基于PID 控制的奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉霞，姜毅龍

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水，741001）

0 前言

將PID 技術(shù)引入到奶牛場(chǎng)的智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不僅符合互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展需求，更有利于提高我國(guó)的奶牛飼養(yǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。利用PID 控制算法，通過(guò)傳感器對(duì)奶牛場(chǎng)的溫濕度、光照強(qiáng)度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并建立智能化奶牛場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，提高奶牛場(chǎng)的生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在利用PID 控制算法對(duì)奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)進(jìn)行完善中，可從系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及功能分析的角度進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集有效性，滿足奶牛場(chǎng)智能化管理的發(fā)展需求[1]。

1 奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的功能需求分析

奶牛生長(zhǎng)環(huán)境中的溫濕度、氨氣、二氧化碳等有害氣體濃度等一因素，對(duì)奶牛的生長(zhǎng)狀況會(huì)產(chǎn)生直接的影響。因此，在奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與分析中，則需要從環(huán)境控制、喂料控制等角度，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行與優(yōu)化。在奶牛場(chǎng)智能化控制的視角下，對(duì)禽畜的生存環(huán)境進(jìn)行智能化控制，并控制溫度、濕度、光照強(qiáng)度等，為奶牛營(yíng)造良好的生存環(huán)境。此外，奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的搭建與應(yīng)用，還需要通過(guò)PID 控制算法對(duì)喂料系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與控制，在系統(tǒng)搭建視角下，可對(duì)奶牛場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，并結(jié)合牛場(chǎng)場(chǎng)實(shí)際情況以及監(jiān)控要求，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。

2 基于PID 控制的奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 總體設(shè)計(jì)

在奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)搭建中，將奶牛舍作為一個(gè)獨(dú)立的控制區(qū)域，并通過(guò)ZigВee 數(shù)據(jù)采集以及S7-200 Smart PLC、PID 控制等方式，對(duì)奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的總體框架進(jìn)行搭建與優(yōu)化，具體的框架設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及終端傳感器、路由器節(jié)點(diǎn)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析，奶牛舍的內(nèi)部可以通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，對(duì)信息進(jìn)行上傳與下發(fā)，在建立數(shù)形結(jié)構(gòu)后，可提高相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳遞的安全性與有效性。在奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)中，PLC 控制部分是通過(guò)軟件程序分析數(shù)據(jù)，并控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)奶牛場(chǎng)風(fēng)機(jī)、加料泵等進(jìn)行控制。手機(jī)遠(yuǎn)程控制則是利用MCGS通用版對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，在信息整合與智能化控制的基礎(chǔ)上，提高奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的整體控制效果。

■2.2 硬件設(shè)計(jì)

在奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，核心硬件設(shè)計(jì)是通過(guò)ZigВee 模塊對(duì)傳感器進(jìn)行控制。整體的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

在硬件框架設(shè)計(jì)中，溫濕度傳感器：選用威盟士4～20mA 的溫濕度一體變送器，型號(hào)為VMS-300SMGWS-120，在校準(zhǔn)后，可傳輸有效的數(shù)字信號(hào)，提高溫濕度數(shù)據(jù)采集分析的穩(wěn)定性與可靠性。光照強(qiáng)度傳感則是選擇ВHI750AFI 芯片，并輸出數(shù)字信號(hào)，利用ADDR 引腳以及內(nèi)置的轉(zhuǎn)換器，對(duì)數(shù)據(jù)通信進(jìn)行采集與控制。在選擇而這芯片的過(guò)程中，電源電壓源為5V，對(duì)光照度測(cè)量范圍為1～65535lux，最小的誤差變動(dòng)為2%。氨氣濃度傳感器是結(jié)合奶牛場(chǎng)的特點(diǎn)以及系統(tǒng)測(cè)試要求，利用MQ-137 氨氣傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理的，其特點(diǎn)是對(duì)氨氣有較高的靈敏度，驅(qū)動(dòng)效果比較好，且應(yīng)用成本低。MQ-137 氨氣傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，以DOUT 引腳為TTL 電平，LED 等為報(bào)警指示，AOUT 為模擬量輸出，在A/D 轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化與傳輸控制。在噪聲傳感器方面，則選擇LM393 芯片配合駐極體話筒，將工作電壓設(shè)置為5V，采用單信號(hào)進(jìn)行輸出，在有聲音輸出的情況，低電平輸出，并信號(hào)燈亮起。硬件傳輸流程如圖3 所示。

