农业生物环境检测与检验技术 第17章 猪舍环境测量与控制技术课件

《农业生物环境监测与控制技术》课程讲座电气信息工程学院马长华——猪舍环境监测与控制技术《农业生物环境监测与控制技术》电气信息工程学院——猪舍环境监目录系统概述1系统设计2系统应用32目录系统概述1系统设计2系统应用32研究概述13研究概述13我国是一个养猪大国，2010年全国生猪出栏量约为6.67亿头，比2009年增加3%左右。在进入21世纪以后，养猪业规模化、产业化发展尤其迅速，养猪生产将以适度规模化、规范化、标准化模式为主体，综合利用多项现代化技术来提高养猪业整体生产水平和效益。我国养猪业发展迅速，从原来的散养户模式逐步向集约化养猪业发展，逐步成为世界养猪大国。养猪业的快速发展促进我国农业发展的进程。4我国是一个养猪大国，2010年全国生猪出栏量约为6.推动猪只养殖业的信息化，有利于降低生产的成本，提高生产的效率；有利于实现养殖场控制系统的全面自动化及数字化；有利于养猪场生产的集中管理等。我国养猪业将朝着优质、高效和安全的目标发展，综合应用信息技术、计算机技术、系统工程技术等先进技术已成为我国养猪业发展的主导方向。5推动猪只养殖业的信息化，有利于降低生产的成本，提高生大规模精细化养猪有利于提高经济效益6大规模精细化养猪有利于提高经济效益6大规模精细化养猪有利于提高经济效益7大规模精细化养猪有利于提高经济效益7在商品猪规模化养殖过程中，饲养密度大，环境容易恶化，影响猪的生长。具体而言影响猪生长的环境因素有：温度、湿度、有毒气体等。猪属于恒温动物，体温在38.7~39.1℃之间。猪在低温环境下为了保持体温而加速热量消耗，增加采食量。当猪高温环境时，外界温度每增加1℃，日净增重会减少3克，而饲料消耗增加60~70克。8在商品猪规模化养殖过程中，饲养密度大，环境容易恶化，影响猪舍小气候中有害气体主要指二氧化碳、氨气、硫化氢和甲烷等，来源于猪的呼吸、粪尿与饲料垫草的腐败分解。会影响猪的呼吸系统、神经系统，严重时导致死亡。9猪舍小气候中有害气体主要指二氧化碳、氨气、硫化为了提供舒适的猪舍环境，保证猪群正常的生长发育和生产性能，保证猪的健康和福利，改善猪肉品质，节省人力和能源，提高生产效率，降低猪产品的生产成本，同时也便于用户研究环境因素对猪采食及生长的影响，利用PLC控制技术设计了猪舍环境实时监控子系统，对猪群舍小气候进行数字化表达与智能化调节。方法是通过温度、湿度、气体浓度等传感器实时采集猪舍内的环境参数，进行量化表达，当环境参数不符合猪的最佳生长环境要求时，通过控制温湿度调节、光照调节和通风调节等执行设备，将环境参数调节到合理的范围内。10为了提供舒适的猪舍环境，保证猪群正常的生长发育和生产猪舍环境实时监控系统，通过PLC控制器实现对猪舍环境的温度、湿度、光照、CO2浓度的实时数字化显示、自动监控和记录，当环境参数需要调节时，驱动加热设备、照明设备或通风设备等实现智能调控，为猪的生长提供一个适宜环境，既节省人力又节约能源，降低猪产品的生产成本，改善猪肉品质。11猪舍环境实时监控系统，通过PLC控制器实现对猪舍环境环境监测子系统的具体任务要求（1）以猪舍(育肥舍等)为研究对象，检测与调控舍内温度、湿度、通风、光照和氨气、硫化氢等有害气体浓度环境参数；（2）引入GPRS技术，实现短信报警；（3）远程控制技术，实现猪舍现场设备远程控制；（4）采用模糊控制技术，自动调节温度、湿度、通风等要素，改善畜禽舍内环境，提高节能效果。（5）现场控制器采集到的环境因子信息通过以太网传至上位机组态王，进行存储、显示、分析、输出，实现生猪养殖监控的数字化管理，提高畜禽养殖的管理水平。