基于PLC的禽舍环境控制系统设计.docx

基于PLC的禽舍环境控制系统设计.docx

《基于PLC的禽舍环境控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的禽舍环境控制系统设计.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于PLC的禽舍环境控制系统设计

青岛农业大学

毕业论文（设计）

题目：

基于PLC的禽舍环境控制系统设计

姓名：

学院：

专业：

班级：

学号：

指导教师：

年月日

毕业论文（设计）诚信声明

本人声明：

所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

论文（设计）作者签名：

日期：

年月日

毕业论文（设计）版权使用授权书

本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。

本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。

本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。

论文（设计）作者签名：

日期：

年月日

指导教师签名：

日期：

年月日

基于PLC的禽舍环境控制系统

摘要

禽舍养殖是我国农业发展战略的重要组成部分，规模化、集约化是我国现代化禽类养殖未来的发展方向。

我国是畜禽养殖大国，禽蛋产量位居世界第一，然而我国目前的禽蛋产品在食品安全和卫生质量方面却处于劣势。

因此，研究一套具有智能检测功能的禽舍环境测控系统，以及禽舍环境参数的智能控制方法具有重要的理论意义和应用价值。

本设计的主要任务是利用各种传感器来对禽舍的各种环境因素进行检测，并将这些采集到的环境因素通过A/D转换器转化为数字量，将这些数字量传入到PLC的寄存器里边，通过对PLC的软件程序设计来实现对这些数据的分析和处理，进一步通过外部输出电路来对禽舍环境进行改变，使其达到用户需要的条件。

用户可以通过人机界面（触摸屏）来对PLC的某些内部数据进行改变，来实现适应不同地区不同种类的禽舍环境。

本文采用工业级触摸屏TH765-MT作为控制终端，通过XC-2AD2PT-BD对外界温度进行检查通过XC3-24R-E的PLC处理传送到触摸屏进行显示，从而更直接的通过软件程序的控制实现对禽舍温度的自动控制。

实验表明系统运行稳定，实验结果准确，能够完成设计要求。

关键词：

转触摸屏；可变逻辑控制器；A/D换器；传感器；

PLCfowleryenvironmentcontrolsystembasedon

Abstract

BreedingpoultryhouseisanimportantpartofChina'sagriculturaldevelopmentstrategy,scale,intensiveisthefuturedevelopmentdirectionofChina'smodernizationpoultry.Chinaisalargecountryoflivestockandpoultrybreedingandeggoutputrankedfirstintheworld.However,China'scurrentpoultryproductsinfoodsafetyandhygienequalityareatadisadvantage.Withtheincreasingofavianinfluenzaandotherdiseases,especiallytheH5N1highlypathogenicavianinfluenzaappear,makepeopleaware,poultryfarmingisnolongersimplyrelatedtoeconomicinterests,butalsorelatedtothehumanhealthandlifesafety.Therefore,putsforwardhigherrequirementsforfowleryenvironment.Becauseofthechickensinpoultrybreedingproportionisthelargestandmostrepresentative.Therefore,thispapershedsastheresearchobject,explorethegeneralrulesofbreedingpoultryhouse.Characteristicofpoultryhouseenvironmentalcontrolisusingaseriesofengineeringfacilitiestoensurepoultrygrowthenvironmentofbreedingmorereasonable,poultrysetanimportantconditionfortheintensificationandmodernization,butduetothepoultryhouseenvironmentiscomplex,andthesystemishuge,therearehighlynonlinear,variableandmultivariablecoupling,makingmanyconventionalmeansofdetectionandcontrolmethodcannotmeettherequirements.Therefore,thestudyofasetwithintelligentdetectionfunctionofpoultryhouseenvironmentcontrolsystem,andpoultryhouseenvironmentalparametersofintelligentcontrolmethodhasimportanttheoreticalsignificanceandapplicationvalue.

ThispaperusesindustryleveltouchscreenTH765-MTasacontrolterminal,throughXC-2AD2PT-BDexternalboundarytemperatureforinspectionbyXC3-24R-EPLCtransmissiontothetouchscreendisplay,inordertomoredirectlythroughthecontrolofasoftwareprogramtoachieveautomaticcontrolofthetemperatureofthebirdhouse.Experimentsshowthatthesystemrunsstably,theexperimentresultsareaccurate,andcancompletethedesignrequirements..

