PDF《基于组态软件和模糊控制的分娩母猪舍环境监控系统》

第27 卷第6期农业工程学报Vol.

27 No.6

2011 年6月Transactions of the CSAE Jun.

2011 231 基于组态软件和模糊控制的分娩母猪舍环境监控系统 李立峰

1 ,武佩1,麻硕士

1 ,鲁珊珊

2 ,宣传忠

1 (1. 内蒙古农业大学机电工程学院,呼和浩特市,010018;

2. 内蒙古机电职业技术学院,呼和浩特市,010017) 摘要:为解决北方寒冷地区分娩母猪对猪舍环境的要求,该文研究了一种舍内环境监测和控制系统.该系统综合考虑 舍内温度、湿度、氨气浓度及其相互影响,利用组态软件、模糊控制技术和解耦控制技术,通过机械通风系统和热水采 暖系统实现了舍内环境的智能控制.试验结果表明该系统可行且实用,在保证舍内所需温度基本恒定的条件下(舍内温 度控制的最大相对误差为 5.5%),也能使舍内相对湿度和氨气浓度保持在适宜范围内. 关键词:猪舍,环境监控,组态,模糊控制,解耦控制 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2011.06.042 中图分类号:TU264+.3 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011)-06-0231-06 李立峰,武佩,麻硕士,等. 基于组态软件和模糊控制的分娩母猪舍环境监控系统[J]. 农业工程学报,2011,27(6): 231-236. Li Lifeng, Wu Pei, Ma Shuoshi, et al. Monitoring and controlling system for delivery sow house environment based on configuration software and fuzzy control[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(6): 231-236. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 猪舍环境是指影响猪生长、发育、繁殖和生产的所 有外界条件,其主要因素包括温度、湿度和有害气体的 浓度等[1] .猪舍环境对猪的生长、健康等有重要影响,它 受气候等外界条件影响很大,因此如何在恶劣的气候条 件下,保证适宜的舍内环境至关重要.自20 世纪

70 年 代以来,随着养殖业规模化、集约化的发展,对畜禽舍 环境的调控越来越受到重视.猪舍环境的控制在荷兰、 美国、丹麦、日本、加拿大等发达国家发展很快,比如 荷兰 Velos 智能化母猪群养系统,猪舍装有温湿度传感 器、氨气传感器、自动控制风机、自动控制卷帘等设备, 用于实现猪舍小环境的自动控制.并通过高清监控系 统、ERP 综合信息管理系统等,实现数字化管理;

日本 生产的环境调控集群控制系统,不仅能起到环境调控的 作用,还能诊断出发病畜禽[2-3] . 而在中国猪舍环境控制还基本处于人工或半自动 化,仍然依靠工作人员对舍内环境的主观判断,人工控 制或调整环境的各种机械设备来实现,比如热风炉、湿帘、通风机等.近年来随着科学技术的飞速发展,养猪 业逐步走向规模化、集约化、信息化,在引进国外先进 技术的同时,国内学者对猪舍内采暖、降温、通风等环 收稿日期:2010-10-14 修订日期:2010-12-20 基金项目:内蒙古预算内基本建设农口重点项目(内发改农字(2008)1715 号) ;

内蒙古人才基金项目(108―111034) . 作者简介:李立峰(1981-) ,男,汉族,山东省淄博市,博士生,主要从 事测试与控制方面的研究.呼和浩特 内蒙古农业大学机电工程学院, 010018.Email: [email protected] 通信作者:武佩(1963-) ,男,汉族,教授,博士生导师,主要从事 农业工程测试控制方面的研究.呼和浩特 内蒙古农业大学机电工程学院, 010018.Email: [email protected] 境控制系统做了大量单因素的研究,并开始融入模糊控 制技术.比如中国农业大学对湿帘降温系统和喷雾蒸发 降温系统的研究;

河北农业大学利用虚拟仪器技术开发 的畜禽舍环境监控系统等[4-8] .北方寒冷地区冬季寒冷干 燥、昼夜温差大,在这样的气候条件下,研究猪舍适宜 温度、适度等环境监控措施很有必要,有关这方面的研 究报道较少. 本文以内蒙古农牧业科技园区的分娩母猪舍为实施 地点,研发了一种适合北方寒冷地区的猪舍环境智能监 控系统.该系统以组态软件 King View 为开发平台,利用 模糊控制技术和解耦控制技术相结合的方法解决多种环 境因素的非线性、时变性、时滞性以及相互干扰性,通 过可编程逻辑控制器 PLC 自动调整机械通风系统和水暖 采暖系统,实现对舍内环境的智能控制,旨在改善哺乳 母猪舍的环境质量,提高养殖效益.

