王志秦

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

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基于S7-200PLC的牲畜圈舍自動控制系統(tǒng)設(shè)計

王志秦

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063020)

摘要：針對目前牲畜圈舍養(yǎng)殖環(huán)境衛(wèi)生差、管理粗放、影響牲畜養(yǎng)殖效益的問題，對牲畜圈舍進(jìn)行技術(shù)改造，設(shè)計了一套牲畜圈舍自動控制系統(tǒng)。將S7-200PLC作為系統(tǒng)控制的核心，通過溫度傳感器對環(huán)境溫度進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，采用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計控制界面，對溫度信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)牲畜圈舍糞便的自動清掃、溫度自動調(diào)整、自動喂水排水等控制功能。通過實(shí)驗(yàn)室制作模型進(jìn)行了模擬運(yùn)行，此系統(tǒng)操作簡便、可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)對牲畜圈舍的自動化管理。

關(guān)鍵詞：S7-200PLC；MCGS；牲畜圈舍；自動控制系統(tǒng)

0引言

目前國內(nèi)牲畜養(yǎng)殖企業(yè)普遍存在的問題有：衛(wèi)生環(huán)境差，糞便清掃困難；溫度調(diào)控不及時；喂水靠人工，水槽不能及時清理。不僅使牲畜容易感染疾病，而且浪費(fèi)大量人力，影響經(jīng)濟(jì)效益。用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)牲畜養(yǎng)殖業(yè)，提高其整體效益，是加速牲畜養(yǎng)殖企業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的重要保障和必然要求。

德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLC功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越，有很高的市場認(rèn)可度，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛[1]。因此，筆者基于PLC設(shè)計了一套牲畜圈舍自動控制系統(tǒng)，采用S7-200PLC作為系統(tǒng)的控制核心，對牲畜圈舍實(shí)現(xiàn)糞便自動清掃、溫度自動調(diào)控、自動喂水、自動清理水槽等功能。

1總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)利用PLC完成牲畜圈舍系統(tǒng)的自動控制?？刂葡到y(tǒng)包括電源模塊、西門子S7-200PLC、傳感器、刮糞裝置模塊、溫度控制模塊、喂水等模塊。在電機(jī)上固定鏈條，通過電機(jī)帶動鏈條運(yùn)動，從而使安裝在鏈條上的刮糞裝置前進(jìn)或后退，以此達(dá)到清除糞便的目的。利用PT100溫度傳感器和EM235模塊對實(shí)時溫度進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，把溫度反應(yīng)到組態(tài)監(jiān)測界面，并在組態(tài)中設(shè)置高溫報警值、低溫報警值、低溫加熱值、高溫排風(fēng)值，方便工作人員對圈舍溫度進(jìn)行控制。利用電磁閥來控制喂水槽的定時喂水和排水。圖1為牲畜圈舍控制系統(tǒng)組成框圖。

圖1　牲畜圈舍控制系統(tǒng)組成框圖

2硬件設(shè)計

本系統(tǒng)選用德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLC為控制核心，分為溫度控制、喂水排水、刮糞裝置三個模塊。

2.1溫度控制模塊

采用熱電阻PT100作為溫度傳感器。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)溫度為0 ℃時PT100溫度傳感器的阻值為100 Ω，當(dāng)溫度為100 ℃時PT100溫度傳感器的阻值約為138.5 Ω，隨著溫度的上升它的阻值呈線性變化[2]。

采用EM235模擬量輸入/輸出混合模塊，每一個EM235能夠同時擴(kuò)展3路模擬量輸入和1路模擬量輸出通道，其中A/D轉(zhuǎn)換時間為25 μs，D/A轉(zhuǎn)換時間為100 μs，位數(shù)都為12位。而EM235模塊能夠直接將被測主回路中的交流電流轉(zhuǎn)換為按照線性比例輸出的直流4～20 mA(通過250 Ω電阻轉(zhuǎn)換DC 1～5 V或通過500 Ω電阻轉(zhuǎn)換DC 2～10 V)恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號，連續(xù)輸送到接收裝置中[3]。

