摘要
针对当前仔猪喂奶自动化水平程度较低，劳动强度较大、饲喂效率低下这一问题，设计一种仔猪喂奶系统，开发以PLC控制器为核心的自动控制系统，实现仔猪喂奶过程中加水、控温、搅拌和饲喂等操作的自动化控制，并应用CFD数值模拟探究管径、管道材质、入口温度和管道流速对奶水输送管道压力分布及温度分布的影响，依据仿真结果确定了输送管路的基础参数值，即管道材质为PPR材质、管径为6分管（外径25 mm，壁厚2.8 mm）和管道流速为0.8 m/s。性能试验表明：仔猪配奶罐温度控制精度的平均相对误差为0.91%，温度变化幅度保持在±1 ℃；仔猪配奶罐温度控制稳定性试验的温度样本标准差为0.226 3 ℃，变异系数为0.499%；仔猪饲喂点的温度分布范围在36~45 ℃；仔猪喂奶器压力分布范围在28.36~53.20 kPa。研究结果表明，该仔猪喂奶系统可以正常实现供水、搅拌、加热、循环和排水等功能，各饲喂点的管道压力及温度分布均满足仔猪饲喂要求。
哺乳阶段是生猪生长过程中的关键环节，仔猪的存栏量、成活率不仅影响着生产者的经营效益，更影响到每个地区乃至国家猪肉的有效供给水平，提高仔猪的成活率是决定生猪养殖产业的经济效益和社会效益的关键指
传统的哺乳仔猪喂奶方法主要包括人工喂奶、寄养或并养等，虽然缓解了哺乳仔猪营养摄取不足的问题，但是仍然存在一些不足之
基于此，笔者在已有研究的基础上，设计一种仔猪喂奶系统，并开发基于PLC为核心控制器的仔猪喂奶控制系统，以期实现仔猪喂奶过程自动化，为仔猪提供温度适宜、营养均衡、安全卫生的奶水，解决哺乳仔猪奶水供应不足的问题。
本研究参照GB/T 17824.1—2008《规模猪场建设》要求，对某仔猪保育舍（猪舍长18 m，跨度4 m）进行了仔猪喂奶系统的总体设计，总共可放置28个仔猪保育箱，分2排安放，每个仔猪保育箱饲喂8头哺乳仔猪，并配备4个仔猪喂奶碗。所设计的仔猪喂奶系统的总体结构如
图1 仔猪喂奶系统总体结构示意图
Fig.1 Overall structure diagram of piglet feeding system
1.控制柜 Control cabinet；2.供水电磁阀 Water supply solenoid valve；3.搅拌器 Agitator；4.减速电机 Gear motor；5.仔猪配奶罐 Piglet milk jar；6饲喂电磁阀 Feeding solenoid valve；7.过滤器 Filter；8.循环电磁阀 Circulating solenoid valve；9.排水电磁阀 Drain solenoid valve；10.饲喂泵 Feeding pump；11.喂奶器 Breast feeder；12.输送管道 Transmission pipeline；13.仔猪保育箱 Piglet conservation box.
仔猪喂奶系统具有2种工作模式：自动控制和手动控制。饲养员可以通过触摸屏选择不同的控制模式，在手动控制模式下，饲养员可以通过触摸屏上执行件所对应的按钮单独控制供水、搅拌、加热、循环和排水等操作；在自动控制模式下，饲养员仅需要在触摸屏上完成相关参数的设置，系统便可依据所设定的参数自动完成供水、加热、搅拌和输送等操作。
仔猪奶水输送管道作为奶水输送装置的重要组成部分，其管道材质、管道流速、奶水入口温度、管径影响着管道内温度场分布和压力场分布，对仔猪喂奶器饲喂效率和喂奶温度也有着重要影响。因此，对奶水管道进行数值模拟优化，探究其管道材质、管道流速、入口温度、管径对管道内温度场分布和压力场分布的影响规律，可为奶水输送装置的设计与优化提供理论指导和参考。
本研究在进行数值模拟时提出了以下假设：仅研究流经第1个保育箱至最后1个保育箱内的奶水输送管道，忽略管道末端返回配奶罐的连接管道；忽略喂奶器与管道连接处的压力损失；假设流体密度不变、不可压缩。
1）物理模型构建。本研究选取流经第1个保育箱至最后1个保育箱内的奶水输送管道作为仿真对象，简化模型如
图2 奶水输送管路简化模型
Fig.2 Simulation model of milk conveying pipeline
2）网格划分。采用网格划软件Mesh，选用六面体结构化网格对几何模型进行网格划分，并对流体域与壁面的接触面划分边界层，网格划分如
图3 奶水输送管道局部网格划分
Fig.3 Local mesh generation of milk delivery pipeline
3）模拟参数及边界条件设置。在稳态条件下采用速度入口、压力出口边界。流体域介质为奶水，奶水密度1 062 kg/m³，黏度8 mPa∙s，比热容3.5 kJ/（kg∙℃），导热系数0.45 W/（m·K）。参考GB/T 17824.3—2008《规模猪场环境参数及环境管理》要求，取恒温无滑移壁面20 ℃。在进行模拟仿真时应确定流体的运动状态，流动状态可由
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4）模拟方法。分别设定管径为4分管（外径20 mm、壁厚2.3 mm）和6分管（外径25 mm、壁厚2.8 mm）；管道材质为无规共聚聚丙烯（polypropylene random，PPR）和不锈钢材质；入口温度为40、45、50 ℃；管道流速为0.2、0.5和0.8 m/s。
此外，选取流经每个保育箱内的管道的中心点为监测点（共28个），分别对每个保育箱的压力和温度进行监测，监测点位置如
图4 管道监测点示意图
Fig.4 Schematic diagram of pipeline monitoring points
1.第1个监测点位置 Location of the first monitoring point；2.输送管道 Transmission pipeline；3.第2个监测点 Location of the second monitoring point；4.仔猪保育箱 Piglet conservation box.