12环境监测子系统的具体任务要求（1）以猪舍(育肥舍等)为研究2系统设计132系统设计13环境调控水平是决定养猪业生产水平高低的重要因素之一人工观察、人工调节，占用人力资源多且管理效率低传统的养猪场环境监控系统布线复杂，无法实现精确调控猪舍内的小气候环境，而且成本较高14环境调控水平是决定养猪业生产水平高低的重要因素之一14需求分析精确采集猪舍各个猪栏内的局部环境参数精准控制猪舍各个猪栏内设备的运作现场控制器能分析存储养猪场猪舍内的环境信息并控制设备猪舍视频实时监控并实现拍照存储能查询养猪场环境参数历史数据远程管理人员能随时随地获取养猪场实时数据信息并管理养猪场容易布局安装，灵活性较高，最大限度地减少布线15需求分析精确采集猪舍各个猪栏内的局部环境参数15系统硬件设计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，由传感器将猪舍内环境中待检测的信息转化为电量，由EM231模拟量采集模块进行采集，将电信号转化成数字量输入到PLC，PLC根据环境因子控制要求和算法对各个参数进行控制，以实现对现场设备加热灯、通风机、湿帘、照明灯和移动窗等的控制。PLC通过以太网将采集到的数据上传上位机组态王监控中心，由上位机进行处理、分析、存储、显示。16系统硬件设计对于禽畜舍环境监控系统的硬件设商品猪精准养殖与管理系统的结构图17商品猪精准养殖与管理系统的结构图17猪舍环境控制系统总体结构图18猪舍环境控制系统总体结构图18图中猪舍环境数字化监控系统中，以PLC控制器为现场控制器，首先通过环境监因子监测仪表（如温湿度变送器、光照变送器、氨气变送器等）采集猪舍内各环境参数，然后PLC控制器根据采集到的参数，结合猪舍环境系统的非线性、时变和大延迟等特点，通过预先设置值和智能模糊算法，控制现场执行机构（如通风机、加热灯、湿帘等）实现对猪舍内环境的智能精确控制。上位机组态王监控中心主要通过以太网CP243-1模块，以以太网通讯方式实现对现场PLC主控制器数据采集和发送命令，达到对猪舍环境的控制。19图中猪舍环境数字化监控系统中，以PLC控制器根据对猪舍环境参数采集及控制过程中所需操作的变量的分析，结合实际监控过程以及经济因素等方面的影响，选择德国西门子公司的S7-200CPU224CN的PLC。CPU224CN有14点数字量输入，10点数字量输出，可带7个扩展模块，具有2个高速脉冲输出端和1个RS-485通信口。环境参数模拟量输入选择EM231CN扩展模块，该模块具有4路模拟量输入点。20根据对猪舍环境参数采集及控制过程中所需操作的基于组态王的生猪数字化环境监控系统平台可以精确采集温湿度等环境参数，实现适宜生猪生长的外部环境精确控制，同时可以实现超过设定环境参数值报警功能，避免意外情况的发生。基于RFID的生猪精细养殖与管理系统平台标签能够准确快速地识别，体重测量误差能控制在±0.2Kg，饲料重测量误差在±0.1Kg，环境参数能够实时采集并上传、显示，无论是由硬件采集的数据还是由用户录入的管理数据都能正确归档。硬件结构及组网合理，数据采集稳定，软件各部分功能可以正常实现，运行流畅。2121环境监控设备实物图22环境监控设备实物图22猪舍环境因素对生猪生长的影响猪舍内的温度影响生猪的能量需要和采食量，为了保证猪群正常的生长发育和生产性能，需要给猪群提供适宜的温度条件。不同生长阶段的生猪对温度有不同的要求，适宜猪生长发育的温度称为舒适温度。1.温度23猪舍环境因素对生猪生长的影响猪舍内的温度影阶段体重（kg）最低临界温度（℃）最高临界温度（℃）新生仔猪0.90-1.8036.037.7哺乳仔猪1.80-5.4530.336.0保育仔猪5.45-20.426.332.0生长猪20.4-591927.5肥育猪59-10916.224.7猪在不同年龄不同体重阶段下的等热区当温度在20-28℃之间，猪舍内的温度每下降1℃，生长育肥猪每天需要增加能量209.2千焦。在12-20℃，每降低1度，每天需要增加能量418.4千焦以上。这意味着每降低1℃每头猪每天要多消耗15-33克的饲料。24阶段体重（kg）最低临界温度（℃）最高临界温度（℃）新生仔猪2.湿度舍内空气的相对湿度对猪的影响，与环境温度有密切关系。无论是幼猪还是成年猪，当其处在舒适温度范围内时，相对湿度从45%升到80%或95%时对生猪的生产性能基本无影响。生猪的适宜湿度范围为60%~80%，试验表明，温度在16~23℃，相对湿度在65%~85%的环境下最适合猪只生长。252.湿度舍内空气的相对湿度对猪的影响，与环境3.有害气体（1）氨气氨气主要来自于粪便的分解氨易溶于水，猪舍中的氨气常被溶解或吸附在潮湿的地面、墙壁和猪黏膜上。氨气能刺激黏膜，引起黏膜充血、喉头水肿、支气管炎，严重时引起肺水肿、肺出血。猪舍内氨气浓度不能超过26ppm。