溫度控制模塊框圖如圖2所示。在被控制系統(tǒng)的溫度測量點(diǎn)，溫度信號經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號后送入EM235模塊的模擬量輸入通道，PLC讀入由EM235模塊輸出的溫度值后，再取其平均值作為被控系統(tǒng)的實(shí)際溫度值。為了把溫度傳感器PT100隨溫度變化的電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度變化值，需要利用下面的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：T℃=(溫度數(shù)字量-0℃偏置量)/1℃數(shù)字量。

當(dāng)采集到的環(huán)境溫度超過預(yù)定值時，啟動排風(fēng)扇；當(dāng)溫度低于預(yù)定值時，啟動加熱器。當(dāng)溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，排風(fēng)扇和加熱器處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖2　溫度控制模塊框圖

2.2刮糞裝置模塊

在直流電機(jī)上固定鏈條，使安裝在鏈條上的刮糞裝置前進(jìn)或后退，以達(dá)到清除糞便的目的。在糞便通道的入口和出口設(shè)有限位開關(guān)，限制刮糞裝置的行程，刮糞裝置上裝配光電傳感器，當(dāng)刮糞裝置與牲畜達(dá)到限定距離時，裝置自動停止運(yùn)行，以防誤傷牲畜，同時增設(shè)延時功能，當(dāng)延時到一定時間后，牲畜沒有移動，則發(fā)出報警信號，再進(jìn)行人工處理。

2.3喂水、排水模塊

在上水管道和排水管道分別安裝電磁閥，電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔連接不同的管道，腔中間是活塞，兩面分別裝有電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來開啟或關(guān)閉不同的管道。

3軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以牛圈舍為例設(shè)定各參數(shù)。采用MCGS(Monitor and Control Generated System)組態(tài)軟件設(shè)計模擬運(yùn)行的界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。主要包括溫度控制程序、刮糞裝置電機(jī)控制程序、喂水排水控制程序和報警程序等模塊。

3.1PLC I/O口分配

圈舍自動控制系統(tǒng)I/O分配如表1所示。

3.2位存儲區(qū)匯總

程序中的PLC位存儲區(qū)如表2所示。

3.3PLC梯形圖設(shè)計

3.3.1溫度控制程序

PT100溫度傳感器的測量量程為0～100 ℃，并且模擬量范圍為4～20 mA，因?yàn)镻LC模擬通道的AIW0對應(yīng)的是6 400～32 000的整數(shù)，所以按照公式需要先減去6 400，轉(zhuǎn)換成雙整數(shù)，再把雙整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)，最后除以256得到0～100.0的實(shí)際溫度值。溫度采集程序如圖3所示。

表1　圈舍控制系統(tǒng)I/O分配

表2　PLC位存儲區(qū)匯總

圖3　溫度采集程序

牛圈舍較適宜溫度為5～25 ℃，設(shè)置溫度下降到5 ℃時開始啟動加熱器來升高溫度，如果加熱器沒有正常加熱，當(dāng)溫度降低到0 ℃時開始低溫報警。當(dāng)溫度達(dá)到25 ℃時排風(fēng)扇開始啟動降溫，如果排風(fēng)扇沒有正常工作，當(dāng)達(dá)到30 ℃時開始高溫報警。溫度控制程序如圖4和圖5所示。

圖4　低溫啟動加熱器

圖5　高溫啟動風(fēng)扇

3.3.2刮糞裝置電機(jī)控制程序

當(dāng)按下啟動按鈕或在組態(tài)界面中點(diǎn)擊啟動按鈕后，電機(jī)處于啟動狀態(tài)。當(dāng)按下停止按鈕或組態(tài)停止按鈕，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)刮糞裝置碰到左限位或右限位開關(guān)時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。為了防止誤傷牛，當(dāng)碰到牛時，刮糞板停止前進(jìn)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。部分程序如圖6所示。

