基于PLC的规模化养猪场的温湿自动控制系统的设计.docx

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基于PLC的规模化养猪场的温湿自动控制系统的设计

科类工科学号XXXX

本科生毕业设计

基于PLC的规模化养猪场的温湿自动控制系统的设计

DesignfortheAutomaticControlSystemoftheTemperatureAndHumidityintheLargeScalePigFarm

指导教师：

XXX职称副教授

XX大学XXXXX

学院：

XXXX学院

专业：

电气工程及其自动化年级：

2009

设计提交日期：

2013.5.7答辩日期：

2013.5.11

答辩委员会主任：

XXX

XXX大学

20013年5月6日

基于PLC的规模化养猪场的温湿自动控制系统的设计

摘要

本文通过采用由温湿度传感器、三菱PLC、风机、制冷器和供热泵等温湿度控制设备构成的控制系统，对哺乳仔猪养猪场内温度和湿度进行控制,维持养猪场内的温湿度在一定范围内，使哺乳仔猪猪群发挥最佳生长状况，以提高养猪场的经济效益。

本文首先提出两个方案,再通过对两个方案优缺点的比较,最终确定用方案二。

在方案二中传感器接收到的信号通过外电路比较后，再由与门电路组合,最终把温湿度信号组成九个组合，九个组合经驱动电路后输入PLC,最后由PLC控制相应电机的启停。

该系统的使用，对降低仔猪的发病率，增加仔猪的成活率和日增重量有一定的作用。

关键词：

规模化养猪场；温度控制；湿度控制；PLC

ScalepigfarmsoftemperaturehumidityautomaticcontrolsystembasedonPLCofdesign

Tanjing

FacultyofEngineeringandTechnologyYunanAgriculturalUniversity，HeilongtanKunming650201

ABSTRACT

Areadoptedinthispaper,thetemperatureandhumiditysensor,mitsubishiPLC,fan,refrigeratorandheatpump,suchastemperatureandhumiditycontrolequipmentdesignsystem,consistingofthelactationpigletpigsbasedonthetemperatureandhumiditycontrol.Maintainpigproductionfieldwithinacertainrangeoftemperatureandhumidity,makesthelactationpigletpigsplayoptimalgrowthconditions,inordertoimprovetheeconomicbenefitsofpigfarms.Thispaperproposestwosolutions,andthenthroughthecomparisonofadvantagesanddisadvantagesofthetwoschemes,thefinalinscheme2.Inscheme2.Thereceivedsignalbycomparingtheexternaltemperatureandhumiditysensorrespectivelydividedintohigh,mediumandlowthreegears,thenthegatewiththetemperatureandhumidityofsixgearsnine,ninecombinationsbythedrivecircuitinputafterthePLC,andfinallybythePLCcontrolofthecorrespondingmotorrev.Stop.Theuseofthesystem,toreducetheincidenceofpiglets,andincreasethesurvivalrateofpigletsandgrowingweighttohavecertaineffect.

Keywords:

