基于PLC的养鸡场氨气浓度检测控制系统的设计Word下载.docx
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达到100ppm时死亡率将明显增加[1]。
可以说氨气的存在对于鸡的生长具有极大的威胁作用。
一般来说，养鸡场的氨气浓度应保持在20ppm以下。
1.1研究背景
畜禽养殖过程中产生的大量氨气以及其排泄物所产生的氨气，不但容易诱发畜禽的呼吸系统疾病、降低其生产性能、给畜禽生产造成严重的经济损失，而且还影响着人们的正常生产和生活。
在美国氨气的产生和排放大约80%来自于畜禽业，欧洲环境署评估指出欧洲超过80%氨气排放是来自于畜禽生产，就全球范围而言来自畜禽生产的氨气排放量大约占50%[2]。
随着现代化水平的提高，人们的生活质量有所提高，其中主要表现为肉类的摄入比例有所增加。
目前，畜禽养殖业正在进行着突飞猛进的发展、扩张。
但是，由于当前中国的现代化养殖业水平不高和经验不足，近年来畜禽养殖业发展模式粗放、附加值不高，存在着诸如盲目扩建畜禽场、设施结构布置不合理、资源浪费严重、运营管理费用居高不下、管理技术水平低下、养殖产出率低及药物滥用等诸多问题。
随着社会的发展和科技的进步，我国畜禽养殖业必然会向着集约化、高效化发展，进而建设成自动化、机械化、规模化、产业化的工厂型畜禽养殖业，最终向社会供应更加丰富的安全无污染、高品质的健康肉类食品。
氨气浓度检测控制系统是一个集环境检测、反馈循环、自动控制等功能于一体的智能控制系统组成部分之一。
此系统综合运用了传感器、上位机、PLC、通信、自动控制等技术。
国外对氨气浓度检测系统的研究已经有了较长的发展历程，可以追溯到上世纪50年代。
研究早期的目的仅仅是为了降低畜牧养殖场内的氨气浓度，应用范围局限于养殖业，随着计算机科学技术和传感器技术的发展，氨气浓度检测系统的设计研制水平不断拓展到新的领域。
进入80年代，氨气浓度检测系统的研究进入黄金时期，在此期间许多发达国家在自动检测控制系统研究领域都取得了举世瞩目的成就。
与国外相比，局限于科学技术水平落后，我国开展氨气浓度检测控制系统的研究较晚，而且大多数研究领域尚处于初级研究阶段。
氨气浓度控制系统在国内还能未引起足够的重视，总体发展水平不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。
目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期水平，而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不是十分成熟。
形成商品化并在仪表控制系统参数的自整定方面，还没开发性能可靠的自整定软件。
控制系统参数大多靠以往的经验和现场摸索调试来确定。
虽然我国在氨气浓度检测控制系统的技术方面的研究总体落后于发达国家，并且存在一定的技术差距，但是我国在氨气浓度检测控制系统的研究方面也取得了许多重大的成就。
近年来随着国家科研投入力度加大，在氨气浓度检测系统方面的发展方面也取得了显著成效。
随着科学技术的不断发展，为满足生态文明建设的总体要求，人们对氨气浓度控制系统的要求越来越高，因此，自动化、人性化、一体化的氨气浓度控制系统是国内外必然的发展趋势。
1.2研究的目的及意义
据测定，鸡对氨气的敏感性极高。
当鸡场内氨气浓度达到20mg/L，球虫病等各类常见病、多发病的发病率会骤然提高；
当浓度升至50mg/L时，可使鸡的呼吸频率减慢，引起鸡呼吸道黏膜充血、水肿，甚至发生支气管炎、肺炎、肺气肿及中枢神经麻痹等，蛋鸡的产蛋率会因此而减少，雏鸡增重和料物利用率下降[3]。
在发达国家，检测控制系统已广泛运用于养殖业、医疗服务、工厂生产等领域，其中的一些应用有望在今后的几年内实现商业化，并进入各大生产领域。
检测控制系统以及在检测控制系统基础上研发出来的产品已成为医疗、工业控制等领域的关键设备。
而氨气浓度检测控制系统作为检测控制系统中的一员，在今后的养殖业中将发挥着重要作用。
第2章系统整体方案分析
氨气浓度检测控制系统通过运用传感器采集养鸡场内氨气浓度指数，经过模数转换将信号传输给PLC来实现系统的控制。