1 系统结构 系统选取猪舍环境主要的影响因素舍内温度、相对 湿度和氨气浓度作为监控对象,依据《中、小型集约化 养猪场环境参数及环境管理(GB/T 17824.4-1999) 》的 规定,将分娩猪舍内环境温度控制在 16~27℃,相对湿 度控制在 40%~80%,氨气浓度不大于

15 mg/m3 .环境 监控系统主要包括硬件和软件系统

2 部分,结构如图

1 所示.硬件系统包括上位机(计算机) 、下位机(可编 程控制器 PLC) 、温度检测模块组、相对湿度检测模块 组、氨气浓度检测模块组、管道水暖传感器、水暖采暖 系统和机械通风系统.软件系统主要包括上位机中的控 制算法、数据显示、数据存储、设备运行监控、系统报 警、数据通讯和下位机数据采集、数据处理、设备控制 程序. 农业工程学报

2011 年232 图1分娩母猪舍环境监控系统结构框图 Fig.1 Diagram of construction of environmental monitoring and controlling System 1.1 硬件部分 温湿度检测模块采用 SHT11 传感器及其变送器 FAD-6101-00-4I20.氨气浓度检测模块采用 NH3/CR-200 型氨气浓度传感器及其变送器 FAD-8209,另外在猪舍附 近荫蔽地方测量舍外的温湿度,并对各个检测模块进行 了标定. 下位机是监控系统的核心部件,选用西门子可编程 控制器 CPU224XPCN 以及扩展模块 EM235. 本文中 PLC 的主要功能:一是舍内温湿度和氨气浓度及舍外温湿度 信息实时采集和数据处理;

二是机械通风系统和水暖采 暖系统执行设备的控制. 本系统选用热水采暖系统(热水采暖系统供热稳定 且均匀,适合北方寒冷地区) ,并应用机械通风系统来对 舍内进行通风换气和排湿.热水采暖系统由水暖循环泵、 SINAMICS V10 通用型变频器及其低压控制电路组成, 通过水暖循环泵的变频调节来调节热水流量实现舍内的 供热量变化.调节方式主要有质调节和量调节,质调节 主要改变系统的供回水温度,量调节主要改变系统流量 [7] . 机械通风系统由安装在南墙的

4 台完全相同轴流风机 组成,每台风机独立控制.在北墙开有通风口,采用负 压通风方式. 1.2 软件部分 软件部分包括上位机参数显示、运行监控、算法实 现、人机交互界面和下位机设备驱动程序.其中环境人 机交互界面用工业组态软件 King View 编写. 组态(Configuration)可以简单的定义为用应用软件 中提供的工具和方法来完成工程中某一具体任务的过 程.它的概念最早是出现在工业计算机控制中.组态的 出现为用户开发程序提供了方便. 组态软件于

20 世纪

80 年代末期才进入中国,从1995 年组态软件才逐渐普及应 用,但在农业上的应用还比较少见. 分娩母猪舍环境监控界面主要包括环境监控主界 面、数据采集界面、温度监控界面、湿度监控界面和氨 气浓度监控界面.主要功能是实现人机交互、模糊控制 算法等.图2是分娩母猪舍环境监控系统主界面,主界 面功能包括:猪舍内平均温度、平均相对湿度和氨气浓 度的实时显示;

风机和水泵运行情况的动画监控;

水暖 水温显示;

各个环境参数的控制设定界面;

各个环境参 数子系统的接口;

环境参数采集界面接口等. 图2分娩母猪舍环境监控系统主界面 Fig.2 Main interface of the environmental monitoring and controlling system

