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基于GPRS和PLC的鸡舍环境监控系统设计

 
当前,随着养殖技术的不断发展.家禽饲养方式由过去传统的家庭作坊式人工饲养变成了管理方式集中的现代化大规模养殖。鸡的饲养、鸡的生长与鸡蛋的产量受鸡舍环境的影响,这些环境因素主要有温度、湿度、光照、氨气、硫化氢等,控制好这些环境因素将会促进鸡的生长发育,提高鸡蛋的产量。本研究采用PLC设计的监控系统,同时结合GRM200G PLC无线通讯模块.使系统具有开发周期短、实时云端监控、可靠性高等特点。特别是利用手机上网或短信也可以实耐监控鸡舍环境,采用GRM200G PLC无线通讯模块实时监测鸡舍的环境因素,无需搭建服务器,通过组态软件和接入网络的电脑就可以实现PLC的无线监控,真正实现鸡合环境的自动控制,从而提高饲料转化率,降低饲养成本,提高饲养利润。
1    系统的硬件组成及结构原理
鸡舍监控终端设备由传感器检测模块.PLC系统、控制模块(加热系统、换气系统、灯光系统和通风降温系统)和巨控科技GRM200G PLC无线通讯模块组成。监控中心由上位机组态王软件组成(图1)。

图1鸡舍环境控制系统组成
在上位机组态王画面设置出适合鸡生长的环境参数.通过通信传递给PLC系统。GRM200G无线通讯模块将各环境参数传感器检测的环境参数通过GPRS网络传给上位机监控,同时通过RS485接口向PLC输送实时检测到的参数信息,经过与设定值比较,PLC输出控制信号,使执行机构执行加热、降温、换气和灯光动作,实现环境参数调节。系统工作后,各传感器检测到的信号可在环境监控上位机组态王画面显示。
1.1  系统的硬件组成
1)PLC 西门子S7-200。S7-200是德国西门子生产的小型PLC,其产品具有价格低、扩展性强、功能强大、可靠灵活等特点.在工业生产、监测及控制的自动化场合应用广泛.选择使用S7-200作为控制器,无论单独控制还是组网都具有极高的性价比。
2)传感检测部分。环境参数可根据实际需要进行扩展设置。本系统主要检测鸡合内温湿度、光照以及有害气体.空气温湿度传感器采用北京九纯健科技发展有限公司生产的温湿度传感器.外壳采用壁挂安装设计,自带温湿度显示,型号是JCJ175N。此传感器性能优良.其湿度测量范围为10%~90%RH,温度测量范围为-15~45℃。测量精度为+3%RH/+0.3℃,输出信号为0~5 V电压。有害气体(二氧化碳、硫化氢、氨气)测量选用MQ-135半导体气体传感器,测量范围为10~100 mg/L,输出0~5 V电压。该传感器可用于测量环境中污染气体,对氨气、硫化物、苯系的灵敏度高,这种传感器可检测多种有害气体,具有测量范围大、灵敏度高、成本低等特点.光照传感器采用北京九纯健科技发展有限公司生产的有较高灵敏度的感光探测器,型号为jcj100p。该变送器外壳采用壁挂安装设计,外形美观、结构精致,是一款性价比较高的光照度测量产品.测量范围0~1 000 lx,准确度±3%FS.输出信号为0~5 V电压。
3)操作面扳与驱动装置。操作面板主要在鸡舍内提供本地操作,是一些手动操作按钮及相关状态指示灯。柜内主要为控制继电器.控制驱动如加热系统、换气系统、灯光系统和通风降温系统工作。加热系统采用锅炉,利用暖风机启动来加温,换气系统采用换气扇,通风降温系统为电机及水帘,灯光系统为可控的灯泡设备,驱动装置可远程控制,以提高工作效率。
4)GRM200G PLC无线通讯模块。采用广州市巨控电子科技有限公司开发的GRM200G智能GPRS无线通讯模块,这是一款用于工控领域PLC远程监控的测控终端。它使用GPRS(控制器需插入手机SIM卡)作为无线通讯手段,同时GRM200G自带数字输入/输出。模拟量可以实现无线传感器无线测控的功能.该模块自带4路模拟量输入.4路数字量输入/输出,可作为PLC扩展模块使用。利用巨控科技智能数据压缩先进算法,可充分利用GPRS带宽.提高数据传输率。并可降低50%以上的流量费用.将GRM200G和PLC通过485总线互联,即可通过电脑/手机远程监控PLC.GRM200G支持的通讯协议包括西门子通用PPI、MODBUS协议。
5)上位机组态监控系统。可通过上位机输入需要控制的环境参数设定值,以及显示报警信息,组态监控系统对现场实时采集的环境参数进行数据存储以及分析处理,不仅可以完成相关的统计做出相应的统计报表,并可以进行趋势分析,且以图表等方式直观地显示给用户.并根据鸡养殖的不同阶段需求提供各种声光报警信息,当环境参数超过或低于设定值时,自动开启或关闭指定设备。
1.2  系统硬件电路设计
1)接口电路的扩展模块。鸡合环境由光照、温湿度、有害气体(二氧化碳、氨气、硫化氢气体)浓度等因素构成,主要控制温室内的温度、湿度、通风与光照。因此需要将这些量通过传感器来检测,以决定控制系统的工作方式以及各电机的动作.鸡合空间较大,因此采用多个传感器检测空间环境值.其与PLC模拟量扩展模块SM331的接口电路如图2所示。