large-scalepigfarm;Temperaturecontrol;Humiditycontrol;PLC

摘要Ⅰ

目录III

图目录V

表目录VI

符号及其计量单位说明VII

1前言1

2.概述2

2.1.猪场内温度对哺乳仔猪的影响2

2.2养猪场内湿度对哺乳仔猪的影响3

3.规模化养猪场温湿度控制方案设计4

3.1规模化养猪场温湿度控制方案一4

3.1.1方案一的设计思路4

3.1.2方案一的控制流程4

3.1.3方案一的优缺点5

3.2规模化养猪场温湿度控制方案二5

3.2.1方案二的设计思路5

3.2.2方案二的控制流程5

3.2.3方案二的优缺点5

3.3规模化养猪场温湿度最终控制方案的确定6

4规模化养猪场温湿度系统设备的选型和计算7

4.1电磁阀的选择7

4.2湿帘风机系统9

4.2.1湿帘风机系统概述9

4.4.2湿帘风机系统的选型与计算10

4.2.2.1风机的选择与相关计算10

4.2.2.2水泵的选择和相关计算12

4.3供热泵的选择13

4.3.1热泵概述13

4.3.2热泵的相关计算14

4.4降湿设备的选择14

4.4.1降湿设备简介15

3.4.2除湿机的相关计算15

4.5制冷设备的选择16

4.5.1制冷机简介16

4.5.2制冷机的相关计算17

4.6按钮、指示灯和报警器的选择19

4.7PLC的选择20

4.7.1PLC的简介20

4.7.2PLC机型选择的基本原则21

4.7.3PLC容量的选择步骤23

4.7.4PLC的选型23

5设计内容24

5.1设计介绍24

5.2强电系统24

5.3自动控制部分的设计24

5.3.1控制面板及其功能24

5.3.2PLC的I/O接口分配25

5.3.3PLC编程介绍26

5.3.4程序初始化设计29

5.3.5自动控制循环方式30

5.3.6报警设计32

5.3.7操作说明33

6结论33

参考文献35

致谢36

图目录

图1方案二温湿度信号处理图6

图2最终确定的温湿度控制方案的流程图7

图3电磁阀工作原理图9

图4湿帘风机系统的工作原理和系统组成10

表目录

表1不同温湿度情况下各设备的启停情况表4

表2不同温湿度情况下各设备的启停情况表7

表34WE6E61/0FWR220-50NZ5L的相关技术参数9

表4T30型轴流通风机的相关技术参数11

表51ZDB漩涡式清水泵相关技术参数13

表6HWD-78-1工程系列热泵相关技术参数表14

表7DH—8190C除湿机相关技术参数15

表8SL-15制冷机的相关技术参数17

表9按钮和灯等设备的相关参数19

表10PLC的I\O接口分配24

表11基本指令26

表12初始化程序表27

表13自动部分程序表28

表14报警程序的指令表29

符号及其计量单位说明

P30：

有功计算负荷，单位kW；

Kd：

需要系数；

Pe：

额定有功功率，单位kW；

Q30：

无功计算负荷，单位kvar；

S30：

视在计算负荷，单位kVA；

I30：

计算电流，单位A；

：

额定电压，单位kV；

cosφ：

功率因数；

：

导体所在电路的最大持续工作电流，单位A；

相应于导体额定环境温度条件下导体的长期允许电流，单位A；

：

熔断器额定电流，单位A；

基于PLC的规模化养猪场的温湿自动控制系统的设计

1前言

“猪为六畜之首,猪粮安天下。

"中国是世界公认的养猪大国,2010年猪存栏量4.7亿头,其中母猪存栏4765万头,出栏量6.67亿头,均居世界第一,约占全球的一半。

2010年出栏率142％，平均每头母猪年提供出栏猪14头。

2011年，中国猪平均存栏量4.68亿头，总出栏量6.62亿头，出栏率141％.总结这几年，我国规模化养猪迅速发展，未来十年将是中国养猪业规模化发展的黄金期。

规模化养猪要依靠技术进步提高养猪生产水平.降低成本，提高经济效益。

猪生长发育的潜力是由遗传决定的，而环境则决定了这种潜力能在多大程度上反映出来。

再好的良种如果没有适宜的环境条件，其遗传优势也不能得到充分发挥。

猪场环境因子，特别是温度和湿度，作为猪生长的关键因素，直接影响到猪的生长性能以及是否引发疾病。

仔猪培育是养猪生产中的关键环节，集中反映母猪生产力水平的高低，即每头母猪年提供断乳仔猪重（包括断乳仔猪头数及断乳个体重）。

因此，仔猪培育的中心任务就是获得最高的成活率和最大的断乳个体重。

哺乳仔猪养猪场温度、湿度环境控制的好坏是决定哺乳仔猪育成率高低的重要因素。

因此，注重哺乳仔猪的环境温度、湿度控制，做好哺乳仔猪局部采暖保温。

以及整个猪舍的湿度控制。

对于提高仔猪成活率和母猪的年生产力具有重要的意义。

本文经过查阅相关文献资料，对哺乳仔猪养猪场的环境温度、湿度的控制提出控制方案，并经过可行性分析最终确定控制方案。

根据最终确定的控制方案而设计的系统，采用了温湿度传感器采集信号并有外电路分别把温湿度分成高、中、低三档后输入PLC，再由PLC根据输入的档位来控制相应的温湿度控制设备的启停，是哺乳仔猪猪舍的温湿度维持在最佳范围内。

本系统主要包括了三个部分:

