池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)研發(fā)*

張紅燕，袁永明,馬曉飛，施 珮

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點實驗室，江蘇 無錫 214081)

池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)研發(fā)*

張紅燕，袁永明,馬曉飛，施 珮

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點實驗室，江蘇 無錫 214081)

池塘養(yǎng)殖用工成本、能源及飼料消耗越來越高，消費者對水產(chǎn)品質(zhì)量也更加重視，傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖技術(shù)不能充分滿足現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的基本需求，應(yīng)用自動化精準控制技術(shù)實現(xiàn)池塘養(yǎng)殖自動控制，能夠有效降低養(yǎng)殖用工成本、減少能源飼料浪費、提高水產(chǎn)品質(zhì)量。文章根據(jù)池塘養(yǎng)殖一般流程以及自動控制需求，設(shè)計了池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)，詳細分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能，闡述了系統(tǒng)硬件設(shè)備的選型與集成，介紹了系統(tǒng)主要軟件的編程原理和開發(fā)實現(xiàn)。

池塘養(yǎng)殖；自動控制；自動增氧；自動調(diào)水

0 引言

我國水產(chǎn)養(yǎng)殖主要以傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)方式為主，隨著自動化養(yǎng)殖設(shè)備的推廣和普及，水質(zhì)監(jiān)測、自動控制以及智能養(yǎng)殖等技術(shù)手段在池塘養(yǎng)殖中的應(yīng)用越來越廣泛。目前，我國池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中的自動設(shè)備控制主要依靠養(yǎng)殖者的經(jīng)驗和習(xí)慣，不能按需控制、預(yù)警控制和精準控制，在造成電力、飼料、人工等生產(chǎn)成本浪費的同時不能滿足現(xiàn)代化精準池塘養(yǎng)殖管理的需求[1]。因而，研發(fā)一種能夠有效降低養(yǎng)殖用工成本、減少能源飼料浪費、提高水產(chǎn)品質(zhì)量的池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)十分必要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測模塊、自動控制模塊、專家系統(tǒng)模塊以及人機交互模塊組成，各功能模塊之間通過混合組網(wǎng)實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳遞。通過系統(tǒng)軟硬件設(shè)備設(shè)施的集成，系統(tǒng)能夠完成和實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、養(yǎng)殖精準控制、養(yǎng)殖方案更新和養(yǎng)殖現(xiàn)場查看等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)首次運行時，用戶可以使用遠程配置程序或現(xiàn)場配置終端將養(yǎng)殖方案配置到控制器；養(yǎng)殖過程中，控制器實時采集養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)并上傳至物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)[2]，同時根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)和已下載的養(yǎng)殖方案進行精準控制；物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)將控制器上傳的數(shù)據(jù)進行智能分析和處理，通過專家系統(tǒng)[3]判斷當前養(yǎng)殖環(huán)境狀況，對于異常狀況及時生成控制處理方案，通過控制器及時處理異常，對于非異常狀況則智能生成下一階段的養(yǎng)殖控制方案，并將新方案與現(xiàn)有方案進行差異化比對后下載更新到控制器；控制器下載配置完養(yǎng)殖控制方案后可以獨立運行，對養(yǎng)殖過程進行精準控制。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括水質(zhì)和氣象環(huán)境傳感器、水產(chǎn)養(yǎng)殖自動控制器(PLC743)、數(shù)據(jù)通信單元和自動控制設(shè)備等。各硬件設(shè)備之間通過有線或無線進行通信連接，實現(xiàn)各個設(shè)備之間的互聯(lián)互通，硬件設(shè)備的有效集成和互聯(lián)保證了系統(tǒng)各項功能的穩(wěn)定運行和實現(xiàn)。

2.1 水質(zhì)和氣象傳感器

水質(zhì)和氣象傳感器是實現(xiàn)系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測功能進而實現(xiàn)精準控制的重要設(shè)備，系統(tǒng)選用測量準確、工作穩(wěn)定的溶解氧傳感器、pH傳感器以及多參數(shù)氣象站傳感器實現(xiàn)水質(zhì)和氣象環(huán)境的實時監(jiān)測。水質(zhì)傳感器設(shè)備采取投入式安裝方式，安裝于配套的水質(zhì)傳感器安裝浮標，采用太陽能鋰電池供電，有效持續(xù)工作時長可達45天；氣象傳感器為集成式多參數(shù)氣象站，采用配套氣象站安裝立桿安裝，采用混合供電方式，有效保證設(shè)備正常運行。

