沙蠶養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳昌龍,王　斌,呂　富,唐效貴,吳子宜,施建浩

1． 鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇鹽城224051;2． 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013;3． 蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處，江蘇太倉(cāng)215411

沙蠶養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳昌龍1,王斌1,呂富1,唐效貴2,吳子宜3,施建浩3

1． 鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇鹽城224051;2． 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013;3． 蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處，江蘇太倉(cāng)215411

為擴(kuò)大沙蠶養(yǎng)殖規(guī)模，提高養(yǎng)殖水平，根據(jù)雙齒圍沙蠶飽和濕土養(yǎng)殖的要求，對(duì)研發(fā)的自動(dòng)噴淋水與投餌一體機(jī)智能養(yǎng)殖控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用PLC控制、觸摸屏、組態(tài)監(jiān)控等智能控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出以專業(yè)化智能養(yǎng)殖操作系統(tǒng)為支撐、電動(dòng)喂養(yǎng)車為載體的智能沙蠶養(yǎng)殖機(jī)。

沙蠶養(yǎng)殖車；智能養(yǎng)殖；控制

沙蠶具有食用、藥用、餌料、生態(tài)和教學(xué)科研等價(jià)值，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)享有很高的美譽(yù)，國(guó)際市場(chǎng)需求逐年增大[1]。然而，作為沙蠶最大的出口國(guó)，我國(guó)沙蠶養(yǎng)殖的自然資源正逐年衰竭，急需人工養(yǎng)殖予以彌補(bǔ)。由于人工養(yǎng)殖沙蠶程序復(fù)雜、工作量大，需要每天換水1～2次，喂料2～3次[2]。為擴(kuò)大沙蠶養(yǎng)殖規(guī)模和提高養(yǎng)殖水平，急需研發(fā)一種智能化的沙蠶養(yǎng)殖機(jī)械。

1　沙蠶智能養(yǎng)殖一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)沙蠶養(yǎng)殖的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)的智能化沙蠶養(yǎng)殖車[3]結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-水箱；2-電磁節(jié)流閥;3-水管;4-攪拌箱;5-料箱;6-粉料控制閥;7-輸送管;8-蝸桿泵;9-單向溢流閥;10-比例控制閥;11-輸送管;12-控制閥;13-循環(huán)管道;101-水位檢測(cè)傳感器;401-攪拌器;501-料位檢測(cè)傳感器;502-振動(dòng)電機(jī)圖1　沙蠶智能養(yǎng)殖一體機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of nereid intelligent breeding device

2　系統(tǒng)工作流程

沙蠶智能養(yǎng)殖一體機(jī)工作流程分為智能配料和智能飼養(yǎng)兩部分。

2.1智能配料

智能配料過(guò)程如下：1)在觸摸屏控制界面中輸入沙蠶飼養(yǎng)面積，選擇沙蠶所處生長(zhǎng)階段；2)PLC系統(tǒng)根據(jù)觸摸屏輸入，運(yùn)算出所需供水量、粉料量以及控制水閥、粉料閥的工作時(shí)長(zhǎng)；3)按下配料按鈕，水閥、粉料閥以及攪拌器開(kāi)始工作，當(dāng)水閥和粉料閥工作結(jié)束后，攪拌器需繼續(xù)工作10 s，智能配料工作完成。

2.2智能飼養(yǎng)

按下觸摸屏飼養(yǎng)按鈕，啟動(dòng)蝸桿泵，智能飼養(yǎng)子系統(tǒng)開(kāi)始工作。飼養(yǎng)過(guò)程智能化主要體現(xiàn)在：1)根據(jù)電動(dòng)車實(shí)時(shí)速度來(lái)控制管道中電磁比例閥開(kāi)口的大小，實(shí)現(xiàn)管道流量的調(diào)節(jié)，達(dá)到均勻飼養(yǎng)的目的，從而有效避免了飼養(yǎng)過(guò)程中局部富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題，提高了飼養(yǎng)效率；2)系統(tǒng)設(shè)有單向溢流閥9，當(dāng)元件8和元件10之間的管道壓力達(dá)到一定閾值時(shí)，單向溢流閥工作，實(shí)現(xiàn)蝸桿泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到進(jìn)一步調(diào)節(jié)管道壓力的目的。

