（农业电气化与自动化专业论文）禽畜饲养场有害气体测控系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 禽畜饲养场有害气体测量和控制技术是现代禽畜养殖业发展的需要。与国外 发达国家相比，我国的禽畜业生产水平还比较落后。为了提高禽畜生产的产量和 效率，近年来，我国的禽畜养殖业正朝着规模化和工厂化的方向发展。这种饲养 方式造成了各种有害气体的大量产生、聚集和挥发，对周围环境产生严重污染。 对于各种有害气体的研究在北美、欧洲等国家开展得比较早，由于资金和重视程 度不够，我国至今没有开展畜舍有害气体排放量的研究。规模化禽畜饲养场有害 气体排放测控系统是研究减少各种有害气体污染环境的重要组成部分。 论文针对禽畜饲养场有害气体排放和测控现状，考虑到国外畜舍有害气体测 控系统成本花费比较高的问题和处理测量得到的数据的能力不够强等缺点，设计 了基于可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el 0 西cc o n t r o l l e r ) 的有害气体测控系统。 详细介绍了该系统的硬件组成、软件设计和上位机与下位机的通讯。在硬件组成 上，以性能优越的p l c 作为数据采集系统( 下位机) 的核心，系统具有监测、 显示、报警、设定、打印、通讯等功能。在软件设计上，采用模块化设计，结构 清晰，易于修改和移植；可视化界面提供了良好的人机交互的功能，整个系统稳 定、可靠。 对于采集到的大量数据，如何进行有效的分析与处理，如何根据采集到的数 据建立各种有害气体的排放模型，从而找出影响有害气体产生的主要因素，并采 取有效的措施进行控制，在上述问题中，数据的分析与处理是研究的关键。本文 还针对现场采集的数据中存在缺失或异常值等问题，采用数理统计的方法对因传 感器故障而引起的缺失或异常数据的恢复性估计进行了深入的探讨，提出了采用 多元线性回归的方法对连续采样数据中的缺失部分进行估计和恢复，不仅从理论 上分析了这种方法的可行性，而且阐述了算法的实现。通过实验数据的处理表明， 该算法简单、实用，能够将数据恢复到预期的精度。 关键词：测控系统可编程序控制器有害气体多元线性回归分析数据处理 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t m e a s u r ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rh a r m f u lg a s e si nl i v e s t o c kb r e e d i n gh o u s ei s n e c e s s a r yf o rm o d e r ns t o c k b r e e d i n gd e v e l o p m e n t c o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p e d c o u n t r i e s ，a n i m a li n d u s t r yi su n d e v e l o p e di no u rc o u n t r y t oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c y a n do u t p u to fd o m e s t i ca n i m a l ，i nr e c e n ty e a r s ，a n i m a li n d u s t r yi sg r o w i n ga ss c a l e a n df a c t o r yi no u rc o u n t r y ，r e s u l t i n gi nv a r i o u sh a r m f u lg a s e st oa s s e m b l ea n d v o l a t i l i z e ，w h i c hs e r i o u s l yp o l l u t e do n o u re n v i r o n m e n t s t u d y i n gp o l l u t i o ng a s e sh a s b e e nd o n ei nn o r t ha m e r i c aa n de u r o p e ，o w i n gt of i n a n c es h o r t a g ea n d r e c o g n i t i o n d e g r e ei n a d e q u a t e ，u p t on o w , o u rc o u n t r yh a sn o ts t u d i e do ni t c o n t i n u o u s m e a s u r i n go nh a r m f u lg a s e sc o m i n gf r o mc o n f i n e dl i v e s t o c ki s am a j o rp a r to f s t u d y i n ga l lk i n d so fp o l l u t i o ng a s e s i nt h i se s s