CN203658880U - 牛舍环境温控系统控制箱 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述控制箱包括接线端子、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、断路器、24V直流电源、继电器、CPU模块以及触摸屏；本实用新型能够一体化实现所有牛舍的室内温湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度、硫化氢浓度等环境参数的检测、采集、处理与存储，并实现牛舍执行设备的自动监控，使各项环境指数趋于标准化；并能对牛舍环境实现远程监控，创造一种不受地域限制、能实现全年精准控制舍内环境的新型节能环保的控制技术，实现由传统养殖业向现代化集约型养殖业的转变。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种牛舍环境温控系统控制箱。
背景技术
奶牛养殖业随着规模化、现代化进程的不断加快，对牛舍的规模、质量、环境控制程度等各方面的要求也越来越高。由于我国幅员辽阔，各个地区的气候条件千差万别，而开放式或半开放式牛舍要么采用自然通风，要么采用正压机械通风，环境控制效果受外界环境影响较大，难以实现对牛生产环境的精准调控，牛的养殖业生产效率因地理位置的不同而有明显差异，随时间、季节的变化而不断波动。因此，迫切需要提出一种不受地域限制、能实现全年精准控制舍内环境的新型节能环保的控制技术，实现由传统养殖业向现代化集约型养殖业转变，这也是实现养殖业现代化的必由之路。
新西兰FONTERRA公司设计的天津奶牛场，通过采用复合型的高强度涂层幕帘产品使其在冬季能达到舍内的温度要求，夏季通过喷淋及喷雾系统，但需通过人工开启；采用开放式屋顶的设计方式，有效解决了牛舍湿度问题。该方法只是从牛舍的建筑材料以及牛舍结构上来保证奶牛的适宜生活环境，误差很大，不能加以普及。
关伟、李喜武等人针对肉牛养殖，开发了基于AT24C16单片机嵌入式温度检测控制系统，采用通用的单片机C语言编写，主要包括嵌入式系统的初始化和检测程序。温度控制采用偏差控制法，其原理是先求出实测温度与所需温度的偏差值，再获得偏差值处理控制信号， 以调节温度控制装置的加热功率， 实现其对牛舍温度的控制。并在吉林省内进行了试验，试验结果表明：牛舍内采用温度控制系统后，能量利用率较好， 能耗较低， 肉牛能够健康生长，发病率降低，经济效益显著提高。该系统虽能对温度进行有效检测与控制，但只适用于装有温度控制装置的牛舍，且未对湿度、有害气体等对牛的生长有严重的因素进行合理有效的控制，亦具有很大局限性，从而限制了它的推广。
牛舍的标准化设计和环境控制是目前我国养牛业向高层次发展的重要环节。目前，就如何给奶牛提供一个舒适的生活环境的问题，领域专家从牛舍的结构类型（半开放式、塑料暖棚式、封闭式）、牛舍的建筑用材、牛舍的环境控制等方面进行了深入的研究，虽从某种程度上改善了牛的生活环境，但受地域、舍外环境变化、人员操作等因素的影响，现有技术在控制舍内温湿度、有害气体浓度等方面的表现并不乐观，因此不能为奶牛创造最适宜的环境条件。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术出现的随机性、滞后性、不精确等缺点，发明了一种新型牛舍环境智能控制系统，实现了牛舍环境的无人干预智能控制，具有稳定性、实时性、准确性等优点，保证牛舍的温度、湿度、NH3、H2S、CO2等参数处于适合奶牛生活的范围，从而给奶牛提供最舒适的生活环境，以使奶牛能充分发挥最大的生产潜力，延长它的使用年限，使牧场利益最大化。
为此，本发明的目的在于提出一种牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述控制箱包括包括多个接线端子、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、24V直流电源、继电器、CPU模块以及触摸屏；
所述多个接线端子包括模拟信号输入端子（XT1）、设备运行信号输入端子（XT2）和设备驱动信号输出端子（XT3）；模拟信号输入端子（XT1）将牛舍现场仪表与模拟量输入模块相连；设备运行信号输入端子（XT2）分别将牛舍电控柜及限位开关与数字量输入模块相连；设备驱动信号输出端子（XT3）将牛舍现场设备与数字量输出模块相连；其中，所述牛舍现场设备与数字量输出模块相连的方式为：继电器（KA）一端与数字量输出模块连接，另一端通过所述设备驱动信号输出端子（XT3）端子与牛舍现场设备相连；
