来源: bysj 编号:21Y312829 题目难度:中等

以下是大纲或介绍。


大纲
基于 PLC 的猪舍环境监控系统设计

基于 PLC 的猪舍环境监控系统设计

摘要 猪舍环境质量对猪只的生长发育、繁殖能力以及猪肉品质具有重大意义。畜牧业的生

产实际以及相关的研究证实了猪只的生长、繁殖以及饲养效率均深受猪舍环境的影响,因此

设计一款猪舍环境监控系统是很有必要的。猪舍养殖环境中对猪生长影响较大的参数主要包

括温度、湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度等,因此本设计主要选取以上四种环境参数对猪舍

进行监控。设计前期完成了对猪舍环境监控系统的结构设计,对整个系统的工艺要求和控制

流程进行详细划分。然后根据系统的功能要求,完成硬件选型,制定出 I/O 分配表,绘制出

PLC 的控制电路图以及系统的主电路。接着采用了博图 V16 进行梯形图 LAD 的编写,程序设

计完成后结合控制流程采用西门子 SIM 仿真器进行逐一验证调试。最后对 HMI 人机交互界面

进行人性化的设计并完成与 PLC 的通讯,采用 PN 以太网通信并完成程序和 HMI 的联机仿真

调试。本设计采用了西门子 S7-1500 可编程控制器进行集成控制,并结合人机交互界面 HMI

进行监控反馈,实现了模拟量参数读取,以及对各项参数超标或者较低情况下的报警处理功

能,在报警后通过 PLC 控制执行器自动调节猪舍内环境参数。并且 HMI 人机交互界面可以实

现以太网通讯采用PC端实时链接,在监控管理室即可完成对整个猪舍环境监控的协调管理。

整个猪舍环境监控采用了 PLC 集成控制,功能方面更加灵活可靠,监控各项参数的可视化程

度更高,并采用 PLC 集成控制调控环境,整个系统具备了高效、节能、可视化、智能等特点。

关键词: 可编程控制器 人机交互界面 猪舍环境 模拟量

第一章 绪论

1.1 选题背景

随着人们生活水平的提高,人们对食品质量的要求也逐渐增高。猪肉作为人们饮食中重

要的组成部分,其质量的好坏直接关系到人们的健康问题,而猪舍环境则是影响猪肉质量的

重要因素之一。生猪养殖当中温度、湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度等参数都至关重要,温