2.2 智能控制器單元

可編程邏輯控制器[4](PLC)是配備了微處理器的工業(yè)計算機，系統(tǒng)選用西門子S7-200系列CPU224XP AC/DC/RLY型PLC[5]，它集成了14路開關(guān)量輸入和10路繼電器輸出，配有2路模擬量輸入和1路模擬量輸出，具有2個RS485通信接口，支持PPI、ModBus、MPI通信協(xié)議和自由方式通信。智能控制器接線圖如圖3。

圖3 智能控制器接線圖

系統(tǒng)使用PLC的PORT0通信口完成控制器與服務(wù)器端的通信，使用PORT1通信口接收傳感器設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)；使用第一組繼電器Q0.0～0.3控制投飼機，完成養(yǎng)殖投飼，使用對應(yīng)的開關(guān)量輸入I0.0～0.3監(jiān)測投飼機運行狀態(tài)；使用第二組繼電器Q0.4～0.6控制葉輪式增氧機，其中Q0.4為增氧控制，Q0.5為調(diào)水控制，Q0.6為定時控制，并使用對應(yīng)的開關(guān)量輸入I0.4～0.6監(jiān)測增氧機運行狀態(tài)；使用第三組繼電器Q0.7～1.1控制潛水泵，完成進排水操作，使用開關(guān)量輸入I0.7～1.1監(jiān)測潛水泵運行狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)通信單元

控制器與傳感器、控制器與服務(wù)器之間的互聯(lián)互通需要借助通信模塊實現(xiàn)，系統(tǒng)選用ZigBee通信方式[6]實現(xiàn)傳感器與控制器自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信；使用TCP/IP-RS485轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)控制器的網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)通信，在不具備寬帶上網(wǎng)條件的野外，池塘通過GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K實現(xiàn)控制器與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.4 自動養(yǎng)殖設(shè)備

池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中增氧機、投飼機、水泵等設(shè)備最為常用，不穩(wěn)定的電力供應(yīng)、超負荷的運轉(zhuǎn)以及工人操作不當?shù)惹闆r均會造成電機燒毀等損失或事故[7]。系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)殖池塘現(xiàn)有自動養(yǎng)殖設(shè)備負荷，為每一路養(yǎng)殖設(shè)備單獨配套集成最適合的電氣保護設(shè)備，配合智能控制器的智能養(yǎng)殖控制方案，實現(xiàn)自動養(yǎng)殖設(shè)備的精準控制、狀態(tài)監(jiān)測和斷電保護。系統(tǒng)選用CDP6-32系列電動機專用斷路器對增氧機進行電氣保護，能夠及時切斷電動機供電，有效保護電動機不受過載、缺相、短路等用電異常情況的影響；使用CJX2系列小型交流接觸器與智能PLC控制器連接，控制電動機的啟動停止，并使用該型號交流接觸器的常開觸點監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。系統(tǒng)增氧機接線圖如圖5。

圖5 增氧機接線圖

圖5中，QS為電動機斷路器開關(guān)，F(xiàn)R為電動機斷路器中的熱繼電器保護裝置，F(xiàn)U為熔斷器，KM為交流接觸器，KM′為控制觸點，KM*為常開觸點，SA為增氧機手動開關(guān)。其作用原理為：閉合斷路器QS，PLC控制器會根據(jù)環(huán)境狀況和控制方案進行自動精準控制，滿足控制條件，PLC輸出端Q0.4繼電器動作，交流接觸器KM吸合，增氧機開啟，到達指定條件，KM釋放，增氧機停止；手動閉合增氧機手動開關(guān)SA，交流接觸器KM吸合，增氧機開啟，斷開SA，KM釋放，增氧機停止；當增氧機運行過程中出現(xiàn)異常狀況，F(xiàn)R內(nèi)部發(fā)熱使其內(nèi)部雙金屬片彎曲，推動電動機斷路器內(nèi)部閉合觸點斷開，交流接觸器斷開，完成電氣保護。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括控制器程序設(shè)計、控制器遠程配置程序設(shè)計以及現(xiàn)場配置終端程序設(shè)計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、控制器配置、養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測和精準養(yǎng)殖控制等功能。

3.1 控制器程序設(shè)計

控制器程序設(shè)計使用SIEMENS S7-200PLC配套程序開發(fā)平臺STEP 7-Micro/WIN V4.09.25進行編程實現(xiàn)，開發(fā)過程需要導(dǎo)入ModBus協(xié)議庫[8]以實現(xiàn)PLC控制器的ModBus-RTU通信功能，并使用MBUS_INIT、MBUS_SLAVE初始化PLC從站功能，實現(xiàn)與服務(wù)器間的通信；使用MBUS_CTRL、MBUS_MSG初始化PLC主站功能，實現(xiàn)與傳感器間的通信。能夠連接7個支持ModBus-RTU通信協(xié)議的傳感器接入，同時監(jiān)測15個環(huán)境參數(shù)；采用4組定時控制器實現(xiàn)投飼機的定時投飼功能，結(jié)合環(huán)境參數(shù)實現(xiàn)投飼機智能控制；以水體溶解氧相對飽和度以及氧分壓為依據(jù)，實現(xiàn)增氧機智能增氧和調(diào)水功能，使用不同的繼電輸出控制同一臺增氧機進行增氧和調(diào)水?？刂破鞒绦蜻\行流程如圖6。