a y , a st oe x p e n s i v ec o s ta n dm o s tc o n t r o ls y s t e mm u s tb eo p e r a t e db y p e o p l e ，w h i c hi su n f i tf o rm o d e r nm a n a g e m e n t ，i tp r e s e n t sc o n t i n u o u sm e a s u r es y s t e m o nh a r m f u lg a s e sb a s e do np l c ，e x p o u n d sh a r d w a r ec o m p o n e n t s ，s o f t w a r ed e s i g na n d c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a s t e r c o m p u t e ra n d s l a v e c o m p u t e r i nh a r d w a r e c o m p o n e n t ，u s i n gp r e d o m i n a n tp e r f o r m a n c ep l c a sac o r eo fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ， t h i ss y s t e mh a v em e a s u r e m e n t , d i s p l a y , a l a r m ，e n a c t m e n t ，p r i n t ，c o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n ，a n de t c i ns o f t w a r ed e s i g n ，b l o c k i n gp r o j e c ta n dc l e a rc o n f i g u r a t i o na r e a d o p t e d ，w h i c hi se a s yt oa m e n da n dt r a n s p l a n t , t h ew h o l es y s t e mi so fs t a b i l i z a t i o n a n dr e l i a b i l i t y h o wt op r o c e s sa n da n a l y z eal o to fd a t a ，h o wt oe s t a b l i s hv a r i o u sp o l l u t i o n g a s e se m i s s i o nm o d e l sa n dh o w t of i n dm a j o rf a c t o r si ni n f l u e n c i n go np o l l u t i o ng a s e s i no r d e rt ot a k ee f f e c t i v em e a s u r et oc o n t r o li t i nas e r i e so fi s s u e s ，d a t ap r o c e s s i n gi s a k e y t oi n v e s t i g a t i o n t h i sp a p e ra l s op u t sf o r w a r dam e t h o db a s e do nm a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c st oe s t i m a t em i s s i n gd a t ao ra b n o r m a ld a t a t h i se s s a yb r i n g sf o r w a r d m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n t or e n e wa n df o r e c a s tt h em i s s i n gd a t a , a n a l y z e st h e f e a s i b i l i t yo fm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n de x p o u n d sa l g o r i t h m a st oa c t u a lr e s e a r c h o b j e c t ，d a t ap r o c e s s i n gs h o w s t h i sa l g o r i t h mi ss i m p l e ，p r a c t i c a la n dc a nm a k et h ed a t a r e n e wa d e q u a t ep r e c i s i o n k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，p l c ，h a r m f u lg a s e s ，m u l t i p l el i n e a r r e g r e s s i o n ，d a t ap r o c e s s i n g l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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学位论文。 