現(xiàn)代化豬舍有害氣體智能檢測(cè)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝曉麗，胡天讓，楊國(guó)華，張 琴，郭小會(huì)，楊發(fā)鑫

（1 甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，733006，甘肅武威；2 肅南裕固族自治縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，734400，甘肅張掖）

隨著養(yǎng)豬事業(yè)的快速發(fā)展，為了提高養(yǎng)殖效率，降低養(yǎng)殖成本，獲得最大利潤(rùn)，集約化、高密度、封閉性強(qiáng)、自動(dòng)化控制程度越來越高是現(xiàn)代化養(yǎng)豬場(chǎng)的特點(diǎn)，但是封閉性強(qiáng)、密度大，極易造成豬舍內(nèi)有害氣體（如二氧化碳、氨氣、二氧化硫）濃度過高，這些有害氣體嚴(yán)重影響豬只生理健康，引發(fā)多種疾病，甚至是疫病流行，導(dǎo)致豬場(chǎng)養(yǎng)豬過程中使用抗生素水平上升，藥物殘留超標(biāo)，養(yǎng)殖場(chǎng)的生物安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大，生產(chǎn)的動(dòng)物產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重下降；所以，如何在滿足現(xiàn)代化養(yǎng)豬場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際需要的情況下，有效控制豬舍內(nèi)有害氣體排放，降低有害氣體濃度，減少對(duì)豬只的危害，提高養(yǎng)殖效率，保障生物安全，減少環(huán)境污染，長(zhǎng)期以來一直是人們研究和關(guān)注的主要問題之一，也是困擾養(yǎng)豬業(yè)快速健康發(fā)展的一個(gè)難題。規(guī)?；i養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控可以提高豬群福利，使豬只健康生長(zhǎng)，提高畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，控制養(yǎng)殖場(chǎng)對(duì)外界環(huán)境的污染是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的有效途徑;因此，對(duì)規(guī)?；i養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究很有必要。

本文通過對(duì)河西走廊部分豬場(chǎng)內(nèi)有害氣體排放控制系統(tǒng)的調(diào)查了解，結(jié)合現(xiàn)代化豬場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了豬場(chǎng)內(nèi)有害氣體排放系統(tǒng)，該系統(tǒng)在甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院種豬場(chǎng)、甘肅永登建峰豬場(chǎng)使用效果良好。現(xiàn)介紹如下。

1 豬舍內(nèi)環(huán)境智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

總體設(shè)計(jì)思路：基于PLC（Programmable Logic Controller，即可編程邏輯控制器）控制的多點(diǎn)控制系統(tǒng)，在注重系統(tǒng)成本低廉、便于安裝使用的前提下，提高自動(dòng)化、智能化水平，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。

豬舍環(huán)境控制必須綜合先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境、豬舍結(jié)構(gòu)、舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控要點(diǎn)和設(shè)備、飼養(yǎng)工藝、環(huán)境污染控制等，多方面采取調(diào)節(jié)措施。檢測(cè)與控制豬舍內(nèi)有害氣體的同時(shí)設(shè)計(jì)控制溫度和濕度，結(jié)合河西走廊自然資源特點(diǎn)及豬舍內(nèi)排污設(shè)計(jì)實(shí)際，側(cè)重豬只體感(健康、行為、福利)，重點(diǎn)調(diào)控豬體周圍局部空間的環(huán)境狀況。豬舍環(huán)境參數(shù)間相互影響、相互制約，對(duì)豬舍進(jìn)行多方面綜合調(diào)控，不盲目追求單因素達(dá)標(biāo)。注意對(duì)舍外適宜環(huán)境的利用，舍外與舍內(nèi)、自然與人工相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)共同調(diào)控。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由上位PC 機(jī)與下位機(jī)的測(cè)點(diǎn)組成。其中系統(tǒng)硬件主要由PLC 控制器、HMI（觸摸屏）、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氨氣傳感器、風(fēng)機(jī)、加熱設(shè)備、PC 機(jī)組成。

豬舍內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器模塊完成對(duì)舍內(nèi)的溫濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度采集，采用觸摸屏將豬舍內(nèi)各參數(shù)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來以方便快速讀取。根據(jù)豬生長(zhǎng)所需環(huán)境溫度的不同，用戶可通過觸摸屏設(shè)定所需溫度，作出最利于豬生長(zhǎng)的豬舍環(huán)境調(diào)控的最終決策。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 溫度控制

本系統(tǒng)使用溫濕度傳感器對(duì)豬生長(zhǎng)環(huán)境的溫度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并通過PLC 控制器把采集到的實(shí)際參數(shù)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的適宜參數(shù)范圍進(jìn)行比較，以執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作（采集值＞設(shè)定值，降溫去濕；采集值＜設(shè)定值，升溫）。升溫過程，通過控制來驅(qū)動(dòng)繼電器，再通過繼電器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行裝置，如加熱設(shè)備等；通風(fēng)降溫過程，同樣通過繼電器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行裝置如風(fēng)機(jī)等。