如果超过100ppm，猪日增重减少10%，饲料利用率降低18%，氨气过于超标可导致生猪死亡。263.有害气体（1）氨气氨气主要来自于粪便的（2）二氧化碳二氧化碳主要来源是舍内猪的呼吸，浓度不能超过1500ppm，否则发生舍内缺氧情况，使猪精神不振，食欲减退，影响增重。（3）硫化氢硫化氢主要由含硫物分解而来，产生自猪舍地面，且比重较大，越接近地面，浓度越大。硫化氢主要刺激黏膜，引起眼结膜炎、鼻炎、气管炎，以至肺水肿。猪舍内硫化氢浓度不能超过10ppm，超标时，可以直接抑制猪呼吸中枢，使猪窒息而死。27（2）二氧化碳二氧化碳主要来源是舍内猪的呼吸现场仪表的选择现场仪表的选择原则

（1）根据养殖场实际情况，选择性价比高的仪表产品。（2）由于猪只适应的环境有一定的变化范围，不需要选择精度很高的仪表。（3）根据舍内的各环境因子参数实际值选择合适量程的仪表，提高检测数值的精确度。（4）根据舍内环境状况选择仪表。（5）舍内环境恶劣，必须选择可靠性高且易于维护的仪表。28现场仪表的选择现场仪表的选择原则（1）根据养殖场实际情况（1）温湿度传感器选用JWSL-2型壁挂式温湿度变送器。温度量程为0～60℃，精度为±0.5℃。湿度量程为0~100％，精度为±2％，输出信号采用两线制电流输出型4~20mA的电流信号。29（1）温湿度传感器选用JWSL-2型壁挂式温（2）光照传感器选用ZD系列壁挂式照度变送器，其测量范围0~10000Lux，测量精度±7%，输出信号采用两线制电流输出型4~20mA的电流信号。30（2）光照传感器选用ZD系列壁挂式照度变送器（3）氨气、硫化氢传感器选用的BMG800系列智能气体变送器，氨气测量范围0～100ppm，精度为±3％，响应时间为30秒；硫化氢测量范围0～100ppm，精度±3％，响应时间为45秒，输出信号4~20mA的电流信号。31（3）氨气、硫化氢传感器选用的BMG800系（4）CO2传感器选用JQAW-4系列壁挂式CO2变送器，测量范围为0~2000ppm，精度士40ppm，输出信号采用三线制电流输出型4~20mA。32（4）CO2传感器选用JQAW-4系列壁挂式C环境调控技术1.通风方式设计自然通风设计机械通风设计2.加热与降温系统设计湿帘降温系统喷雾降温系统33环境调控技术1.通风方式设计自然通风设计机械通风设计2现场执行器件的选择（1）风机选用无锡先锋风机厂生产的T40型轴流通风机，该风机具有高效率、低噪音、节能结构简洁、安装方便等特点，风量范围为0.16~16.21m3/s，全压为32~476Pa。34现场执行器件的选择（1）风机选用无锡先锋风（2）空调选用美的公司的KFR-61LW/DY-J(E5)大型立式空调，是对空气的湿度、温度进行处理，满足人们生产、生活需要的设备。此处空调主要作为备用机构，当PLC发出警报，工作人员根据现场情况使用空调。35（2）空调选用美的公司的KFR-61LW/DY-J（3）降温湿帘选用广州市益源通风设备有限公司生产的湿帘降温系统。它采用波纹纸特殊处理，具备耐腐蚀，结构强度高，使用周期长等优点。可以保证整个湿帘墙均匀淋透。因此湿帘降温是一种高效经济的降温方式。36（3）降温湿帘选用广州市益源通风设备有限公司生产的湿（4）红外加热灯选用深圳市东龙科技有限公司的2000W的加热灯。该红外加热灯用于猪舍加热，当舍内外温度相差较小时，启动红外加热灯升温能够起到节能的作用。37（4）红外加热灯选用深圳市东龙科技有限公司的2000现场仪表的标定本系统使用EM231模拟量输入模块采集猪舍环境因子数据，该模块电流输入量程范围为0~20mA，对应数字量量程为0~32000。由于猪舍实际环境比较复杂情况，变送器仪表在使用时必须先标定，使现场控制器采集的环境因子量更接近实际值。38现场仪表的标定本系统使用EM231模拟量输根据仪器仪表可知，采集到的数字量与实际物理量转换存在线性关系：其中k为比例系数，b为增益，x为EM231模块采集到的数字量，y为实际物理量。传感器仪表的标定的方法有两种。39根据仪器仪表可知，采集到的数字量与实际物理量本系统使用温湿度变送器为JWSL-2系列，该变送器温度量程为0~60℃，对应的电流输出为4mA~20mA，对应的数字量量程为6400~32000。