胡 韜，壽哲明，王子成，黃兆波

云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，云南昆明 650201

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展、時代進步，在全球化背景下，中國人在飲食結(jié)構(gòu)方面受到西方飲食習(xí)慣影響，逐步開始“全民牛奶運動”熱潮。作為世界第一人口大國，對牛奶需求量極高，并且對牛奶品質(zhì)要求相對更高。近年隨著市場經(jīng)濟發(fā)展，乳品行業(yè)競爭激烈。云南省作為畜牧業(yè)大省，為乳品行業(yè)提供豐富的乳制品資源，在國內(nèi)外市場不可或缺。產(chǎn)量高、品質(zhì)好的牛奶對促進云南省畜牧業(yè)發(fā)展和提高養(yǎng)殖利潤具有促進作用[1]。

本次設(shè)計主要根據(jù)荷斯坦牛的泌乳階段生長環(huán)境，即在規(guī)模養(yǎng)殖下，溫度、濕度和光照時間對奶牛產(chǎn)奶量有極大影響。研究表明，荷斯坦牛在高于24 ℃、低于8 ℃的環(huán)境下，產(chǎn)奶量出現(xiàn)下降趨勢[2]。合理利用人工補光照明也能使奶牛提高進食量從而有效提高產(chǎn)奶量。在奶牛養(yǎng)殖日益精細化、科學(xué)化的管理下，合理利用光照及溫度控制等資源，對牧場降低成本、提高效益、提升競爭力有很大的實際意義。因此，合理對養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測及控制，是提高奶牛生產(chǎn)效率和經(jīng)濟利益的有效工具[3]。

1 控制要求

1.1 光照控制要求

間歇性光照和接近自然光的光譜對泌乳期奶牛產(chǎn)奶量有一定影響。通過人工增加光照使產(chǎn)奶期奶牛每天光照15 h以上，可提高產(chǎn)奶量8%～10%[4]。燈光控制要求分為兩種：第一種是晚上7點至12點打開燈光，為奶牛進食提供照明，晚上12點以后奶牛進入反芻階段，需調(diào)低燈光強度至100 Lux，為奶牛提供適當(dāng)?shù)男菹⒄彰?，直至早?點關(guān)閉燈光。第二種是白天天氣陰沉導(dǎo)致光照強度不夠，利用傳感器檢測數(shù)據(jù)來判斷是否需要打開補光燈。

1.2 溫度控制要求

奶牛是喜涼怕熱的哺乳動物，溫度過高會產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)奶量下降，甚至停止產(chǎn)奶。要求泌乳牛舍溫度高于22 ℃時打開降溫措施，溫度低于20 ℃時關(guān)閉降溫措施。

2 環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

牛舍溫度、濕度、光照強度等影響產(chǎn)奶量?，F(xiàn)代牛舍控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)這些環(huán)境因素變化，自動調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)，如燈光調(diào)節(jié)、降溫裝置等。本設(shè)計基于PLC控制器、組態(tài)觸摸屏和物聯(lián)網(wǎng)平臺，設(shè)計泌乳牛舍環(huán)境測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)配有溫濕度傳感器、光照傳感器、風(fēng)速傳感器，利用485通訊將傳感器數(shù)據(jù)送入PLC控制器。PLC控制器通過檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的自動運行，并在HMI上顯示運行狀態(tài)。HMI界面設(shè)置環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示，同時能完成數(shù)據(jù)存儲、歸檔，便于管理人員通過歷史數(shù)據(jù)做分析和研究。此外通過HMI自帶云平臺功能，可把觸摸屏控制界面實時傳送至手機APP，增加系統(tǒng)的控制靈活性（圖1）。

圖1 系統(tǒng)組成

2.2 硬件選型

2.2.1 燈光選型

目前牛舍照明多采用不可調(diào)控的白熾燈照明，導(dǎo)致不能滿足上述可調(diào)節(jié)燈光要求。該系統(tǒng)采用0～10 V可調(diào)LED防水工礦燈，可利用PLC的模擬量0～10 V輸出進行無極調(diào)光，基本滿足光照控制要求（表1）。

表1 燈光參數(shù)表

2.2.2 控制器及HMI選型

根據(jù)上述要求，本設(shè)計采用西門子1200AC/DC/RLY作為核心控制器，外加485通訊模塊和模擬量輸出模塊，485通訊模塊用于讀取傳感器數(shù)據(jù)，模擬量輸出模塊用于調(diào)節(jié)光照強度。此PLC帶有以太網(wǎng)接口和模擬量輸入、數(shù)字量輸入輸出接口。HMI采用威綸通CMT2109X2，自帶以太網(wǎng)接口和云端平臺，可通過購買威綸通云平臺賬號，實現(xiàn)后期手機APP監(jiān)控功能?？刂破骱虷MI能實現(xiàn)以下功能：

①可接收HMI上所設(shè)置的溫度、光照強度等參數(shù)的上下限值設(shè)置。

②可實時監(jiān)測輸入部分環(huán)境數(shù)據(jù)，并在HMI上實時顯示。

③根據(jù)采集的輸入值進行程序處理，動態(tài)執(zhí)行補光、啟停散熱風(fēng)扇等操作。

④根據(jù)采集的輸入值，在故障和報警時可發(fā)出報警信號。

⑤養(yǎng)殖戶可根據(jù)經(jīng)驗，進行手動開啟或關(guān)閉執(zhí)行機構(gòu)。

2.2.3 檢測輸入部分選型

由于牛舍面積較大，傳感器和PLC通訊距離較遠，此設(shè)計采用485總線通訊協(xié)議傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳感器型號、地址等參數(shù)見表2，485總線接線見圖2。