2.2 有害氣體控制

本系統(tǒng)使用相應(yīng)的氣體傳感器檢測(cè)豬舍環(huán)境內(nèi)的CO2、NH3濃度等，通過模擬量輸入接口將測(cè)量參數(shù)傳遞至PLC 控制器中，PLC 對(duì)其分析處理，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值相對(duì)比，出現(xiàn)與設(shè)定值相偏離時(shí)，則通過控制繼電器完成電機(jī)上電操作，執(zhí)行通風(fēng)換氣動(dòng)作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件

硬件主要由PLC、觸摸屏、接觸器、開關(guān)電源、低壓斷路器、控制開關(guān)、溫濕度傳感器、CO2傳感器、NH3傳感器等器件構(gòu)成，主要功能是實(shí)現(xiàn)信息的采集及對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備的控制。

3.2 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，主電路的設(shè)計(jì)主要包括風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及加熱設(shè)備，如圖2 所示。

圖2 主電路

控制電路設(shè)計(jì)包括PLC、接觸器、傳感器、指示燈、多功能開關(guān)等，如圖3 所示。

圖3 控制電路

4 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)監(jiān)控軟件構(gòu)成及功能

本項(xiàng)目PLC 采用西門子S7-200 系列PLC，所選用軟件為V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9。程序設(shè)計(jì)包含了六個(gè)方面：主程序、初始化程序、系統(tǒng)調(diào)試程序、自動(dòng)控溫程序、有害氣體檢測(cè)模塊、信息采集轉(zhuǎn)化程序。

主程序模塊主要完成控制系統(tǒng)各部件的初始化和實(shí)現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用。

初始化模塊功能是當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行過程中突然停電，等再次通電接通時(shí)，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化。

系統(tǒng)調(diào)試模塊功能是設(shè)備安裝調(diào)試過程中采集氣體傳感器、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，為PLC 后期運(yùn)行提供準(zhǔn)確參數(shù)。

有害氣體檢測(cè)模塊功能是PLC 通過傳感器采集的數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定數(shù)據(jù)比較，控制通風(fēng)量，保證有害氣體排放。

自動(dòng)控溫模塊功能是PLC 通過傳感器采集的數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定數(shù)據(jù)比較，控制風(fēng)機(jī)及加熱設(shè)備運(yùn)行，滿足用戶需求。

梳理程序設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中自動(dòng)控制程序應(yīng)重點(diǎn)解決四個(gè)方面的問題:

（1）現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)；

（2）分析豬舍環(huán)境對(duì)豬生長(zhǎng)的影響及舍內(nèi)溫度參數(shù)調(diào)節(jié)控制的方法；

（3）根據(jù)溫度優(yōu)先原則，在溫度適宜情況下，再采集CO2與NH3濃度；

（4）溫度自動(dòng)補(bǔ)償。

程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

4.2 系統(tǒng)監(jiān)控軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面

人機(jī)交互界面即組態(tài)監(jiān)控界面，通過與CPU 配合實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)豬舍環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。豬舍監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面包括開機(jī)界面、控制界面等。當(dāng)系統(tǒng)投入運(yùn)行后觸摸屏呈現(xiàn)的開機(jī)界面如圖5 所示。

圖5 開機(jī)主界面

登入系統(tǒng)后直接進(jìn)入傳感數(shù)據(jù)中的舍內(nèi)監(jiān)控界面，顯示各個(gè)環(huán)境參數(shù)的當(dāng)前值，系統(tǒng)采用了多種類型傳感器完成對(duì)豬舍內(nèi)的溫濕度、CO2濃度、NH3濃度信息采集，用戶根據(jù)養(yǎng)殖需求，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，包括溫度上限/下限、濕度上限/下限等，如圖6 所示。

圖6 舍內(nèi)監(jiān)測(cè)界面

5 生豬健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

5.1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)部署

現(xiàn)代化豬舍有害氣體智能檢測(cè)及控制系統(tǒng)在甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)（豬場(chǎng)-第8 棟）實(shí)際測(cè)試，選擇安裝的具體豬舍為南北朝向，長(zhǎng)度為60 m，寬度為8 m，高度為4.2 m，配備有照明、風(fēng)機(jī)和加熱系統(tǒng)。在豬舍內(nèi)距離地面高度為1.2 m 的2 個(gè)位置各布置了一套傳感器(溫濕度傳感器)，在距離地面高度20 cm 位置布置了二氧化碳傳感器，在豬舍操作間的墻壁上布置了終端采集控制器。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)1 月的測(cè)試，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

5.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在實(shí)際測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，生豬健康養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、安全值判斷和控制信號(hào)的發(fā)送。以環(huán)境溫度參數(shù)監(jiān)控為例，用戶設(shè)定舍內(nèi)溫度為20 ℃，當(dāng)PLC 讀取設(shè)定溫度后，與舍內(nèi)實(shí)際溫度比較，以執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作（采集值＜設(shè)定值，升溫；反之降溫）。

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)提出并實(shí)現(xiàn)了基于PLC 傳輸組網(wǎng)技術(shù)的生豬健康養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合豬場(chǎng)排污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試能夠精確監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的安全閾值自動(dòng)化控制各種電氣設(shè)備，尤其豬舍內(nèi)距離地面20 cm 環(huán)境氣體的質(zhì)量得到了有效控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬舍環(huán)境的智能控制，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省了大量人力資源，對(duì)環(huán)境控制及時(shí)，能夠提高生豬養(yǎng)殖質(zhì)量。