基于PLC的投飼機定時控制器的設計

吳強澤 袁永明

摘要 投飼機是繼增氧機后又一種量大面廣、顯著效益的水產(chǎn)養(yǎng)殖機械，傳統(tǒng)的漁用投飼機多采用機械定時的控制模式，常因精度差、定時不準而造成飼料浪費。針對這一問題，該文提出一種基于PLC控制技術(shù)的解決方案。研究了以水溫為輸入?yún)?shù)的定時控制方法，重點對定時控制器的硬件構(gòu)成和 PLC 控制軟件的設計與實現(xiàn)進行了詳細闡述，最后對其進行實際運行測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)操作簡單、運行穩(wěn)定，投喂效果良好。

關(guān)鍵詞 投飼機；PLC；水溫；定時控制器；軟件設計

中圖分類號 TP273；S951.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）34-350-03

2007年的中央一號文件明確指出，發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是社會主義新農(nóng)村建設的首要任務[1]。現(xiàn)代漁業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要部分，具有規(guī)模化、集約化、標準化和產(chǎn)業(yè)化的特征。相對于我國水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的規(guī)模，以及國外設施漁業(yè)的發(fā)展水平，我國的現(xiàn)代漁業(yè)相對滯后，自動化程度較低，尤其在投飼方面較為突出[2-3]。漁用投飼機集定點、定時和定量于一體，具有投飼面積廣、投飼均勻、減少飼料浪費、降低水質(zhì)污染的優(yōu)點。使用該機械既減輕了漁民的勞動強度，又增加了魚的產(chǎn)量。投飼機是繼增氧機后又一種量大面廣、有顯著效益的水產(chǎn)養(yǎng)殖機械[4]。現(xiàn)有的投飼機大多采用機械定時的簡易控制系統(tǒng)。這種定時方式有著兩個核心問題：一是需要人工定時，不能自動開啟；二是由于定時原理簡單，常因接觸不良造成定時不準，甚至因為停走而投完飼料，造成浪費并污染水質(zhì)。基于PLC的定時控制器可很好地解決上述問題，同時也是漁業(yè)生產(chǎn)自動化過程的重要嘗試，對池塘養(yǎng)殖的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。

1 傳統(tǒng)投飼機控制

1.1 常用控制器類型 投飼機的控制器的主要功能是開關(guān)，定時和間歇控制功能，一般分為機械定時、電子定時和PLC或單片機為核心的控制器。按自動化程度分為半自動和全自動兩種。機械控制器采用機械旋鈕的定時方式，一般設有開機、定時時間、每次拋料的時間以及落料間隔時間這幾個控制按鈕。除了機械定時，市面上也有很多電子定時的控制盒，這種控制器摒除了不準確的機械旋鈕記時方式，采用電子控制按鍵，并且支持LED顯示的較為先進的模式，但是仍不能設定長時間的投飼計劃。PLC或單片機為核心的控制器，屬于全自動的控制模式。符合更先進的漁業(yè)生產(chǎn)需要。但是考慮到養(yǎng)殖成本問題，目前投放到市場的上仍以機械定時控制的投飼機為主流。

1.2 機械定時器原理 定時器按結(jié)構(gòu)和性能，一般可分為3類：機械發(fā)條式、電子式和電動式[5]。由于機械發(fā)條式定時器價格低，操作方便、維修容易、適應面較廣等特點，普通投飼機也采用這種機械定時控制裝置，相當于一個內(nèi)置機械時鐘，通過齒輪和發(fā)條的轉(zhuǎn)動來記錄時間。

機械定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：第1部分是動力部件，由發(fā)條[6]、上發(fā)條的單向機構(gòu)，人工擰轉(zhuǎn)時發(fā)條擰緊就提供了整個系統(tǒng)的動力；第2部分是釋放部件，由一系列的齒輪組成，齒輪變速，使發(fā)條松弛時的旋轉(zhuǎn)周數(shù)增加，在齒輪系的末端有擒縱輪、擒縱爪和游絲，用來保證齒輪系在發(fā)條的驅(qū)動下以恒定的速度轉(zhuǎn)動。游絲上設有調(diào)整游絲長度的裝置，以調(diào)整擒縱爪擺動的頻率，保證齒輪按設定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，避免將已擰緊的發(fā)條一下子松完，同時也不受發(fā)條松緊的影響而導致轉(zhuǎn)速的變化；第3部分是定時觸發(fā)裝置，使齒輪系中某個齒輪轉(zhuǎn)到一定角度后發(fā)出一個電信號或機械信號，停止供電。

