汪衛(wèi)樂，高軍禮，朱慧華，陳 瑋

(廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州510006)

隨著家禽養(yǎng)殖規(guī)模化的提高，環(huán)境因素對養(yǎng)殖生產(chǎn)的影響愈來愈顯著.目前，我國大多數(shù)家禽養(yǎng)殖處于人工階段，尤其是禽舍內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)，采用飼養(yǎng)人員對環(huán)境的主觀判斷來控制相應的機械設備［1-3］，遠遠不能滿足標準化、規(guī)?；图s化的需求.本文立足于該問題，以廣州市番禺區(qū)某養(yǎng)殖示范基地為研究對象，提出了一種以力控組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，利用多傳感器進行環(huán)境信息采集，通過研華ADAM模塊控制現(xiàn)場設備來調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的分布式養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng).實現(xiàn)溫度、濕度、氨氣、硫化氫等環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，從而改善養(yǎng)殖環(huán)境，提高管理效率和決策水平.

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設計

規(guī)模化家禽養(yǎng)殖，除了依靠飼料、防疫、疾病治療和育種外，急需改進配套的養(yǎng)殖設備和環(huán)境控制技術(shù)，實現(xiàn)自動化管理［4-6］.為此，本文設計家禽養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示.系統(tǒng)針對多個禽舍構(gòu)成的禽舍群構(gòu)建二層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu).上層網(wǎng)絡為養(yǎng)殖場局域網(wǎng)，連接禽舍ADAM4570、視頻服務器和監(jiān)控中心計算機，提供數(shù)據(jù)傳輸和共享.下層網(wǎng)絡為數(shù)據(jù)采集和控制網(wǎng)絡，該層以禽舍為單元，各環(huán)境檢測模塊、ADAM4069以及ADAM4055通過RS485/MODBUS串行總線的方式與ADAM4570互連，由ADAM 4570實現(xiàn)RS485到Internet的轉(zhuǎn)換，通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心.實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的實時采集和現(xiàn)場設備的實時監(jiān)控.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of system

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 ADAM模塊介紹

研華ADAM模塊是具有內(nèi)制微處理器的傳感器到計算機的智能接口模塊，它通過ASCII碼格式命令和RS485協(xié)議收發(fā)高速率、遠距離信號，并提供信號調(diào)理、隔離、數(shù)據(jù)對比、數(shù)字通信、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等功能［7］.

ADAM4570:具有兩路RS232/485/422到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，支持TCP/IP協(xié)議、10/100 Base-T標準，具有標準串行配置.可把PC機串行口擴展到255個，擴展的串行口和PC機物理上分開，邏輯上如同在本機上一樣，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從RS485到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換.

ADAM4055:數(shù)字量輸入輸出模塊，RS485接口.8通道數(shù)字隔離輸入，8通道數(shù)字隔離輸出，其中，數(shù)字隔離輸入支持干節(jié)點輸入，邏輯0表示開關(guān)斷開，邏輯1表示開關(guān)閉合，用于監(jiān)測禽舍設備的狀態(tài).

ADAM4069:繼電器輸出模塊，RS485接口.4通道Form A，4通道Form C，額定負載為AC 5 A@240 V，用于控制禽舍設備的啟動/停止.

2.2 環(huán)境采集單元

本系統(tǒng)考慮的環(huán)境參數(shù)有5種:溫度、濕度、光照度、氨氣和硫化氫.為完成各環(huán)境參數(shù)的采集，設計如圖2所示的環(huán)境采集單元.該單元采用分布式結(jié)構(gòu)，所用檢測模塊直接掛接在RS485總線上，方便系統(tǒng)快速集成和擴展.溫濕度檢測模塊采用九純健JCJ100N數(shù)字式溫濕度變送器;氣體檢測模塊采用馳誠QB2000N系列氣體變送器;光照度檢測模塊采用拓達ESM-ZD光照度變送器.各模塊均以24 V直流電源供電，模塊間通過標準的工業(yè)通信協(xié)議Modbus進行通信.采集數(shù)據(jù)通過ADAM4570的Port1端口上傳至監(jiān)控中心.由于禽舍內(nèi)各環(huán)境參數(shù)呈不均勻分布狀態(tài)，因此采用多傳感器合理布局，利用算術(shù)平均值法得到禽舍內(nèi)各環(huán)境參數(shù).

圖2 環(huán)境采集單元Fig.2 Enviromental collection unit

2.3 設備監(jiān)控單元

設備監(jiān)控單元完成對送料系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、自動卷簾系統(tǒng)、風機系統(tǒng)的控制和監(jiān)視.該單元采用研華ADAM4069、ADAM4055和ADAM4570實現(xiàn).其中，利用ADAM4069控制設備的啟停，利用ADAM4055監(jiān)視設備的運行狀態(tài)，最后由ADAM4570轉(zhuǎn)換模塊完成與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信.模塊間接線如圖3所示.