保密围，在2 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口 学位论文作者签名：刁统山 少口6 年6 月日 ， 指剥徽：辫骂 扩巅年占日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刁统山 y d i 年多月m 日 。 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1国内外禽畜饲养场有害气体测控技术研究现状 随着农业集约化生产的快速推进，我国各地的规模养殖业迅速发展，由此产 生的有害气体也越来越多，这些有害气体一方面严重威胁和破坏生态环境，另一 方面也影响了养殖业的可持续发展。若不能进行有效的控制和处理，迅速发展的 禽畜养殖业将成为新的污染源。在规模化禽畜养殖业中，绝大多数饲养场未设置 污染处理配套设施，导致对周围环境的污染也日趋严重n 3 。因此研究和解决规模 化禽畜饲养场造成的环境污染问题意义重大。 在欧洲、北美等一些国家对该项研究非常重视，取得了一些研究成果。例如 在美国i l l i n o i s 州，用长期高频率检测系统对饲养场产生的硫化氢气体进行长达 六个月的测控研究，结果表明，更高的温度和畜舍通风率导致了每动物单元非常 高的硫化氢排放量口1 。文献 3 对畜舍中二氧化碳浓度进行了测量、计算出了二 氧化碳排放量。在此基础上，研究了影响二氧化碳排放量的因素，并且提出用来 估计二氧化碳排放量的数学模型，从而为有效采取控制二氧化碳的措施提供了参 考。j i q i nn i 等人对畜舍中二氧化碳排放量首次进行了现场测试，发现畜舍中 二氧化碳排放量是动物重量的函数，并且对已经报道的五种二氧化碳排放模型进 行了比较，结果表明，各种模型之间差别很大，在动物重量从3 5 千克到1 2 0 千 克时，o u w e r k c r k 模型计算的二氧化碳排放量是a n d e r s o n 模型的三倍，所以， 对二氧化碳排放量的现场测量还需要进一步研究h 1 。美国普渡大学的j i - q i nn i 等 人还对畜粪中释放二氧化碳进行了现场的试验，结果表明牲畜重量，温度和通风 率是影响牲畜粪便中二氧化碳释放的最重要的变量，得出以这三个变量为自变量 的二氧化碳的估计模型，试验得出的结论也证明了牲畜粪便中释放出高浓度的二 氧化碳，二氧化碳释放量受畜舍系统输入的影响很显著，这就说明以往过分低估 了二氧化碳排放量，指出应该将二氧化碳气体作为研究畜舍内部有害气体中的重 要气体之一来加以研究和控制。r w b o t t c h c r 等人碍旬研究指出，有害气体浓度 和环境参数的测量对于计算散发率和采取相应的控制措施十分必要。他们在有害 气体测控系统中，测量了进入和排出畜舍的有害气体和粉尘浓度，检测结果与美 国其它州和欧洲的检测结果一致。美国北卡罗莱纳州的杜克大学嗅觉实验室吲伽 江苏大学硕士学位论文 ( d u k eu n i v e r s i t yt a s t ea n ds m e l ll a b o r a t o r y ) 基于几种稀释水平下，检测了有害 气体浓度并且计算了排放率，提出生物添加剂对减少粪便中的有害气体效果明 显。研究结果还表明，不同畜舍氨气和粉尘浓度差别很大，氨气浓度为2 到l o p p m 不等，粉尘浓度为0 1 8 到0 4 7 m g s a u 不等，然而，这些值与文献中报道的浓 度是一致的，文中最后指出，进一步的研究是很有必要的。 在我国，对有害气体的控制主要采用通风换气或者是喷洒化学药剂。目前采 用较多的是通风换气，通风换气对有害气体进行控制的同时，也可对温度进行控 制。另外，大多数禽畜舍环境控制主要采用手动或机电式操作，总体管理水平比 较落后，经济效益差。由于缺少资金的投入，生产水平往往依赖于工作人员的实 际操作，畜舍环境控制很不理想，在某种程度上限制了养殖业的进一步发展，为 了进一步提高畜牧养殖业的生产水平，采用先进的测控系统对养殖业进行科学、 优化管理是十分必要的。所以，禽畜饲养场环境的自动化测量和控制技术等多方 面都需要进一步的研究。我国目前禽畜饲养场有害气体检测及控制方面的研究还 比较少。我国是农业大国，同时也是养殖业生产和出口的大国，进一步规范养殖 业的生产过程和条件是养殖业持续、健康发展的需要。本文结合完成江苏省国际 合作项目“禽畜饲养场所有害气体排放测控方法研究( 项目号：b z 2 0 0 5 0 3 5 ) ， 设计了禽畜饲养场有害气体测控系统，并对采集到的大量实验数据进行了有效的 分析与处理，希望能对我国养殖业的健康持续发展有重要的参考价值。 1 2 本文的主要研究工作 两年来，作者阅读和研究大量的国内外文献，对禽畜饲养场有害气体排放量 的研究有了一个深刻的认识，在导师的悉心指导下进行了课题的研究。