图2传感器与扩展模块SM331的接口电路
    2)GRM200G通信板电路的接线。考虑到需要采集多路的模拟量数据,因此可以利用GRM200G自带4路模拟量接口电路,看成是PLC的I/O扩展,传感器与GRM200G模块的接口电路如图3所示。GRM200G模块与PLC之间通过RS485口进行通信,通道以事先约定的协议进行通信,采用西门子S7-200PPI协议。

图3传感器与GRM200G模块的接口电路
2  系统软件设计
    系统软件包括配置GRM通信终端.PLC系统和监控系统.终端PLC系统主要完成对各个子模块的控制,能够实现环境数据采集、数据预处理并集成有控制算法,通过上位机对相关参数进行设定,达到对环境参数的精确控制.同时能够通讯和监控执行机构等。上位机监控软件界面采用巨控组态软件设计,具有良好的人机界面,容另地结合标准和用户程序生成人机界面,准确地满足鸡合环境参数监测要求。
2.1  GRM200G软件设置
    在电脑中安装GRM200G开发系统,使用USB下载线连接GRM200 USB口,安装好驱动后就可以开始配置工程.GRM200G开发系统配置界面见图4。

图4 GRM200G开发系统配置界面
2.2  PLC软件部分
    该部分主程序主要完成系统的初始化、通信初始化、数据比较、算法等功能。对于通信PLC仅需要简单的组态,无需编程,非常方便。由于温湿度具有较高的耦合性.本系统以温度为优先量考虑。其主程序流程如图5所示。

图5主程序流程图
2.3组态监控画面
上位机电脑安装有巨控组态软件,作为监控主站,GRM200G通过GPRS网络将数据无线发布到巨控云监控服务器,上位机电脑连接因特网,并安装巨控组态giantview软件,该软件会自动通过opc协议从巨控云监控服务器获取数据,组态软件将变量定义完成后开发监控程序,其主要由实时监测画面、环境参数设置画面及故障报警画面等组成,用户界面友好,操作简单。上位机监控系统可以实时检测鸡合内各种环境参数的瞬时值和动态,显示它们的变化趋势,每隔一定时间间隔对采集值进行存储以提供数据报表,将其保留在历史数据库中供管理人员日后检查。同时还可以通过手机短信报警,实现无人值守。其监控界面如图6所示。

图6上位机监控界面
3  系统运行
本系统在包头市某养殖厂一间鸡合内进行测试试验,鸡合长度约50 m,两排鸡笼,每排3层,共有蛋鸡1 000多只,根据实际需求布设了3个节点4种传感器.监控中心设置在距离该鸡舍30 m的饲养员休息室内.计算机安装了上位机监控软件.鸡合内控制系统及传感器节点却电后开始工作,上位机软件运行后开始接受数据。经过反复调试、修正、测试,最终系统运行稳定,节点布置灵活、功耗低、测得数据精确可靠.实现了基于GPRS技术的鸡舍环境无线监测。对试验测得数据进行分析,以其中24 h测量温度和湿度的数据为例进行研究.数据曲线图如图7所示.从图7可以看出.在系统自动控制情况下,室内温度变化相对平稳.温度变化集中在设定值周围,湿度变化最大值为67.5%、最小值为59%,且湿度偏离预定值最大为7.5%.最大相对误差为12.5%,其上下限都在设定的湿度范围内。

图7  温、湿度数据曲线图
4  小结
本设计采用PLC和组态技术实现了一个具有较高精度、能够与上位机GPRS通信的鸡合环境参数检测与控制.与其他鸡合参数检测和控制系统不同之处在于设计中注重了环境参数监控系统工作的稳定性.采用无线通信实现远程化集中控制,并可以利用手机进行监控,降低了使用者的劳动强度,且使用方便。组态监控软件界面友好、另于操作.数据显示采用表格或图形的方式使用户查看数据更直观.同时PLC模块可以根据监测点的需要再扩展,整个系统性价比高,稳定性好,在养鸡场中使用实际效果好。