由此可知实际温度0℃对应数字量为6400，60℃对应数字量为32000。（1）根据传感器仪表输出量程进行标定40本系统使用温湿度变送器为JWSL-2系列，该（2）根据猪舍现场实际温度进行标定根据养猪场养殖经验猪舍温度应控制在16℃~26℃。本标定方法为测量现场十组数据x13290136801381614281145251487415313153851589016194y16.417.618.019.520.321.222.123.024.625.5将数据分别代入公式求出k1，k2，k3，k4，…，k9，k10和b1，b2，b3，b4，…，b9，b10，然后对k，b求平均值。41（2）根据猪舍现场实际温度进行标定根据养猪场根据猪舍现场实际温度标定根据传感器仪表输出量程标定猪舍现场环境比较差与理想状态相差甚远，因此第二种标定方法更切合实际。本系统均采用第二种标定方法，对现场仪表进行标定。根据标定的得到的线性关系，在PLC中编写相应的子程序。（理想状态下的标定，不考虑实际环境）（考虑实际的现场环境因素，用实际的测量值来标定）42根据猪舍现场实际温度标定根据传感器仪表输出量程标定畜禽养殖场生猪环境系统是一个非常复杂的非线性、时变、大延迟的系统，很难建立精确的数学模型，即使用经典控制理论还是用现代控制理论都很难取得好的控制效果。而根据模糊控制的特点，它不需要建立被控对象的数学模型，且系统的鲁棒性强，适合于非线性、时变或滞后系统的控制。对生猪舍内环境系统采用模糊控制是非常合适的。

算法设计43畜禽养殖场生猪环境系统是一个非常复杂的非线性、时变模糊控制系统结构图模糊控制器是模糊控制系统的核心，存放的是由规则导出的模糊控制算法，一般由计算机程序或硬件实现。模糊控制器结构图44模糊控制系统结构图模糊控制器是模糊控制系统的核心，畜禽养殖舍的控制系统是一个多输入多输出的系统，生猪的生长环境中要控制的因子很多，如温度、湿度、光照强度、风速、有害气体浓度等，而且彼此相互关联，所以单一对某个参数进行控制都不能达到很好的效果。由于温度、湿度对生猪的生长来说是最重要的环境因子，本文设计一个二输入三输出的模糊控制器，对其进行模糊控制。45畜禽养殖舍的控制系统是一个多输入多输出的系统，生猪的猪舍温湿度模糊控制系统结构图在实际应用过程中通过查询模糊控制表，就可以由当前时刻输入变量的量化值(不是模糊集)，便直接求出输出变量的量化值，从而达到环境控制系统快速实时控制。46猪舍温湿度模糊控制系统结构图在实际应用过程中通过查e2e1-4-3-2-101234-4-3-2-101234000022222000022222000022233000023344000033344111233344111233355222333456222345566通风机通风时间模糊控制表风机开启一次时间最长为15分钟47e1-4-3-2-10e1e2-4-3-2-101234-4-3-2-101234433210000332210000321110000311110000311100000311110000311110000311110000321110000加热设备加热时间的模糊控制表一次加热的时间最长为12分钟48e1-4-3-2-1湿帘设备开启时间的模糊控制表e1e2-4-3-2-101234-4-3-2-101234333333334

222222223222211223222222222000011112000011112

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000000000湿帘系统开启时间最长为10分钟49湿帘设备开启时间的模糊控制表e1-4PLC模糊控制器的实现方法PLC程序采取循环扫描的执行方式，为满足环境控制系统的的实时性要求，因此在具体设计时，将离线建立的模糊控制查询表按照一定规律存放在PLC控制器内存寄存器中。舍内环境实时控制时，PLC只须对采样得到的环境因子精确量进行量化，得到其相应的模糊化论域元素，再通过查表方式获得输出控制量的量化值，最后再将此输出控制量量化值乘以比例因子即可得到最终的精确控制量。