本系统任务主要是对如何检测出养鸡场内氨气浓度并将氨气浓度控制在允许的浓度范围内和在紧急情况下如何处理。
2.1系统设计任务
氨气浓度控制系统的作用是用来控制养鸡场内氨气浓度，避免养鸡场内氨气浓度过高影响鸡的正常生长，并为其提供良好的生长环境。
养鸡场一般以覆盖材料作为主要结构材料，采用室内照明，主要由光照、温度、氨气浓度等因素构成的。
氨气浓度控制系统采用PLC控制的电动机正反转以及排气扇的运行来增大通风面积和通风量，从而达到控制降低养鸡场内氨气浓度的目的。
2.2系统总体设计
系统总体设计的关键在于选择合适的系统组成构件，以简单的结构、低廉的价格完成设计。
2.2.1PLC的选择
由于三菱公司最新的FX1s、FX1n、FX2n和FX2nc系列小型PLC产品具有功能强、性价比高、应用广等特点[4]。
从系统设计的整体性、一致性出发，考虑到经济性、功能性等各方面的原因，我们选择三菱公司的产品，以最优的性能/价格比进行系统的配置。
FX系列PLC体积极小，其中FX1s、FX1n和FX2n系列PLC的高度为90mm，深度为75mm（FX1s和FX1n系列）和87mm（FX2n和FX2nc系列），FX1s-14M（14个I/O的基本单元）的底部尺寸仅为90mm*60mm，相当于一张卡片大小，很适合于在机电一体化产品中使用。
FX系列的体积虽小，却具有很强的功能[12]。
它内置高速计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时间等功能，有高速计数器的专用比较指令。
使用脉冲序列输出功能，可以直接控制步进电动机。
脉冲宽度调制功能可以用于温度控制或照明灯的调光控制。
它可以设置8位数字密码，以防止用户程序被误改写或盗用。
FX系列的基本单元和扩展单元一版采用插接式的接线端子排，更换单元方便快捷。
FX1s和FX1n系列PLC使用EEPROM，不需要定期更换锂电池，成为几乎不需要维护的电子控制装置，FX2n系列使用带电池后备的RAM。
2.2.2氨气浓度检测传感器的选择
电化学氨气传感器ME3-NH3根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化过程，通过电子线路将电解池的工作电极和参比电极恒定在一个适当的电位，在该电位下可以发生待测气体的电化学氧化，由于氧在氧化和还原反应时所产生的法拉第电流很小，可以忽略不计，于是待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。
这样，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。
其具有低功耗、高精度、高灵敏度、线性范围宽、抗干扰能力强、优异的重复性和稳定性，广泛应用于工业、矿下及环保中的NH3检测。
表2-1为电化学氨气传感器ME3-NH3的技术指标。
表2-1电化学氨气传感器ME3-NH3技术指标
产品型号
ME3-NH3
产品类型
电化学气敏元件
产品封装
塑料封装
检测范围
0—50ppm
最大测量限
200ppm
预期寿命
>
12月
灵敏度
0.10±
0.03uA/ppm
分辨率
0.5ppm
使用温度范围
﹣20?
～+50?
使用压力范围
标准大气压±
10﹪
响应时间（T90）
=150S
湿度范围
15﹪—90﹪RH无凝结
零点漂移（﹣20?
～+40?
）
-3～10ppm
稳定性（／月）
＜10﹪
负载电阻（推荐）
10Ω
重复性
＜10﹪输出值
输出线性度
线性
2.2.3电动卷帘开门机的选择
麒麟牌电动卷帘开门机（型号QL-1P-600L）适用于商场、仓库、车库、影剧院、宾馆、厂房等各种建筑物卷帘门的开启、关闭，具有电动和手动功能两种控制方式，是现代建筑的理想配套产品，是人们普遍追求高效率的象征。
麒麟牌电动卷帘开门机通过电力驱动卷帘门的开启与关闭操作上、下行程，由限位开关自动控制，定位精确可靠，开闭安全。
停电时可手动操作，方便省力。
电动机绕组装有过热保护装置，当温度达到110?
时，能自动切断电源，保护电机不被烧坏，当温度降至70?