1.3 局限性分析 這種以機械定時器為控制核心的投飼機只是單純的取代手工拋灑這一重復性動作[7]，有著諸多的局限性。

（1）自動化程度低。傳統(tǒng)的投飼機工作時必須人工設定時間，每次定時只能完成一次投喂。一天投喂多次時需每次提前轉(zhuǎn)動定時旋鈕。在炎熱天氣，人力不足時造成養(yǎng)殖戶很大困擾；（2）定時不準確。這種以機械定時器為控制核心的投飼機，設定定時檔時，需轉(zhuǎn)動旋鈕到需要的時間刻度，然后發(fā)條開始松動，機器開始工作。這樣多次摩擦過后發(fā)條和齒輪被損耗，導致定時不準。（3）容易停走。機械定時裝置工作一段時間后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)長時間磨損，受環(huán)境腐蝕，發(fā)條與齒輪轉(zhuǎn)動不順暢，甚至卡住，導致投飼機停走。這種情況下飼料可能一次被投完，從而造成浪費。

這種機械定時的控制方式雖然能滿足日常的池塘魚類養(yǎng)殖需要，但受限于其局限性，必將被新型的定時裝置所取代。

2 PLC控制方案設計

2.1 基本方法 控制器以PLC為控制核心，水溫為控制變量，時間為輸出變量。魚類生長對水溫有著很高的要求，以羅非魚為例，養(yǎng)殖水溫要求在18～32 ℃之間[8]， 最適水溫為28～30 ℃[9]，這種水溫條件下攝食效率最高。水溫傳感器選用Troll9500多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，支持RS485接口，可測水溫范圍為-5～50 ℃。PLC支持RS485接口，讀取的溫度值可被存儲。計算前一天的水溫平均值作為輸入變量決定第2天的定時方案。具體設計如下：當水溫低于20 ℃或高于30 ℃時，每天只投喂1 次，投飼時間定在上午9 點；當水溫在20～25 ℃之間時，每天投喂2次，投飼時間選在上午9點及下午5點；當水溫在25～30 ℃之間時，每天投喂3次，時間分別設定在上午8時、下午 2 時和 6 時。確定投喂次數(shù)后，再決定每次的投喂量。由于魚類有在早上進食欲望高于傍晚的習性，因此可早上多投，傍晚少投。投飼量在PLC設計時以時間長度推算，具體時間由投飼機的投飼速率試驗得出。

2.2 投飼速率 試驗所用投飼機為振動離心式投飼機。具體為江蘇省無錫市凱靈電泵廠的凱靈STLZ120WB投飼機。整機重量35 kg；配套電壓220 V；料箱容量60 kg；投飼距離3～15 m；投飼扇形角90～130度；最大投飼能力≥200 kg/h；投飼破碎率≤5%；適用水面0.66 7～1 hm2。

試驗前，調(diào)整投飼機的落料時間為5 s，間隔時間為7 s。為統(tǒng)計方便，把開關(guān)撥到常開，用手機計時5 min后手動關(guān)閉，投出的飼料用大塑料袋收集，然后稱出重量，連續(xù)測5次，計算其平均值。試驗中發(fā)現(xiàn)機器開啟時都有17 s的預熱時間，之后才開始投喂飼料，因此實際計算時需減掉17 s的時間，具體數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，5次投喂，所投飼料重量的平均值為8.465 kg，其標準差只有0.158 8，說明相同時間內(nèi)的投飼機的投飼量是相對穩(wěn)定的，用投飼速率表示投飼機的工作效率是可靠的。所得重量除以時間即可計算出投飼機的投飼速率，約為29.91 g/s。

2.3 定時分配 試驗選在尼羅羅非魚和奧利亞羅非魚混養(yǎng)模式池塘，飼料選用通威配合飼料1038，袋裝40 kg。初期放養(yǎng)魚體總重331 kg，平均體重約158 g每尾。若日投喂量占魚體總重的3%，即一天需投喂飼料9.93 kg。投飼機的投飼速率為29.91 g/s，可計算一天總的投喂時間為332 s。由于投喂次數(shù)和時間根據(jù)水溫有所不同。需分配每次的投喂時長，不考慮天氣等諸多因素，設當天正常投喂。定時1次：投喂全部飼料；定時2次：早上和傍晚的投喂比例為3∶2；定時3次：早上、中午以及傍晚的比例為4∶3∶3。每次開機時間需加上預熱17 s，具體投飼時間如表2所示。