本文的主 要研究工作如下： ( 1 ) 为了提高禽畜饲养场有害气体排放测控的自动化水平，对禽畜饲养场 分布式联网监控系统设计进行了较为深入的研究。根据测控系统所要求的模拟和 数字i o 点数，测控对象的分布以及各种可编程序控制器的性价比，选择西门子 $ 7 - 2 0 0 系列p l c 。通过选择合适的传感器，实现氨气、硫化氢和二氧化碳等有 害气体浓度以及影响这些有害气体产生的温度、相对湿度等数据的采集，利用相 应的执行机构实现加湿和通风等方面的自动控制。采用先进的网络技术实现了有 害气体的连续测控和远程监控。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 由于现场采集的有害气体浓度数据量很大，采集系统现场条件的恶劣 而引起的传感器漂移等问题，导致数据采集、处理的精度下降，尤其是某些仪器 的偶然损坏使得测量结果不完整，因此，需要用一些特殊的方法估算缺失数据。 本文将充分考虑与被估计参数空间、时间和环境条件的相关性，采用数理统计的 方法对数据采集系统因传感器故障而缺失的数据进行估计，主要采用多元线性回 归的方法对所测的数据进行处理和分析，为研究有效减少禽畜饲养场有害气体排 放的方法提供依据。 1 3 本文研究的意义 本文所进行的研究主要具有以下两个方面的意义： ( 1 ) 构建基于p l c 的有害气体测控系统，提高了禽畜饲养场有害气体测控 自动化水平和数据处理的科学性，最大程度的减少污染，改善了畜禽生长环境和 饲养场工作人员的工作环境，有利于提高禽畜产品的质量和产量，使我国的禽畜 养殖业朝着规模化、环保化和集约化的方向发展。 ( 2 ) 针对畜禽饲养场有害气体浓度数据分析处理系统数据分析方法的不足， 提出基于多元线性回归的数据处理方法，提高了数据处理的科学性和所得到的历 史数据的完整性，对精确计算禽畜饲养场有害气体的排放量，为农业和环境保护 部f - j n 定相应的法规提供了参考数据，有利于制定合理的禽畜饲养场有害气体排 放的标准。 3 江苏大学硕士学位论文 第二章禽畜饲养场有害气体测控系统总体方案 2 1 禽畜饲养场有害气体测控系统基本原理 为了实现畜禽舍环境的自动控制，我们采用了温度、相对湿度传感器和氨气、 二氧化碳和硫化氢等有害气体传感器来测量，将检测到的这些量由非电量转化为 电量，完成对多个参数的同时检测、采集。监控系统是一个自动化监测与自动控 制的实时系统，利用所安装的多种形式的传感器和变送器，实时采集各种重要的 现场数据，并通过可编程序控制器将采集到的数据传给上位计算机，用计算机处 理后的数据形成相应的实时状态模拟图形，绘出所需要的趋势图，定时或随时打 印各种报表。该系统能够直观地反映有害气体的排放情况，为工作人员提供完整 的现场运行参数和处理意见，同时该系统能持续测量并且处理大量的数据，从而 可以计算畜舍有害气体排放总量，目的是找到影响有害气体排放的主要因素，最 终采取有效的措施对有害气体进行控制。因为畜舍环境比较复杂，测控对象如各 种有害气体浓度、温度及相对湿度等在空间和时间上存在较大差异，所以，为了 提高有害气体测控精度，通常采用同一畜舍多点采样。 考虑到畜禽饲养场环境恶劣，结合实验，我们选用性能优良的可编程序控制 器( p l c ) 作为现场的测控核心。p l c 作为通用的工控设备，针对具体的测控对 象，用户可以按照要求编制软件，设计多种控制方式。p l c 可靠性高，配置组态 灵活，具有与网络相连接的功能，大大方便了用户，构建系统管理费用低，有较 好的性能价格比。也便于实现自动测量与控制和远程控制。 2 1 1 禽畜饲养场有害气体数据采集 目前，p c 技术和p l c 技术的迅速发展，在工业控制行业尤其如此。本系统 将此项技术应用于农业信息技术，借鉴了工业应用的许多优点。有害气体浓度连 续测控系统中，首先通过p l c 进行数据采集，然后将数据传送给上位工控机进 行数据处理。样气经过冷凝、干燥和过滤等预处理之后进入分析仪器，分析仪将 有害气体参数传送至p l c ，各采样点测出的温度、相对湿度、有害气体浓度等物 理量，全部被转换成标准的0 u5 v 或4 u2 0 m a 的信号给p l c 。 4 江苏大学硕士学位论文 图2 1有害气体采集示意图 如图2 1 所示，多路采样管安装在畜舍中不同的位置，由于畜舍较大，所以 采样管的长度从1 0 米到1 5 0 米不等，每个采样管都装有采样开关，各个采样管 分时循环采样，假设，当其中一个装有电磁阀s 1 的采样管与集气管m 2 接通时， 通过泵p 2 将该采样通道的有害气体抽到集气管m 3 中，再由泵p 3 将气体抽到气 体分析仪进行分析，将氨气等有害气体浓度信号传给p l c ，此时，其它采样管都 与集气管m 1 接通，有害气体通过泵p l 排出畜舍，以维持气体的连续正常排放。 当下一个采样时刻到来时，s 1 与m 1 接通，装有电磁阀s 2 的采样管与集气管 m 2 接通，此时其它采样管与m 1 。依次循环采样，由于采样通道和有害气体分 析仪需要一定的调整时间，所以每个通道采样时间至少应该在1 0 分钟左右。但 是，为了所有的采样点有足够的采样频率，各点采样时间不应过长。 2 1 2 禽畜饲养场有害气体测量与采样系统仪器校正 本系统有害气体按照成份的不同，采用的分析方法也各不相同，硫化氢：本系 统对经过转化的二氧化硫采用脉冲荧光的二氧化硫分析仪进行测量。