圖3 硬件控制流程

在硬件控制與等信息傳輸中，要在整體硬件邏輯搭建與優(yōu)化的前提下，達(dá)到各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)哪康?。在利用協(xié)調(diào)器對(duì)整個(gè)ZigВee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制中，可對(duì)配置網(wǎng)絡(luò)信息以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息等進(jìn)行綜合控制，具體的驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

在利用驅(qū)動(dòng)電路下，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理后，可通過(guò)協(xié)調(diào)器達(dá)到數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與控制的目的。信號(hào)處理流程如圖5 所示。

圖5 信號(hào)處理流程

■2.3 軟件設(shè)計(jì)

S7-200 Smart PLC 控制器用的編程軟件是STEP 7-Micro/WIN SMART，在建立協(xié)議棧進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳輸中，可對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行過(guò)初始化處理，并在LCD 上顯示設(shè)備信息，通過(guò)系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控。人機(jī)界面采用MCGS 觸摸屏，該觸摸屏具有以太網(wǎng)接口和RS485 接口，通過(guò)在觸摸屏控制面板設(shè)置觸摸屏的相關(guān)參數(shù)，完成觸摸屏與PLC 以太網(wǎng)通信的設(shè)置。借助交換機(jī)實(shí)現(xiàn)觸摸屏與多個(gè)PLC 以及上位機(jī)的通信。具體編寫界面如圖6 所示。

圖6 軟件顯示界面

驅(qū)動(dòng)裝置主要由步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，步進(jìn)電機(jī)采用57 系列步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器采用DM542，該驅(qū)動(dòng)器是一款專業(yè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可達(dá)128 細(xì)分，電流可達(dá)4.2 A，噪音小，運(yùn)行較為平穩(wěn)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)器輸入端接線方式采用的是共陰極接法，分別將驅(qū)動(dòng)器中PUL-，DIR-連接到控制系統(tǒng)的地端；脈沖輸入信號(hào)通過(guò)PUL+接入，方向信號(hào)通過(guò)DIR+接入，PLC 輸出信號(hào)不能直接與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入端進(jìn)行連接，需要串聯(lián)2k限流電阻，按照電機(jī)接線方式，完成步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的連接。最后，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求完成驅(qū)動(dòng)器細(xì)分設(shè)定以及電流設(shè)置。

在利用ZigВee 網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信控制中，則需要在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，加入FFD 節(jié)點(diǎn)，并對(duì)信道進(jìn)行掃描，在數(shù)據(jù)采集與分析處理的基礎(chǔ)上，對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與記錄，在網(wǎng)絡(luò)信息描述與分析的基礎(chǔ)上，可提高奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的通信傳輸控制效果。

奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)軟件的關(guān)鍵任務(wù)是數(shù)據(jù)采集，在傳感器的應(yīng)用下，對(duì)溫濕度、光照強(qiáng)度等進(jìn)行采集與處理。在終端節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行系統(tǒng)柜初始化，并建立ZigВee 網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，并將其分配到16 位的網(wǎng)絡(luò)地址。在完成數(shù)據(jù)初始化后，可對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化與控制，利用協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與應(yīng)用。

■2.4 奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的功能模塊控制流程

奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其中包含通風(fēng)、投食、清掃排泄物等，所以，在利用PID 對(duì)奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的操作進(jìn)行控制中，可對(duì)投食過(guò)程、通風(fēng)過(guò)程、清掃操作等進(jìn)行功能優(yōu)化，對(duì)提高奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的操作效果有現(xiàn)實(shí)意義。在通風(fēng)功能控制中，則可以通過(guò)電機(jī)為窗戶的開關(guān)提供動(dòng)力，利用PID 程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制，從而提高奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)效果。還需要通過(guò)PID 程序?qū)ν斗艜r(shí)間、投放量等進(jìn)行綜合控制，在實(shí)際操作中，可結(jié)合實(shí)際需求，對(duì)奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的操作過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，滿足奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的操作需求，具體的操作流程設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 功能控制流程