50PLC模糊控制器的实现方法PLC程序采取生猪舍内环境因子数据采集及模糊控制程序流程图51生猪舍内环境因子数据采集及模糊控制程序流程图51组态王与现场环境控制系统的通信现场环境控制系统使用CP243-1通讯模块，与S7-200可编程控制器一起使用。该通讯模块可以将S7-200系统连接到工业以太网中，并通过以太网进行通讯，对S7-200进行组态和编程。组态王与现场控制系统将以以太网方式通讯。52组态王与现场环境控制系统的通信现场环境控制系统使用3系统应用533系统应用53实验以生猪育肥饲养基地的一栏10头商品猪及所处猪舍环境为主要实验对象，在猪自由采食条件下全天监测每只猪的进食行为及体重变化，对猪舍环境参数进行监测及调控，对系统软件进行试用。实验期从2012年4月1日到2012年4月15日，为期15天。系统以江苏省镇江希玛牧业有限公司的生猪培育基地为依托，开展了系统评估实验。54实验以生猪育肥饲养基地的一栏10头商品猪及所处猪舍环55555656商品猪精细养殖与数字化技术管理平台57商品猪精细养殖与数字化技术管理平台57猪舍环境监控子系统58猪舍环境监控子系统58数据库中环境参数截图59数据库中环境参数截图59系统整体达到设计目标，运行平稳实时性较好，满足实际运行的需要。60系统整体达到设计目标，运行平稳实时性较好，满足实际运讲座结束61讲座结束61《农业生物环境监测与控制技术》课程讲座电气信息工程学院马长华——猪舍环境监测与控制技术《农业生物环境监测与控制技术》电气信息工程学院——猪舍环境监目录系统概述1系统设计2系统应用363目录系统概述1系统设计2系统应用32研究概述164研究概述13我国是一个养猪大国，2010年全国生猪出栏量约为6.67亿头，比2009年增加3%左右。在进入21世纪以后，养猪业规模化、产业化发展尤其迅速，养猪生产将以适度规模化、规范化、标准化模式为主体，综合利用多项现代化技术来提高养猪业整体生产水平和效益。我国养猪业发展迅速，从原来的散养户模式逐步向集约化养猪业发展，逐步成为世界养猪大国。养猪业的快速发展促进我国农业发展的进程。65我国是一个养猪大国，2010年全国生猪出栏量约为6.推动猪只养殖业的信息化，有利于降低生产的成本，提高生产的效率；有利于实现养殖场控制系统的全面自动化及数字化；有利于养猪场生产的集中管理等。我国养猪业将朝着优质、高效和安全的目标发展，综合应用信息技术、计算机技术、系统工程技术等先进技术已成为我国养猪业发展的主导方向。66推动猪只养殖业的信息化，有利于降低生产的成本，提高生大规模精细化养猪有利于提高经济效益67大规模精细化养猪有利于提高经济效益6大规模精细化养猪有利于提高经济效益68大规模精细化养猪有利于提高经济效益7在商品猪规模化养殖过程中，饲养密度大，环境容易恶化，影响猪的生长。具体而言影响猪生长的环境因素有：温度、湿度、有毒气体等。猪属于恒温动物，体温在38.7~39.1℃之间。猪在低温环境下为了保持体温而加速热量消耗，增加采食量。当猪高温环境时，外界温度每增加1℃，日净增重会减少3克，而饲料消耗增加60~70克。69在商品猪规模化养殖过程中，饲养密度大，环境容易恶化，影响猪舍小气候中有害气体主要指二氧化碳、氨气、硫化氢和甲烷等，来源于猪的呼吸、粪尿与饲料垫草的腐败分解。会影响猪的呼吸系统、神经系统，严重时导致死亡。70猪舍小气候中有害气体主要指二氧化碳、氨气、硫化为了提供舒适的猪舍环境，保证猪群正常的生长发育和生产性能，保证猪的健康和福利，改善猪肉品质，节省人力和能源，提高生产效率，降低猪产品的生产成本，同时也便于用户研究环境因素对猪采食及生长的影响，利用PLC控制技术设计了猪舍环境实时监控子系统，对猪群舍小气候进行数字化表达与智能化调节。方法是通过温度、湿度、气体浓度等传感器实时采集猪舍内的环境参数，进行量化表达，当环境参数不符合猪的最佳生长环境要求时，通过控制温湿度调节、光照调节和通风调节等执行设备，将环境参数调节到合理的范围内。71为了提供舒适的猪舍环境，保证猪群正常的生长发育和生产猪舍环境实时监控系统，通过PLC控制器实现对猪舍环境的温度、湿度、光照、CO2浓度的实时数字化显示、自动监控和记录，当环境参数需要调节时，驱动加热设备、照明设备或通风设备等实现智能调控，为猪的生长提供一个适宜环境，既节省人力又节约能源，降低猪产品的生产成本，改善猪肉品质。