表2 傳感器參數(shù)表

圖2 485總線接線圖

2.3 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括I/O地址分配表、PLC控制電路和主電路。

2.3.1 I/O地址分配及PLC端口接線

I/O地址是PLC和外部設(shè)備之間聯(lián)系的主要通道，通過對該控制系統(tǒng)中各類輸入信號和輸出信號進行區(qū)分，并在PLC里分配不同的地址，來實現(xiàn)PLC和外部設(shè)備之間信息交換，可使PLC準確無誤控制外部輸出設(shè)備[5]，部分I/O分配表如表3所示。

表3 部分I/O分配表

根據(jù)I/O分配表，PLC端口接線如圖3、圖4所示。

圖3 PLC輸入接線圖

圖4 PLC輸出接線圖

2.3.2 主電路設(shè)計

主電路圖采用三線四線制進行設(shè)計，L1、L2、L3、N四線?？紤]節(jié)省控制器件，每三臺風(fēng)扇電機利用一臺熔斷器做過載保護，每臺電機采用單獨的一個交流接觸器做獨立控制，燈光以15 盞并聯(lián)采用一個交流接觸進行控制，如圖5所示。

圖5 PLC主電路圖

2.4 軟件設(shè)計

2.4.1 系統(tǒng)流程圖

如圖6所示，工作模式分為手動模式和自動模式。手動模式時養(yǎng)殖戶可根據(jù)養(yǎng)殖經(jīng)驗自行手動控制燈光和風(fēng)扇的開閉。自動模式通過傳感器采集數(shù)據(jù)，由控制器程序判斷執(zhí)行輸出設(shè)備的過程。

圖6 系統(tǒng)流程圖

2.4.2 HMI界面設(shè)計

主界面：泌乳牛舍主界面如圖7所示。開機后顯示界面，通過按鍵可進入對應(yīng)操作界面，如環(huán)境溫濕度監(jiān)控界面等[6]。界面切換按鍵采用功能鍵進行編輯，功能選擇切換基本窗口，然后選擇對應(yīng)窗口。編輯好后仿真時能正常切換界面。

圖7 HMI主界面

泌乳牛舍運行界面：該界面將環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)實時顯示。需要手動操作時，可進行手動模式、自動模式切換。還可手動控制溫濕度控制系統(tǒng)和設(shè)備運行狀態(tài)顯示。該界面分為六塊區(qū)域，分別是：界面標(biāo)題及時間顯示區(qū)域、環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示區(qū)域、運行狀態(tài)指示區(qū)域、手動控制區(qū)域、自動/手動切換控制區(qū)域和窗口切換按鍵區(qū)域（圖8）。

圖8 HMI泌乳牛舍運行界面

參數(shù)設(shè)置界面：主要通過手動設(shè)置溫濕度上下限、PLC內(nèi)部時鐘校準和一些程序參數(shù)，使控制程序可通過參數(shù)調(diào)節(jié)變得更靈活（圖9）。

圖9 HMI參數(shù)設(shè)置界面

2.4.3 HMI遠程操控設(shè)計

威綸通觸摸屏要實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，需用到EasyAccess2.0。EasyAccess2.0將觸摸屏與遠端設(shè)備建立通訊，遠端設(shè)備通過EasyAccess2.0的對應(yīng)軟件，可對現(xiàn)場觸摸屏監(jiān)控[7]。

EasyAccess2.0云平臺可對HMI分配和管理。通過管理員賬號操作將HMI分配給用戶，該用戶登錄EasyAccess2.0軟件，可在軟件內(nèi)對觸摸屏控制操作（圖10）。

圖10 EasyAccess2.0用戶設(shè)備管理示意圖

泌乳牛舍環(huán)境測控系統(tǒng)最后部分是通過網(wǎng)絡(luò)將操作控制系統(tǒng)上傳到云端[8]，實現(xiàn)遠程對程序控制和數(shù)據(jù)查看。本次選用的威綸通觸摸屏可輕松實現(xiàn)這個功能，CMT2109X2這款產(chǎn)品帶有一個以太網(wǎng)絡(luò)接口10/100 Base-T×1，通過網(wǎng)口進行網(wǎng)絡(luò)連接。

在HMI設(shè)計界面時需添加一個功能鍵，點擊該功能鍵，彈出EasyAccess2.0 視窗。點擊[Start]按鍵，開啟EasyAccess2.0的遠端功能（圖11）。

圖11 EasyAccess2.0開啟彈出窗口

電腦或手機都有對應(yīng)EasyAccess2.0軟件，使用所需監(jiān)控的觸摸屏對應(yīng)EasyAccess2.0用戶賬號登錄，可對想要監(jiān)控的HMI設(shè)備進行遠端操作。

3 結(jié)語

泌乳牛舍環(huán)境測控系統(tǒng)通過主控制器PLC與HMI控制牛舍的燈光、風(fēng)扇，接收和顯示牛舍環(huán)境參數(shù)；通過安裝溫濕度和光照等傳感器，實時監(jiān)測牛舍環(huán)境；實現(xiàn)PLC組態(tài)觸摸屏和物聯(lián)網(wǎng)平臺通訊，自動執(zhí)行牛舍環(huán)境調(diào)整措施。該系統(tǒng)減少奶牛養(yǎng)殖過程中人工操作的延時性及不穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)自動化控制牛舍環(huán)境，間接提高奶牛產(chǎn)奶量和質(zhì)量。試驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，界面操作方便，具有較好的推廣價值。