输入PLC的信号采集部分、自动控制部分和手动控制部分。

本设计说明书主要为自动控制部分的说明，叙述了哺乳仔猪舍温湿度控制方案的设计、系统相关设备的介绍、选型和计算和自动控制部分的设计和编程等内容。

2.概述

2.1.猪场内温度对哺乳仔猪的影响

猪是恒温动物，其平均直肠温度为39.2℃但由于受诸多因素的影响,其体温可在狭小的范围内波动，变动范围在38.7～39.8℃。

热环境与猪体生理恒定性密切相关，而体温恒定是机体进行正常生命活动和生产的基础。

猪在呼吸、循环、肌肉活动、采食、消化等过程中不断产生热量，并通过传导、对流、辐射、蒸发等途径向周围环境散发。

环境温度和湿度是猪与其生存环境保持平衡的重要因素，猪在适宜环境范围中，能借助物理调节维持正常体温。

当环境温度逐渐升高或环境温度与湿度都较高时，猪体就开始通过加速血液循环，加快皮肤与呼吸蒸发散热调节体温。

温度继续升高，猪就表现出活动量和采食量减少，饮水增加，生长缓慢，甚至出现负增重等热应激反应。

环境温度是影响猪的体温、心率和行为变化的主要原因，随着环境温度升高超出等热区，猪表现出体温升高、心率加快、呼吸次数增多及白天活动减少、夜晚活动增加等行为生理热应激反应，同时采食量减少，日增重减缓，饮水增加。

高温高湿环境下，猪的行为生理反应和生产性能的热应激反应更严重。

从出生到断奶阶段的仔猪称为哺乳仔猪（吃母乳的仔猪）。

仔猪在胎儿期完全依靠母体供给营养物质并排出废物，母体对胎儿来说是个相对稳定的生长发育环境。

与之相比，仔猪出生后生活条件发生了巨大的变化，仔猪首先要使用肺呼吸；其次是必须用消化道来吸收食物中的营养物质；再次是只接受自然条件和人为环境的影响。

哺乳仔猪完全处在人为环境之中，生死存亡与胎儿期的猪相比受认为环境影响更大、更直接。

哺乳仔猪具有以下生理特点：

（1）消化器官不发达，消化腺机能不完善；

（2）生长势强；（3）物质代谢旺盛；（4）体温调节机能不完善；（5）抗病力低。

哺乳仔猪饲养管理的重点是：

是仔猪的成活率高、生长发育快、个体大小均匀整齐、健康活泼、断奶体重大，为以后养成育种猪和商品猪打下良好基础。

哺乳仔猪的体温调节不完善主要是因为；

（1）神经调节机能不健全；

（2）物理调节能力有限；（3）化学调节功能不健全，体内能源储备少。

仔猪刚出生时大脑发育不够健全，通过神经系统调节的能力差。

，同时仔猪体内能源的储存较少，遇到寒冷血糖很快就降低，如不及时吃到食物很难成活。

仔猪正常体温约为39℃，刚出生时所需要的环境温度为30～32℃[1]，当环境温度偏低时仔猪体温开始下降，下降到一定范围开始回升。

仔猪出生后体温下降的幅度及恢复所用时间视环境温度而变化，环境温度越低则体温下降的温度越大，恢复所用时间越长，当环境温度降低到一定范围时仔猪则会冻僵、冻死。

综上所述，由于初生仔猪调节体温适应环境的能力差，同时其保温性能差（皮薄毛疏），虚热多（体温较成年猪高）、产热少（体内储能少），故仔猪对环境温度的要求较高，有“小猪畏寒”之说。

寒冷对仔猪的直接危害是冻死，同时又是压死、饿死和下痢的诱因。

因为仔猪遇低温时，体温降低，行动呆滞，吸乳无力，最终导致被压死、饿死货病死。

仔猪最适宜的环境温度为：

0～3日龄为29～35℃,3～7日龄为25～29℃,7～14日龄为24～28℃,14～21日龄为22～26℃,21～28日龄为21～25℃,28～35日龄为20～22℃[1]。

