集成傳感器清潔功能的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單慧勇　于鎵　田云臣　華旭峰

摘要：系統(tǒng)設(shè)計(jì)為集成傳感器清潔裝置的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采樣箱將傳感器數(shù)據(jù)采集及清潔裝置集成一體；采用PLC為主控制器，完成對(duì)傳感器清潔系統(tǒng)、增氧泵、采樣水泵等可執(zhí)行裝置的控制；現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互選用MCGS觸摸屏，觸摸屏作為主機(jī)，通過485總線實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存及歷史信息統(tǒng)計(jì)；PLC與觸摸屏之間通過RS232總線通訊交換數(shù)據(jù)，同時(shí)PLC與GPRs模塊GRM200G通過485總線通訊，將現(xiàn)場(chǎng)信息傳到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作界面友好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；MCGS組態(tài)；PLC；傳感器清洗裝置

水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)（水環(huán)境因子）尤為重要，主要包括溶氧、水溫、氨氮、pH、鹽度等，它們看不見又摸不著，很難準(zhǔn)確把握。隨著養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，及時(shí)掌握準(zhǔn)確可靠的水質(zhì)參數(shù)，提高水產(chǎn)品的產(chǎn)量與品質(zhì)，勢(shì)在必行。系統(tǒng)應(yīng)用PLC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)及無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程監(jiān)控：集成傳感器探頭清潔系統(tǒng)可保持傳感器測(cè)量精度，延長(zhǎng)傳感器使用壽命。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)功能分析

目前中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖主要是通過控制水中的溶解氧、pH、水溫來調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，在水質(zhì)控制方面，多采用數(shù)字控制系統(tǒng)，在對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制運(yùn)算，再輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使被控參數(shù)保持在給定值上，創(chuàng)造適合水產(chǎn)品生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境?？紤]到水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，傳感器探頭因附著物會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)偏離實(shí)際，從而設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作，需人工定期清潔帶來的不便，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了集采集與清潔于一體的傳感器清潔采樣裝置。

1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為上位機(jī)與下位機(jī)兩部分，下位機(jī)為PLC控制器，主要完成對(duì)傳感器清潔裝置、增氧泵、水泵等其他可執(zhí)行裝置的控制：上位機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏和遠(yuǎn)程通訊模塊，觸摸屏主要負(fù)責(zé)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存及歷史信息統(tǒng)計(jì)，并通過通訊協(xié)議關(guān)聯(lián)下位機(jī)PLC中的軟元件，代替PLC的部分外部輸入：遠(yuǎn)程通訊模塊用于向遠(yuǎn)程終端定時(shí)或出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)送相應(yīng)信息。

2.硬件設(shè)計(jì)與選型

2.1PLC選型

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求確定I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，應(yīng)再增加10%左右的備用點(diǎn)數(shù)，便于控制要求改變時(shí)增加控制功能。系統(tǒng)中PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為10個(gè)數(shù)字輸入量、9個(gè)數(shù)字輸出量，如表1所示。

根據(jù)系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)、經(jīng)濟(jì)性、存儲(chǔ)器容量等方面指標(biāo)選擇國(guó)產(chǎn)海微PLC，型號(hào)為hw-36MT-3DA。工作電壓DC24V，具有20路輸入、16路輸出，輸出為大功率晶體管，適合控制系統(tǒng)中的電感性負(fù)載電磁閥；通訊接口有RS232、RS485、SPI MS；程序空間為256 k步，不用電池記憶，無需維護(hù)，滿足系統(tǒng)需求。

2.2傳感器選型

2.2.1溶解氧傳感器的選擇 從實(shí)用性與價(jià)格等多方面因素考慮，選用博海致遠(yuǎn)科技D0-8100型溶解氧測(cè)試儀，電極為50um抗污染特氟隆膜，儀表具有模擬量信號(hào)輸出，通過串口RS485協(xié)議將測(cè)量參數(shù)返回。