CPU模块分别与模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块相连；
CPU模块上具有与触摸屏PV1通讯的RS232口，以及与上位机进行以太网通讯的以太网口；
所述24V直流电源（WY）为CPU模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块以及触摸屏的供电电源。
优选地，所述牛舍现场仪表包括：温湿度一体化传感器、风速传感器、气体分析仪。
优选地，所述接线端子还包括电源接入端子（XT0）；所述控制箱通过外部220V电源线供电，所述外部220V电源线通过所述电源接入端子（XT0）接入。
优选地，所述控制箱包括断路器，其中包括一个220V电源断路器（QL）；一个24V电源断路器（QL1）；五个设备断路器（DQ1 ~DQ5），所述设备断路器包括模拟量输入模块断路器、数字量输入模块断路器、数字量输出模块断路器、CPU模块断路器以及触摸屏断路器，分别与模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、CPU模块以及触摸屏相连。
优选地，所述控制箱还包括220V电源指示灯和24V电源指示灯。
优选地，所述牛舍现场设备为南/北侧卧床风机、南/北侧采食风机、南/北侧喷淋水泵，以及南/北侧卷帘电机。
优选地，所述输入端子（XT1）个数大于等于24，设备运行信号输入端子（XT2）个数大于等于30，设备驱动信号输出端子（XT3）个数大于等于20。
优选地，电源接入端子（XT0）个数大于等于2。
优选地，所述继电器个数大于等于10。
本实用新型运用现代化科学技术手段，为奶牛养殖业研发出合理有效的智能环境控制系统方案，能够一体化实现所有牛舍的室内温湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度、硫化氢浓度等环境指数的检测，对温湿度和有害气体浓度进行采集、存储，并可基于此实现牛舍设备的自动控制，使各项环境指数趋于标准化；并能对牛舍环境实现远程监控，创造一种不受地域限制、能实现全年精准控制舍内环境的新型节能环保的控制技术，实现由传统养殖业向现代化集约型养殖业转变。
附图说明
图1为牛舍环境温控系统控制箱结构连接示意图。
图2为模拟量输入模块AI01连接示意图。
图3为模拟量输入模块AI02连接示意图。
图4为模拟量输入模块AI03连接示意图。
图5为XT1端子接线图 。
图6为数字量输入模块DI01连接示意图。
图7为数字量输入模块DI02连接示意图。
图8为XT2端子接线图。
图9为数字量输出模块DO01连接示意图。
图10为XT3端子接线图。
图11为本实用新型的供电连接示意图。
图12为XT3端子接线图 。
图13为本发明的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明一个实施例的牛舍环境温控系统控制箱的结构示意图。
如图1所示，所述牛舍环境温度系统控制箱包括接线端子、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、断路器、24V直流电源、继电器、CPU模块、触摸屏。
接线端子为多个，本实施中接线端子为95节，分为 XT0、XT1、XT2、XT3，其中XT0共5节，2节用来外接电源，其余备用；XT1共30节，24节用来联接牛舍现场仪表采集的模拟量环境参数信号，用于将牛舍现场仪表采集的模拟量环境参数信号等模拟信号数据传输给模拟量输入模块，其余备用；XT2共30节，用来联接牛舍现场控制设备(即牛舍电控柜)及限位开关的运行信号，用于将牛舍电控柜及限位开关的设备运行信号传输给数字量输入模块；XT3共30节，20节用来联接驱动设备的信号，其余备用。其中，XT0、XT1、XT2和XT3独立分布。
模拟量输入模块，可采用贝加莱X20AI4622，与牛舍现场仪表通过接线端子XT 1相连，负责接收牛舍现场仪表采集到的模拟量环境参数信号（温度、湿度、NH3、H2S、CO2、风速），并将其传递给CPU。
本实施例中模拟量输入模块有三块，分别为AI01、AI02和AI03，现场仪表为牛舍现场设置的现代智能化仪表，包括温湿度一体化传感器、风速传感器、气体分析仪等，模拟量输入模块AI01同时与温湿度一体化传感器、风速传感器相连，从温湿度一体化传感器获取牛舍的南侧温度、北侧温度、室外温度；从风速传感器获取牛舍的室外风速；模拟量输入模块AI02与温湿度一体化传感器相连，从温湿度一体化传感器获取牛舍的南侧湿度、北侧湿度、室外湿度；模拟量输入模块AI03与气体分析仪相连，从气体分析仪获取CO2、H2S、NH3浓度信号。