氮氧化物： 本系统采用化学发光法分析氮氧化物的含量，其中主要分析氨气的浓度。二氧化 碳浓度的测量采用红外吸收法进行测量。各种传感器原理、型号、性能等将在第 三章中详细说明。 5 江苏大学硕士学位论文 有 害 气 体 7 8 图2 2 含有校正装置的气体采样系统示意图 有害气体采样系统传感器需要具有连续和自动测量的功能。特别是和一些便 宜的电化学传感器相比，它们具有可靠性好，稳定性好，精确度高的特点。由于 畜舍环境恶劣，所以不管使用什么仪器，所用仪器多么精确，经常用高质量标准 气体对其进行校正是必需的。气体采样校正示意图如图2 2 所示。 用相对比较的方法进行标定的一般过程：先用一个零气体和一个标准浓度的 气体对仪器进行标定，得到标准曲线储存于仪器之中，测定时，仪器将待测气体 浓度产生的电信号同标准浓度的电信号进行比较，计算得到准确的气体浓度值。 通常，用下列标准气体，每一周或两周对气体测量设备进行校正汹1 ： ( 1 ) 二氧化碳( 3 0 0 0 p l p r o ) ； ( 2 ) 空气中的氨气( 2 5 p p m ) ； ( 3 ) 空气中二氧化硫( 2 8 p p b ) ( 4 ) 高纯度氮气中的硫化氢( 5 7 0 0 p p b ) 。 6 江苏大学硕士学位论文 2 。2 禽畜饲养场有害气体测控系统的设计依据 2 2 1 设计要求 ( 1 ) 测量站p l c 数据采集系统性能稳定，能对现场的各种执行器进行有效控制； ( 2 ) 现场传感器和采集的信号传送到p l c 中暂时存储并可及时上传给控制中心； ( 3 ) 系统具有故障自诊断、超过上下限时报警及自动处理的功能； ( 4 ) 测量站、控制中心和远站之间可以自由通信，实现数据及时传送及处理。 2 2 2 设计原则 任何一个测控系统都要尽可能地获得精确的测量数值。国外采用很高精度的 测量设备，整个系统花费昂贵，考虑到我国的现实国情和后继控制功能开发经费 的不足，本系统硬件投资相对少，但是系统应该有足够的稳定性才能保障大量持 续地采集现场的各种变量值，该系统运行环境极其恶劣，粉尘多，水汽重，线路 长。因而在设计时必需坚持以下几个最基本原则。 ( 1 ) 可靠性原则：选用性能优良的p l c 作为现场测控核心器件，相对于其它 一些抗干扰能力差的器件，p l c 防干扰能力强，传感器的选择考虑了各种气体之间 的交叉敏感，尽量选用防尘好，线性度高的传感器。保证了测量数据的可靠性。 ( 2 ) 实用性原则：有害气体测控系统所设计的各种功能在硬件上必须保证系 统操作、维护简单、方便；数据采集及处理功能强；设备运行经济节能、运行维护 费用低。软件方面主要是监控界面全部采用中文显示，操作上和传统的w i n d o w s 系统操作习惯一致。设计出的系统应该是一套可靠实用的有害气体测控系统。 ( 3 ) 先进性原则：畜禽饲养场有害气体测控系统采用最新和实用控制技术、 计算机技术及网络通讯技术，如p l c 技术、分布式技术和远程控制技术，利用 这些先进技术来对畜牧养殖业进行管理。 ( 4 ) 开放性原则：系统在设计时充分考虑到以后的扩充和升级余地。在设备 选型时应考虑其接口的通用性与互连性，不宜采用封闭式的、自成体系的连接模 式，以降低二次投资，实现最优的性能价格比。 2 3 禽畜饲养场有害气体测控系统总体结构 2 3 1禽畜舍测控系统组成 在规模化禽畜养殖场中，有若干个禽畜舍，在每一个禽畜舍都安装一套独立 7 江苏大学硕士学位论文 的有害气体测控系统，而这些独立的分布式有害气体测控系统统采用一台上位机 集中管理，形成一个集散控制系统。该硬件系统是整个测控系统的物理基础，在 满足系统功能要求的同时，还要考虑系统精度、分辨率、传输速度等技术指标， 对硬件系统进行优化选择和设计。测控系统的硬件主要由工业计算机、p l c 、各 类传感器( 氨气、硫化氢和二氧化碳等有害气体浓度传感器以及影响这些有害气 体产生的温度、相对湿度传感器) 、执行器( 如风机、水泵等) 、不间断电源等组 成。硬件设计主要完成禽畜舍环境参数的采集、风机的转速调节、水泵的启停等 操作，以实现舍内环境的监测与调控。 图2 3p l c 系统总体结构图 系统总体结构框图如图2 3 所示。本系统中禽畜舍内环境参数的检测，采用 基于s 7 2 0 0 p l c 数据采集系统，由于畜舍测控空间比较大，在每个畜舍中选取6 个有害气体浓度差别比较大的采样点进行数据采集，p l c 对六个采样点分时循环 采样，每一个采样点的采样时间为1 0 分钟。所以，本系统由6 个畜舍构成，每个 畜舍采用6 通道分时循环采样，构成了小规模的p l c 分布式测控系统。对于禽畜 舍环境监控系统的硬件设计，主要包括两方面：环境参数检测系统的设计和环境调 控系统的设计。首先，由传感器、变送器将禽畜舍环境中待检测的信息转化为电 量，传感器输出的电量信号输入到p l c ，p l c 将采集到的信号上传给上位机，然 后由上位机进行处理、分析、存储、显示。计算机输出的控制指令通过p l c 驱动 不同的执行器发出控制指令，以实现对现场设备风扇、喷雾水泵等的控制。 