養(yǎng)殖周期內(nèi)，魚類會急速增重，這時具體投喂時間需根據(jù)魚的規(guī)格及時調(diào)整。

3 PLC實現(xiàn)

3.1 硬件選型 PLC選用國產(chǎn)耐特LT200系列，具體型號為“CPU224XP AC/DC/RLY”。24VDC電源供電，14DI/10DO晶體管，2AI/1AO，可連接7個模塊，2個485編程通信口支持，可采用PPI協(xié)議連接市面上常用的文本、觸摸屏和上位組態(tài)軟件。功能指令均可兼容西門子CPU224系列產(chǎn)品。人機交互選用LTMD204L可編程文本顯示器，通過編輯軟件TP200CN在計算機上制作畫面，自由輸入漢字及設定 PLC 地址，使用串口通訊下載畫面，20個按鍵可被定義成功能鍵，有數(shù)值輸入小鍵盤，操作簡便。

3.2 程序設計 LT200系列支持IEC 11313及SIMATIC指令集[10]，支持中英文編程，可直接使用STEP7MICRO/WIN SP9軟件編程，支持梯形圖、指令表以及功能圖等多種編程語言。

3.2.1 系統(tǒng)符號定義。設計程序時，為方便修改參數(shù)，預先自定義符號及其地址。如“addr0”表示傳感器地址，“addr1”表示保存寄存器的地址。這種自定義符號并分配地址后，修改參數(shù)時無需重新編寫程序，改變寄存地址的數(shù)值即可。具體地址和初始賦值見表3。

3.2.2 傳感器值讀取。所選傳感器支持RS485通信口，在西門子S7200系列PLC編程中需安裝MODBUS協(xié)議庫。首先需初始化主站和從站。初始化從站的程序片段如圖1所示。

SM為特殊標志繼電器。“SM0.1”是首次掃描為1，以后為0，常用來對程序進行初始化?！癝M0.0”表示始終接通。圖1中“addr0”為傳感器地址?！皃arity”為校驗位?！癕ode”為1表示執(zhí)行Modbus協(xié)議。波特率選用9600?！癉elay”為延遲?！癕axAI”為保存寄存器最大數(shù)目。“MaxIQ”為I和Q最大數(shù)目?！癕axHold”表示保存寄存器最大數(shù)目，“Holdstart”表示保存寄存器在V內(nèi)存中的起始地址。

初始化后使用MBUS_MSG指令（或用于端口1的MBUS_MSG_P1）用于啟動對Modbus從站的請求并處理應答，程序如圖3所示。

“Slave”為從站設備地址，允許范圍是0-247?！癛W”為讀寫指令。值為“0”表示讀，值為“1”表示寫。“Count”表示指定要在該請求中讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)元素數(shù)目。對位數(shù)據(jù)類型而言，Count是位數(shù)，對字數(shù)據(jù)類型而言，Count是字數(shù)?！癉ataPtr” 是間接地址指針，該指針指向S7200 CPU中與讀或?qū)懻埱笙嚓P(guān)的數(shù)據(jù)的V存儲器。利用此指令可讀出傳感器的一串數(shù)據(jù)值。

3.2.3 定時控制。水溫決定定時控制的方案。依據(jù)表2，T<20、T >30時輸出“M1.1”，定時1次。20≤T ≤25時輸出“M1.2”，定時2次。25

程序設計時首先使用讀實時時鐘（TODR）指令從硬件時鐘中讀當前時間和日期，并把它裝載到一個8字節(jié)，起始地址為T的時間緩沖區(qū)中[11-12]。程序片段如圖4所示。

“SM0.5”表示時鐘脈沖，每1秒讀取1次。T設為“VB0”表示以“VB0”為起始地址的 8 字節(jié)緩沖區(qū)，依次存放年“VB0”、月“VB1”、日“VB2”、時“VB3”、分“VB4”、秒“VB5”、0“VB6”和星期“VB7”。

投飼機的定時控制不需要考慮年、月、日，因為每天都定時定點開啟。所以只需比較時、分、秒。參考前文可知投飼機每次投喂時間不超過1 h，所以小時位不會變動。分秒同時進行比較。由于“VW1”等同于“VB1”和“VB2” ，“VB3”為時，“VW4”即表示分和秒。具體定時控制梯形圖程序如圖5所示。