模拟量输入模块AI01、AI02和AI03连接情况如图2-4所示：
如图2所示，温湿度一体化传感器和风速传感器的电缆（ “S+”信号正端， “D+”电源正端，“D-/S-”信号/电源负端）分别接至端子XT1，所有的信号电缆都带屏蔽接地保护。其中，信号正端“S+”、信号/电源负端“D-/S-”经由XT1端子与模拟量输入模块AI01的端子对应连接，实现室内南北侧温度、室外温度和室外风速信号采集，现场仪表为24V直流供电。
如图3所示，温湿度一体化传感器的电缆（ “S+”信号正端， “D+”电源正端，“D-/S-”信号/电源负端）分别接至端子XT1，所有的信号电缆都带屏蔽接地保护。其中，信号正端“S+”、信号/电源负端“D-/S-”经由XT1端子与模拟量输入模块AI02的端子对应连接，实现室内南北侧、室外湿度信号采集，现场仪表为24V直流供电。
如图4所示，气体分析仪的电缆（ “S+”信号正端， “D+”电源正端，“D-/S-”信号/电源负端）分别接至端子XT1，所有的信号电缆都带屏蔽接地保护。其中，信号正端“S+”、信号/电源负端“D-/S-”经由XT1端子与模拟量输入模块AI03的端子对应连接，实现CO2、H2S、NH3浓度信号采集，现场仪表为24V直流供电。
接线端子XT1的具体接线方式如图5所示。
数字量输入模块，可采用贝加莱 X20DI9371，通过接线端子XT2与牛舍现场控制设备（即牛舍电控柜）以及限位开关（南北侧卷帘电机的卷帘窗限位开关）相连，牛舍电控柜再与现场设备相连，接收牛舍电控柜转发的牛舍现场设备的运行模式信号（设备的启/停）、限位信号以及牛舍电控柜为各个现场设备设置的运行状态信号（自动/运行），并将上述信号实时显示于触摸屏和上位机人机界面中。
本实施例中数字量输入模块有两块，分别为DI01、DI02，牛舍现场设备的运行信号包括南北侧卧床风机、南北侧采食风机、南北侧喷淋水泵、南北侧卷帘电机的运行模式以及运行状态信号，还包括南北侧卷帘电机的卷帘窗限位信号，其中，牛舍现场设备的运行模式信号包括风机启停、喷淋水泵启停、卷帘电机启停；运行状态信号是牛舍现场控制柜为上述现场设备设置的自动、运行信号。
数字量输入模块DI01、DI02的连接情况如图6、7所示：
如图6所示，数字量输入模块DI01用来采集南北侧卧床风机、南北侧采食风机、南北侧喷淋水泵的运行模式以及运行状态信号，虚框中的 “自动”和“运行”信号来自于牛舍电控柜，经由XT2端子与数字量输入模块DI01的端子对应连接。牛舍电控柜切换到自动运行时，表示对应的设备为CPU模块远程控制；切换到运行时表示对应的设备就地启动，使其运行。
如图7所示，数字量输入模块DI02用来采集南北侧卷帘电机的设备运行信号，该设备运行信号不仅包括运行模式以及运行状态信号，还包括限位信号。虚框中的“自动”和“运行”信号来自于牛舍电控柜，限位信号来自于牛舍卷帘窗限位开关，经由XT2端子与数字量输入模块DI02的端子对应连接。牛舍电控柜切换到自动运行时，表示对应的设备CPU模块远程控制；切换到运行时表示对应的设备就地启动，使其运行。
接线端子XT2的具体接线方式如图8所示。
CPU模块，可采用贝加莱X20CP1483，是牛舍环境温度系统控制箱的中央处理设备，接收模拟量输入模块发送的模拟信号数据，以及数字量输入模块发送的设备运行信号，并根据模拟信号数据生成数字量控制命令信号，通过数字量输出模块将该数字量控制命令信号传送至继电器，实现继电器的吸合和释放，由于继电器模块的吸合和释放控制现场设备的启停，达到实时控制牛舍环境的效果。上述CPU模块是基于阈值门限生成的数字量控制命令信号用以控制现场设备，当输入模块采集的某一或多项信息达到某一上限或下限阈值，发出预定现场设备的开启信号。例如，当牛舍的温度达到设定的上限值，发出开启喷淋和风机的控制命令信号；当温度低于设定的上限值时，发出喷淋水泵和风机停止的控制命令信号；当牛舍有害气体浓度高于界限值，发出开启卷帘窗的信号的控制命令信号；……。
如图9所示，数字量输出模块DO01（可采用贝加莱 X20DO9322）负责将CPU产生的控制命令信号发挥效用，其与继电器相连接，通过控制继电器的吸合和释放控制现场设备启停，即控制各个风机的启停、卷帘窗电机的开关、喷淋水泵的启停。
继电器KA，一端与数字量输出模块连接，另一端通过XT3端子与牛舍现场设备相连，可控制现场设备启停。本实施例中继电器共 11个，分别为KA01~KA11，分别对应于：南北侧卧床风机、南北侧采食风机、南北侧喷淋水泵的启动信号，南北侧卷帘电机开窗和关窗的启动信号，以及一个备用的继电器，用以驱动南北侧卧床风机、南北侧采食风机、南北侧喷淋水泵、南北侧卷帘电机等现场设备的动作。上述继电器可以采用魏德米勒DC24V，为单触点继电器。其中，XT3端子接线情况如图10所示。