3　系統(tǒng)PLC和特殊功能模塊選型

控制系統(tǒng)中設(shè)有電車速度檢測(cè)、水位檢測(cè)、粉料位檢測(cè)和混合料位檢測(cè)4個(gè)檢測(cè)傳感器，即有4個(gè)模擬量需要與PLC通訊。因此，本文選用一個(gè)4通道的A/D特殊功能模塊FX2N-4AD。電車車速經(jīng)A/D模塊與PLC進(jìn)行相應(yīng)匹配運(yùn)算后，經(jīng)D/A模塊輸出，進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電磁比例閥)的控制，所以本文選取一個(gè)2通道的D/A模塊FX2N-2DA。

整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)有3個(gè)輸入點(diǎn)(即：急停按鈕1、電車控制方式選擇和水箱補(bǔ)水按鈕)和8個(gè)輸出點(diǎn)(即：抽水泵1、抽水泵2、抽水泵3、攪拌電機(jī)、振動(dòng)電機(jī)、電車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、水量控制閥和料量控制閥)，由文獻(xiàn)[4]和[5]可知，F(xiàn)X2N-4AD和FX2N-2DA各占8個(gè)點(diǎn)，但其擴(kuò)展功能和余量各異。本文根據(jù)沙蠶養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用型號(hào)為三菱FX2N-32MR的PLC控制器。

4　PLC控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

電氣設(shè)計(jì)主要包括PLC控制原理設(shè)計(jì)、主電路和控制電路設(shè)計(jì)。

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，外部輸入開(kāi)關(guān)量為：X0急停1、X1電動(dòng)喂養(yǎng)車控制方式選擇(手動(dòng)控制/自動(dòng)控制)和X2水箱補(bǔ)水，其余開(kāi)關(guān)量都是通過(guò)觸摸屏輸入。

在整個(gè)控制系統(tǒng)中輸出端子接線如圖2所示，Y0、Y1、Y2分別接抽水泵1～3，Y3接攪拌電機(jī)，Y4接振動(dòng)電機(jī)，Y5接電車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，Y6接水量控制閥，Y7接料量控制閥。電車車速檢測(cè)、粉料位檢測(cè)、水料位檢測(cè)、混合料位檢測(cè)分別接A/D模塊的CH1-CH4通道；電磁比例閥接D/A模塊的CH1通道。PLC接220 V電源，A/D和D/A模塊分別接24 V電源。

圖2　沙蠶養(yǎng)殖一體機(jī)PLC接線圖Fig.2　PLC wiring diagram of nereid intelligent breeding device

5　沙蠶智能養(yǎng)殖一體機(jī)控制流程設(shè)計(jì)

沙蠶養(yǎng)殖一體機(jī)的功能主要為智能配料和智能飼養(yǎng)。智能配料的主要技術(shù)難點(diǎn)為料量控制和均勻攪拌技術(shù)；智能飼養(yǎng)控制技術(shù)主要體現(xiàn)在車速和比例閥工作檔間的過(guò)程控制，以保證單位面積的飼養(yǎng)密度，避免局部富營(yíng)養(yǎng)化。沙蠶養(yǎng)殖一體機(jī)控制流程如圖3所示。

圖3　一體機(jī)控制流程圖Fig.3　Control process diagram of the intelligent device

6　養(yǎng)殖車單位面積飼養(yǎng)密度控制

沙蠶飼養(yǎng)車工作過(guò)程中所執(zhí)行的單位面積飼養(yǎng)密度由沙蠶的生長(zhǎng)周期確定。單位面積飼養(yǎng)密度主要由單位時(shí)間管道噴灑量和相應(yīng)時(shí)間段飼養(yǎng)車的行駛速度決定，其中單位時(shí)間噴灑量由噴灑管道流量決定。單位面積飼養(yǎng)密度控制設(shè)計(jì)有兩種選擇方案：第1種方案為固定車速控制下的固定管道流量法，即飼養(yǎng)車車速固定同時(shí)比例閥工作檔一定；第2種方案則為動(dòng)態(tài)車速下的動(dòng)態(tài)調(diào)整比例閥工作檔法，即過(guò)程控制(見(jiàn)圖4)。

