2015, Vol. 32
随着家禽养殖规模化的提高，环境因素对养殖生产的影响愈来愈显著.目前，我国大多数家禽养殖处于人工阶段，尤其是禽舍内环境的调节，采用饲养人员对环境的主观判断来控制相应的机械设备[1-3]，远远不能满足标准化、规模化和集约化的需求.本文立足于该问题，以广州市番禺区某养殖示范基地为研究对象，提出了一种以力控组态软件为开发平台，利用多传感器进行环境信息采集，通过研华ADAM模块控制现场设备来调节环境参数的分布式养殖监控系统.实现温度、湿度、氨气、硫化氢等环境参数的自动调节，从而改善养殖环境，提高管理效率和决策水平.
1 监控系统总体方案设计规模化家禽养殖，除了依靠饲料、防疫、疾病治疗和育种外，急需改进配套的养殖设备和环境控制技术，实现自动化管理[4-6].为此，本文设计家禽养殖监控系统，如图 1所示.系统针对多个禽舍构成的禽舍群构建二层网络结构.上层网络为养殖场局域网，连接禽舍ADAM4570、视频服务器和监控中心计算机，提供数据传输和共享.下层网络为数据采集和控制网络，该层以禽舍为单元，各环境检测模块、ADAM4069以及ADAM4055通过RS485/MODBUS串行总线的方式与ADAM4570互连，由ADAM 4570实现RS485到Internet的转换，通过局域网将数据上传至监控中心.实现养殖环境参数的实时采集和现场设备的实时监控.
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图 1 系统结构图 Figure 1 Structure of system |
研华ADAM模块是具有内制微处理器的传感器到计算机的智能接口模块，它通过ASCII码格式命令和RS485协议收发高速率、远距离信号，并提供信号调理、隔离、数据对比、数字通信、A/ D和D/ A转换等功能[7].
ADAM4570：具有两路RS232/ 485/ 422到以太网的数据网关，支持TCP/ IP协议、10/100 Base-T标准，具有标准串行配置.可把PC机串行口扩展到255个，扩展的串行口和PC机物理上分开，逻辑上如同在本机上一样，实现数据从RS485到以太网的转换.
ADAM4055：数字量输入输出模块，RS485接口.8通道数字隔离输入，8通道数字隔离输出，其中，数字隔离输入支持干节点输入，逻辑0表示开关断开，逻辑1表示开关闭合，用于监测禽舍设备的状态.
ADAM4069：继电器输出模块，RS485接口.4通道Form A，4通道Form C，额定负载为AC 5 A@240 V，用于控制禽舍设备的启动/停止.
2.2 环境采集单元本系统考虑的环境参数有5种：温度、湿度、光照度、氨气和硫化氢.为完成各环境参数的采集，设计如图 2所示的环境采集单元.该单元采用分布式结构，所用检测模块直接挂接在RS485总线上，方便系统快速集成和扩展.温湿度检测模块采用九纯健JCJ100N数字式温湿度变送器；气体检测模块采用驰诚QB2000N系列气体变送器；光照度检测模块采用拓达ESM-ZD光照度变送器.各模块均以24 V直流电源供电，模块间通过标准的工业通信协议Modbus进行通信.采集数据通过ADAM4570的Port1端口上传至监控中心.由于禽舍内各环境参数呈不均匀分布状态，因此采用多传感器合理布局，利用算术平均值法得到禽舍内各环境参数.
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图 2 环境采集单元 Figure 2 Enviromental collection unit |
设备监控单元完成对送料系统、照明系统、喷雾系统、自动卷帘系统、风机系统的控制和监视.该单元采用研华ADAM4069、ADAM4055和ADAM4570实现.其中，利用ADAM4069控制设备的启停，利用ADAM4055监视设备的运行状态，最后由ADAM4570转换模块完成与监控中心的数据通信.模块间接线如图 3所示.
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图 3 ADAM模块间连接图 Figure 3 Connection of ADAM modules |
下面以喷雾系统为例介绍如何对禽舍内喷雾的监控，其电气原理图如图 4所示.结合图 3，为实现对喷雾的控制，将ADAM4069的一组继电器输出接点的NO和COM并接在02和03的两端，另一组输出接点的NC和COM串接在01和02之间.其工作原理为：当监控中心PC机发出启动喷雾命令后，通过ADAM4570的Port2端口转发给ADAM4069，ADAM4069相应继电器输出接点的NO和COM闭合，KM1通电，KM1常开触点闭合，喷雾启动；当监控中心PC机发出停止喷雾命令后，通过ADAM4570的Port2端口转发给ADAM4069，ADAM4069相应继电器输出接点的NC和COM断开，KM1断电，KM1常闭触点断开，喷雾停止；为实现对喷雾的监视，将交流接触器KM1的常开触点一端接在ADAM4055的DI0，另一端接在D.GND.其他设备的监控与喷雾类似.