2 模糊控制 分娩母猪舍环境系统具有多变量、非线性、时变和 滞后的特点,并且各变量之间具有耦合关系以及很难建 立精确的数学模型,为此采用模糊控制算法来实现猪舍 环境监控系统.模糊控制是以模糊集合理论和模糊逻辑 为基础的控制方法,基本思路为:根据某时刻的检测值 作为变量通过模糊关系和模糊逻辑推理方法得出控制 量. 自1974 年Mamdani 首次把模糊集合理论成功地应用 在锅炉和蒸汽机的控制之中,开创了自动控制领域中模 糊控制在实际工程上应用的先河.随后,模糊控制理论 在畜牧业的环境控制上也有广泛的应用[10-16] .其最大的 优点为不需要建立控制对象的精确数学模型,只要求按 照数据库或是工作人员的经验和数据总结成的语言控制 规则,就能有效地对控制系统进行调控. 分娩母猪舍的环境由水暖采暖系统和机械通风系统 来调控,模糊控制系统如图

3 所示.模糊控制器的输入 e 为温度偏差;

u 为输出量;

u'

为输出修订值;

Ke 为温度偏差量化系数;

Kec 为温度偏差变化率量化系数;

Ku 为输出比例系数;

K 为输出修订值比例系数: ? U 为水暖循环泵的变频器输入变压偏差量化值;

E 为猪舍温度偏差的量化 值;

EC 为猪舍温度偏差变化率的量化值. 图3模糊控制系统框图 Fig.3 Diagram of fuzzy control system 第6期李立峰等:基于组态软件和模糊控制的分娩母猪舍环境监控系统

233 量是猪舍温度的偏差 e 和偏差变化率 ec,输出量是水暖 循环泵的变频器输入电压偏差 Δu.控制周期设定为

7 min.水泵的转速由模糊控制器的输出量 u 和由风机开 启个数决定的补偿量 u'

决定. 设定温度的偏差 e 范围为[-6℃, 6℃], 相对应模糊集 为E,温度的偏差模糊子集为{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB};

设定温度的偏差变化率 ec 范围为[-2℃,2℃],相 对应的模糊集为 EC,温度的偏差变化率模糊子集为{NB, NM, NS, ZO, PS, PB};

设定输出模糊量?u 为[-1.6 V, 1.6 V],相对应的模糊集为 ΔU 输出模糊子集为{NB, NS, ZO, PS, PB}.表1~3 为模糊变量 e 、 ec、?u 的隶属度矢量 值. 表1模糊变量 e 的隶属度矢量值 Table

1 Membership vector value of fuzzy variables e 等级 E -6 -5 -4 -3 -2 -1

0 1

2 3

4 5

6 NB

1 0.67 0.33

0 NM 0.33 0.67

1 0.67 0.33

0 NS

0 0.33 0.67

1 0.67 0.33

0 ZO

0 0.33 0.67

1 0.67 0.33

0 PS

0 0.33 0.67

1 0.67 0.33

0 PM

0 0.33 0.67

1 0.67 0.33 PB

0 0.33 0.67

1 注:e 为模糊控制器输入变量,即温度偏差;

NB 为负大;

NM 为负中;

NS 为负小;

ZO 为零;

PS 为正小;

PM 为正中;

PB 为正大 表2模糊变量 ec 的隶属度矢量值 Table

2 Membership vector value of fuzzy variables ec 等级 EC -4 -3 -2 -1

0 1

2 3

4 NB

1 0.67 0.33

0 NS

0 0.5

1 0.5

0 ZO

0 0.33 0.67

1 0.67 0.33

0 PS

0 0.5

1 0.5

0 PB

0 0.33 0.67

1 注: ec 为模糊控制器输入变量, 即温度偏差变化率;

NB 为负大;

NS 为负小;

ZO 为零;

PS 为正小;

PB 为正大 表3模糊变量 Δu 的隶属度矢量值 Table

3 Membership vector value of fuzzy variables Δu 等级 Δu -4 -3 -2 -1

0 1

2 3

4 NB

1 0.67 0.33

0 NS

0 0.5

1 0.5

0 ZO

0 0.33 0.67

1 0.67 0.33

0 PS

0 0.5

1 0.5

0 PB

0 0.33 0.67

1 注:Δu 为模糊控制器输出变量,即输出电压偏差;

NB 为负大;

NS 为负小;

ZO 为零;

PS 为正小;

PB 为正大 如果舍内的温度低且下降快,就应该迅速提高变频 器的控制电压,使水泵电机加速运转;

如果舍内的温度 高且上升,就应该迅速降低变频器的控制电压,使水泵 电机减速运转.控制规则为: and then ........