72猪舍环境实时监控系统，通过PLC控制器实现对猪舍环境环境监测子系统的具体任务要求（1）以猪舍(育肥舍等)为研究对象，检测与调控舍内温度、湿度、通风、光照和氨气、硫化氢等有害气体浓度环境参数；（2）引入GPRS技术，实现短信报警；（3）远程控制技术，实现猪舍现场设备远程控制；（4）采用模糊控制技术，自动调节温度、湿度、通风等要素，改善畜禽舍内环境，提高节能效果。（5）现场控制器采集到的环境因子信息通过以太网传至上位机组态王，进行存储、显示、分析、输出，实现生猪养殖监控的数字化管理，提高畜禽养殖的管理水平。73环境监测子系统的具体任务要求（1）以猪舍(育肥舍等)为研究2系统设计742系统设计13环境调控水平是决定养猪业生产水平高低的重要因素之一人工观察、人工调节，占用人力资源多且管理效率低传统的养猪场环境监控系统布线复杂，无法实现精确调控猪舍内的小气候环境，而且成本较高75环境调控水平是决定养猪业生产水平高低的重要因素之一14需求分析精确采集猪舍各个猪栏内的局部环境参数精准控制猪舍各个猪栏内设备的运作现场控制器能分析存储养猪场猪舍内的环境信息并控制设备猪舍视频实时监控并实现拍照存储能查询养猪场环境参数历史数据远程管理人员能随时随地获取养猪场实时数据信息并管理养猪场容易布局安装，灵活性较高，最大限度地减少布线76需求分析精确采集猪舍各个猪栏内的局部环境参数15系统硬件设计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，由传感器将猪舍内环境中待检测的信息转化为电量，由EM231模拟量采集模块进行采集，将电信号转化成数字量输入到PLC，PLC根据环境因子控制要求和算法对各个参数进行控制，以实现对现场设备加热灯、通风机、湿帘、照明灯和移动窗等的控制。PLC通过以太网将采集到的数据上传上位机组态王监控中心，由上位机进行处理、分析、存储、显示。77系统硬件设计对于禽畜舍环境监控系统的硬件设商品猪精准养殖与管理系统的结构图78商品猪精准养殖与管理系统的结构图17猪舍环境控制系统总体结构图79猪舍环境控制系统总体结构图18图中猪舍环境数字化监控系统中，以PLC控制器为现场控制器，首先通过环境监因子监测仪表（如温湿度变送器、光照变送器、氨气变送器等）采集猪舍内各环境参数，然后PLC控制器根据采集到的参数，结合猪舍环境系统的非线性、时变和大延迟等特点，通过预先设置值和智能模糊算法，控制现场执行机构（如通风机、加热灯、湿帘等）实现对猪舍内环境的智能精确控制。上位机组态王监控中心主要通过以太网CP243-1模块，以以太网通讯方式实现对现场PLC主控制器数据采集和发送命令，达到对猪舍环境的控制。80图中猪舍环境数字化监控系统中，以PLC控制器根据对猪舍环境参数采集及控制过程中所需操作的变量的分析，结合实际监控过程以及经济因素等方面的影响，选择德国西门子公司的S7-200CPU224CN的PLC。CPU224CN有14点数字量输入，10点数字量输出，可带7个扩展模块，具有2个高速脉冲输出端和1个RS-485通信口。环境参数模拟量输入选择EM231CN扩展模块，该模块具有4路模拟量输入点。81根据对猪舍环境参数采集及控制过程中所需操作的基于组态王的生猪数字化环境监控系统平台可以精确采集温湿度等环境参数，实现适宜生猪生长的外部环境精确控制，同时可以实现超过设定环境参数值报警功能，避免意外情况的发生。基于RFID的生猪精细养殖与管理系统平台标签能够准确快速地识别，体重测量误差能控制在±0.2Kg，饲料重测量误差在±0.1Kg，环境参数能够实时采集并上传、显示，无论是由硬件采集的数据还是由用户录入的管理数据都能正确归档。硬件结构及组网合理，数据采集稳定，软件各部分功能可以正常实现，运行流畅。8221环境监控设备实物图83环境监控设备实物图22猪舍环境因素对生猪生长的影响猪舍内的温度影响生猪的能量需要和采食量，为了保证猪群正常的生长发育和生产性能，需要给猪群提供适宜的温度条件。不同生长阶段的生猪对温度有不同的要求，适宜猪生长发育的温度称为舒适温度。1.