基于可编程序控制器（PLC）的人员洗澡智能管控系统研究

张志勇，樊士冉 ＊，刘 聪，米凯臣，邓启伟，张瑞雪

（新希望六和股份有限公司，山东 青岛 266000）

引言

近年来，由非洲猪瘟病毒引起的疫情在世界各地广泛传播，非洲猪瘟发病频率高、影响范围广、持续时间长的特点使得非洲猪瘟成为养猪业的主要威胁。2018年8月，中国暴发了非洲猪瘟，给中国养猪业造成了巨大损失。非洲猪瘟病毒的传播途径有直接接触、间接接触两种，直接接触多是健康猪与携带病毒或确诊的猪密切接触所致。间接传播范围广、较复杂，可通过人流（如访客、内部员工）、物品（饲料、食物工具等）、 车辆（场内运输车、拉猪车等）、猪群（引种、出猪、调栏等）、生物流动（鼠类、猫、狗等）进行传播。由于目前对于非洲猪瘟尚无有效的疫苗和药物可使用，提高猪场生物安全措施已成为养猪从业者对于猪场疾病控制的主要策略。需要从新猪场的选址、栋舍布局、人员淋浴通道、物资消毒方式、出猪台等硬件设计建造上加入防止病原传入的生物安全理念。

对于人员流动，“脏净分区、单向流动、防止交叉”是养殖场生物安全核心原则。生物安全等级高的区域为净区，生物安全等级低的区域为脏区。对于人员的跨区域流动，特别是从脏区进入净区，必须进行严格的洗澡消毒程序。

然而在目前猪场管理模式下，员工洗澡基本上靠自觉。当员工对反复洗澡造成心理抵触时，洗澡消毒效果极大降低，对生物安全造成重大隐患。而员工洗澡属于个人私密行为，人工无法干预，无法通过人工监管的方式实现强制性。当前无法通过技术手段、人工方式对洗澡消毒效果进行快速、准确的判断。与此同时，信息技术对智慧养猪至关重要。针对目前猪场人员洗澡存在的管控问题，通过引入自动化、智能化技术设计一款满足猪场人员洗澡的智能化管控系统势在必行。

1 总体方案设计

1.1 研究对象分析

目前猪场常见的洗澡通道布局如图1所示。人员从脏区进入净区，需经过淋浴间进行淋浴。员工在脱衣间脱下在脏区内穿着的衣物进入淋浴间进行洗澡，洗澡完成后在穿衣间更换为净区的衣物。由于在淋浴过程中，淋浴间为隐私密闭环境，员工的洗澡过程无法进行有效监管。需在此通道内进行人员洗澡智能管控系统的设计，保证洗澡效果。

图1 猪场洗澡通道布局图

1.2 工作原理

运用人员洗澡智能管控系统，通过装有磁力锁的物理门，确保人员在洗澡通道不可随意流动；借助控制及自动化技术，对人员在洗澡通道的行动进行监测与管控；通过对洗浴时间和水流量等因素的控制，确保人员在不被直接监督的情况下完成有效洗澡过程。

人员洗澡智能管控系统设计总体方案如图2所示。

图2 人员洗澡智能管控系统总体方案图

1.3 关键模块介绍

人员洗澡智能管控系统主要由主控箱模块、门禁模块、传感感应模块、播报与警告模块等组成。

1.3.1 主控箱模块

以三菱FX3U PLC控制器为核心部件，通过控制器高速扫描刷新机制，确保人员按照指定流程完成整个洗澡过程。指纹机、开关按钮、传感器、流量计、电位器与控制器连接，构成输入通路，控制器与门锁、电磁阀、警报器、播报器连接，构成输出通路。控制器与外围设备连接的示意图如图3所示。PLC的输入输出点的分配如表1所示。

表1 PLC输入输出点地址分配

1.3.2 门禁模块

由指示灯、磁力锁、按钮开关、指纹机等组成，系统根据洗澡过程逻辑决定磁力锁的通断、指示灯的亮灭等。此模块是限定人员轨迹的关键模块。其中两台指纹机布置在靠近净区的门进出口处，通过前期录入的指纹信息，保证只有授权的人员可以进入净区。

1.3.3 传感感应模块

人体传感器以微波多普勒原理为基础，可以判断员工洗澡过程中所处房间位置。电位计用于设置单次洗澡所需要的用水量，通常设置为50 L。流量计用来记录洗澡过程中的用水量，与电位计相比较，判定洗澡过程中的用水量是否符合要求。计时器用来记录洗澡过程中的用时情况，通常设置为20 min，通过控制洗澡过程中充足的时长保证洗澡效果。

