PLC控制技术在蚯蚓养殖中的应用

令狐金卿，程龙波，张 波，金 茜，廖朝林，赵久伦

(1.遵义师范学院，贵州 遵义 563000； 2.华南理工大学，广东 广州 510640)

PLC控制技术在蚯蚓养殖中的应用

令狐金卿1,2，程龙波1，张 波1，金 茜1，廖朝林1，赵久伦1

(1.遵义师范学院，贵州 遵义 563000； 2.华南理工大学，广东 广州 510640)

讨论PLC控制技术在蚯蚓养殖中的应用，从控制系统组成、设计方案和硬件设计等方面对基于PLC的蚯蚓养殖监控系统进行了介绍。通过系统可实现对蚯蚓养殖中的温度、湿度及pH值等环境参数进行监控并自动调节，大大提高了蚯蚓养殖工作的效率。

PLC； 蚯蚓； 环境参数； 监控

蚯蚓，也称地龙，是一种中药，具有清热、息风、平喘、通络、利尿的作用。现代药理研究表明，蚯蚓体内的蚓激酶能有效降低血液黏度[1]，抑制血小板凝集，促进血液畅通等，对心血管病、动脉硬化、高血压和高血黏度症，以及中风、半身不遂等症有较好的治疗效果[2]。

蚯蚓体内富含蛋白质、脂肪和碳水化合物等，不仅能作动物饲料及生产药品和化妆品，也是一种高蛋白食品，在我国台湾及东南亚、美国和加拿大等国极为畅销，具有极高的经济价值[3]，成为关注的焦点。

人工养殖蚯蚓是一项新兴的事业，但外界温度和湿度不仅直接影响蚯蚓的体温及其活动，而且还影响到它们的新陈代谢以及生长、呼吸及生殖的强度[4]，而传统的人工养殖蚯蚓，需管理人员经常测量蚯蚓生长环境的温度、湿度及pH值等因素，因此，养殖成本较高。如果采用PLC控制技术，利用PLC性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等一系列优点[5]，监控养殖蚯蚓的生长环境，自动测定蚯蚓养殖的温度、湿度及有机肥酸碱度等环境要素[6]，能快速、准确、自动地测定并调控，为蚯蚓养殖提供更加舒适的生长环境，提高蚯蚓产量，也大大降低了蚯蚓养殖的成本。

1 控制系统的组成和总体设计方案

用于蚯蚓养殖的自动化控制装置，包括温度传感器、湿度传感器、pH传感器、PLC控制系统、加热器、加湿器和风扇。其湿度传感器和pH传感器均安装在蚯蚓养殖的土壤中，温度传感器分别安装在蚯蚓养殖的土壤和空气中，且温度传感器、湿度传感器和pH传感器的信号输出端分别与PLC控制系统对应的信号输入端连接，而PLC控制系统的信号输出端分别与加热器、加湿器和风扇对应连接；PLC控制系统的信号输出端还要与步进电机的控制信号输入端连接，而步进电机带动安装于蚯蚓养殖土壤中的链条传动装置上，链条传动装置拖动安装在土壤中的横杆缓慢移动翻动有机肥或土壤，调节蚯蚓养殖环境的温度、湿度等；以及通过PLC控制系统增加蚯蚓养殖中的含氧量，避免人工翻土对蚯蚓造成伤害或致死。

PLC控制系统如图1所示。

2 PLC控制系统的设计

PLC控制技术应用于养殖蚯蚓，即将温度传感器、湿度传感器和pH传感器均安装在蚯蚓养殖的土壤中，且温度等传感器的信号输出端分别与PLC控制系统对应的信号输入端连接，而PLC控制系统的信号输出端分别与加热器、加湿器和风扇对应连接，通过PLC自动控制蚯蚓生长环境，方便管理者快速准确了解蚯蚓养殖的温度、湿度及酸碱度等环境要素，并快速地、自动地调控相应参数，为蚯蚓养殖提供更加舒适的生长环境。

图1 PLC自动控制系统

2.1 温度检测及显示

温度传感器由热敏电阻和温度变送器串联而成。温度检测是检测有机肥或土壤内部的温度，通过温度传感器把数据传送到PLC，PLC通过数据处理显示在数码管上。实验中，利用PLC温度传感器控制蚯蚓养殖温度在15～25 ℃[7]。

2.2 湿度检测及显示

湿度检测是检测有机肥或土壤内部的湿度，通过湿度传感器把数据传送到PLC，PLC通过数据处理显示在数码管上。湿度要控制在60%～80%。

2.3 pH值的检测及显示

pH值检测是检测有机肥及土壤内部的pH值，通过pH值传感器把数据传送到PLC，PLC通过数据处理显示在数码管上。pH值在7.0左右。

2.4 报警系统

当温度、湿度或pH值超过设定值太多，外部设备无法控制环境或有机肥或土壤保持在预设的阈值内时，系统自动报警，提醒工作人员处理相应的事件。2.5 系统的自动控制与处理

PLC控制系统通过组态王(一种监控系统软件)与PC终端通讯连接，自动调节养殖环境条件。即当温度超过设定值时，PLC将自动打开制冷设备或打开制热设备，使蚯蚓养殖温度保持在15～25 ℃；当湿度超过设定值，PLC自动打开水阀或风机让湿度保持在60%～80%。

3 系统的硬件设计

基于PLC的控制系统，PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型[8]。本设计采用小型控制系统，主要以开关量为主，还带有3个模拟量输入，所以综合考虑下来主机选择西门子的S7-200系列CPU 226 PLC和一个EM222 DO16×DC24V扩展模块，以及一个EM231 AI4 模拟量扩展模块。

