Key words： pig； intelligent breeding； PLC； model innovation

2017年中央一号文件强调加快“互联网+”现代农业行动，强化科技创新驱动，加强智慧农业科技研发和实施智慧农业工程，推进农业物联网试验示范和农业装备智能化[1，2]。湖北省是生猪养殖大省，万头以上规模化养猪场近800家，居全国第一。目前，中国生猪养殖正在向规模化、专业化转变，如何从智慧养殖模式创新方面加强示范和引导，成为破解湖北省生猪产业发展瓶颈的主要问题。

1 湖北省生猪养殖模式现状

为深入了解湖北省在生猪智慧养殖技术与装备应用方面的现状与需求，对湖北省10家生猪养殖企业调研。湖北省生猪养殖总体生产水平仍然较低，传统人工养殖方式比例仍然较高，大部分中小规模猪场（年出栏1万头以下）仅使用一些简单的养殖设备，主要工作如饲喂、清粪、环境控制等仍由人工完成。只有小部分资金充足、规模较大、信息化素养较高的猪场在部分环节使用了智能装备和信息化管理手段[3]。此次调研企业中3家生产规模较大的企业智能装备使用水平较高，使用了智能饲喂设备、环境控制设备、繁殖母猪发情怀孕检测设备等，但其在功能设计、智能化程度等方面仍需改进和完善（表1）。

2 生猪智慧养殖模式设计

针对当前生猪养殖环节智慧养殖技术现状与需求，选定了智能环境控制、自动清粪、养殖过程监控、智能饲喂4个养殖生产环节，开展功能设计与系统集成，采用基于PLC的自动控制系统，使用传感器采集猪舍环境数据，智能控制猪舍内环境调节设备、自动清粪设备、自动送料线等，实现生猪养殖的环境智能控制、粪便自动清理、养殖视频监控与智能喂养[4-6]。同时，开发智农物联云服务平台电脑与手机版，养殖管理人员通过电脑或手机可远程查看猪舍内环境数据、视频图像，根据管理经验设置猪舍内环境调节、清粪、送料线等设备控制规则，达到生猪智慧养殖目的，全面提升生猪养殖效率与管理水平。

2.1 系统硬件设计

系统设计采用手动控制与自动控制结合的方式。系统手动控制由继电器、交流接触器、空气开关等电气元件构成。自动控制方式采用基于PLC的自动控制系统，将猪舍智能环境控制、自动清粪、智能饲喂3个系统进行集成，统一由智能控制器进行控制，不同子系统采取不同控制规则与算法。其中环境控制系统采用模糊控制算法，自动清粪、智能饲喂系统则采用软件平台设置自动开启与关闭时间与次数方式进行远程智能控制（图1）。

2.1.1 环境智能控制系统 系统包括环境传感器、无线传输模块、智能控制器等。系统通过环境传感器实时在线采集猪舍内环境信息（空气温湿度、光照度、二氧化碳浓度、氨气浓度等），利用ZigBee无线通信与网络通信技术实现环境数据实时传输，通过智能控制器实现对环境调节设备（如风机、湿帘、灯光等）的开启或关闭，以达到智能调节猪舍环境的目的。

智能控制器（图2）是系统核心组件，该设备采用模块化设计，硬件结构由可编程控制器、交流接触器以及部分电气设备组成。环境传感器将环境参数转换为485数字信号传送到可编程控制器，可编程控制器根据汇总到的环境数据，再根据事先设定的程序来开启或关闭继电器。可编程控制器设有显示功能，可根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由下位机控制执行装置。控制器设有自动、手动两种模式，可通过电控箱外部旋钮实现模式的自动转换。

在传感器选择上，充分考虑到猪舍内部环境情况，特别是夏天猪舍内部属于高温高湿环境，且舍内含有腐蚀性气体氨气、二氧化碳、硫化氢等，因此选择带外壳的防水防尘耐腐蚀等级较高的传感器。在空气温湿度传感器选择上，温度量程应该最少在-20～50 ℃之间，精度最低在0.5 ℃。二氧化碳传感器选择上，选择量程最少为0～5 000 mg/L，测量精度在5%以内。氨气传感器选择上，选择量程最少为0～100 mg/L，测量精度在5%以内。传感器输出信号采用RS485数字信号输出，支持标准的MODBUS协议，可直接将数据上传到数据采集模块。

2.1.2 自动清粪系统 自动清粪系统由电机、可翻转式刮粪板、导尿管、电控箱、转角轮等部件组成，刮粪板通过电机开启正转、反转或关闭，电机则通过继电器、交流接触器与智能控制器连接，由智能控制器按一定控制规则控制。管理者可根据管理经验，通过设置每天电机开启时间、次数来控制刮粪板自动清粪。自动清粪组件可采用目前市场上较为成熟的固液分离型自动清粪机，其驱动电机采用双绳轮单驱动的形式，通过牵引绳带动两个刮粪板形成一个闭合环路，刮粪板工作时将猪粪从粪道清理到储粪池中。刮板装置主要利用磨擦力自动落下抬起，工作时刮板自动落下，返回时刮板自动抬起。自动清粪系统可以降低工人的劳动强度，卫生清洁程度高，可进一步提高猪场的生产效率。