CPU模块通过触摸屏PV1和上位机分别进行现场和远程通讯和监控。其中，触摸屏PV1，负责实时监控现场设备运行状态以及实时数据显示，它通过串口和CPU的RS232口实现通讯，将CPU模块内部的变量值（即模拟量和数字量输入模块采集的各个信息数据，如温湿度、气体浓度、设备运行状态等）实时显示出来。触摸屏可采用昆仑通态TPC7062KD 。上位机则通过CPU模块的Ethernet以太网口与CPU模块进行以太网通讯，实现远程实时监控。通过ModbusTCP协议实现与贝加莱CPU以太网通讯，将CPU中的变量值映射到MCGS数据库的用户自定义变量，通过上位机的界面实时显示上述CPU内部的变量值，操作人员还可以在该界面上进行设备的启停控制。
上位机人机界面和触摸屏界面都提供人机交互功能，通过上述截面能够实现CPU决策规则中参数上下限的设定，以及控制方式（包括程序自动和手动控制）的选择。
24V电源WY负责给各模块供电，包括：CPU模块，模拟量输入模块AI01~AI03（X20AI4622），数字量输入模块DI01、DI02 （X20DI9371），数字量输出模块DO01（X20DO9322），触摸屏PV1（7062KD）。该24V电源可以是明纬DR-120-24。
图11为本系统控制箱的供电连接示意图，由图11可知，外部220V电源线通过端子XT0与本系统控制箱相连，并经所述24V直流电源给各个模块供电，XT0端子接线情况如图12所示。断路器为牛舍环境温控系统控制箱提供保护功能，当系统电流超过断路器额定电流、短路或失压等情况下断路器自动断开保护设备。包括：一个220V电源断路器QL（双极、脱口电流16A），负责通断220V电源，可以是施耐德EA9AN2C16；一个24V电源断路器QL1（双极、脱口电流10A），负责通断5V电源，可以是施耐德EA9AN2C10设备断路器；五个设备断路器DQ1 ~DQ5（单极、脱口电流10A），分别负责各个24V供电的设备的通断与保护，可以是施耐德EA9AN1C10。HL1和HL2分别为220V电源指示灯和24V电源指示灯，指示系统控制箱的电源状态。
此外，所述牛舍环境温度系统控制箱还包括插座XS0一个，接地小铜排两个，分别为PE接地小铜排和SE接地小铜排，挡片四个、固定座六个，标记座四个，结构如图13所示。
通过本实用新型可以实现重要环境参数的反馈控制，比如对CO2的浓度进行控制，使其上限不超过规定的范围，实现闭环调节的目的。基于采集的现场数据，由CPU中的知识库作出决策，产生决策信号，通过数字量输出模块、继电器等控制设备实现风机、喷淋等主要设备的起停控制以及顺序控制，实现了牛舍现场设备的逻辑控制。
本实用新型各部分硬件的选型通过综合考虑各方面因素确定，也可由其他型号产品代替。其中，控制器PLC单元可以根据控制场所的实际情况灵活选用西门子、欧姆龙、AB、通用、三菱等多各种类的不同型号，其他硬件，如断路器、24V电源、7寸触摸屏、端子等也可根据实际情况进行适应的选择。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (9)
1.一种牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述控制箱包括包括多个接线端子、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、24V直流电源、继电器、CPU模块以及触摸屏；
所述多个接线端子包括模拟信号输入端子（XT1）、设备运行信号输入端子（XT2）和设备驱动信号输出端子（XT3）；模拟信号输入端子（XT1）将牛舍现场仪表与模拟量输入模块相连；设备运行信号输入端子（XT2）分别将牛舍电控柜及限位开关与数字量输入模块相连；设备驱动信号输出端子（XT3）将牛舍现场设备与数字量输出模块相连；其中，所述牛舍现场设备与数字量输出模块相连的方式为：继电器（KA）一端与数字量输出模块连接，另一端通过所述设备驱动信号输出端子（XT3）端子与牛舍现场设备相连；
CPU模块分别与模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块相连；
CPU模块上具有与触摸屏PV1通讯的RS232口，以及与上位机进行以太网通讯的以太网口；
所述24V直流电源（WY）为CPU模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块以及触摸屏的供电电源。