时（约经过8分钟），装置可再次起动使用。
动作时噪音低、振动小、功耗小。
表2-2为麒麟牌电动卷帘开门机的技术参数。
表2-2麒麟牌电动卷帘开门机技术参数
QL-1P-600L
额定电压
220V/50Hz
提升力
600kg
额定功率
300W
提升高度
6m
短时定额
=5min
2.2.4排气扇的选择
排气扇是由电动机带动风叶旋转驱动气流，使室内外空气交换的一类空气调节电器，又称通风扇。
排气的目的就是要除去室内的污浊空气，调节温度及湿度。
排气扇广泛应用于家庭及公共场所。
青山牌养鸡通风扇由外框、支撑架、电机、扇叶、给风装置、百叶窗、防护网等部件组成。
采用不锈钢、镀锌板、铝合金等材料制造。
开启后电机驱动风叶产生气流，送风排起，百叶窗自动开启，停机时百叶窗闭合，通风换气将室内污浊气排出，自然流进新鲜空气。
表2-3为青山牌养鸡通风扇的技术参数。
表2-3青山牌养鸡通风扇技术参数
122型
380V/50Hz
750W
外框尺寸
122*122*35cm
电机转速
1450r/s
抽风量
38000m³
/h
传动方式
皮带传动式
2.3控制系统方案
本文以养鸡场为对象，设计一套氨气浓度检测控制系统，包括硬件模块和软件模块，其总体结构示意图如图2-1所示。
2.3.1硬件模块
采用三菱FX-2N系列PLC作为主控制器，并选用合适的通讯模块和模拟量扩展模块。
其中，PLC完成主要的控制任务，在接收输入信号后根据控制流程完成对执行机构的相应操作。
操作分为手动和自动两种形式，自动模式下系统自动的根据养鸡场现场的氨气浓度变化进行智能调节，手动模式下允许操作人员强制性的对执行机构进行启停操作，以达到相应的启停目的。
通讯模块则构建起整个养鸡场的网络监控系统，将控制器及扩展模块与上位机连接，组建网络进行数据交换。
模拟量模块则是将传感器的的输出信号接收并输送到控制器，控制器根据编制好的控制程序，进行相应的逻辑处理和运算，最终驱动相应的执行机构进行相应的执行动作。
由于养鸡场属于半封闭式的肉鸡生长空间，一般情况下处于半封闭状态。
除了对鸡群进行观察外，不进行人员进入的相关操作，因此还要有基于PC的人机界面，来完成对养鸡场内部状况的实时监控和实时操作，丰富控制系统的功能，使自动控制和运行的养鸡场与操作人员有一个交叉，通过良好的人机界面使系统功能更加丰富和灵活。
图2-1氨气浓度检测控制系统总体结构示意图
2.3.2软件模块
在本氨气浓度检测控制系统设计中，选用的是三菱的PLC和扩展模块，相应的选用三菱的GXWork2软件来进行控制程序的编写和调试，控制程序依据肉鸡生长环境变量要求，根据编写好的控制规则对传感器检测到的信号进行对比判断，相应的输出信号指令驱动执行机构进行相应的动作。
同时为了方便工作人员在养鸡场外直观方便的监视和控制氨气浓度变量，可以利用PLC的自由通讯模式，在人机界面上实时监控各个环境变量及设备的运行状态，同时在系统发生故障时能发出警报指令、信号指示灯点亮，可以手动启停设备。
2.4系统设计思路
控制系统根据养鸡场内安放的传感器检测到的氨气浓度、温度等环境变量值，以控制器中设定的控制规则为基准进行对比、计算、调整，最终将反馈调整信号输送到卷帘窗、排气扇等执行机构，对环境变量进行调整以满足适合鸡的生长要求，提高肉鸡的产量和品质。
2.4.1系统具备的功能
根据肉鸡生长条件的要求，本氨气浓度检测控制系统应具备以下基本功能：
（1）信息采集显示功能
通过安置在养鸡场内的传感器，将需要检测的环境变量进行实时的检测和记录，并将变量信息传送到控制器和上位机PC终端。
由于养鸡场是一个半封闭式环境，相关工作人员不频繁进入，所以系统应该具备基本信息采集和显示功能。
它可以在基于PC的平台上实时的检测和显示环境变量的实时数值，以便于工作人员进行观测、判断和操作。
（2）工艺参数设置功能
养鸡场主要是为鸡的生长提供良好的条件，为满足这一目的，系统向用户提供工艺参数基本配置功能。
工作人员可以根据具体要求，对工艺参数进行配置、修改。
（3）设备监控和控制功能
养鸡场内环境的变化，主要通过控制各种设备来完成的，这些设备都安装在养鸡场内部，为了实时监控这些设备，本系统提供了设备监控功能。
同时，系统在自动模式下可以编制好的控制程序的作用下实现系统的自动调节和控制。
（4）报警功能
当养鸡场内部分环境变量由于某些因素引起调节失控时，可能会使对应的环境因素不断发生变化，进而达到或超出鸡的生长极限值，这样持续下去必然会势必破坏鸡的正常生长，甚至导致鸡死亡。
为了尽量避免这种情况的发生，当各变量超出极限值时就会发出声光报警信号。