广，i一 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 测控系统配置 根据单机测控系统i o 控制点数，选择s i e m e n ss 7 2 0 0 系列c p u 2 2 6 ，分 别扩展两个模拟输入输出模块e m 2 3 1 和e m 2 3 2 嘲，利用t d 2 0 0 文本监视器n 们 实现现场测控状态和参数设定。t d 2 0 0 文本监视器通讯口直接与c p u 2 2 6p p i 通 讯口相连，单机p l c 与工控机间通过通讯转接头p r o f i b u s d p 实现系统连网， 其结构如图2 4 所示。 图2 4 畜舍分散测控系统联网结构示意图 工控机与p l c 通讯用p c i 扩展的s i e m e n s 公司专用通讯处理器c p 5 6 1 1 ， 实现计算机与p l cr s 4 8 5 通讯1 ，传输率为9 6 k b 1 2 m b s 。由于养殖场6 个p l c 测量站与控制中心的通讯距离在1 0 0 0 米左右，所以无需网络中继器。工控计算 机采用研华p i i l 5 0 0 ，内存1 2 8 m ，1 0 m 网卡，三星显示器1 7 # 和h p 6 l 打印机等， 实现控制中心集中监控。 本系统对多个畜舍采用p l c 分散测控，工控主机通过调制解调器和电话线 与i n t e m e t 连接，实现畜禽饲养现场测量站、控制中心和远程监控中心( 远站) 三级监控。 2 3 3 测控系统各部分功能分配 现场测量站中，p l c 作为畜舍测控核心，根据畜舍具体状况和测控要求，固 化编制好p l c 测控程序，实现畜舍变量的测量与控制。上位工控机与各个畜舍 p l c 之间通讯采用主从方式。各p l c 之间不存在数据交换。 控制中心，以工控机为上位机，负责各p l c 现场测量站的集中监控。安装 9 江苏大学硕士学位论文 w i n d o w s 操作系统配以定制的控制应用程序和s q ls e r v e r 数据库，实现各畜舍 测控点温度、湿度以及有害气体浓度等集中监视；目标温度、湿度设定，传感器 异常声光报警，查询温湿度，有害气体浓度记录和报表生成以及系统管理和数据 库操作等等。 远站是将计算机安装w e b 服务器软件i i s ( i n t e m e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ) ，开 发w e b 站点和动态网页，与i n t e m e t 互连。可以进行i n t e r n e t i n t r a n e t 远程监控， 监视畜舍现场参数和操作记录以及系统日志等。 2 3 4 禽畜饲养场测控系统软件结构设计 软件总体设计过程通常由两个主要的阶段组成：系统设计，即确定系统的具 体实现方案；结构设计，即确定软件的结构。 根据软件总体设计的要求和过程，我们对测控系统的信息管理及监控程序按 不同的功能进行功能分解，划分为不同的模块。有害气体自动化测控系统的信息 管理及监控软件主要包括数据采集和通信、设备状态控制和数据管理三个部分。 数据采集和通信部分采集现场温度、相对湿度、有害气体浓度、风速等数据，用 于记录、存储和分析，以及与p l c 网络通信。设备控制部分根据采集到的数据 判断系统当前的运行状态，并可通过修改运行参数对设备工作状态进行调整。数 据管理部分负责数据的统计、查询以及打印输出，还有数据库的备份和维护。禽 畜饲养场有害气体测控系统软件总体结构框图如图2 5 所示。 图2 5 禽畜饲养场有害气体测控系统软件总体结构框图 l o 江苏大学硕士学位论文 下面对各个部分功能和作用进行介绍。 ( 1 ) 数据采集和通讯 数据采集部分由通信参数设定、数据处理、通信模块和数据存储模块组成。 参数设定模块包括传感器参数设定和通信参数设定。传感器参数设定用于设 置传感器的采样频率、阀值等。通信参数设定用于设定p c 机与p l c 之间的通信 参数和协议。 数据处理模块用于对从p l c 读取的数据按照约定的格式进行分解处理。对 于采样数据，运用滤波方法对其进行必要的处理后存入数组。 通信模块包括数据通信和通信测试。数据通信用于从p l c 读取各种数据和 状态信息以及下达控制命令和各种参数调整结果。通信测试模块具有通信测试和 诊断功能，确保通信状态良好。 数据存储模块将采集到的数据加以处理并存入相应的数据库。 ( 2 ) 设备状态控制 设备状态控制部分由设备参数设定、报警处理、设备状态调整和设备状态显 示模块组成。 设备参数设定用于设定各种设备的工作状态参数和运行参数，如变频器的频 率上限、调整风机速度等。 报警处理在发生设备故障时立即报警，发出报警声音同时使报警画面闪烁， 以引起操作人员的注意。记录报警发生时的有关信息，如报警信息、故障报警时 间、确认报警时间等，并对报警信息进行管理。 设备状态调整包括参数优化和其他设备状态调整。其他设备状态调整用于在 计算机上对各种设备进行运行状态调整以及开动、停止等操作。 设备状态显示用于动态显示测控过程中的重要设备( 如风机、电动阀等) 的 启动、停止和故障。 ( 3 ) 数据管理 数据管理部分包括数据查询、数据备份和数据输出三个方面。 数据查询模块主要包括历史数据查询，历史数据查询包括各种有害气体历史 数据、温度历史数据、相对湿度历史数据等，还可查询重要设备的运行参数、状 态、操作记录以及报警的历史记录。 