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图 4 喷雾系统电气原理图 Figure 4 Electrical diagram of spray system |
监控系统采用力控Forcecontrol 6.1组态软件开发.该软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法[8-9].只要将软件中预设置的各种模块进行简单的“组态”，便可以容易地实现和完成监控的各项功能.
3.1 人机界面设计根据养殖场对监控系统的要求，运用力控开发系统Draw提供的工具设计的主要界面有：登录界面、事件记录、数据报表、趋势曲线、参数设定等.禽舍现场设备监控界面如图 5所示，各设备界面显示相应设备的状态以及实现控制的按钮.另外，每个界面还包含禽舍环境参数的实时数据和上下限数据，可作为手动操作的依据，避免操作的随意性和主观性.
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图 5 设备监控界面 Figure 5 Device monitoring and controlling interface |
力控ForceControl6.1组态软件是通过I/O驱动程序与控制设备进行数据交换的[10].I/O驱动程序一方面将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到实时数据库，最后在画面上动态显示；另一方面，它将控制指令经过处理后通过实时数据库下发给控制设备，对执行机构进行控制.定义I/O设备即是设置其驱动程序中的各项参数.本监控系统全部I/O设备采用Modbus/Rtu驱动程序，其设置如下：在I/O设备组态-MODBUS-标准MODBUS-MODBUS(RTU串行口)项上双击添加设备驱动，根据界面向导完成设备名称、更新周期、通迅地址、串口、数据格式等设置，如图 6所示.
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图 6 I/O设备驱动连接 Figure 6 Connection of I/O device driver |
实时数据库是整个监控软件的核心.它由管理器和运行系统组成.运行系统将组态数据、实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上[11]，管理器可以生成实时数据库的基础组态数据，对运行系统进行部署.创建实时数据库就是在管理器中建立数据库点，并与ADAM模块和检测模块的数据连接.
本系统中所要创建的数据库变量有温度、湿度、光照度、有害气体浓度以及设备的控制等，另外，还包含一些需要保存的数据库变量.在力控“开发系统”中，双击“数据库组态”，弹出“DBManager”数据库管理窗口，按照所要创建点的类型创建新点，设置其各项参数，包括基本参数和报警参数，并且进行相应的量程转换，然后在“数据连接”中将已创建的点与现场I/O设备的某一具体数据项建立一一对应关系，完成点参数的数据连接.
3.4 动作脚本系统中涉及到窗口脚本动作、应用程序脚本动作、条件脚本动作以及数据改变脚本动作.数据改变动作的部分脚本如下：
//手动/自动切换设置
if A_CHANG.PV==0 then A_Operate=“手动”; DeviceClose(“YHO1”, 0); DeviceClose(“YHO2”, 0); DeviceClose(“YHO3”, 0); DeviceName=“手动/自动切换”; DeviceState=“手动”; else A_Operate=“自动”; DeviceOpen(“YHO1”, “”, 0); DeviceOpen(“YHO2”, “”, 0); DeviceOpen(“YHO3”, “”, 0); DeviceName=“手动/自动切换”; DeviceState=“自动”.
3.5 参数设定根据鸡种和鸡龄的不同设置禽舍内环境因子限定表，主要包括温湿度上下限、光照度上下限、光照时间、有害气体上限等.采用ACCESS作为嵌接数据库来完成数据的存储和管理.其实现过程如下：(1)创建SQL数据库模版，模版中定义数据表的结构.(2)数据表绑定，定义组态软件中的变量和数据表字段的对应关系，需保证数据表模板和数据表绑定表中字段的一致性.(3)数据库操作，利用组态软件中的SQL语句对数据库操作.该参数设定表具有增加、删除、修改、查询、导出等功能.参数设定界面如图 7所示.
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图 7 参数设定界面 Figure 7 Parameter setting interface |
禽舍环境由照明系统、风机系统、喷雾系统、卷帘系统来调控.由于禽舍环境具有非线性、强耦合，大滞后等特性[12-13]，采用传统的方法很难实现禽舍环境的自动控制，因此，该系统对具有强耦合特性的温湿度采用联合控制的方案.其他如光照度、氨气、硫化氢的调整则采用范围设定的方式.控制策略流程如图 8所示.
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图 8 控制策略流程图 Figure 8 Flowchart of control strategy |
控制周期设定为5 min.温湿度判断是将温湿度分为高、中、低3级.根据判断结果查询预先定义好的温湿度控制表并执行相应策略，完成温湿度联合控制，控制策略可由操作人员根据季节、天气等进行调整.氨气和硫化氢的浓度主要靠风机来调节.光照度由照明系统来调节.