2.2养猪场内湿度对哺乳仔猪的影响

湿度是用来表示空气中水汽含量多少的物理量，常用相对湿度来表示。

猪场内空气的相对湿度对猪的影响，和环境温度有密切关系。

无论是幼猪还是成年猪，当其所处的环境温度是在较佳范围之内时，舍内空气的相对湿度对猪的生产性能基本无影响。

试验表明，若温度适宜，相对湿度从55%变到75%，猪的增重无异常。

这时，常出于其他的考虑，来限制相对湿度。

例如，考虑到相对湿度过低时猪舍内容易飘浮灰尘，过低的相对湿度还对猪的黏膜和抗病力不利;相对湿度过高会使病原体易于繁殖，也会降低猪舍建筑结构和舍内设备的寿命。

所以就算是处于较佳温度范围内，舍内空气的相对湿度也不应过低或过高。

当舍内环境温度较低时，相对湿度大，会使猪增加寒冷感。

这是由于猪的毛、皮吸附了潮湿空气中的水分后，导热性增大，使猪体散热量增大。

同时，随着通风换气，使蕴含于水汽中的大量潜热流失到舍外，降低了舍温。

因此较低舍温时，相对湿度大，会影响猪的生产性能，这一点对幼猪更为敏感。

例如，据试验在冬季相对湿度高的猪舍内的仔猪，平均增重比对照组低48%左右，且易引起下痢、肠炎等疾病。

当舍内环境温度较高时，舍内相对湿度大，同样也会影响猪的生产性能。

猪原本适应湿度变化的能力较强，即使相对湿度超过85%对生长性能影响也不大，但高温下的高湿，会妨碍猪的蒸发散热，从而加剧了高温的危害。

如果温度超过适宜温度，相对湿度从40%升高到70%，便会减缓猪的增重。

综合考虑，适宜猪生活的相对湿度为55%―75%。

3.规模化养猪场温湿度控制方案设计

根据控制要求，维持哺乳仔猪养猪场内温湿度在合适的范围内，以0～3日龄仔猪为例，维持温度在30～32℃，湿度在55%～75%范围之内。

各个设备在不同温湿度状态下的的启停如见表1。

表1不同温湿度情况下各设备的启停情况表

Table1Underdifferenttemperatureandhumidityeachequipmentrev.Stoptable

温湿度

前

后

窗

后窗

风机

湿帘

风机

水泵

供

热

泵

降湿

设备

制

冷

器

高温高湿

开

关

开

中温高湿

低温高湿

高温中湿

中温中湿

低温中湿

高温低湿

中温低湿

低温低湿

开

关

开

关

开

关

开

关

开

关

开

关

开

关

开

关

开

关

3.1规模化养猪场温湿度控制方案一

3.1.1方案一的设计思路

把温湿度传感器采集到的温湿度信号直接传输至控制器，在控制器中进行数据比较，先比较湿度在比较温度湿度。

控制器根据比较的结果来启停相应的温湿度控制设备。

3.1.2方案一的控制流程

温湿度信号传至控制器后在控制器中先比较湿度的大小，比较得出三个支路：

湿度高于75%的、湿度在55%～75%之间的和湿度低于55%的，接着对应于湿度比较后的每个支路再比较温度，跟湿度比较的一样得出三个支路:

温度高于32℃的、温度在30～32℃之间的和温度低于30℃的。

最后总共得出九个支路。

例如：

温湿度传至控制器后先比较湿度，湿度介于55%～75%之间，再比较温度，温度高于32℃，则要打开猪场前后窗、停止后窗风机、启动湿帘风机水泵、停止供热泵、停止降湿设备、启动制冷器，等待60s后，再返回去进行温湿度的比较。

其他支路也是如此。

方案一的控制流程如附图1所示。

3.1.3方案一的优缺点

控制思路简单清晰，但是若采用PLC做控制器则此方案不可行，因为PLC内部没有数据比较这个功能。

采用单片机来控制是可行的，单片机可以进行数据的比较，但是单片机最大的缺点就是稳定性不强，抗干扰能力差。

3.2规模化养猪场温湿度控制方案二

3.2.1方案二的设计思路

由于单片机的抗干扰性和稳定性都不强，，而PLC的抗干扰性和稳定性都比较好，所以还是考虑用PLC来控制。

PLC中不能进行数据比较，就在PLC外部进行数据比较，再把比较好的信号传入PLC,，由PLC根据信号来控制响应点的启停。

3.2.2方案二的控制流程

如图1所示,最后PLC根据输入启停温湿度控制设备。

PLC根据输入信号启停温湿度控制设备,如附图2所示。

例如，当输入为高温高湿时，由PLC打开猪场的前后窗、后窗风机、降湿设备、置冷器、警示灯。

同时关闭湿帘风机水泵、供热泵、报警器。

等待60s后，再返回去进行温湿度的检测。

图1方案二温湿度信号处理图

Figure1SchemetwoTemperatureandhumiditysignalprocessingdiagram

3.2.3方案二的优缺点

方案二采用了PLC进行控制，稳定性和抗干扰能力都有了保障，控制思路清晰明了。

3.3规模化养猪场温湿度最终控制方案的确定

单片机是单片微型计算机的简称，它是把微型计算机的各个功能部件，及中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数器及I/O接口电路集成在一块芯片上，构成一个既小巧有完善的计算机硬件系统，可实现微型计算机的基本功能。

