高床豬舍床下環(huán)境維護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

劉 睿, 李嘉琦, 劉博文, 楊鑫愛, 牛國玲

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154000)

0 引 言

現(xiàn)代化技術(shù)水平的不斷提高,以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,推動(dòng)了生豬養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程,但是現(xiàn)實(shí)當(dāng)中,生豬養(yǎng)殖場內(nèi)生豬的養(yǎng)殖密度依然很大,為了實(shí)現(xiàn)生豬養(yǎng)殖業(yè)的高質(zhì)量健康發(fā)展,對(duì)養(yǎng)殖過程當(dāng)中的技術(shù)條件也提出了更高的要求。將東北地區(qū)生豬養(yǎng)殖場豬舍作為研究對(duì)象,基于環(huán)境檢測(cè)與清潔功能,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍內(nèi)溫度、濕度、氨氣濃度的監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié),以及通過床下清潔車實(shí)現(xiàn)墊料的自動(dòng)鋪設(shè)以及糞便的自動(dòng)清理。為了解決東北地區(qū)冬季的豬舍常處于低溫高濕的環(huán)境,對(duì)低溫地區(qū)可堆肥高床豬舍進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,并為了使其在東北地區(qū)進(jìn)行推廣使用,推動(dòng)智能化方向發(fā)展,將以可編程邏輯控制器(PLC)為控制核心,設(shè)計(jì)豬舍內(nèi)環(huán)境智控系統(tǒng),使其適合在東北地區(qū)進(jìn)行推廣使用,同時(shí)也將解決生豬養(yǎng)殖時(shí)密閉環(huán)境所帶來的空氣環(huán)境影響問題,以及應(yīng)用糞污智能清潔車進(jìn)行智能控制清潔床下堆肥,從而使得東北地區(qū)生豬在養(yǎng)殖時(shí)可以達(dá)到一個(gè)相對(duì)理想的生長發(fā)育環(huán)境,推動(dòng)?xùn)|北地區(qū)生豬養(yǎng)殖業(yè)向規(guī)?；⒓s化、智能化發(fā)展。

1 東北地區(qū)可堆肥高床豬舍結(jié)構(gòu)

1.1 高床豬舍的可堆肥發(fā)酵思路

按照高床發(fā)酵型生態(tài)養(yǎng)豬模型設(shè)計(jì)思路[1],堆糞區(qū)作提升能源的利用率、減小環(huán)境污染、資源浪費(fèi)的集中處理和目標(biāo)區(qū),將針對(duì)豬所產(chǎn)生糞便采用發(fā)酵菌發(fā)酵技術(shù)以生產(chǎn)有機(jī)肥料,利用PLC技術(shù)控制清潔車鋪設(shè)稻殼、木屑等有機(jī)材料作為墊料與發(fā)酵菌混合,然后執(zhí)行微生物好氧發(fā)酵原理,并吸收養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞便和尿液,后利用自動(dòng)控制清潔車對(duì)墊料與糞便進(jìn)行混合翻堆,最終成為有機(jī)肥料。豬出欄時(shí)與有機(jī)肥料一同清出,此時(shí)再次利用清潔車啟動(dòng)清潔功能,對(duì)床下進(jìn)行高壓噴水清洗及噴灑消毒水的消毒措施。

1.2 高床發(fā)酵型生態(tài)養(yǎng)豬結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1進(jìn)行該高床豬舍結(jié)構(gòu)主要分析,說明如下:

(1)該高床豬舍為了滿足低溫地區(qū)冬季生豬養(yǎng)殖環(huán)境管理要求,將豬舍整體結(jié)構(gòu)分為圈養(yǎng)區(qū)、管理區(qū)、漏糞區(qū)、堆肥區(qū)、置物區(qū);(2)該高床豬舍為了更好地進(jìn)行冬季溫度控制,在豬舍上床進(jìn)行了加溫管的布局,以確保圈養(yǎng)區(qū)溫度適宜,同時(shí)也為了防止低溫時(shí)下床豬糞會(huì)上凍并向上吸收上床溫度的情況出現(xiàn)以及易于冬季對(duì)下床豬糞的清理工作,在漏糞區(qū)的傾斜下床和堆肥區(qū)也進(jìn)行了加溫管的布局;(3)生豬產(chǎn)生的糞、尿由上床漏糞板掉到傾斜下床上,而掉在傾斜下床的糞、尿會(huì)沿著傾斜下床表面下滑,并在重力的作用下推開堆肥區(qū)下懸門掉入到堆肥區(qū);(4)該高床豬舍為了清潔傾斜下床上殘留的糞、尿,在其傾斜下床上安裝了刮糞板裝置,而刮糞板會(huì)在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺紋的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行上下移動(dòng),并同時(shí)也可以通過控制水泵啟停使水壓增大并通過下床噴水管進(jìn)行噴水沖洗傾斜下床,以達(dá)到清潔傾斜下床的目的;

圖1 高床發(fā)酵型生態(tài)養(yǎng)豬模型

1.3 可堆肥高床豬舍內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以YFL-2N24MR-6AD2A-2U型國產(chǎn)PLC為核心控制器,遠(yuǎn)程監(jiān)控(如圖2所示)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中的溫度濕度傳感器采用的是RS485顯示溫濕度傳感器,該傳感器的優(yōu)勢(shì)是其能發(fā)出兩路信號(hào),分別是濕度信號(hào)和溫度信號(hào)。氨氣濃度的監(jiān)測(cè)則是采用MMD1002氨氣氣體濃度傳感器,檢測(cè)范圍是0到75毫克每立方米;風(fēng)機(jī)采用交流負(fù)壓風(fēng)機(jī),交流負(fù)壓風(fēng)機(jī)的應(yīng)用,既能保障豬舍在夏天的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)防暑降溫,又能保障豬舍通風(fēng)除濕,降低注射類的氨氣濃度。高壓水槍裝置清洗豬舍,并在一定程度上實(shí)現(xiàn)降溫加濕。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 豬舍下床環(huán)境清潔車設(shè)計(jì)