数据备份模块负责各种数据库的备份以及维护。信息管理及监控软件会定期 江苏大学硕士学位论文 将数据库备份到另外的目录下保存，并将当前使用的数据库清空。该操作可由管 理员手工执行和设定。 数据输出模块负责各种数据报表的生成和打印输出，能够生成日生产报表、 月生产报表、年生产报表、电耗表等，同时还能以直观的图表形式打印。 此外，本系统还具有操作权限控制功能，采用分级密码控制访问者的访问权 限。 上述各部分功能将在后续章节中详细介绍。 2 4 本章小结 本章主要介绍了畜禽饲养场测控系统的基本原理和设计依据，整个测控系统 的整体结构和各组成部分的具体功能等。接下来几个章节分别对畜禽饲养场测控 系统测量站，上位控制中心和远站作详细的说明。 1 2 江苏大学硕士学位论文 第三章禽畜饲养场有害气体测控站设计 3 1禽畜饲养场有害气体测控站硬件设计 3 1 1 单机组p l c 模块选择 控制点数n 3 1 是选择p l c 的一个重要参数，对于本系统单机p l c ，多数是i o 模拟量，有输入也有输出。从执行机构看，有电磁阀、加湿阀和排风扇等p l c 输出单元，温度、湿度以及氨气、硫化氢、二氧化碳传感器等。对于少数输入输 出点数的p l c 测控系统，选用性价比优良的西门子公司的s 7 2 0 0 系列p l c 最为 经济，考虑到多台p l c 联网通讯，选用c p u 2 2 6 a c d c 瓜e l a y 带两个p p i 通讯 口，2 4 1 6 个v o 的p l c ，配以两个4 输入的e m 2 3 1 模拟量输入模块和两个2 输 入的e m 2 3 2 模拟量输出模块就可以达到测控要求，系统具有模块化扩展性和本 机冗余的i o 点数，便于以后系统扩展和改造。选用s i e m e n s 公司的中文文本 显示器t d 2 0 0 ，与s 7 2 0 0 c p u 配合使用，可以实现现场状态显示等功能。 中文t d 2 0 0 文本显示器是所有s i m a t i cs 7 2 0 0 系列操作员界面问题的最佳 解决方法。t d 2 0 0 连接简单，只需要用它提供的连接电缆接到s 7 2 0 0 系列p p i 接口上即可。不需要单独的电源。t d 2 0 0 主要有以下功能：显示现场信息，在控 制系统中起设定和修正参数的作用，如改变报警值，设定实时时钟等n 6 1 。 选择c p u 2 2 6 是因为本系统需要两个p p i 通讯口，c p u 2 2 1 、c p u 2 2 2 、和 c p u 2 2 4 都只有一个通讯口。c p u 2 2 6 本机集成2 4 输入1 6 输出共计4 0 个数字量 v o 点。可以连接7 个扩展模块，最大扩展至2 4 8 路数字量i o 或3 5 路模拟量v o ， 这种扩展性能有利于禽畜养殖场后期测控规模的发展。2 个r s 4 8 5 通讯口，具有 p p i 、m p i 和自由方式三种通讯能力。i o 端子排很容易整体拆卸。从以上介绍我 们可以看出选择c p u 2 2 6 可以达到本文设计的禽畜养殖场测控系统的要求并且 具有再扩展能力1 幻n 叼n 钔。 3 1 2p l c 与输入输出模块连接 西门子s 7 2 0 0 系列p l c 模块化设计，可使用户根据自己测控的目的和i o 控制点数，选择相应的扩展模块。本系统选用c p u 2 2 6 ，e m 2 3 1 和e m 2 3 2 模拟 输入输出控制模块，它们之间的连接通过模块上的数据线和数据线槽连接，整个 1 3 江苏大学硕士学位论文 p l c 和模块将安装在d i n 导轨上。c p u 采用2 2 0 v 交流电源而模块采用的是2 4 v 直流电源n 硝。 3 1 3 通讯硬件与网络设置 本系统分布式集散测控系统网络连接主要任务是将控制中心与现场p l c 控 制箱连接起来，实现上位集中监控。c p u 2 2 6 提供了两个p p i 通讯口，t d 2 0 0 文本 显示器将独占其中一个通讯口，要将p l c 与上位工控机串接起来，需要一个网络 连接器n 力，将p p i 口转换为一进一出通讯口。上位工控机与p l c 的通讯是通过 s i e m e n s 网络通讯处理器c p 5 6 11 n 7 1 实现的，c p 卡插于p c i 插槽中，实现r s 4 8 5 联网通讯。 3 1 4 网络连接器 利用西门子提供的两种网络连接器可以把多个设备连接到网络中。两种连接 器都有两种螺丝端子，可以连接网络的输入和输出。两种连接器还有网络偏置和 终端匹配的选择开关，一个连接器仅连接到c p u 的接口，另一个连接器增加了 一个编程接口n 6 1 。如图3 1 所示。 开关位置= o n开关位置= o f f开关位置= o n 有终端和偏置 无有终端和偏置 有终端和偏置 带编程口 的网络连 接器 电缆的两个 必须有终端 和偏置 针 阿络连 揍器 网络连 接器 图3 1内部连接电缆的偏置和终端 3 1 5 本测控系统传感器选择 传感器是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出 的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。