1）硬件组成。仔猪喂奶控制系统硬件组成主要包括西门子S7-200SMART、AE04模拟量输入模块、MCGS触摸屏模块、温度采集模块、继电器模块、开关电源、液位采集模块和电磁阀等器件，控制系统结构框架如
图5 控制系统结构框架
Fig.5 Structure framework of control system
2）软件设计。仔猪喂奶控制系统以PLC为核心控制器，通过PLC对触摸屏、传感器等输入信息的采集和判断，控制各执行部件的启停，进而达到供水、加热、搅拌、循环和排水的功能。并利用MCGS设计了人机交互界面，使仔猪饲喂过程可视化，方便了对仔猪饲喂的管理。其中，自动饲喂是仔猪喂奶控制的核心功能，其控制流程如
图6 自动饲喂流程图
Fig.6 Automatic feeding flow chart
1）仔猪配奶罐温度控制精度试验。奶水温度不仅对奶水质量安全有一定的影响，还对猪生长发育有着重要影响，应当保证对温度的精准控制，防止过热或过冷。使用自来水与仔猪代乳粉（购自成都特驱农牧科技有限公司）按照质量比1︰5配制奶水。利用仔猪喂奶系统的PT100温度传感器测定了仔猪配奶罐在设定温度为30、40、50和60 ℃时，所对应的仔猪配奶罐内最终稳定的实际温度。在进行温度测量时对仔猪配奶罐内的温度分别采集3次，取平均值作为实际温度。
2）仔猪配奶罐温度控制稳定性试验。在仔猪饲喂过程中，会造成一定的热量损失，致使循环到仔猪配奶罐内的奶水温度低于初始温度，所以应当保证仔猪配奶罐内的奶水能维持设定温度。因此，使用PT100温度传感器测定了仔猪配奶罐设定温度在45 ℃时，奶水温度随时间变化的稳定性，在试验中每隔3 min测定1次，测试时间为1 h。并以标准差和变异系数作为温度控制稳定性的评价指
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| （3） |
式（
3）仔猪喂奶器温度分布测定。在进行仔猪饲喂时应保证奶水温度不能低于32 ℃。因此，在仔猪配奶罐内的奶水温度设定在45 ℃时，使用GIS-500红外温度检测仪逐个对仔猪喂奶器的出奶温度进行测量，每个测量点测量3次取平均值。
4）仔猪喂奶器压力分布测定。在进行仔猪饲喂时应保证喂奶器出奶压力达到饲喂要求。根据仔猪喂奶器厂家提供的参考压力，可将管道压力稳定在100 kPa以内供仔猪喂奶。因此，使用QDW90A-VD-S数显式压力传感器对输送管道上的仔猪喂奶器的出奶水压进行逐一测量，并记录。
1）管径对管道压力及温度分布的影响。在管道材质为PPR、管道流速为0.8 m/s、入口温度为45 ℃时，管径对管道压力及温度分布的影响如
图7 不同管径对管道压力（A）及温度（B）分布的影响
Fig.7 Influence of different pipe diameters on pipeline pressure（A） and temperature（B） distribution
2）管道材质对管道压力及温度分布的影响。在管径为6分管、入口温度为45 ℃、管道流速为0.8 m/s时，管道材质对管道压力及温度分布的影响如
图8 不同管道材质对管道压力（A）及温度分布（B）的影响
Fig.8 Effects of different pipe materials on pipe pressure（A） and temperature（B） distribution
3）入口温度对管道压力及温度分布的影响。在管径为6分管、管道材质为PPR、管道流速为0.8 m/s时，入口温度对管道压力及温度分布的影响如
图9 不同入口温度对管道压力（A）及温度（B）分布的影响
Fig.9 Effects of different inlet temperatures on pipeline pressure（A） and temperature（B） distribution
4）管道流速对管道压力及温度分布的影响。在管径为6分管、管道材质为PPR、入口温度为45 ℃时，管道流速对管道压力及温度分布的影响如
图10 不同管道流速对管道压力（A）及温度（B）分布的影响
Fig.10 Effects of different pipeline flow rates on pipeline pressure（A） and temperature（B） distribution