温度84猪舍环境因素对生猪生长的影响猪舍内的温度影阶段体重（kg）最低临界温度（℃）最高临界温度（℃）新生仔猪0.90-1.8036.037.7哺乳仔猪1.80-5.4530.336.0保育仔猪5.45-20.426.332.0生长猪20.4-591927.5肥育猪59-10916.224.7猪在不同年龄不同体重阶段下的等热区当温度在20-28℃之间，猪舍内的温度每下降1℃，生长育肥猪每天需要增加能量209.2千焦。在12-20℃，每降低1度，每天需要增加能量418.4千焦以上。这意味着每降低1℃每头猪每天要多消耗15-33克的饲料。85阶段体重（kg）最低临界温度（℃）最高临界温度（℃）新生仔猪2.湿度舍内空气的相对湿度对猪的影响，与环境温度有密切关系。无论是幼猪还是成年猪，当其处在舒适温度范围内时，相对湿度从45%升到80%或95%时对生猪的生产性能基本无影响。生猪的适宜湿度范围为60%~80%，试验表明，温度在16~23℃，相对湿度在65%~85%的环境下最适合猪只生长。862.湿度舍内空气的相对湿度对猪的影响，与环境3.有害气体（1）氨气氨气主要来自于粪便的分解氨易溶于水，猪舍中的氨气常被溶解或吸附在潮湿的地面、墙壁和猪黏膜上。氨气能刺激黏膜，引起黏膜充血、喉头水肿、支气管炎，严重时引起肺水肿、肺出血。猪舍内氨气浓度不能超过26ppm。如果超过100ppm，猪日增重减少10%，饲料利用率降低18%，氨气过于超标可导致生猪死亡。873.有害气体（1）氨气氨气主要来自于粪便的（2）二氧化碳二氧化碳主要来源是舍内猪的呼吸，浓度不能超过1500ppm，否则发生舍内缺氧情况，使猪精神不振，食欲减退，影响增重。（3）硫化氢硫化氢主要由含硫物分解而来，产生自猪舍地面，且比重较大，越接近地面，浓度越大。硫化氢主要刺激黏膜，引起眼结膜炎、鼻炎、气管炎，以至肺水肿。猪舍内硫化氢浓度不能超过10ppm，超标时，可以直接抑制猪呼吸中枢，使猪窒息而死。88（2）二氧化碳二氧化碳主要来源是舍内猪的呼吸现场仪表的选择现场仪表的选择原则

（1）根据养殖场实际情况，选择性价比高的仪表产品。（2）由于猪只适应的环境有一定的变化范围，不需要选择精度很高的仪表。（3）根据舍内的各环境因子参数实际值选择合适量程的仪表，提高检测数值的精确度。（4）根据舍内环境状况选择仪表。（5）舍内环境恶劣，必须选择可靠性高且易于维护的仪表。89现场仪表的选择现场仪表的选择原则（1）根据养殖场实际情况（1）温湿度传感器选用JWSL-2型壁挂式温湿度变送器。温度量程为0～60℃，精度为±0.5℃。湿度量程为0~100％，精度为±2％，输出信号采用两线制电流输出型4~20mA的电流信号。90（1）温湿度传感器选用JWSL-2型壁挂式温（2）光照传感器选用ZD系列壁挂式照度变送器，其测量范围0~10000Lux，测量精度±7%，输出信号采用两线制电流输出型4~20mA的电流信号。91（2）光照传感器选用ZD系列壁挂式照度变送器（3）氨气、硫化氢传感器选用的BMG800系列智能气体变送器，氨气测量范围0～100ppm，精度为±3％，响应时间为30秒；硫化氢测量范围0～100ppm，精度±3％，响应时间为45秒，输出信号4~20mA的电流信号。92（3）氨气、硫化氢传感器选用的BMG800系（4）CO2传感器选用JQAW-4系列壁挂式CO2变送器，测量范围为0~2000ppm，精度士40ppm，输出信号采用三线制电流输出型4~20mA。93（4）CO2传感器选用JQAW-4系列壁挂式C环境调控技术1.通风方式设计自然通风设计机械通风设计2.加热与降温系统设计湿帘降温系统喷雾降温系统94环境调控技术1.通风方式设计自然通风设计机械通风设计2现场执行器件的选择（1）风机选用无锡先锋风机厂生产的T40型轴流通风机，该风机具有高效率、低噪音、节能结构简洁、安装方便等特点，风量范围为0.16~16.21m3/s，全压为32~476Pa。95现场执行器件的选择（1）风机选用无锡先锋风（2）空调选用美的公司的KFR-61LW/DY-J(E5)大型立式空调，是对空气的湿度、温度进行处理，满足人们生产、生活需要的设备。此处空调主要作为备用机构，当PLC发出警报，工作人员根据现场情况使用空调。96（2）空调选用美的公司的KFR-61LW/DY-J（3）降温湿帘选用广州市益源通风设备有限公司生产的湿帘降温系统。