本测控系 统通过传感器将畜舍温度、相对湿度、有害气体浓度等检测出来，考虑到禽畜饲 1 4 江苏大学硕士学位论文 养场特殊的现场环境，本系统选用的传感器应该满足以下条件：传感器的特性参 数与被检测量的线性相关程度好，易于测量，精度高；误差小，老化慢，对检测 信号以外的物理量不敏感；耐机械、化学和热作用；结构简单，造价低，体积小。 ( 1 ) 温度传感器( d s l 8 2 0 ) 检测温度的传感器材料比较多，热电偶的使用范围比较宽，但检测灵敏度低： 热敏电阻灵敏度比较高，但测量范围比较窄；本系统采用国际上普遍使用的p t 测温电阻。这种传感器是在陶瓷片上印刷p t 电路，然后用耐磨玻璃浆材料覆盖， 最后烧制而成。我们选用由美国d a l l a s 半导体公司生产的d s l 8 2 0 温度传感器， 其测量范围：5 5 - 咔1 2 5 ，测量精度：0 5 。 ( 2 ) 湿度传感器( i h 3 6 0 5 b ) 湿度传感器的种类比较多，一般湿敏元件都是利用表面薄层的水分吸附原理 制作的。但是，许多材料对水分子不仅有物理吸附，而且还有化学反应，以至吸 附的水分不能完全脱出，从而造成湿敏元件的测量重复性差，产生滞后，当温度 剧变时，还会损坏湿敏元件。陶瓷传感器比较适合畜舍现场环境，它利用微细孔 分布的金属氧化物陶瓷主体吸附水分后，导电性质发生变化的原理制成的，具有 性能稳定、体积小、灵敏度高和测量范围宽等优点，特别适合在畜舍恶劣的环境 下使用。基于以上分析，本系统湿度传感器选用深圳峨嵋电子技术开发公司生产 的i h 3 6 0 5 b ，其测量范围：卜1 0 0 l m ，测量精度：2 r h ( 0 - - 1 0 0 r h ，2 5 ) ，非线性误差0 5 r i d ，响应时间：1 5 s ( 2 5 。c 及空气缓慢流动环境下) 。 ( 3 ) 硫化氢传感器 硫化氢的测量通常是将其转化为二氧化硫，二氧化硫连续监测仪的测量原理 有以下几种：溶解电导率法、非分散红外吸收法、紫外吸收法、脉冲荧光法、火 焰光度检测法、定电位电解法。目前普遍应用的有非分散红外吸收法、紫外脉冲 荧光法和紫外吸收法。由于非分散红外二氧化硫分析仪采样气体输送距离不能太 长，否则精度就会下降，紫外吸收法分析仪一般不适用于畜舍恶劣的环境，脉冲 荧光法分析仪的特点是可以长距离输送气体介质，不用加热保温，易于维护管理。 所以，本系统硫化氢浓度数据采集采用脉冲荧光法分析仪对二氧化硫进行测量。 脉冲荧光法分析仪的原理是，当2 2 0 r i m 附近的紫外光照射到二氧化硫气体后， 二氧化硫分子吸收紫外光的能量受激发从高能级返回基态时发出荧光，荧光强度 的大小反映出二氧化硫的浓度。当2 2 0 r i m 的紫外光强恒定时，通过测量荧光强 1 5 江苏大学硕士学位论文 度的大小即可求出被测气体介质中二氧化硫的含量。选用南化集团研究院生产的 u v - i 型微量二氧化硫分析仪，它的主要技术指标如下：量程分为三档，本系统 选择0 - - - 2 0 0 0 p p m ，环境温度：一1 0 4 0 ，相对湿度9 0 ( 4 0 ) ，误差极限 3 f s ，测量精度5 。 ( 4 ) 氨气测量 氮氧化物( n o x ) 的分析方法主要有：化学发光n o x 分析仪、分光光度法、 电化学法等。为了提高测量精度，本系统采用化学发光n o - n 0 2 - n o x 分析仪， 其测量原理：一氧化氮被转化后检测氨：首先使用氨气换化器将氨气氧化成n o ， 然后，使用n o - n 0 2 - n o x 分析仪器中的化学发光探测仪测量n o ，在分析仪的 反应室里，用气态滴定臭氧( 0 3 ) 把n o 进一步氧化，在受激状态下剧烈反应生 成n 0 2 ( n o + 0 3 一 n 0 2 + 0 2 + h v ) 。通过一个真空泵使真空管内压力减小，当 一些活泼的n 0 2 分子返回低能状态时，释放出热量。多余的0 3 其辐射强度与 n o 的浓度成正比。式中0 3 是氧气，h v 代表光子能量，是光能粒子或电荷移动 产生的辐射能量。用光电倍增管测量辐射能量，然后，光电倍增管产生一个电信 号，该电信号处理后显示出气体浓度的读数。本系统氨气测量选用t h e r m o e n v i r o n m e n t a li n s t r u m e n t s ( t e i ) 生产的m o d e l1 7 c ，f r a n k l i n , m a ，这种设备测量 范围是5 p p b 到5 0 p p m 。它的精度是满刻度的o 5 ，0 _ 9 0 的反应时间是1 2 0 s ， 达到平稳时间是1 0 s ，正常使用寿命很长。 ( 5 ) 二氧化碳传感器 考虑到畜舍中二氧化碳气体的浓度比较大，根据系统气体采样的要求，本系 统选用红外线传感器测量二氧化碳，江苏金坛市亿通电子有限责任公司销售型号 为c e a 8 0 0 的红外二氧化碳分析仪，它的工作原理是：根据比尔定律和气体对红 外线的选择性吸收原理设计而成。采用气体滤波相关技术和红外探测器技术。主 要技术指标：测量范围：0 - - 5 0 0 0 p p m ，重复性：1 f s ，环境温度：卜3 5 ， 环境湿度：8 5 r h ，测量精度：l p p m 。 以上主要介绍了禽畜饲养场测量站的环境参数传感器的选取，其中对有害气 体传感器的选取充分