5 系统调试及运行根据本文设计的设备监控单元如图 9所示.利用Serial Device Server Configuration Utility配置ADAM4570的IP地址；数据传输方式为RS485；数据格式为10位：1起始位，8数据位，0校验位，1停止位；将Port1和Port2分别自动映射为COM1和COM2，实现计算机和ADAM4570通信.
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图 9 设备监控单元 Figure 9 Device monitoring and controlling unit |
运行研华应用软件ADAM-4000-5000 Utility配置ADAM4055、ADAM4069，使其设备地址与监控系统中定义的地址一一对应，通信协议为Modbus.
设置环境检测模块的地址与监控系统组态时定义的地址对应.
进入家禽养殖监控系统，对各功能单元分别进行调试后，系统正常运行.系统监控画面如图 10所示.
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图 10 系统监控界面 Figure 10 System monitoring and controlling interface |
本文针对家禽养殖业存在的人工成本高、环境控制盲目等普遍问题，采用组态软件、RS485现场总线和ADAM模块设计家禽养殖监控系统.该系统集现场监控、数据采集和数据管理于一体，具有以下特点：(1)分布式的系统结构和模块化的设计方法，使系统易于扩展和便于维护；(2)人机界面友好，操作方便；(3)采用自动控制策略，避免了人工操作的主观性和随意性.该系统已于2012年12月在广州市番禺区某养殖场投入运行.
| [1] |
刘刚, 罗宇锋. 规模化养鸡场禽舍环境控制技术研究[J].
畜牧与饲料科学, 2010, 31(4): 59-60, 112.
Liu G, Luo Y F. Environmental control techniques of chicken house in large scale poultry farms[J]. Animal Husbandry and ned Seience, 2010, 31(4): 59-60, 112. |
| [2] |
黄华, 牛智有. 基于PIC18F2580的畜禽舍温湿环境控制系统[J].
现代畜牧兽医, 2009, 28(4): 49-52, 57.
Huang H, Niu Z Y. Circumstance control system of harmful gases in poultry housing based on PIC18F2580[J]. Measurement & Control Technology, 2009, 28(4): 49-52, 57. |
| [3] |
段晓红. 鸡舍环境控制的研究及推广[D]. 兰州: 甘肃农业大学人文学院, 2005.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10733-2007040117.htm
|
| [4] |
崔和瑞, 李曼, 高峰. 基于模糊控制的畜禽舍环境监控系统的研究[J].
计算机工程, 2006, 32(21): 224-225, 228.
Cui H R, Li M, Gao F. Study on environmental monitoring system of the beasts & birds rooms based on fuzzy control[J]. Computer Engineering, 2006, 32(21): 224-225, 228. |
| [5] |
胡肄农, 窦少春, 王立方, 等. 蛋鸡规模化养殖场的自动监控系统[J].
江苏农业学报, 2002, 18(3): 176-180.
Hu Y N, Dou S C, Wang L F. Automative monitoring and contr-olling system for a large-scale egg-laying hens farm[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2002, 18(3): 176-180. |
| [6] |
王丽丽. 基于PC机与单片机的分布式禽舍环境监控系统研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学机械与电子工程学院, 2009.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10712-2010050065.htm
|
| [7] |
潘宇峰, 张慧慧. 基于MCS-51单片机和ADAM模块的分布式网络——无线测控系统[J].
测控技术, 2004, 23(9): 27-28, 37.
Pan Y F, Zhang H H. Distributed network—radio measuring and controlling system based on MCS-51 and ADAM[J]. Measurement & Control Technology, 2004, 23(9): 27-28, 37. |
| [8] |
刘晓艳. 基于力控v6. 0的EAST快控电源监控系统的研究[D]. 准南: 安徽理工大学电气学院, 2009.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10361-2009259313.htm
|
| [9] |
叶磊. 基于力控组态软件的压力机监控系统[D]. 南宁: 广西大学电气工程学院, 2008.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10593-2008135638.htm
|
| [10] |
王明武. 基于力控组态软件的阀门性能测试监控系统[J].
液压与气动, 2012(12): 123-125.
Wang M W. Supervisory control system for valve performance test by using forcecontrol configuration system[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2012(12): 123-125. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4858.2012.12.039. |
| [11] |
谷红岩, 李文哲. 基于PLC和力控组态软件的沼气生产自动控制系统[J].
农机化研究, 2011(1): 199-202.
Gu H Y, Li W Z. Automatic control system of biogas production based on PLC and forcecontrol[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011(1): 199-202. |
| [12] |
王方江, 李乐超. 基于PLC的禽舍温湿度控制系统[J].
上海电器技术, 2007(4): 36-40.
Wang F J, Li L C. Design of environment controlling of hen house based on PLC technology[J]. Shanghai Electric Appliance Technology, 2007(4): 36-40. |
| [13] |
刘金华. 基于虚拟仪器的畜禽舍环境监控系统研究[D]. 保定: 河北农业大学机电工程学院, 2003.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-11920-2003091316.htm
|