单片机具有以下特点：

体积小、控制功能强、成本低。

使用温度范围广，芯片本身是按工业测控环境要求设计的。

易于扩展，很容易构成各种规模的应用系统。

低电压、低功耗。

集成度高。

可以方便地实现多机和分布式控制，从而使整个控制系统的效率和可靠性大为高。

和PLC（关于PLC将在后文介绍）相比，单片机的稳定性和抗干扰能力没有PLC那么强,同时单片机使用的语言是汇编语言，跟PLC所使用的梯形图或者状态转移图相比，复杂了很多，不易于被广大电气技术人员所理解。

由于PLC内部不能进行数据的比较，单片机内部可以比较数据的比较，但由于单片机稳定性和抗干扰能力不强，所以不采用方案一。

最终确定采用方案二。

表2不同温湿度情况下各设备的启停情况表

Table2Underdifferenttemperatureandhumidityeachequipmentrev.Stoptable

温湿度

前

后

窗

后窗

风机

湿帘

风机

水泵

供

热

泵

降湿

设备

制

冷

器

高温高湿

开

关

开

中温高湿

开

关

开

关

低温高湿

关

开

关

高温中湿

开

关

开

关

开

中温中湿

关

低温中湿

关

高温低湿

关

开

关

开

中温低湿

开

关

低温低湿

关

开

关

最终确定的控制方案为方案二。

方案二的控制流程:

先由外电路把温度分成高（大于32℃）、中（30℃～32℃）、低（低于30℃）,湿度分成高（高于75％）、中（55％～75％）、低（低于55％）。

再由与门把温的六个档组成九个组合,九个组合经驱动电路后输入PLC,如图2

图2最终确定的温湿度控制方案的流程图

Figure2Ultimatelydeterminethetemperatureandhumiditycontrolprogramflowchart

4规模化养猪场温湿度系统设备的选型和计算

4.1电磁阀的选择

在液压系统中，用于控制和调节工作压力的高低、流量大小以及改变流量方向的元件，统称为液压控制阀。

液压控制阀通过对工作液体的压力、流量以及流液方向的控制与调节，从而可以控制液压执行元件的开启、停止和换向，调节其运动速度和输出扭矩（或力）。

液压控制阀按功能分类有：

（1）压力控制阀用于控制或调节液压系统或回路压力的阀，如溢流阀、减压阀、顺序阀压力继电器等；

（2）方向控制阀用于控制或调节液压系统或回路中方向及其通和断，从而控制执行元件的运动方向及其启动、停止的阀。

如单向阀、换向阀等；（3）流量控制阀用于控制或调节液压系统或回路中工作液体流量大小的阀。

如节流阀、调速阀、分集流阀等。

在液压传动系统中广泛采用的是滑阀式换向阀，电磁换向阀是用电磁铁的吸力来推动阀芯运动以变换流体流动方向的控制阀，简称电磁阀。

电磁换向阀有滑阀和球阀两种结构，通常所说的电磁换向阀为滑阀结构，称球状或锥状阀芯的电磁换向阀为电磁换向座阀，也称电磁球阀。

本设计利用电磁阀来控制猪场前后窗的开和关。

本系统所选用的电磁阀型号为：

4WE6E61/0FWR220-50NZ5L。

WE型方向控制阀是电磁铁操作的换向滑阀,用以控制油液的开启,停止和方向。

其工作原理如图4。

这种方向控制阀主要包括阀体

（1）,1个或2个电磁铁

（2）,控制阀芯（3）和1个或2个复位弹簧（4）。

在未通电的状态下,控制阀芯（3）由复位弹簧（4）保持在中间或初始位置（脉冲阀除外）,控制阀芯（3）由湿式电磁铁

（2）操作。

为了保证获得满意的操作,务必使电磁铁的压力腔充满油液。

电磁铁

（2）的力经过推杆（5）作用在控制阀

芯（3）上,将其由静止推向所需位置.这就使油液从P至A,B至T,P至B或A至T自由流动。

当电磁铁

（2）断电时,控制阀芯（3）被复位弹簧（4）推向初始位置。

可选的手动应急操（6）在电磁铁不通电的情况下可控制阀芯（3）运动。

图3电磁阀工作原理图

Figure3olenoidvalveworkingprinciplediagram

4WE6E61/0FWR220-50NZ5L是包括带2个切换位置,2个电磁铁和1个

定位机

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