Keywords:

rotatingtouchscreen;variablelogiccontroller;A/Dconverter;sensor;

1绪论

1.1研究背景

建国以来,特别是改革开放以来,我国畜牧业持续高速发展,畜牧业产值在农业总产值中的比重已由1978年的7%提高到目前的30%左右,四川、吉林、北京、上海等省市己超过40%。

畜牧业已经成为我国农业和农村经济中最有活力的增长点和最主要的支柱产业,也是农民经济收入的主要来源之一[1][2][3]。

禽舍养殖是我国农业发展战略的重要组成部分,规模化、集约化是我国现代化禽类养殖未来的发展方向。

我国的禽类养殖越来越向着规模化,集约化进行发展。

[4]我国是畜禽养殖大国,禽蛋产量位居世界第一,然而我国目前的禽蛋产品在食品安全和卫生质量方面却处于劣势。

随着禽流感等疾病的不断增加,尤其是H5N1型高致病性禽流感的出现,让人们清醒地意识到,家禽养殖已不再是单纯地涉及经济利益,而且也关系着人类自身的健康及生命安全。

因此,给禽舍环境提出了更高的要求。

由于禽舍环境复杂、系统庞大,存在高度的非线性、时变和多变量耦合等特性,使得许多常规的检测手段和控制方法不能满足要求。

因此,研究一套具有智能检测功能的禽舍环境测控系统,以及禽舍环境参数的智能控制方法具有重要的理论意义和应用价值。

基于PLC的禽舍环境控制系统设计就是在这种背景下提出的。

禽舍的环境是与禽类的身体健康是嘻嘻相关的。

因此,对禽舍温度和湿度的控制调节能大幅度的提升禽类出品的卫生水平。

提高禽类的生长发育能力,因此,对禽舍内环境和气象因子的有效控制是家禽伺养管理中最根本的问题。

家禽的生存需要具备一定的环境条件,适当的温度、湿度、光照以及良好的空气质量是提高其存活率、产蛋率、增重速度和健康活性等生产性能的关键因素[5][6]。

1.2同类别设计研究状况

1.2.1国内发展状况：

中国的经济禽类养殖虽然起步较晚,但呈现出快速发展,长足进步的良好势头。

就养殖的品种而言,由于经济动物概念中,决定是否为经济动物的三大特征：

经济价值较大、一定驯化程度、一定野性均为定性、模糊指标,因此对有些动物是否是经济动物,存在分歧,因此,经济动物养殖品种数目迄今处于众说纷纭状况,笔者认为有50-60种,而经济禽类养殖居各类之首,有20种左右；从养殖的规模类型看。

具有多样性,有个体庭院养殖、建场（公司）小规模养殖、较大规模趋于集约养殖等多种形式,且养殖场（公司）总体数量逐年递增,不少公司的养殖规模在逐渐扩大,提升,从养殖分布范围来讲,遍及全国31个省市。

⑴投资盲目

就目前国内养殖情况而定,有许多人已然通过规模式的养殖获得了成功,取得了很好的收益。

但也有不少人见别人成功了,就盲目投资,想着一夜暴富。

然而结果却是恰好相反,他们不但没有取得收益反而有所亏损甚至面临倒闭和家破人亡的尴尬局面。

养殖产业风险大、利润高、投资高。

所以投资养殖产业的业主一定要考察好市场,并且具有一定的专业技术水准。

禁忌盲目追风。

⑵规模偏小,布局混乱

中国的经济禽类养殖就目前而言,绝大多数规模偏小,有的甚至利用自己的庭院进行养殖,这种小规模养殖,虽能为经济实力不大者投资致富提供机遇,也有利于地方资源（养殖空间和食物资源）的充分开发利用,有利于解决部分人就业问题和一些上班族增加家庭经济收入等问题。