度和湿度的变化会导致猪的心率加快,其呼吸的次数增多直接影响到猪进食的食欲,温度的

差距较大不利于猪的增重。其次就是湿度的要求,湿度的合理把控可以降低猪舍细菌和疾病

的滋生,防止猪出现大规模生病的情况。再者就是二氧化碳和氨气,这类气体会直接刺激到

猪的呼吸道粘膜,影响到猪的神经中枢系统,诱发诸多疾病或者直接导致猪的死亡。因此,

研究并控制猪舍环境的温湿度及氨气浓度等因素对猪的健康和繁殖有着十分重要的意义。传

统的猪舍环境监控方式主要是人力巡视,上述参数是通过单一的仪表进行采集,并配合人工

完成对各个猪舍的数值情况进行记录。小规模的猪舍养殖还可以通过人工采集,但在大规模

的猪舍养殖当中人工投入就会逐倍增加,并且对于环境指标的监控不是实时性,管理者往往

不能及时的发现猪舍当中数值的大幅度变化。故这种方式存在时间长、误差大、效率低等缺

点,无法及时、准确地了解猪舍的实际环境状况。市场上非常需求一款可以实现远程监控的

猪舍自动化系统,对各个参数可以可视化实时呈现,并且对不在安全养殖区间内的数值进行

报警记录。

1.2 课题研究的目的及意义

本次设计的是猪舍环境监控系统,该系统可以配合HMI人机交互界面实现对猪舍环境的

各项参数进行监控反馈。相较于传统的人工配合传感器仪表进行记录,不仅在安全和效率上

大大提升,也能优化中间不必要的成本。本次设计采用了可编程控制器PLC作为整个系统的

核心控制,并采用HMI人机交互界面进行远程监控反馈。PLC可编程控制相较于传统半自动化

的接触器继电器控制的DSC仪表参数读取,从控制的功能上来说,采用PLC更加多样化,可以

实现更多智能化的功能。并且传统的继电器和接触器控制具有大量的机械触点,在控制接线

上较为复杂,后续的维护管理较为困难。本次设计的猪舍环境监控系统,监控通过HMI人机

交互界面,通过PN以太网传送至管理中心,管理人员无需在生产现场进行监控,通过HMI人

机交互界面即可实时了解整个系统的运行情况以及猪舍温度、湿度、二氧化碳、氨气数值的

实时可视化呈现。并且HMI人机交互界面可以对养殖当中出现的报警提示进行记录,方便后

续维护管理者及时的针对猪舍养殖数值进行调整。同时PLC控制的猪舍环境监控系统具备了

自动控制功能,通过控制加温暖灯、加湿器、风机等驱动元件可以调节猪舍环境中温度、湿

度、二氧化碳、氨气的数值,通过自动检测判定区间,PLC输出控制执行机构进行调节。采用

了该种设计可以实现猪舍环境一体化监控调节,无需人工干预自动报警自动调节的功能,大

大提高了养殖的效率降低人工成本。猪舍环境监控系统采用PLC控制还具有改造升级的优势,

相较于传统的复杂接线,PLC可以通过增减I/O端口的连接,修改PLC内部的程序直接实现整

个系统运行工艺的变更,在多样化的产品中无需进行大量的二次投入,更加的经济实惠。在

控制上,PLC的逻辑控制可以更快的优化整个控制流程,并且PLC适合高频率重复的运行,在

工业环节中也具有不错的抗干扰性。

1.3 国内外研究现状及发展趋势

1.3.1 国内研究现状和发展趋势

随着猪舍养殖的不断普及和应用,猪舍养殖从以往的小产量逐渐步入多元化商品的阶段,

市场的需求量逐渐增大,这也促使了猪舍养殖监控系统的快速发展。从 2005 至今我国的猪

舍建设总产量逐年递增 5%以上,随之而来的问题就是猪舍的智能化监控,由于传统猪舍都是

配合仪表,我国目前大多数猪舍养殖都采用多个工人配合作业完成猪舍的数据记录。这也导

致了所需要的人工成本较高,并且人工进行猪舍参数记录参数也不是实时的,中间存在较大

的可变性。这促使了我国智能化猪舍监控系统需要走自主研发的道路,逐渐优化结构来配合猪舍监控,并降低自动化设备的造价成本,让高智能化猪舍监控系统得以普及。

陈强在 2020 年以组态技术和物联网技术为基础,研究了一种基于环境参数采集和以太

网技术及 RS485 技术数据传输,以 PLC 控制器监控程序开发和监控中心(上位机)为监控终端

的畜禽舍环境实时监控系统,实时监测猪舍环境中的光照、温度、湿度和气体等环境因子,对

畜禽的健康成长、控制疾病的发生与疫情的传播、提高经济效益具有重要意义[1]。

王红军在 2021 年通过查阅大量文献资料,结合生猪的生长环境和特点设计一套基于窄

带物联网技术(Narrow Band Internet of Things,NB-Io T)的生猪养殖环境监控系统,以

STM32 单片机为微控制器,使用 NB-IoT 网络,结合中国移动 One Net 物联网平台,能够实时

地监控生猪的生长环境因素——温度、湿度、光照强度及有害气体的浓度等[2]。

梁懋峥在 2022 年选取温湿度、光照强度、硫化氢浓度、氨气浓度、二氧化碳浓度这五

种环境因素对猪舍进行调控,以组态王为基础,以 PLC 作为控制单元,布线采用 ZigBee 无线

网络技术,研究设计出了一个较为完备的猪舍环境监测系统[3]。

1.3.2 国外研究现状和发展趋势

欧盟长期以来推行与实施动物福利,促使了荷兰 Nedap 公司研发 Velos 母猪集群养殖管

理系统,提供一种智能化福利养猪模式,改变了母猪的粗放式管理,具有智能报警、自动喂

料、实时报警功能,实现了精细化管理猪舍环境。荷兰 Big Dutchman 公司研制了畜禽环境

监控管理系统(The Agro Management and Control System, Amacs),灵活适应各种局部环

境,实现了实时监控温度、湿度、氨气浓度等数据,具有报警推送功能,还可以通过网络远

程调控舍内温度以及进行喂料、通风等操作。J.Hwang 等设计了一种养猪场综合管理系统,

利用无线传感器网络收集猪的生长环境信息,并实现了远程调控现场设备,优化猪舍环境参

数[4]。国外最先进的猪舍监控系统来自德国,德国是典型的工业自动化国家,对于生产中降

低人工参与和成本一直以来都是德国工业发展的趋势。早期德国西门子从开发出西门子可编

程控制器后,在工业生产中自动化的应用就飞速的发展。从 2000 年开始德国就拥有了第一

条较为成熟的猪舍监控系统,该系统最早采用 Modbus 通讯并配合 DSC 仪表技术进行对猪舍

养殖的参数读取,并且在传感器检测方面的容错率也是最低的,间接保障了后续管理者对养

殖参数采集的精确性。随后几年中德国又研发出可以采用算法控制的猪舍监控系统,并且配

合了 LabVIEW 视觉监控系统实现真正意义上的无人自动化全天候监控。早期通过 AOI 设备配

合计算机图像处理技术,德国的猪舍监控可以对不同规格的猪养殖区域进行智能化划分,而