3.1 温度采集

温度采集需要用到温度传感器[9]，使用市场上最常见的Pt100温度传感器，自带温度变送器，测量范围为0～100 ℃，输出电流信号范围4～20 mA，其工作电源是24 V，可直接由PLC提供，不用外加电源模块。温度的调节需要用到的器件就是制热和制冷设备。

3.2 湿度采集

湿度采集采用HM1500湿度传感器，自带湿度变送器，测量范围为0～100%(相对湿度)，输出电压信号范围+1～+4 V。湿度的控制需要的是水阀和风机。

3.3 pH采集

pH采集采用ICL7650pH传感器，精度高，稳定性好，输出电压为+1～+3.5 V，对应相对pH值 0～12，如超过设定值PLC就会触发警报系统告知工作人员有机肥或土壤pH出现偏差。

3.4 温、湿度和pH值的显示

采用7段数码管，74LS47 BCD优先译码器，采用译码器的原因是用一个BCD码表示一个十六进制的字符[10]，可以节约PLC的I/O口资源。5 V直流电源模块，给数码管和译码器提供电源。

3.5 报警和温湿度调节

报警执行选用声光配合的方式进行[11]，用PLC直接驱动电铃和指示灯，以此提醒工作人员检查温度、湿度、pH值数据，并人工操作处理。温度调节用PLC根据Pt100温度传感器采集来的数据进行判断后直接驱动外部设备，温度过高则打开制冷设备，太低则打开制热设备，使温度保持在15～25 ℃这个最适合蚯蚓养殖的范围，温度调节至正常范围后则关断相应设备。湿度调节用PLC根据HM1500湿度传感器采集到的数据进行判断后直接驱动外部设备，若湿度过高则打开风机通风，使土壤湿度下降，若湿度过低则打开水阀向土壤喷水，使湿度保持在60%～80%，湿度调节至正常范围后则关断相应设备。

3.6 I/O配置

辅助设备采用的是中间继电器来控制，如当要触发制热设备时，PLC会触发相对应的中间继电器来控制制热设备的通断。每一个辅助设备都有相对应的中间继电器，每个继电器又由PLC控制。这样就可以减少PLC I/O口的使用量，大大节约I/O口(表1)。中间继电器选用欧姆龙MY2N-GS中间继电器，线圈额定电压为AC 220V，机械寿命5 000万次。

表1 系统中的I/O配置

4 PLC技术在蚯蚓养殖中的具体应用

PLC控制技术在蚯蚓养殖中的应用，涉及PLC的数码显示、数字量处理、模拟量处理等，其难点和核心部分之一是模拟量的采集与处理，通过模拟量的采集传感器与PLC之间进行连接，在PLC和传感器之间要一个变送器相连，将模拟量变送成PLC能处理的电压/电流信号，通过PLC对模拟量的编程、调试进行处理；其次是利用PLC进行数码管显示，在该技术中使用的PLC为继电器型，输出响应有一定的延迟，对于数码管显示如果采用动态扫描输出肯定是不可取的，除非是采用集体管型的PLC，那只能是对单个进行驱动显示，这样一来显示的问题可以解决，但是又有一个新问题随之而产生，每个数码管都要占用一个字节(8个)的输出口，本设计需要使用四位数码管，总共就需要占用32个输出口，对于PLC的输出资源造成极大的浪费[12]，所以本设计采用的方法是利用BCD码进行数码显示，每显示一位数码管，只需要用4个输出口，在外部接上译码器就可以驱动数码管7段显示，从继电器型的PLC来说，节约了一半的输出口资源。

图2为实验室养殖蚯蚓温湿度检测和显示，通过温度传感器和湿度传感器采集的温度和湿度[13]，经过PLC处理，再将采集到的温度值和湿度值通过数码显示，将养殖蚯蚓的温度和湿度显示出来。图中左边数码管所显示“20”代表此时蚯蚓养殖实验室的温度为20 ℃，右边数码显示的“55”代表此时养殖蚯蚓的土壤相对湿度为55%，由于土壤湿度低于最佳湿度范围，因此监控系统会启动加湿装置的水阀，向土壤喷水。

图2 蚯蚓养殖中温湿度检测

图3为温度传感器、湿度传感器及pH传感器在蚯蚓养殖中监控的具体应用，在检测过程中对传感器的使用有要求，必须按照要求准确使用传感器才能检测到准确的数据。

图3 蚯蚓养殖中温湿度监控传感器

图4为工作人员对PLC自动化监控设备进行调试，检测蚯蚓养殖过程中养殖环境的温度、湿度及pH值。PLC自动化监控设备在不同的环境下都要求进行不同的调试过程，耐心、细致地调试。

图4 温湿度调控

综上所述，采用PLC自动化控制蚯蚓生长环境，蚯蚓生长环境的各个参数均一目了然，方便管理者快速准确了解蚯蚓养殖的温度、湿度及有机肥酸碱度等环境要素，并快速地、自动地调控相应参数，为蚯蚓养殖提供更加舒适的生长环境，不仅减少不必要的损失，同时提高了蚯蚓产出率；大大减少了养殖人员的工作量，也降低了养殖成本。

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(责任编辑：卢福庄)

2016-10-08

贵州省科技厅资助项目(黔科合LH字[2015]7010号)；遵义市创新人才团队培养项目[遵市科合(2016)3号]

令狐金卿(1985—)，男，讲师，在读博士，从事电气控制和电力电子方面的研究工作，E-mail：hongye123123@163.com或252225578@qq.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170250

S899.8；PT273.1

B

0528-9017(2017)02-0349-04

文献著录格式：令狐金卿，程龙波，张波，等. PLC控制技术在蚯蚓养殖中的应用[J].浙江农业科学，2017，58(2)：349-352.