就目前的情况来看,这种小规模的养殖情况虽然一定程度上缓解了一些就业问题,但对整个的国家养殖规划并没有好的推进作用。

⑶技术含量低

中国的禽类养殖,与西方大多数国家和一些东南亚国家相比,存在很明显的技术落后问题。

这不仅体现在产品的养殖技术上,还体现在产品的加工和产品的单一性质上。

由于有好多的资源未被利用。

养殖的经济效益不高,体现太明显。

⑷监督、法律不健全

由于中国禽类养殖起步较晚,养殖技术落后,管理方面也体现出来了好多的弊端。

与发达国家相比,在监督、管理、法律、法规等方面仍处于不健全的的地步。

1.2.2国外情况

国外禽类养殖起步较早,对于这方面的法律比较健全。

最重要的是国外特别是发达国家的可以总体比国内领先许多。

在禽类养殖方面也有明显的技术支持。

早在20世纪50年代,美国首先研究开发并推广应用了规模化、机械化、工厂化和集约化的现代养禽新工艺模式。

美国在禽舍建筑反面比我国至少领先了30年[7][8]。

1.3主要研究任务和难点

1.3.1研究的主要任务：

1、PLC程序的设计

2、触摸屏程序的设计

3、外部接线图的连接

4、温度传感器的连接

5、外部线路设计

6、关于温控系统的调试

1.3.2研究的难点：

1、温度传感器温度的采集

2、利用触摸屏对温度上下限的设置进行温度的补偿

2系统的总体方案设计

禽舍环境的控制主要包括温度和湿度的控制,另外有害气体也是导致禽类致病的重要因素。

硫化氢和二氧化碳的浓度会间接影响禽舍内温度的高低,所以我在设计中没有涉及到用制冷机降温,而是采用风机降温,尽量贴切自然。

由于实验器材的因素,实际中我只能做了温度的控制。

湿度和有害气体的检测及控制暂时没有涉及,但是原理是一样的。

2.1设计目标

本系统设计一套能够根据检测禽舍内温度并且能自动控制在一定范围内的系统。

2.1.1逻辑流程图

图2.1逻辑流程图

2.1.2程序流程图

图2.2程序流程图

基于PLC的禽舍环境控制系统,是利用湿度、温度、有害气体浓度等各种传感器,检测出禽舍环境中不利于禽类生长发育的因素,通过PLC经过处理分析,与适宜的环境因素进行匹配。

从而通过一系列的工作对禽舍环境进行处理,将其改造为有利于禽类生长的环境条件。

本系统能够对不同型号的传感器进行非优秀条件补偿,对不同的不利环境做出不同的动作。

2.2可编程控制器选择方案

方案一：

采用国外品牌。

国外常用的可编程控制器有西门子、三菱、欧姆龙。

这些可编程控制器功能强大,工作稳定。

相对技术比较成熟,相对应扩展模块比较齐全,价钱较高I/O点数较多,编写程序时还可以进行程序注释。

大多数国外的PLC都带矩阵功能和自我诊断功能等其他特殊功能。

市场占有率比较高。

方案二：

采用国内品牌。

国内生产的可编程控制器没有那么多齐全的功能,但是价钱较低,性价比相对较高。

国内生产的PLC,自身所带的配置没有那么深入,精度不是太高,并且存在某些功能上的缺陷。

市场占有率比较低。

综上考虑,由于禽舍工作环境不是很恶劣,对可编程控制器的要求不是很高。

本设计做的温控系统对I/O点数需求不是很高。

另外本系统所需的特殊功能不是很多。

所以选择了国产的xinje可编程控制器。

2.3系统的设计要求

本系统的设计完全是在Win7pc客户端上进行的。

对于外观数据可视化平台是才用了型号为TH765-MT的触摸屏。

对于触摸屏的软件编程采用的是最新版的TouchWin编程软件。

为了减小开支,仅为了证实本设计的可行性,我选取了点数较少的xinjeXC3-24R-E的可编程控制器。

可编程控制器的编程软件采用的是“XC系列编程工具”由于原理是一样的,本系统只做了温度控制这一方面。

其余的湿度控制和有害气体浓度的控制都可以引用温度控制的原理。

本系统的温度控制精度要求为0.1度。

通过触摸屏对PLC的调节为0.1度,现实与测试的温差通过多次试验数据来确定,并且通过编写程序来实现温度补偿。

由于湿度和有害气体浓度没有做,这个就根据选材的湿度传感器和有害气体浓度传感器来决定。

2.4系统的设计方案

本系统是以xinjeXC系列的可编程控制器为核心的温控系统,选取的相应硬件也是围绕xinje系列来选取的。

通过温度传感器来采样禽舍内的实时温度,然后通过A/D转换器将采取的温度信号转换成数字量,经过可编程控制器将处理过的数据显示在可视触摸屏上,并且通过触摸屏可以调节需要的温度范围。