不像传统的猪舍监控只能对单一数据监控识别。随着德国的猪舍监控体系不断发展,监控方面已经不单单采用数字化的监控反馈,逐步开始对数据上传云端管理,可以让管理者了解猪

每个阶段中猪舍的参数,对猪养殖的变化通过大数据的分析逐一优化最佳养殖数值,并且云

端可以对养殖参数中出现的数值超标进行记录和条件触发时间的采集。发展至今德国已经开

始迈入工业 4.0 发展阶段,猪舍监控系统已经不是简单的单向监控手段,更加向着拓展物联

网的趋势发展,达到数字化技术的支持。

目 录

第一章 绪论 ..................................................... 1 

1.1 选题背景 .............................................................. 1

1.2 课题研究的目的及意义 .................................................. 2

1.3 国内外研究现状及发展趋势 .............................................. 2

1.3.1 国内研究现状和发展趋势........................................... 2

1.3.2 国外研究现状和发展趋势........................................... 3

1.4 研究内容 .............................................................. 4

第二章 猪舍环境监控系统的方案设计 ................................ 6

2.1 猪舍结构 .............................................................. 6

2.2 控制方式的选择 ........................................................ 6

2.3 系统设计要求 .......................................................... 8

2.4 系统方案设计 .......................................................... 9

第三章 硬件的选型 .............................................. 11

3.1PLC 的概述 ............................................................ 11

3.1.1 PLC 的介绍...................................................... 11

3.1.2 PLC 的组成结构.................................................. 11

3.1.3 PLC 工作原理.................................................... 12

3.1.4 PLC 的型号确定.................................................. 13

3.1.5 I/O 分配表及 PLC 外部接线图...................................... 14

3.2 温度传感器的选型 ..................................................... 18

3.3 湿度传感器的选型 ..................................................... 19

3.4 二氧化碳传感器的选型 ................................................. 20

3.5 氨气传感器的选型 ..................................................... 21

3.6 风机的选型 ........................................................... 22

3.7 变频器的选型 ......................................................... 23

3.8 主电路设计 ........................................................... 24

第四章 软件的设计 .............................................. 27

4.1 系统的控制流程 ....................................................... 27

4.2 猪舍环境监控系统的梯形图设计 ......................................... 29

4.3HMI 界面设计 .......................................................... 40

第五章 仿真调试 ................................................ 44

结 论 ......................................................... 54

致 谢 ......................................................... 55

参考文献 ....................................................... 56

参考文献:

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[19]Bollinger JG,Duffre NA. Compuler Control of Machines and Processer,AddisonWesley Publishing Company,2001:21-30


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