2.1.3 自动饲喂系统 自动饲喂系统包括自动送料线与饲喂器。自动送料线由料塔、不锈钢绞龙、电机、控制箱、送料管、下料口等部分组成。自动送料组件可采用目前市场上较为成熟的产品，当电机开启，颗粒状饲料在绞龙的转动下，通过绞龙的推力和自身重力向前运动，通过送料管和下料口被逐个输送到干湿料槽内。电机由智能控制器通过管理者设定的控制规则进行控制开启或关闭，其也可以根据送料情况自行关闭，由限位器自动检测猪舍尾端料槽中的料位，当尾端料槽中料满，限位器检测到料满状态，输料电机自动停止输料。

2.2 系统软件设计——智农物联云服务平台

系统采用纯 B/S（浏览器和服务器）结构，根据服务器类型（Windows/Linux等）采用Jdk1.8.x版本开发环境和Java开发语言，面向对象的方法进行信息管理系统的开发。数据是信息系统的核心，主要用来保存产品属性、流程数据，系统采用PostgreSQL9.5.x数据库。该平台分为预警中心、控制中心、数据分析、视频监控四大模块。

2.2.1 预警中心 通过环境传感器对养殖舍内环境（包括二氧化碳、氨气、温度、湿度、光照度等）信号的自动检测、传输和接收。通过手机、电脑等终端可实时查看猪舍内环境参数。提供上限值、下限值参考。设置功能；具备智能分析、告警功能；提供与其他养殖控制系统的管理接口。

2.2.2 控制中心 对养殖舍内环境（包括光照度、温度、湿度等）的集中、远程、联动控制。实现养殖舍內环境调节设备的手动、自动控制模式自由转换。其中环境控制器根据设定环境阈值，利用模糊控制算法，根据专家经验及自我优化形成控制规则，实现养殖舍环境的智能控制与调节。自动清粪系统和饲喂系统则采用平台设置定时开启或关闭时间、次数，根据管理者管理经验实现对自动清粪机、自动送料线驱动电机的智能控制，平台也可以通过发送开关量的方式直接开启或关闭。

2.2.3 数据分析 传感器数据可以实时保存在数据库，方便随时调取查看场景数据，实现对养殖舍各类信息的存储、分析和管理，传感历史数据（时、天、周、月）查看。K线图和柱状图相结合，清晰分析基地情况，同时为控制设备调节提供数据参考。

2.2.4 视频监控 实现养殖场实时视频查看，摄像头控制。实现养殖过程的各种监控功能（图3），如图像监看、云镜控制、录像存储、智能检索、网络传输等。管理层可按不同权限级别观看所监看的图像，可以随时随地通过网络连接到养殖场视频监控系统进行监控。

3 应用瓶颈与对策

湖北省生猪养殖多以小规模生产为主，由于对物联网认识的不足，导致多数中小企业对物联网技术应用不够重视，加之物联网设备在养殖场地的前期投入较大，很大程度上阻碍了其广泛应用的脚步。因此，改革生猪养殖小规模生产经营现状，尤其是在经历了2014—2015年生猪价格低潮，部分粗放式养殖企业被淘汰的沉痛教训之后，生猪养殖业应理性的通过政府项目投入扶持，结合市场规律，适当引导扩大养殖规模，集中连片生产，从而提高自动化、机械化和新技术的应用水平，同时也为农业物联网技术和设备的实施和应用提供合适的环境，实现生产、管理和经济效益的共赢局面。

4 应用前景

传统集约化养猪生产过程中大量使用人工存在诸多问题。一是工人自身素质的差异而难以保持生产过程的标准化操作；二是人员变动或工作过程中频繁出入猪舍会导致管理和疫病控制难度加大；三是随着中国劳动力资源的日益紧缺，劳动力成本逐年提高。本研究通过生猪智慧养殖模式设计，旨在打破当前以人工为主，设备为辅的生猪养殖主流业务模式，探索解放设备、机械生产力，实现设备、机械在准确信息和养殖模型指导下，摆脱人为约束，真正实现生猪健康养殖的智能化、无人化、精准化管理，同时为今后养殖企业采取智能化生产提供模式借鉴。

中国生猪产业发展目前正朝高效、生态、环保方向发展，智慧养殖技术应用能帮助规模化养殖企业实现标准化生产，提升生产效率，节约生产成本。特别是在经历了价格低潮和无情淘汰之后，生猪养殖企业将会越来越重视如何通过信息化手段来提高养殖管理效率。同时，中国农村劳动力大量转移，适度规模养猪场和养猪设备必将有较快的发展，智慧养殖技术与装备今后的需求量必将随市场需求而增大。因此，顺应中国发展“互联网+农业”大潮，开展生猪智慧养殖模式创新，具备良好的发展前景。

参考文献：

[1] 闫 宇.生猪规模化养殖猪舍环境测控和生猪管理系统的研究与实现[D].合肥：安徽农业大学，2017.

[2] 靳 敏，王春光，李海军，等.猪舍环境监控系统的研究现状及发展趋势[J].黑龙江畜牧兽医，2017（9）：67-70.

[3] 吴武豪.基于物联网的猪舍环境监控系统研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[4] 周丽萍，陈 志，苑严伟，等.猪舍环境无线传感器网络监控系统研究[J].自动化技术与应用，2016，35（1）：56-60.

[5] 李泽政.传送带自动清粪设备及工艺在规模猪场中应用效果的研究[D].杭州：浙江大学，2015.

[6] 陈主平，黄萍方，万 露，等.信息化对我国生猪产业影响探讨[J].畜禽业，2017，28（9）：82-83.