温度精度为0.1°。

由于采用的温度传感器与电阻有关,接线的接触不良可以影响到温度的采集结果,另外导线的长度和传感器的伸出距离可能导致采集的结果与实际不符,存在一定的误差。

所以在触摸屏的编程设计中要加入温度补偿的界面,从而使该系统能够应对大多数的复杂情况。

并且更能适应不同地域的环境。

2.5程序设计

2.5.1可编程控制器程序设计

可编程控制器作为整个系统的大脑、核心部件,它的主要任务是对外部数据进行处理、分析,从而对其所控制的元器件下达行动命令。

由于IO口较多的可编程控制器成本相对较高,所以采用了XC3-24R-E的可编程控制器。

实现与触摸屏的相互通讯,以及对传感器的信息采集,和对风机、加热棒的输出控制。

2.5.2触摸屏的程序设计：

触摸屏需要和可编程控制器建立双向通讯。

可编程控制器将实时数据传输到触摸屏上显示出来,触摸屏通过程序修改可编程控制器的一些限制因素。

并且可以通过触摸屏来对可编程控制器的内部数据进行修改。

2.6加热方案的选取

方案一：

现在国内现存的大多数温度控制系统都是用PID调节技术。

图2.3PID流程示意图

PID调节是闭环的控制方法。

所以在PID调节的系统中必须得有闭环硬件系统。

在温度控制系统中用来反馈的硬件就是温度传感器。

[9]将PID依次分开就是比例、积分、微分控制算法。

其实在温控系统中也并不是所有的控制方法都用上了,到目前为止我接触到的大都是P调节,也就是积分调节。

现在简单的分析一下他们的区别。

比例,体现的是系统的当前偏差值,优点是可以提升调节的效率并且减少误差,但它存在的问题就是,如果设定的比例值过大,就会造成相反的效果,系统变得不稳定。

积分,体现的是系统累计偏差,总体来说就是使系统达到完美无误差的条件,只要有误差就会调节。

直至完美。

不可单独使用。

微分,微分大家都知道是体现变化率的,在这里微分的作用是可以提前判断温度变化的趋势。

捕捉到变化趋势就可以超前调节,在误差还没有出现之前就消灭在萌芽中。

微分的缺点就是抗干扰性比较差,不可单独使用。

公式；

在公式中Kp,Ti,Td都是设定的PID控制算法的关键数值,这几个数值不能随便设定。

并且这几个数值的要经过试验的反复调试来确定。

但是由于本温度系统是要给大众化的普及,不同地点、不同种类的养殖都不会采用相同的数值,因此这是PID调节的一大弊端。

Kp—比例放大系数

Ti—积分时间

Td—微分时间

（公式1-1）

（公式1-2）

（公式1-3）

方案二：

正常调节

在这种调节中,不采用任何算法公式,只是设定一定的温度范围,在禽舍室温低于设定温度时就启动加热器加热。

当禽舍温度高于设定值时就启动风机或湿帘。

来降低禽舍温度。

最终方案选取,我选择的是方案二。

以上的方案介绍中我们看到了PID调节。

从中我们也发现了许多的问题。

一方面我们的系统是面对大众化的,当然我们也希望系统成型后可以销往各个地方。

一个系统最主要的就是操作简单方便,如果用PID调节系统的话不同的用户对于不同的环境和不同的禽类养殖来设定不同的微分时间、积分时间和放大系数值。

就这一方面就有可能导致某些用户没法准确的设定好。

另一方面,采用PID调节的系统对可编程控制器也有特殊的要求,必须要是晶体管输出型的可编程控制器。

另外PID输出的一个周期大多数都采用的是两秒。

所以还要随输出配置一个变频器。

若不配置变频器,一般的继电器反应速度没这么快,即使有这么快也会有比较长的延时时间,这对PID调节就完全失去作用和优势了。

加上变频器就无疑大幅度提高了系统成本。

高频率的工作也会降低加热器以及制冷器的寿命。

所以综上所述。

方案二无疑的最适合的控温方案。

PID算法流程图如下

图2.4PID流程算法流程图

3系统硬件性及机介绍

一个系统的好坏,很大程度上是取决于硬件的质量。

在这里我就我所做的温度控制系统来给大家介绍一下我所用到的硬件,由于只是温度控制。

所以我没有介绍湿度传感器和有害气体浓度控制的那一部分硬件介绍。

