基于PLC的種蛋保存控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紀(jì)正飚，劉 暢，潘 超，王吉林

(鹽城工學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 鹽城　224051)

基于PLC的種蛋保存控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紀(jì)正飚，劉 暢，潘 超，王吉林

(鹽城工學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051)

針對(duì)家禽種蛋儲(chǔ)存難的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的智能化種蛋保存系統(tǒng)。系統(tǒng)通過監(jiān)控種蛋保存環(huán)境中的溫度、濕度等關(guān)鍵性指標(biāo)，經(jīng)PLC分析后及時(shí)輸出控制指令，有效地控制種蛋保存環(huán)境中加濕系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及消毒系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)以西門子PLC作為控制核心，以紫金橋組態(tài)軟件為上位機(jī)組態(tài)軟件，通過實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行，種蛋保存時(shí)間可達(dá)30d，系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

PLC；種蛋；保存；自動(dòng)控制系統(tǒng)

目前我國(guó)家禽養(yǎng)殖業(yè)居全球第一，商品蛋雞的飼養(yǎng)量估計(jì)在15億只左右，但是家禽養(yǎng)殖面臨市場(chǎng)與疾病的風(fēng)險(xiǎn)，特別是2012年出現(xiàn)的H7N9禽流感，更是給家禽養(yǎng)殖業(yè)帶來滅頂之災(zāi)。根據(jù)中國(guó)畜牧業(yè)協(xié)會(huì)提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，H7N9爆發(fā)之后的一周時(shí)間，家禽行業(yè)的損失高達(dá)100億元人民幣，而且進(jìn)一步影響飼料等原料市場(chǎng)的價(jià)格波動(dòng)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來危害。如能夠延長(zhǎng)種蛋保存時(shí)間，則可減少這些風(fēng)險(xiǎn)帶來的危害，當(dāng)市場(chǎng)上出現(xiàn)不利于養(yǎng)殖業(yè)的情況時(shí)，比如高傳染性疾病、市場(chǎng)消費(fèi)低迷等，則可通過延長(zhǎng)種蛋的保存時(shí)間，等市場(chǎng)恢復(fù)正常后再進(jìn)行種蛋孵化，可有效降低市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)帶來的損失[1-2]。

種蛋保存情況的好壞，直接影響到種蛋孵化率和雛雞的成活率，在養(yǎng)殖過程中是極其重要的一環(huán)。種蛋保存對(duì)環(huán)境條件要求極高，其適宜溫度為9～15 ℃，濕度為70%～80%，并需經(jīng)常換風(fēng)及消毒。傳統(tǒng)做法一般為養(yǎng)殖戶在自然條件下保存，一般為7d左右，這種保存方式抗風(fēng)險(xiǎn)能力極低[3-4]。有日本人先將種蛋放進(jìn)塑料薄膜袋內(nèi)，再放入脫氧劑，使袋內(nèi)保持無氧環(huán)境，最后將袋子放入10 ℃的低溫儲(chǔ)藏室保存，這種保存方法成本極高不適于大規(guī)模的種蛋保存。針對(duì)種蛋保存對(duì)環(huán)境要求苛刻的特點(diǎn)，需要有一種智能化環(huán)境條件的控制系統(tǒng)來保證種蛋長(zhǎng)期、穩(wěn)定地保存。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為了提高種蛋孵化率，延長(zhǎng)種蛋的保存時(shí)間。通過研究種蛋保存的環(huán)境與孵化率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)種蛋保存環(huán)境中的溫度、濕度對(duì)種蛋保存后孵化率有很大影響。生產(chǎn)實(shí)踐中要求保存種蛋最適宜的溫度為9～15 ℃，相對(duì)濕度為70%～90%[5-7]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)通風(fēng)換氣是保存種蛋的重要條件之一，需定時(shí)給種蛋保存環(huán)境通風(fēng)，同時(shí)為防止霉菌在蛋殼上繁殖，以及胚胎與內(nèi)殼粘連還需定時(shí)進(jìn)行熏蒸消毒與種蛋的翻轉(zhuǎn)[5]。

為控制種蛋保存環(huán)境的溫濕度，需將其每平方米放置一組溫濕度傳感器，通過PLC控制器按1s周期反復(fù)采集溫度、濕度的現(xiàn)場(chǎng)值，并取平均值作為現(xiàn)場(chǎng)控制依據(jù)。通過分析基于傳感器測(cè)量出的溫度、濕度數(shù)據(jù)，將其傳送至PLC去控制加濕系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消毒系統(tǒng)的有效運(yùn)行[6]，以確保種蛋保存的質(zhì)量，起到延后孵化的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　System structure diagram