圖4　單閉環(huán)控制原理圖Fig.4　Theoretic diagram of Single closed-loop control system

7　控制和監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

如圖5所示，系統(tǒng)采用三菱觸摸屏作為沙蠶養(yǎng)殖機(jī)智能喂養(yǎng)控制系統(tǒng)的操作界面。操作界面設(shè)有飼養(yǎng)面積輸入、生長(zhǎng)周期選擇、電車控制方式選擇、開(kāi)始配料、開(kāi)始飼養(yǎng)以及暫停飼養(yǎng)等按鈕。

圖5　智能喂養(yǎng)控制系統(tǒng)操作界面Fig.5　Operating interface of intelligent breeding control system

操作界面還設(shè)有急停按鈕，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)意外狀況發(fā)生時(shí)緊急停止飼養(yǎng)工作。同時(shí)，操作界面還設(shè)有報(bào)警信息顯示欄，用于顯示常規(guī)故障的報(bào)警。

基于組態(tài)王的沙蠶養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖6所示。該實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要為動(dòng)態(tài)顯示水量、粉料量和混合料量，可同時(shí)顯示剩余混合料可飼養(yǎng)面積。

圖6　沙蠶養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)Fig.6　Monitoring system of nereid breeding

8　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用PLC、組態(tài)監(jiān)控和觸摸屏等技術(shù)，通過(guò)PLC編程和相應(yīng)傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了沙蠶養(yǎng)殖過(guò)程的智能化和科學(xué)化控制，減少了人工配料、飼養(yǎng)的隨意性，提高了沙蠶飼養(yǎng)效率和沙蠶養(yǎng)殖的存活率，為沙蠶大規(guī)模人工養(yǎng)殖提供了技術(shù)保障。

[1] 宋月林，王偉洪.沙蠶養(yǎng)殖前景研究[J].河北漁業(yè)，2012(4):47-50.

[2] 蔡清海.沙蠶人工養(yǎng)殖技術(shù)[J].科學(xué)養(yǎng)魚(yú),2002(3):22.

[3] 呂富,王斌,曾勇,等.沙蠶養(yǎng)殖智能供料喂養(yǎng)控制系統(tǒng).中國(guó)，ZL201420318786.7[P].

[4] 三菱電機(jī)自動(dòng)化(中國(guó))有限公司. FX系列特殊功能模塊用戶手冊(cè)[EB/OL].(2014-07)[2015-06].http://cn.mitsubishielectric.com.

[5] 三菱公司.三菱微型可編程控制器手冊(cè)[EB/OL].(2011-03)[2015-06].http://cn.mitsubishielectric.com.

(責(zé)任編輯：李華云)

Design of Nereid Breeding Intelligent Control System

CHEN Changlong1, WANG Bin1, Lü Fu1, TANG Xiaogui2, WU Ziyi3, SHI Jianhao3

1． UGS College，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China;2． School of Mechanical Enginering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212031，China;3． Office of Academic Affairs，Suzhou Chien - Siung Institute of Technology，Taichang Jiangsu 215411，China

In order to expand the scale of nereid breeding and improve the level of breeding, according to the requirement of the saturated wet earth breeding of perinereis aibuhitensis grube, we make a design of the research and development of the automatic spray water and intelligent breeding bait casting machine control system. It is applied with intelligent control technology, such as PLC control, touch screen, configuration monitoring, etc. The intelligent nereid breeding machine is developed based on professional intelligence nereid breeding operation system and electric feeding car.

Nereid breeding car; intelligent breeding; control

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503013

2015-04-24

江蘇省農(nóng)業(yè)支撐項(xiàng)目(BE2014346)；2014年度太倉(cāng)市科技支撐計(jì)劃(工業(yè))項(xiàng)目

陳昌龍(1991-),男，江蘇射陽(yáng)人，主要研究方向?yàn)橹悄芟到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

TP277

A

1671-5322(2015)03-0056-03