2.1 下床清潔車的整體設(shè)計(jì)

基于PLC來控制清潔車中有害氣體傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)有害氣體的濃度。如果危險(xiǎn)氣體濃度高于正常值,控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開豬舍中的變速通風(fēng)裝置,及時(shí)排放有害氣體。當(dāng)PLC監(jiān)測(cè)到豬舍內(nèi)的溫度、濕度、氨氣值情況異常,會(huì)根據(jù)當(dāng)前情況自動(dòng)開啟或者關(guān)閉交流負(fù)壓風(fēng)機(jī),自動(dòng)啟動(dòng)清潔車對(duì)糞便進(jìn)行清理,集中堆放,自動(dòng)啟動(dòng)高壓水槍對(duì)豬舍進(jìn)行清洗,完成全部動(dòng)作后,清潔車自動(dòng)對(duì)墊料進(jìn)行鋪設(shè)。

糞污智能清掃小車第一層放置YFL-2N24MR-6AD2A-2U型國產(chǎn)PLC、八路物聯(lián)網(wǎng)智能控制器、6-DZF-12型電動(dòng)車專用蓄電池、中間繼電器、EV360-T1224型12V轉(zhuǎn)24V升壓器等各種貴重電氣元件。第二層放置DP-521型水泵和水箱。第三層放置相應(yīng)的噴頭。設(shè)計(jì)思想如圖3。

圖3 設(shè)計(jì)思想

2.2 下床清潔車的硬件設(shè)計(jì)

選用YFL-2N24MR-6AD2A-2U型國產(chǎn)PLC 為主控制器。該控制器提供RS-232 和RS-485串口供程序下載和遠(yuǎn)程通訊。15路輸入、11路繼電器輸出。支持4 路模擬電流量轉(zhuǎn)數(shù)字量供氣體傳感器接口和2路數(shù)字量轉(zhuǎn)模擬電壓量控制電機(jī)、水泵運(yùn)行。

PLC、紅外光電傳感器、八路物聯(lián)網(wǎng)智能控制器、中間繼電器取用蓄電池利用EV360-T1224型12V轉(zhuǎn)24V升壓器從12V升壓至24V電壓來做為能源,四驅(qū)輪胎電機(jī)和DP-521型水泵直接取用蓄電池12V電壓。

四驅(qū)輪胎電機(jī)和DP-521型水泵也是通過中間繼電器與PLC輸出口連接,使PLC通過控制中間繼電器的關(guān)合來控制四驅(qū)輪胎電機(jī)和DP-521型水泵的工作。電氣元件表如表1所示,PLC具體連接圖如圖4。

表1 電氣元件表

圖4 PLC接線圖

2.3 下床清潔車的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制過程及對(duì)象分析,清潔車I/O地址分配如表2所示,部分梯形圖如圖5所示。

圖5 梯形圖

表2 清潔車I/O地址分配表

糞污智能清潔車硬件部分搭建完成后,需要使用PLC電控程序以及合適的通訊協(xié)議才能使各硬件部分智能、可靠運(yùn)行。通過遙控器或手機(jī)操作頁面控制清潔車進(jìn)行行進(jìn)、高壓噴水清潔、消毒、堆肥等操作。操作流程圖如圖6、遙控器如圖7。

圖6 操作流程圖

圖7 遙控器

3 結(jié) 論

結(jié)合我國東北地區(qū)生豬養(yǎng)殖業(yè)向規(guī)模化、集約化、智能化發(fā)展的需要,以控制低溫地區(qū)可堆肥的高床豬舍內(nèi)部環(huán)境為目的,利用PLC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)等結(jié)合設(shè)計(jì)出一種高床豬舍環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。主要進(jìn)行工作如下:

1)養(yǎng)殖區(qū)根據(jù)東北地區(qū)氣候條件,優(yōu)化高床豬舍床下溫度控制方案,設(shè)計(jì)出適合東北低溫條件下豬生活的保溫系統(tǒng)?；诟叽藏i舍床下的生態(tài)化環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)考慮,設(shè)計(jì)出床下墊料與發(fā)酵菌相結(jié)合,使糞便轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)肥,實(shí)現(xiàn)廢物資源化利用。在保溫系統(tǒng)之上設(shè)計(jì)出通風(fēng)散氣系統(tǒng)。利用PLC設(shè)計(jì)適用于東北低溫地區(qū)的高床豬舍床下環(huán)境保護(hù)控制系統(tǒng)。

2)床下基于清潔衛(wèi)生、消毒、鋪設(shè)墊料、使糞便轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥、排除有害氣體的思想,設(shè)計(jì)出集鋪蓋墊料層與發(fā)酵菌、翻堆推積墊料與糞便、監(jiān)測(cè)有害氣體功能的高床豬舍床下環(huán)境清潔車。對(duì)清潔車的組成部分進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)出合理結(jié)構(gòu)。對(duì)高床豬舍床下環(huán)境維護(hù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與研究。

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