圖3 ADAM模塊間連接圖Fig.3 Connection of ADAM modules

下面以噴霧系統(tǒng)為例介紹如何對禽舍內(nèi)噴霧的監(jiān)控，其電氣原理圖如圖4所示.結(jié)合圖3，為實現(xiàn)對噴霧的控制，將ADAM4069的一組繼電器輸出接點的NO和COM并接在02和03的兩端，另一組輸出接點的NC和COM串接在01和02之間.其工作原理為:當監(jiān)控中心PC機發(fā)出啟動噴霧命令后，通過ADAM4570的Port2端口轉(zhuǎn)發(fā)給ADAM4069，ADAM4069相應繼電器輸出接點的NO和COM閉合，KM1通電，KM1常開觸點閉合，噴霧啟動;當監(jiān)控中心PC機發(fā)出停止噴霧命令后，通過ADAM4570的Port2端口轉(zhuǎn)發(fā)給ADAM4069，ADAM4069相應繼電器輸出接點的NC和COM斷開，KM1斷電，KM1常閉觸點斷開，噴霧停止;為實現(xiàn)對噴霧的監(jiān)視，將交流接觸器KM1的常開觸點一端接在ADAM4055的DI0，另一端接在D.GND.其他設備的監(jiān)控與噴霧類似.

圖4 噴霧系統(tǒng)電氣原理圖Fig.4 Electrical diagram of spray system

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)采用力控Forcecontrol 6.1組態(tài)軟件開發(fā).該軟件是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集與過程控制的專用軟件，提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法［8-9］.只要將軟件中預設置的各種模塊進行簡單的“組態(tài)”，便可以容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控的各項功能.

3.1 人機界面設計

根據(jù)養(yǎng)殖場對監(jiān)控系統(tǒng)的要求，運用力控開發(fā)系統(tǒng)Draw提供的工具設計的主要界面有:登錄界面、事件記錄、數(shù)據(jù)報表、趨勢曲線、參數(shù)設定等.禽舍現(xiàn)場設備監(jiān)控界面如圖5所示，各設備界面顯示相應設備的狀態(tài)以及實現(xiàn)控制的按鈕.另外，每個界面還包含禽舍環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和上下限數(shù)據(jù)，可作為手動操作的依據(jù)，避免操作的隨意性和主觀性.

圖5 設備監(jiān)控界面Fig.5 Device monitoring and controlling interface

3.2 定義I/O設備

力控ForceControl6.1組態(tài)軟件是通過I/O驅(qū)動程序與控制設備進行數(shù)據(jù)交換的［10］.I/O驅(qū)動程序一方面將I/O設備寄存器中的數(shù)據(jù)讀出后，傳送到實時數(shù)據(jù)庫，最后在畫面上動態(tài)顯示;另一方面，它將控制指令經(jīng)過處理后通過實時數(shù)據(jù)庫下發(fā)給控制設備，對執(zhí)行機構(gòu)進行控制.定義I/O設備即是設置其驅(qū)動程序中的各項參數(shù).本監(jiān)控系統(tǒng)全部I/O設備采用Modbus/Rtu驅(qū)動程序，其設置如下:在I/O設備組態(tài)-MODBUS-標準MODBUS-MODBUS(RTU串行口)項上雙擊添加設備驅(qū)動，根據(jù)界面向?qū)瓿稍O備名稱、更新周期、通迅地址、串口、數(shù)據(jù)格式等設置，如圖6所示.

圖6 I/O設備驅(qū)動連接Fig.6 Connection of I/O device driver

3.3 創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫是整個監(jiān)控軟件的核心.它由管理器和運行系統(tǒng)組成.運行系統(tǒng)將組態(tài)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等以一定的組織形式存儲在介質(zhì)上［11］，管理器可以生成實時數(shù)據(jù)庫的基礎組態(tài)數(shù)據(jù)，對運行系統(tǒng)進行部署.創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫就是在管理器中建立數(shù)據(jù)庫點，并與ADAM模塊和檢測模塊的數(shù)據(jù)連接.

本系統(tǒng)中所要創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫變量有溫度、濕度、光照度、有害氣體濃度以及設備的控制等，另外，還包含一些需要保存的數(shù)據(jù)庫變量.在力控“開發(fā)系統(tǒng)”中，雙擊“數(shù)據(jù)庫組態(tài)”，彈出“DBManager”數(shù)據(jù)庫管理窗口，按照所要創(chuàng)建點的類型創(chuàng)建新點，設置其各項參數(shù)，包括基本參數(shù)和報警參數(shù)，并且進行相應的量程轉(zhuǎn)換，然后在“數(shù)據(jù)連接”中將已創(chuàng)建的點與現(xiàn)場I/O設備的某一具體數(shù)據(jù)項建立一一對應關(guān)系，完成點參數(shù)的數(shù)據(jù)連接.