2.2.2pH傳感器的選擇 pH傳感器采用北京博海致遠(yuǎn)pH-210型pH/ORP測(cè)試儀，pH-210型探頭采用長(zhǎng)距離的參比擴(kuò)散途徑，延長(zhǎng)了電極在惡劣環(huán)境中的使用壽命，接觸面使用新型設(shè)計(jì)的玻璃球泡，增加了球泡面積，能夠防止內(nèi)緩沖液中干擾氣泡的生成。

2.3現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏選型

顯示設(shè)備上選擇具有可視化和按鍵功能且性能穩(wěn)定的MCGS觸摸屏，型號(hào)為TPC1062K。該觸摸屏是一款以低功耗CPU（主頻600 MHZ）為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏，預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

2.4GPRS模塊選型

選用廣州巨控科技開發(fā)的GRM200G智能GPRS控制器。該控制器采用一種非透?jìng)髂Ｊ降腉PRS方案，通過廠家提供的云服務(wù)器和OPC組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，用戶無需搭建服務(wù)器，無需固定IP地址或動(dòng)態(tài)域名，所有設(shè)備和監(jiān)控端只需接入Internet網(wǎng)絡(luò)即可。

2.5傳感器清潔裝置設(shè)計(jì)

水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，傳感器探頭的污染已經(jīng)成為影響監(jiān)測(cè)參數(shù)精度和傳感器使用壽命的重要因素，目前多采用人工定期清洗的方式，即使用棉布等擦拭傳感器感測(cè)窗口，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，工作效率低，清洗也不徹底。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器清潔裝置如圖2所示。

該裝置采用射流沖洗方式來清潔傳感器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用雙層結(jié)構(gòu)，第一層安放傳感器旋轉(zhuǎn)清潔噴頭及液位開關(guān)支架，第二層安裝傳感器。液位開關(guān)A為傳感器清洗上限位及水環(huán)境因子開始采集狀態(tài)標(biāo)志位：液位開關(guān)B為水環(huán)境因子采集時(shí)液位控制標(biāo)志位：液位開關(guān)C為液位超限報(bào)警標(biāo)志，當(dāng)開關(guān)c動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)停止工作，報(bào)警燈開始閃爍。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)和下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖3所示。

3.1下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)

3.1.1PLC主程序設(shè)計(jì) PLC主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。PLC上電，寄存器寫入初始化值后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，選擇是否更新參數(shù)，或是選擇工作方式。工作方式分為手動(dòng)或自動(dòng)模式，手動(dòng)模式中選擇傳感器采集模式或傳感器清洗模式，自動(dòng)模式為系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)手動(dòng)模式與自動(dòng)模式遇到液位超限、設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行并報(bào)警。

3.1.2傳感器清洗子程序設(shè)計(jì) 傳感器清潔裝置是系統(tǒng)的核心工作裝置，為使清潔裝置的清洗效果最佳，對(duì)每個(gè)傳感器單獨(dú)清洗，每個(gè)傳感器清洗一次為一個(gè)周期，傳感器清洗裝置程序流程圖如圖5所示。清洗工作開始時(shí)，程序通過液位開關(guān)A的狀態(tài)判斷傳感器清潔箱中水位是否超出清洗液面，如果超出，經(jīng)過預(yù)置排水時(shí)間（其中PLC寄存器D53中設(shè)置排水等待時(shí)間）排水后，再次判斷是否超出清洗液面，如此反復(fù)，直到達(dá)到傳感器清洗液面時(shí)，水泵才開始工作。清洗閥門交替工作時(shí)間在PLC寄存器D50中設(shè)置，對(duì)每個(gè)傳感器探頭進(jìn)行循環(huán)清洗。如果在清洗過程中液位開關(guān)A動(dòng)作，系統(tǒng)判斷液位過高影響清洗效果，暫停清洗，延時(shí)排水（D53中設(shè)置）后方繼續(xù)清洗。