2.4.2控制模式
控制系统工作模式分为自动和手动两种，在两种模式的相互切换下实现对养鸡场的自动控制，以达到氨气浓度控制的目的，满足鸡正常生长的要求。
手动控制：
该模式下可以通过控制面板上的开关按钮强制的对执行机构进行控制，方便工作人员对系统进行调节和控制。
自动控制：
该模式下系统自动运行，根据由传感器传来的检测信号，系统首先根据预设好的临界值进行判定，正常则维持当前系统的工作状态，超标则根据预设的控制规则进行调整，驱动执行机构进行相应的开启，最终使系统的环境因子符合鸡的生长需求。
第3章系统硬件设计
系统硬件模块主要包括硬件系统结构、控制模块的选型、系统整体原理图、工作原理图和硬件连接设计。
3.1硬件系统结构
整个养鸡场控制系统的硬件主要由上位PC、控制器模块、信息采集模块（即传感器）、执行模块及手动操作面板五部分组成[5]。
其中上位PC用于程序编写调试和养鸡场运行状态监控，控制器模块选用三菱FX-2N系列小型PLC来实现养鸡场核心控制功能，信息采集模块则采用各种传感器采集各种环境变量，而执行模块主要由卷帘窗、排气扇等通风设备组成。
其结构如图3-1所示。
图3-1硬件系统结构图
本文研究的养鸡场为东西走向，东西方向长200米，南北方向宽8米，高4米。
其输入量和输出量统计如表3-1、表3-2所示。
表3-1输入量统计表
输入名称
数量
功能说明
占端子数
自动/手动模式
选择开关
1
用于选择系统工作方式
2
系统停止开关
将控制系统停止运行
警报解除开关
用于手动解除警报
排气扇开关
控制排气扇的开启关闭
卷帘窗开关
6
用于手动打开和关闭卷帘窗
12
卷帘窗上限位开关
用于限定卷帘窗最大开启角度
卷帘窗下限位开关
用于测定卷帘窗是否到达关闭位置
总计：
30
氨气浓度传感器
检测养鸡场内氨气浓度
表3-2输出量统计表
输出名称
占用PLC端子数
警报灯/蜂鸣器
控制警报灯和蜂鸣器的开启关闭
卷帘窗电机
控制卷帘窗的开启关闭
排气扇
15
由表3-1可知，氨气浓度检测控制系统包括开关量和模拟量两种输入信号。
通过两类信号的输入完成对养鸡场环境变量的检测和养鸡场调控系统程序响应的功能，控制程序根据输入的信号量，在预先设置的控制规则下给出响应的输出量，最后驱动执行机构工作，完成对养鸡场的控制。
控制系统中输出信号控制的是执行机构或为执行机构提供动力的设备，其工作过程和安装方式如下：
警报灯和蜂鸣器，两个元件并联后连接到PLC相应的输出端口，当氨气变量超出设定值时发出光信号提醒操作人员，警报灯和蜂鸣器可以经过手动操作按钮复位，两个装置安在监控室内。
卷帘窗电机，控制卷帘窗的启停，养鸡场两侧等距离设置六个卷帘窗，每个卷帘窗由单独的一个电机来控制，开启角度由限位开关角度决定[6]。
卷帘窗开启到达最大角度时触发上限位开关，PLC则发出停止指令停止卷帘窗电机运行，卷帘窗关闭时到达闭合位置时触碰下限位开关，PLC则发出指令停止卷帘窗电机运行。
PLC输出端占用六个端子，分别通过继电器控制电机的正反转，六个电机一共占用十二个输出端子。
排气扇，养鸡场南北侧墙壁上安置两个大功率的环流风机，通过PLC输出端经继电器控制排气扇的开启和停止。
当养鸡场内氨气浓度超出设定的标准值时打开排气扇，进行空气对流换气进行降低场内氨气浓度，排气扇控制占用两个PLC输出端子，每个端子控制一个排气扇。
执行机构主电路图如图3-2所示。
图3-2系统主电路图
3.2控制模块的选型
根据上述统计可知，控制系统一共具有两种输入信号，其中数字量信号30个，模拟量信号2个，输出只有数字量一类信号个数为15个。
基于系统的I/O量统计，满足功能要求的前提下综合性价比选用三菱FX-2N系列PLC，其中CPU模块一个，型号为Q02CPU，模拟量扩展模块两个，型号为FX2N-4AD。
Q02CPU具有的数字量输入输出点数满足系统需求，同时不需要增加扩展模块。
开关按钮接入模块输入端，完成手动控制功能，输出端连接继电器系统，控制执行机构动作。
FX2N-4AD是FX2N系列PLC的模拟量输入模块，具有CH1~CH4四个通道，满足系统需求。
每个通道都可以进行AD转换，分辨率为12位，采集信号电压为-10V~10V，分辨率为5mV[7]。
电流输入时，为4~20mA，分辨率20uA[7]。
FX2N-4AD内部有32个16位的缓冲寄存器，用于与主机交换数据。
FX2N-4AD占用FX2N扩展总线的8个点，耗电为
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