2.如权利要求1所述的牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述牛舍现场仪表包括：温湿度一体化传感器、风速传感器、气体分析仪。
3.如权利要求1所述的牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述接线端子还包括电源接入端子（XT0）；所述控制箱通过外部220V电源线供电，所述外部220V电源线通过所述电源接入端子（XT0）接入。
4.如权利要求3所述的牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述控制箱包括断路器，其中包括一个220V电源断路器（QL）；一个24V电源断路器（QL1）；五个设备断路器（DQ1 ~DQ5），所述设备断路器包括模拟量输入模块断路器、数字量输入模块断路器、数字量输出模块断路器、CPU模块断路器以及触摸屏断路器，分别与模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、CPU模块以及触摸屏相连。
5.如权利要求3所述的牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述控制箱还包括220V电源指示灯和24V电源指示灯。
6.如权利要求1所述的牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述牛舍现场设备为南/北侧卧床风机、南/北侧采食风机、南/北侧喷淋水泵，以及南/北侧卷帘电机。
7.如权利要求1所述的牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述输入端子（XT1）个数大于等于24，设备运行信号输入端子（XT2）个数大于等于30，设备驱动信号输出端子（XT3）个数大于等于20。
8.如权利要求1所述的牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，电源接入端子（XT0）个数大于等于2。
9.如权利要求3所述的牛舍环境温控系统控制箱，其特征在于，所述继电器个数大于等于10。
Priority Applications (1)
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| CN201320745855.8U CN203658880U (zh) | 2013-11-22 | 2013-11-22 | 牛舍环境温控系统控制箱 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106066610A (zh) * | 2015-10-09 | 2016-11-02 | 北京首农畜牧发展有限公司 | 一种牛棚参数控制系统的操作方法 |
| CN106094675A (zh) * | 2015-10-09 | 2016-11-09 | 北京首农畜牧发展有限公司 | 一种牛棚远程pc监测系统 |
| CN110778266A (zh) * | 2019-10-14 | 2020-02-11 | 北京农业信息技术研究中心 | 一种牛舍卷帘智能调控方法及系统 |
| CN113093843A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-09 | 浪潮软件科技有限公司 | 一种基于传感器远程控制电器设备的系统及方法 |
-
2013
- 2013-11-22 CN CN201320745855.8U patent/CN203658880U/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN110778266A (zh) * | 2019-10-14 | 2020-02-11 | 北京农业信息技术研究中心 | 一种牛舍卷帘智能调控方法及系统 |
| CN110778266B (zh) * | 2019-10-14 | 2020-09-08 | 北京农业信息技术研究中心 | 一种牛舍卷帘智能调控方法及系统 |
| CN113093843A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-09 | 浪潮软件科技有限公司 | 一种基于传感器远程控制电器设备的系统及方法 |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
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