圖6　刮糞裝置電機(jī)控制部分程序

3.3.3喂水排水程序

系統(tǒng)在每天8：10，11：10，15：10，18：10四個固定的時間段開始喂水。在每天9：10，12：10，16：10，19：10四個固定的時間段開始排水。喂水、排水部分程序如圖7和圖8所示。

圖7　喂水部分程序

圖8　排水部分程序

4MCGS組態(tài)界面設(shè)計

本系統(tǒng)選用MCGS構(gòu)成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。MCGS具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。MCGS通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4]。本系統(tǒng)組態(tài)界面由時間控制模塊、溫度控制模塊、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制模塊、喂水排水模塊和報警模塊構(gòu)成，模擬運(yùn)行界面如圖9所示，其中溫度控制窗口如圖10所示。

圖9　模擬運(yùn)行界面

圖10　溫度控制窗口

5系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試內(nèi)容包括：

(1)刮糞裝置的運(yùn)行是否正確，當(dāng)刮糞裝置碰到障礙物時是否停車等待。

(2)溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)運(yùn)行是否正確，當(dāng)溫度超過設(shè)定范圍時，是否自動啟動風(fēng)扇或者加熱器。

(3)給水和排水系統(tǒng)是否按照設(shè)定時間進(jìn)行自動喂水和排水。

(4)報警系統(tǒng)是否按要求正常報警。

(5)將組態(tài)界面與PLC現(xiàn)場連接調(diào)試，制作系統(tǒng)的機(jī)械化模型，通過觀察模型的運(yùn)行情況分析系統(tǒng)各個輸出是否正確，能否達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

6結(jié)論

基于S7-200PLC的牲畜圈舍自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圈舍糞便的自動清掃、溫度自動調(diào)整、定時自動喂水排水等控制功能。該系統(tǒng)結(jié)合MCGS組態(tài)軟件，既可以對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場控制，又可以通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)控，調(diào)試方便，維護(hù)量小，使牲畜圈舍環(huán)境得以智能化調(diào)控，避免了傳統(tǒng)的人工測定各種數(shù)據(jù)耗時費(fèi)力、獲得數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，而且能夠及時地了解各種環(huán)境因子的變化情況，并對環(huán)境參數(shù)自動控制，可以大大降低養(yǎng)殖場的投入成本，提高勞動生產(chǎn)率。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃寧.S7-200PLC在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28(9)：86-89.

[2]田裕鵬，姚恩濤，李開宇.傳感器原理[M].3版.北京：科學(xué)出版社，2007：309-312.

[3]喬橋.基于S7-200系列PLC及EM235模塊的谷物烘干設(shè)備研制[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012(4)：107-113.

[4]劉少軍，張思雨.基于MCGS的污水處理集散控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].研究與開發(fā)，2015，34(9)：48-51.

(責(zé)任編校：李秀榮)

An S7-200PLC-Based Design of Automatic Control System for the Livestock Houses

WANG Zhi-qin

(College of Intelligence and Information Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Abstract：The author of this paper has designed a new automatic control system for the livestock houses in view of the current low breeding efficiency due to the poor breeding livestock house sanitation and slack management. S7-200PLC is the core of the control system and temperature sensors collects and converts the environment temperature. MCGS is applied to design the control interface. This system can perform real-time monitoring of temperature， automatic cleaning， automatic adjustment o temperature， and automatic feeding and water drainage. Laboratory models were constructed and simulation showed that this system has the advantages of simple operation， high reliability and automatic management of livestock houses.Key Words： S7-200PLC；MCGS； livestock house；automatic control system

作者簡介：王志秦(1979-)，女，河北唐山人，講師，碩士，主要從事自動控制研究。

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-349X(2016)03-0021-04

DOI：10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.03.007