由圖1可知，種蛋保存環(huán)境為了達(dá)到適合的溫度，需設(shè)計(jì)好換熱系統(tǒng)。常用的方法有外接冷卻設(shè)備對(duì)孵化箱內(nèi)部控溫[7]、采用空調(diào)對(duì)種蛋保存環(huán)境進(jìn)行控溫等。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)這些方法系統(tǒng)消耗的電能極大，性價(jià)比較低。由于一般淺層地下水的溫度為4～15 ℃，與種蛋保存溫度相吻合，通過制冷器可確保種蛋保存環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定要求，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益。

加濕系統(tǒng)通過加濕器以保證種蛋存儲(chǔ)空間的相對(duì)濕度為70%～80%；換熱系統(tǒng)由熱交換器通過水泵抽取4～15 ℃的地下水進(jìn)行控制，換熱系統(tǒng)同時(shí)配有制冷系統(tǒng)，保證四季種蛋保存環(huán)境中的溫度為10～15 ℃；通風(fēng)系統(tǒng)通過室內(nèi)風(fēng)機(jī)定時(shí)換風(fēng)；消毒系統(tǒng)使用熏蒸消毒方法定時(shí)對(duì)種蛋保存環(huán)境及種蛋進(jìn)行消毒;翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過電機(jī)進(jìn)行定時(shí)翻轉(zhuǎn)。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PLC控制方案。整個(gè)種蛋控制系統(tǒng)以西門子PLC-S7226為控制核心，通過現(xiàn)場(chǎng)總線將現(xiàn)場(chǎng)傳感器、上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)電氣單元組合成一體，通過人機(jī)界面(HumanMachineInterface，HMI)進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)的操作?；A(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制軟件及HMI采用標(biāo)準(zhǔn)化的軟件結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性及維護(hù)的方便。PLC控制器按設(shè)定的周期反復(fù)采集保存環(huán)境中的溫度、濕度數(shù)據(jù)，確保保存的種蛋最大孵化率。

2.2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于種蛋保存環(huán)境比較復(fù)雜，系統(tǒng)控制的精度要求較高。系統(tǒng)硬件部分設(shè)置了5大模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、換熱系統(tǒng)控制模塊、加濕系統(tǒng)控制模塊、消毒、翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制模塊及通風(fēng)系統(tǒng)控制模塊。基于PLC的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中S7226模塊控制系統(tǒng)電氣量、電磁閥、報(bào)警燈等，EM235模塊測(cè)量系統(tǒng)溫度、濕度并控制溫度、濕度范圍與翻轉(zhuǎn)角度。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic diagram of the control system

2.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

種蛋保存系統(tǒng)的軟件部分主要包括PLC控制器和紫金橋組態(tài)編程。為使系統(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)置相應(yīng)的總貌界面，全面反映種蛋保存系統(tǒng)生產(chǎn)裝置的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。其中：運(yùn)行工藝模塊，反映種蛋保存系統(tǒng)生產(chǎn)裝置主設(shè)備的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；趨勢(shì)圖模塊，顯示種蛋保存系統(tǒng)生產(chǎn)裝置主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史趨勢(shì)；報(bào)警模塊，集中顯示種蛋保存系統(tǒng)運(yùn)行過程中各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的報(bào)警情況；報(bào)表模塊，以報(bào)表形式顯示種蛋保存裝置主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要打印輸出。

系統(tǒng)的人機(jī)界面可以根據(jù)需要直觀地監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，顯示系統(tǒng)每個(gè)部件的運(yùn)行情況。在實(shí)際運(yùn)行過程中，系統(tǒng)人機(jī)界面根據(jù)PLC發(fā)出的實(shí)際數(shù)據(jù)自動(dòng)完成動(dòng)態(tài)顯示。圖3為系統(tǒng)人機(jī)界面監(jiān)控主界面圖，從圖3可以看出，上位機(jī)界面顯示內(nèi)容主要有制冷設(shè)備的開啟、水泵的速度、加濕器、消毒裝置的開啟、翻轉(zhuǎn)角度的設(shè)置及溫度、濕度的測(cè)量等，直觀、清晰，便于監(jiān)控。

圖3　監(jiān)控主界面圖Fig.3　Monitoring main interface diagram

3　系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用性，設(shè)置相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如下，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：(1)濕度，在一定濕度范圍內(nèi)，隨著種蛋控制環(huán)境濕度的增大，種蛋保存時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)控制環(huán)境濕度為70%～73%時(shí)種蛋可保存1～7d，控制環(huán)境濕度為74%～76%種蛋可保存8～14d，控制環(huán)境濕度為77%～80%時(shí)種蛋可保存15～21d，控制環(huán)境濕度為80%～85%時(shí)種蛋可保存22～30d；(2)溫度，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著種蛋控制環(huán)境溫度的降低，種蛋保存時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)控制環(huán)境溫度為13～15 ℃時(shí)種蛋可保存1～7d，控制環(huán)境溫度為12～13 ℃時(shí)種蛋可保存8～14d，控制環(huán)境溫度為11～12 ℃時(shí)種蛋可保存15～21d，控制環(huán)境溫度為9～10 ℃時(shí)種蛋可保存22～30d。