3.4 動作腳本

系統(tǒng)中涉及到窗口腳本動作、應用程序腳本動作、條件腳本動作以及數(shù)據(jù)改變腳本動作.數(shù)據(jù)改變動作的部分腳本如下:

∥手動/自動切換設置

if A_CHANG.PV==0 thenA_Operate=“手動”;DeviceClose(“YHO1”，0);DeviceClose(“YHO2”，0);DeviceClose(“YHO3”，0);DeviceName=“手動/自動切換”;DeviceState=“手動”;elseA_Operate=“自動”;DeviceOpen(“YHO1”，“”，0);DeviceOpen(“YHO2”，“”，0);DeviceOpen(“YHO3”，“”，0);DeviceName=“手動/自動切換”;DeviceState=“自動”.

3.5 參數(shù)設定

根據(jù)雞種和雞齡的不同設置禽舍內(nèi)環(huán)境因子限定表，主要包括溫濕度上下限、光照度上下限、光照時間、有害氣體上限等.采用ACCESS作為嵌接數(shù)據(jù)庫來完成數(shù)據(jù)的存儲和管理.其實現(xiàn)過程如下:(1)創(chuàng)建SQL數(shù)據(jù)庫模版，模版中定義數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu).(2)數(shù)據(jù)表綁定，定義組態(tài)軟件中的變量和數(shù)據(jù)表字段的對應關(guān)系，需保證數(shù)據(jù)表模板和數(shù)據(jù)表綁定表中字段的一致性.(3)數(shù)據(jù)庫操作，利用組態(tài)軟件中的SQL語句對數(shù)據(jù)庫操作.該參數(shù)設定表具有增加、刪除、修改、查詢、導出等功能.參數(shù)設定界面如圖7所示.

圖7 參數(shù)設定界面Fig.7 Parameter setting interface

4 控制策略

禽舍環(huán)境由照明系統(tǒng)、風機系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、卷簾系統(tǒng)來調(diào)控.由于禽舍環(huán)境具有非線性、強耦合，大滯后等特性［12-13］，采用傳統(tǒng)的方法很難實現(xiàn)禽舍環(huán)境的自動控制，因此，該系統(tǒng)對具有強耦合特性的溫濕度采用聯(lián)合控制的方案.其他如光照度、氨氣、硫化氫的調(diào)整則采用范圍設定的方式.控制策略流程如圖8所示.

控制周期設定為5 min.溫濕度判斷是將溫濕度分為高、中、低3級.根據(jù)判斷結(jié)果查詢預先定義好的溫濕度控制表并執(zhí)行相應策略，完成溫濕度聯(lián)合控制，控制策略可由操作人員根據(jù)季節(jié)、天氣等進行調(diào)整.氨氣和硫化氫的濃度主要靠風機來調(diào)節(jié).光照度由照明系統(tǒng)來調(diào)節(jié).

圖8 控制策略流程圖Fig.8 Flowchart of control strategy

5 系統(tǒng)調(diào)試及運行

根據(jù)本文設計的設備監(jiān)控單元如圖9所示.利用Serial Device Server Configuration Utility配置ADAM4570的IP地址;數(shù)據(jù)傳輸方式為RS485;數(shù)據(jù)格式為10位:1起始位，8數(shù)據(jù)位，0校驗位，1停止位;將Port1和Port2分別自動映射為COM1和COM2，實現(xiàn)計算機和ADAM4570通信.

運行研華應用軟件ADAM-4000-5000 Utility配置ADAM4055、ADAM4069，使其設備地址與監(jiān)控系統(tǒng)中定義的地址一一對應，通信協(xié)議為Modbus.

設置環(huán)境檢測模塊的地址與監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)時定義的地址對應.

進入家禽養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，對各功能單元分別進行調(diào)試后，系統(tǒng)正常運行.系統(tǒng)監(jiān)控畫面如圖10所示.

圖9 設備監(jiān)控單元Fig.9 Device monitoring and controlling unit

圖10 系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig.10 System monitoring and controlling interface

6 結(jié)論

本文針對家禽養(yǎng)殖業(yè)存在的人工成本高、環(huán)境控制盲目等普遍問題，采用組態(tài)軟件、RS485現(xiàn)場總線和ADAM模塊設計家禽養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)集現(xiàn)場監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理于一體，具有以下特點:(1)分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊化的設計方法，使系統(tǒng)易于擴展和便于維護;(2)人機界面友好，操作方便;(3)采用自動控制策略，避免了人工操作的主觀性和隨意性.該系統(tǒng)已于2012年12月在廣州市番禺區(qū)某養(yǎng)殖場投入運行.

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