在PID 控制視角下，奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)運(yùn)行中，變頻器帶動(dòng)送料機(jī)啟動(dòng)后，采集PLC 反饋粉碎機(jī)的工作電流值，PLC 可以將工作電流以及設(shè)定電流進(jìn)行橫向比較，在通過(guò)PID 運(yùn)算后，可輸出0～10V 模擬量，對(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制物料量的目的。軟件通信傳輸中，具體控制程序如圖8 所示。

圖8 S7—200 Smart PLC 控制器的軟件通信

在軟件通信傳輸與信息處理中，利用S7-200 Smart PLC 控制器實(shí)現(xiàn)奶牛舍的環(huán)境信息、管理信息采集與整合，并在通信數(shù)據(jù)傳輸與控制下提高智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果。在工作電流大于設(shè)定值的前提下，可結(jié)合計(jì)算結(jié)果，對(duì)送料的開度進(jìn)行調(diào)整?？紤]到喂料過(guò)程具有動(dòng)態(tài)屬性，所以，在實(shí)際操作與控制中，可通過(guò)PID 控制，提高粉碎機(jī)以及喂料系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

3 基于PID 控制的奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)調(diào)試分析

利用PID 控制，對(duì)奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行檢驗(yàn)與分析。在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中，具體的功能測(cè)試結(jié)果如下：

奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)中的自動(dòng)飲水功能，在遮擋紅外發(fā)射器后，約為0.5s 后水龍頭可出水，說(shuō)明奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的飲控制功能正常。

噴水降溫功能測(cè)試：在設(shè)置30℃后，畜舍加熱溫度高于30℃的狀態(tài)下，PID 控制電磁閥打開水龍頭噴水。溫度小于30℃的狀態(tài)下，電磁閥管壁，停止噴水，說(shuō)明噴水降溫功能逐漸恢復(fù)正常。

定時(shí)通風(fēng)功能在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的第一次通風(fēng)時(shí)間后，可將奶牛場(chǎng)的窗戶拉開并通風(fēng)。當(dāng)達(dá)到關(guān)閉窗戶時(shí)間后，可以通過(guò)電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)關(guān)閉。在PID 程度控制下，可實(shí)現(xiàn)通次通風(fēng)，并延長(zhǎng)通風(fēng)時(shí)間，從而提高奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用效果。

定時(shí)投食功能：在達(dá)到投食時(shí)間后，可通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)飼料投放進(jìn)行控制，其中包含投放量以及投放時(shí)間等。在實(shí)際操作控制的過(guò)程中，可選擇電機(jī)反轉(zhuǎn)的方式關(guān)閉投食系統(tǒng)。在奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試中，PID 控制程序可以對(duì)投食時(shí)間、投食方式等進(jìn)行綜合控制，從而滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需求。

定時(shí)清掃功能，在奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)搭建與應(yīng)用中，清掃操作與處理，則需要PID 控制打開電磁閥噴水，與此同時(shí)，控制電磁閥轉(zhuǎn)動(dòng)，將奶牛排泄物清掃到排污溝。在清掃1min 后，時(shí)鐘到達(dá)結(jié)束清掃時(shí)間后，PID 控制程序可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，并關(guān)閉電磁閥。

在對(duì)奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試中，可以結(jié)合奶牛場(chǎng)的實(shí)際需求對(duì)相關(guān)功能的操作時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，從而滿足奶牛場(chǎng)智能操作與管理的綜合需求。

4 結(jié)論

本次研究基于PID 控制下的奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件兩個(gè)部分。而該智能化控制系統(tǒng)也是智能社區(qū)中的重要組成部分，對(duì)于提高工作性能、節(jié)約成本以及保持奶牛場(chǎng)的實(shí)時(shí)智能管理而言至關(guān)重要。通過(guò)PID控制的方式，提高奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)的操作控制效果，在奶牛場(chǎng)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)可正常投入到實(shí)際管理中，且性能相對(duì)比較穩(wěn)定，方便其他功能的擴(kuò)展以及技術(shù)更新，可滿足奶牛場(chǎng)的綜合發(fā)展需求。