它采用波纹纸特殊处理，具备耐腐蚀，结构强度高，使用周期长等优点。可以保证整个湿帘墙均匀淋透。因此湿帘降温是一种高效经济的降温方式。97（3）降温湿帘选用广州市益源通风设备有限公司生产的湿（4）红外加热灯选用深圳市东龙科技有限公司的2000W的加热灯。该红外加热灯用于猪舍加热，当舍内外温度相差较小时，启动红外加热灯升温能够起到节能的作用。98（4）红外加热灯选用深圳市东龙科技有限公司的2000现场仪表的标定本系统使用EM231模拟量输入模块采集猪舍环境因子数据，该模块电流输入量程范围为0~20mA，对应数字量量程为0~32000。由于猪舍实际环境比较复杂情况，变送器仪表在使用时必须先标定，使现场控制器采集的环境因子量更接近实际值。99现场仪表的标定本系统使用EM231模拟量输根据仪器仪表可知，采集到的数字量与实际物理量转换存在线性关系：其中k为比例系数，b为增益，x为EM231模块采集到的数字量，y为实际物理量。传感器仪表的标定的方法有两种。100根据仪器仪表可知，采集到的数字量与实际物理量本系统使用温湿度变送器为JWSL-2系列，该变送器温度量程为0~60℃，对应的电流输出为4mA~20mA，对应的数字量量程为6400~32000。由此可知实际温度0℃对应数字量为6400，60℃对应数字量为32000。（1）根据传感器仪表输出量程进行标定101本系统使用温湿度变送器为JWSL-2系列，该（2）根据猪舍现场实际温度进行标定根据养猪场养殖经验猪舍温度应控制在16℃~26℃。本标定方法为测量现场十组数据x13290136801381614281145251487415313153851589016194y16.417.618.019.520.321.222.123.024.625.5将数据分别代入公式求出k1，k2，k3，k4，…，k9，k10和b1，b2，b3，b4，…，b9，b10，然后对k，b求平均值。102（2）根据猪舍现场实际温度进行标定根据养猪场根据猪舍现场实际温度标定根据传感器仪表输出量程标定猪舍现场环境比较差与理想状态相差甚远，因此第二种标定方法更切合实际。本系统均采用第二种标定方法，对现场仪表进行标定。根据标定的得到的线性关系，在PLC中编写相应的子程序。（理想状态下的标定，不考虑实际环境）（考虑实际的现场环境因素，用实际的测量值来标定）103根据猪舍现场实际温度标定根据传感器仪表输出量程标定畜禽养殖场生猪环境系统是一个非常复杂的非线性、时变、大延迟的系统，很难建立精确的数学模型，即使用经典控制理论还是用现代控制理论都很难取得好的控制效果。而根据模糊控制的特点，它不需要建立被控对象的数学模型，且系统的鲁棒性强，适合于非线性、时变或滞后系统的控制。对生猪舍内环境系统采用模糊控制是非常合适的。

算法设计104畜禽养殖场生猪环境系统是一个非常复杂的非线性、时变模糊控制系统结构图模糊控制器是模糊控制系统的核心，存放的是由规则导出的模糊控制算法，一般由计算机程序或硬件实现。模糊控制器结构图105模糊控制系统结构图模糊控制器是模糊控制系统的核心，畜禽养殖舍的控制系统是一个多输入多输出的系统，生猪的生长环境中要控制的因子很多，如温度、湿度、光照强度、风速、有害气体浓度等，而且彼此相互关联，所以单一对某个参数进行控制都不能达到很好的效果。由于温度、湿度对生猪的生长来说是最重要的环境因子，本文设计一个二输入三输出的模糊控制器，对其进行模糊控制。106畜禽养殖舍的控制系统是一个多输入多输出的系统，生猪的猪舍温湿度模糊控制系统结构图在实际应用过程中通过查询模糊控制表，就可以由当前时刻输入变量的量化值(不是模糊集)，便直接求出输出变量的量化值，从而达到环境控制系统快速实时控制。107猪舍温湿度模糊控制系统结构图在实际应用过程中通过查e2e1-4-3-2-101234-4-3-2-101234000022222000022222000022233000023344000033344111233344111233355222333456222345566通风机通风时间模糊控制表风机开启一次时间最长为15分钟108e1-4-3-2-10e1e2-4-3-2-101234-4-3-2-101234433210000332210000321110000311