还有最终做出来的系统由于没有最终做出风机和加热棒,所以这里也没有介绍。

另外我认为那些都比较浅显易懂,所以没有介绍的必要,在试验中也没有必要装上那些大件。

3.1可编程控制器

3.1.1基本功能介绍

XC系列PLC具备充实的基本功能和多种特殊功能,各个子系列由于面向的应用场合不同,提供能也不尽相同。

XC系列可编程控制器基本处理指令扫描时间0.2～0.5us,10000步5ms,程序容量高达256K。

基本单元一般可支持7个不同种类、型号的扩展模块和1个扩展BD板。

XC系列PLC的6个子系列,具备不同规格的内部资源数目,以适应不同场合的需求。

资源量最多可达1024点；流程S、8768点；中间继电器M、544点；输入继电器X、544点；输出继电器Y、640点；定时器T、640点；计数器C、9024点；数据寄存器D、7152点。

除具备基本的顺序控制、数据的传送和比较、四则运算、数据的循环和移位,还支持脉冲输出、高速计数、中断、PID等特殊指令。

另外XC系列可编程控制器可置内部时钟,用于时间控制。

其拥有小巧的外形,安装方便,导轨螺丝两种方式任选。

3.1.2系统构成

XC系列PLC的基本配置包括基本单元、扩展BD模块、人机界面、扩展模块、网络模块、编程软件以及变频器。

XC系列的基本单元一般配备两个通讯口。

原则上2个通讯口都可用于编程下载、通讯。

需要注意的是,不可同时修改2个通讯口的通讯参数,否则将无法再用于编程下载。

另外通讯口2具备RS232和RS485两种接口模式,但通讯口2不能同时使用这2中模式,也就是说,任何时候,通讯头2只能用于一种接口模式。

图3.1通讯头区别

图3.2PLC两个通讯口引脚定义

3.1.3电源规格及接线方法

XC系列可编程控制器分为两种电源规格分为AC电源型和DC电源型。

PLC本身对外可以提供24V电源,其中本体I/O点数在24以下（不包括24点）

的可以对外提供200mA电流；本体I/O点数在24点以上（包括24点）可以对外提供400mA电流。

图3.3内部电源电路图

基本单元的输入信号电压为DC24V±10%,输入信号电流为7mA/DC24V,输入ON电流为4.5mA以上,输入OFF电流为1.5mA以下,输入相应时间约10ms,输入信号形式为接点输入或NPN开集电极晶体管,电路绝缘为光电耦合绝缘,输入动作显示为输入为ON时LED灯亮。

图3.4基本单元输入电路

基本单元的输出类型分为继电器输出和普通晶体管输出,我们用的PLC为普通晶体管输出类型的外部电源为DC5~30V以下,电路绝缘为光耦绝缘,动作指示为LED指示灯,最大负载中阻性负载为0.5A,感性负载为8W/DC24V,灯负载为1.5W/DC24V,最小负载为DC5V2mA,响应时间OFF→ON为0.2ms以下,ON→OFF为0.2ms以下。

图3.5基本单元输出电路

3.2BD扩展模块

由于只做了温控系统,为了减少成本我选取了XC-2AD2PT-BD的扩展模块。

这款扩展模块是14位高精度模拟量输入。

2通道电压0~10V、0~5V可选模拟量输入,2通道温度模拟量输入。

具有铂金测温电阻体（Pt1002线式）温度传感器用模拟输入。

图3.6扩展模块规格

扩展BD模块的安装方法：

打开PLC左侧扩展板顶盖,然后对准阵脚安装上去,并用螺丝固定住,再盖好扩展板顶盖就安装完成了。

在硬件安装完成后要对软件进行安装到本体上,首先要通过XCPPro软件进行联机,在“PLC设置”菜单中选择“BD板设置”在“BD设置”中选择“其他BD”,勾选相应的BD板型号,并在右侧对BD板进行基本设置,最后下载用户程序即可。

接线图

图3.7BD扩展模块接线图

3.3PT100温度传感器

PT100是一个温度传感器,是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至650℃的范围。

电阻式温度检测器是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。

大部分