通过光栅确定人员洗澡所处位置为正确位置，保证花洒喷淋的有效性。光栅设置两组红外光栅对，分别为竖直光栅对和水平光栅对。两个光栅对分别两两对应的设置在房间中环绕淋浴喷头的四个水平空间面上。竖直光栅对的两根光栅竖直对称设置在淋浴喷头两侧，竖直光栅的感应范围为淋浴喷头下方；水平光栅设置与竖直光栅相邻的两个面上，水平光栅和地面的间距为800～1 200 mm。两组光栅对的联合使用可以用于判断人员是否在洗澡位置。光栅实物如图4所示。

图4 光栅实物图

只有人员在正确洗澡位置时，计时器开始计时，流量计开始记录流量，保证人员洗澡足够的时间与用水量。

1.3.4 播报与警告模块

多路语音播报器根据流程中各节点进行相应播报，可提示流程过程中的正确操作与违规事项。多路语音播报器如图5所示。

图5 多路语音播报器示意图

警告模块的作用是洗澡人员因紧急情况按下紧急按钮或者系统判定人员洗澡非正常超时，声光报警器启动，同时门禁断电，方便紧急状况处理。人员洗澡非正常超时是指未检测到人（人静止，考虑昏厥等突发情况）的持续时间超过10 min。声光报警器如图6所示。

图6 声光报警器示意图

2 系统操作流程

2.1 脏区进入净区流程

图7为人员从脏区进入净区洗澡智能管控流程图，闭门前提下，淋浴时间和用水量须满足洗澡要求，方可开门进入净区。期间若有折返脏区行为，统计都将复位。具体流程如下：

图7 脏区进入净区管控流程图

a）进出两个门都关好的情况下，若指示灯亮着，说明里面有人，此时打不开门；灯若未亮，则说明里面没人，按下按钮，开门进入。

b）进入脱衣间，关好门（门若未关好，播报器会提示“请关好门”），脱衣间内的人体感应器感知内部有人，播报器提醒人员洗浴注意事项。

c）从脱衣间到淋浴间开始洗浴，时间和用水量达到要求后，播报器会播报合格（若未合格，从淋浴间返回脱衣间，播报器会提醒“勿返回”，同时之前的淋浴条件会复位；若未合格，从淋浴间到穿衣间，播报器会提示“您已违规，请返回继续淋浴”，同时记录违规信息到指纹机，此时也无法打开门到达净区）。

合格后，从淋浴间到穿衣间，播报器提醒人员已完成淋浴。被穿衣间的人体传感器感知，则判断人员已到达穿衣间，可刷指纹开门进入净区，同时关好门，否则会播报提醒“请关好门”。系统检测内部无人，整个系统自检复位，一个淋浴过程完成。

2.2 净区进入脏区流程

图8为人员从净区返回脏区的洗澡智能管控流程图，人员返回脏区时系统对于淋浴时间和用水量不做强制管控。具体流程如下：

图8 净区返回脏区管控流程图

a）进出两个门都关好的情况下，若指示灯亮着，说明里面有人，此时打不开门；灯若未亮，则说明里面没人，按指纹，开门进入。

b）进入穿衣间，关好门。

c）依次进入淋浴间、脱衣间（不强制洗澡）；此时若想要返回净区，需按规定完成淋浴，否则会语音提醒且无法开门进入净区。

d）按下按钮，开门，进入脏区并关好门。

3 试验验证

人员智能洗澡管控系统验证试验于2020年5月在唐山新好农牧有限公司的入场关口进行。关口已有相应的洗澡通道，具有热水器、花洒等基础洗澡功能。对已有洗澡通道进行改造，改造完成之后的效果图如图9所示。

图9 人员洗澡智能管控系统实施效果图

现场安装完成后的部分细节图如图10所示。安装完成后对管控系统的功能进行试验验证，经过试验，人员洗澡智能管控系统实现了对洗澡过程的智能管控。人员从脏区进入洗澡间，若不按规定要求完成淋浴过程，则无法打开净区门进入内部，实现了管控的智能化、无人化，大大提升了人员跨区域流动的生物安全管理水平。

图10 人员洗澡智能管控系统现场安装图

4 结论

文章研究了一款基于PLC的人员洗澡智能管控系统，通过控制人员的洗澡位置、洗澡时长、用水量等参数，对人员跨区域流动的洗澡效果起到了非常好的保障作用，解决了目前行业内洗澡无法监管的难题。对于猪场非洲猪瘟等流行性疾病的防控起到非常重要的作用，有极强的应用前景与行业推广价值。