3.1.3傳感器采集子程序設(shè)計(jì) 傳感器采集子程序流程圖如圖6所示。采集開始水泵啟動(dòng)，待水位超過液位A后采集數(shù)據(jù)開始更新，水位超過液位B后排水閥門B打開排水，用于調(diào)節(jié)箱內(nèi)水位，排水時(shí)間在寄存器D54中設(shè)置，一旦水位達(dá)到液位c，系統(tǒng)停止工作并報(bào)警。

3.1.4系統(tǒng)自動(dòng)工作子程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)自動(dòng)工作指在數(shù)據(jù)采集與傳感器清潔之間自動(dòng)循環(huán)工作，其中采集數(shù)據(jù)工作時(shí)間通過PLC中寄存器D51進(jìn)行設(shè)置，循環(huán)工作中傳感器探頭清洗次數(shù)由PLC中寄存器D52設(shè)置，系統(tǒng)上電啟動(dòng)后自動(dòng)調(diào)用斷電前的設(shè)置值，并可通過觸摸屏修改該參數(shù)。

3.2上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)

觸摸屏是系統(tǒng)顯示儲(chǔ)存的核心器件，系統(tǒng)框圖如圖7所示。其具備以下功能：每個(gè)用戶有單獨(dú)的用戶名和密碼，對(duì)用戶進(jìn)行分級(jí)管理，根據(jù)權(quán)限進(jìn)行相應(yīng)的操作：能夠?qū)崟r(shí)顯示傳感器采集到水質(zhì)參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)，查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警信息：實(shí)時(shí)控制操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可根據(jù)采集到的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；保存采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，并以曲線、報(bào)表顯示，方便用戶查詢和積累經(jīng)驗(yàn)。

3.2.1組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)分為根據(jù)系統(tǒng)框圖建立相應(yīng)窗口、畫面編輯、動(dòng)畫連接。通過以上步驟建立實(shí)時(shí)監(jiān)控操作窗口，如圖8所示。

3.2.2循環(huán)策略編寫 在MCGS中編寫循環(huán)策略，實(shí)現(xiàn)如下功能；控制養(yǎng)殖池溶氧量，當(dāng)溶氧量低于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)增氧泵，并驅(qū)動(dòng)GRM200G向遠(yuǎn)程終端報(bào)警：定時(shí)啟動(dòng)投餌機(jī)喂食：對(duì)采集水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，定時(shí)存貯。

3.3通訊設(shè)置

上位機(jī)MCGS觸摸屏通過RS232總線實(shí)時(shí)讀取PLC的內(nèi)部寄存器狀態(tài)，映射到與之相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部寄存器；MCGS觸摸屏通過RS485總線接收傳感器采集的數(shù)據(jù)。用戶無需編寫通訊程序，只需要添加設(shè)備從機(jī)，根據(jù)軟元件地址對(duì)應(yīng)連接即可，方便用戶使用。

4.遠(yuǎn)程通訊設(shè)計(jì)

上位機(jī)GRM200G通過RS485總線協(xié)議與下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，內(nèi)部寄存器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，映射到與之相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部寄存器。用戶只需按照說明書添加從機(jī)設(shè)備，按照PLC內(nèi)部軟元件地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)即可。將手機(jī)SIM卡插入，將安裝通用組態(tài)軟件的電腦接入網(wǎng)絡(luò)，利用巨控公司的Internet云監(jiān)控服務(wù)器即可實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5.小結(jié)

基于PLC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)及無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)集成傳感器清潔裝置的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程監(jiān)控。將PLC程序分為采集和清潔兩部分，保證了傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確：通過McGs組態(tài)軟件使整個(gè)控制過程實(shí)現(xiàn)可視化的監(jiān)測(cè)，并具有歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警信息瀏覽等功能：通過GRM200G將養(yǎng)殖池塘的實(shí)時(shí)信息展現(xiàn)在用戶面前，實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警、短信查詢等功能。