综上可知，管道材质和入口温度对管道压力分布没有影响，管径和管道流速对压力分布有影响，管径越大，压力场分布越均匀，压力损失越小，管道流速越大，压力分布越不均匀，压力损失越大。管道材质、入口温度、管径和管道流速均对管道温度分布有较大影响。PPR材质导热系数小，保温性能远远高于不锈钢材质。4分管温度分布优于6分管，但两者温度损失相差不大。入口温度越大，管道内平均温度越大，温度损失越多。管道流速越大，温度分布越均匀，温度损失越小。综合考虑影响因素对管道压力分布和温度分布的影响，最终选用管道材质为PPR材质、管径为6分管（外径25 mm、壁厚2.8 mm）和管道流速为0.8 m/s作为奶水输送管道的基本参数，并根据仿真结果选用了BAW1-10卫生级离心泵为奶水输送装置的动力源。
1）仔猪配奶罐温度控制精度。温度控制精度试验结果如
| 项目 Items | 实际温度/℃ Actual temperature | |||
|---|---|---|---|---|
| 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 测试1 Test 1 | 30.39 | 40.26 | 50.26 | 60.54 |
| 测试2 Test 2 | 30.42 | 40.31 | 50.32 | 60.62 |
| 测试3 Test 3 | 30.40 | 40.44 | 50.24 | 60.48 |
|
平均值 Average value | 30.40 | 40.34 | 50.27 | 60.55 |
|
相对误差/% Relative error | 1.33 | 0.85 | 0.54 | 0.92 |
2）仔猪配奶罐温度控制稳定性结果。由
图11 仔猪配奶罐奶水温度测量结果
Fig.11 Measurement data of milk temperature in piglet milk tank
3）仔猪喂奶器温度分布测定结果。试验测定了28个仔猪饲喂点的温度数据，其结果如
图12 出奶温度分布测定（A）及出奶压力分布测定（B）
Fig.12 Determination of milk temperature distribution（A） and measurement of milk outlet pressure distribution（B）
4）仔猪喂奶器压力分布测定结果。通过试验对喂奶器进行压力测定，试验结果如
为了提高仔猪喂奶的自动化水平、降低劳动强度、提高饲喂效率，本研究设计了1种仔猪喂奶系统，开发了以PLC为核心的自动控制系统，实现了仔猪喂奶过程的自动化控制。应用CFD数值模拟探究了管径、管道材质、入口温度和管道流速对奶水输送管道压力场及温度场的影响规律，确定了输送管道材质为PPR材质、管径为6分管（外径25 mm、壁厚2.8 mm）和管道流速为0.8 m/s作为奶水输送管道的基本参数。
利用制作完成的仔猪喂奶系统样机，分别开展了仔猪配奶罐温度控制精度试验、仔猪配奶罐温度控制稳定性试验、仔猪喂奶器温度分布测定试验和仔猪喂奶器压力分布测定试验。温度控制精度的平均相对误差为0.91%，温度变化幅度保持在±1 ℃，温度控制精度较好；温度控制稳定性试验的温度样本标准差为0.226 3 ℃，变异系数为0.499%，温度控制稳定性较好；设定饲喂温度在45 ℃时，仔猪饲喂点的温度分布范围在36~45 ℃，满足仔猪饲喂温度要求；仔猪喂奶器压力分布范围在28.36~53.20 kPa，各饲喂点的管道压力均满足仔猪饲喂要求。
本研究设计的仔猪喂奶系统可以满足哺乳仔猪的饲喂需求，减轻仔猪饲养强度，对提高仔猪喂奶自动化水平和饲养管理水平具有重要的现实意义和推广应用前景。本研究设计的仔猪喂奶系统仅能实现仔猪保育舍群体仔猪的定时定量饲喂，无法实现对个体仔猪的精准饲喂，在后续的研究中应结合个体标识和智能传感器等技术实现对个体或群体仔猪的智能饲喂，便于管理者随时了解仔猪饲喂情况，高效制定管理决策，提高仔猪智能精细化管理水平。
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