設(shè)置相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如下：通風(fēng)系統(tǒng)通過室內(nèi)風(fēng)機(jī)定時(shí)對(duì)種蛋保存環(huán)境進(jìn)行換風(fēng)，每4h定時(shí)開啟室內(nèi)風(fēng)機(jī)換風(fēng)10min；使用福爾馬林熏蒸消毒或過氧乙酸熏蒸消毒，每2d定時(shí)開啟熏蒸消毒10min；翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)定時(shí)為每6h翻轉(zhuǎn)60 ℃。為驗(yàn)證種蛋孵化率與保存時(shí)間的關(guān)系，按保存時(shí)間為0d、4d、12d、20d、27d，分別抽取同一天生產(chǎn)的鵝種蛋200枚，做孵化試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4　孵化成功數(shù)量Fig.4　Hatching success number

由圖4可以看出直接孵化時(shí)種蛋的孵化率為92%左右；保存4d時(shí)，種蛋孵化率保持不變；保存12d時(shí)種蛋孵化率在87%左右；保存20d時(shí)種蛋孵化率明顯降低，種蛋孵化率在80%左右；保存27d時(shí)，孵化率在75%左右。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)種蛋保存20d時(shí)，孵化率達(dá)到80%，比正常孵化低10%左右，具有最佳的市場(chǎng)效益。

4　結(jié)論

針對(duì)種蛋保存對(duì)環(huán)境要求苛刻的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于西門子PLC的種蛋保存智能控制系統(tǒng)。智能化地監(jiān)控種蛋保存環(huán)境的溫度、濕度、通風(fēng)、消毒狀態(tài)，保證種蛋在最佳的環(huán)境中保存，提高種蛋孵化率和雛雞的成活率。該系統(tǒng)通過設(shè)定環(huán)境參數(shù)，對(duì)種蛋保存環(huán)境的溫度、濕度、通風(fēng)、消毒的精確控制，在確保種蛋保存質(zhì)量的同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)種蛋的保存時(shí)間，起到延后孵化的目的，提高養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)效益。另外，該系統(tǒng)使用熏蒸消毒方法定時(shí)對(duì)種蛋保存環(huán)境及種蛋進(jìn)行消毒明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，采用地下水控制種蛋的環(huán)境溫度，節(jié)約了能源，提高了經(jīng)濟(jì)效益，降低了保存成本。

圖5　孵化率與時(shí)間關(guān)系Fig.5　Hatching rate versus day times

[1] 李鑫,鄧緣,燕海峰,等.不同開窗方法對(duì)種蛋孵化率的影響[J].湖南畜牧獸醫(yī),2014(5):5-7.

[2] 謝曉鵬,陳堯堯,賴?guó)Q,等.影響雞種蛋孵化率的因素[J].江西畜牧畜醫(yī)雜志，2014(1):33-36.

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[5] 于敏.鵝種蛋保存與孵化過程中的溫度調(diào)節(jié)[J].吉林畜牧獸醫(yī)，2013(3):43-44.

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(責(zé)任編輯：李華云)

DesignofEggStorageControlSystemBasedonPLC

JIZhengbiao，LIUChang，PANChao，WANGJilin

(SchoolofInformationTechnology,YanchengInstituteofTechnology,YanchengJiangsu224051,China)

Accordingtothedifficultyofpoultryeggsstorage,anintelligentcontrolsystemofegglongtermpreservationbasedonPLChasbeendesigned.Throughthemonitoringofeggpreservationenvironmenttemperature,humidityandotherkeyindicators,thecontrolcommandscanbeoutputintimeafteranalysisbyPLC.Theoperationofhumidificationsystem,heatexchangesystem,ventilationsystemanddisinfectionsystemcanbecontrolledeffectivelyinaneggstorageenvironment.ThesystemtakesSIEMENSPLCasautomationcontrolstation,andthecomputerwithJin-qiaoconfigurationsoftwareisusedastheuppercomputer.Throughtheactualproductionrun,thetimeforeggstoragecanbeupto30days,andthesystemhasgoodeconomicalandpractical.

PLC(programmablelogiccontroller);Egg;storage;automaticcontrolsystem

2015-06-01

紀(jì)正飚(1981-)，男，江蘇鹽城人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)檫^程自動(dòng)化技術(shù)。

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503008

TP271

A

1671-5322(2015)03-0033-04