圖6 控制器運行流程圖

3.2 控制器遠程配置程序設(shè)計

控制器遠程配置程序(ITSStool)使用C語言設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)對于控制器的遠程配置。遠程配置程序通過RS232/485直聯(lián)方式或TCP/IP遠程通信方式實現(xiàn)配置指令的傳輸及配置。用戶通過程序可以掃描并連接在線控制器設(shè)備，上載控制器現(xiàn)有配置，批量或逐條下載配置到控制器；通過配置界面完成傳感器、控制器、定時器、輸出控制、狀態(tài)監(jiān)測等功能配置，并查看實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)。遠程配置程序運行流程如圖7。

圖7 遠程配置程序運行流程圖

3.3 控制器現(xiàn)場配置終端程序設(shè)計

現(xiàn)場配置終端選用兼容西門子TD-200系列的MD204L文本顯示屏，使用MD204L配套編輯軟件TP200CN進行現(xiàn)場配置終端程序設(shè)計，實現(xiàn)對于控制器的現(xiàn)場配置：MD204L通過PPI協(xié)議[9]與西門子S7-200系列PLC的編程口或擴展通信口直接通信；用戶使用通信電纜完成MD204L與控制器的連接，進行包括通信參數(shù)在內(nèi)的全部控制器參數(shù)的配置。控制器現(xiàn)場配置終端如圖8。

圖8 控制器現(xiàn)場配置終端

4 結(jié)論

池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)綜合運用傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)池塘養(yǎng)殖精準控制管理。系統(tǒng)能夠有效降低生產(chǎn)成本、提高水產(chǎn)品質(zhì)量，同時可以減輕勞動強度、擴大生產(chǎn)規(guī)模、提高生產(chǎn)管理的自動化程度，對現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展具有重要的推動作用。

[1] 徐志強,王濤,鮑旭騰,等.池塘養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)遠程精準化升級與驗證[J].中國工程機械學(xué)報,2015,13(3):272-276.

[2] 馬曉飛，袁永明，張紅燕,等.基于Modbus的水產(chǎn)物聯(lián)設(shè)備驅(qū)動服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(10):65-68.

[3] 張紅燕,袁永明,賀艷輝,等.水產(chǎn)養(yǎng)殖專家系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2011,27(1):436-440.

[4] 王秀.基于PLC和GPRS的外加熱干燥遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].西安:西安科技大學(xué),2013.

[5] BERGER H. Automating with SIMATIC: controllers, software, programming, data[M]. Paris: Publicis, 2013.

[6] FARAHANI S. ZigBee wireless networks and transceivers[M]. Newnes,2008.

[7] 谷堅,顧海濤,門濤,等.幾種機械增氧方式在池塘養(yǎng)殖中的增氧性能比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2011,27(1):148-152.

[8] 汪正果.ModBus協(xié)議在S7-200PLC與PC機通信中的應(yīng)用[J].煤礦機械,2010,31(2):192-194.

[9] 蔡錦達,倪建輝,郭銳,等.PPI協(xié)議與西門子S7-200 PLC的通訊[J].工業(yè)控制計算機,2006,19(4):13-14.

Research and development of automatic control system for pond culture

Zhang Hongyan，Yuan Yongming，Ma Xiaofei，Shi Pei

(Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Germplasm Resources Utilization, Ministry of Agriculture,Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences，Wuxi 214081, China)

With the more and more high labor costs and energy and feed consumption of pond farming, consumers also pay more attention on the quality of aquatic products, traditional pond aquaculture technology can’t fully meet the basic needs of modern aquaculture production. Using automation precision control technology can effectively reduce farming labor costs, the waste of energy feed and improve the quality of the water products. According to the general process of the pond aquaculture and the requirement of automatic control design, the automatic control system of pond aquaculture was designed. this paper analyzed the system structure and functions in detail, described the system hardware selection and integration, introduced the software programming principle and realization.

pond culture；automatic control；automatic aeration；automatic water-changing

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2015JBFM22)

TP311

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.030

張紅燕，袁永明,馬曉飛，等. 池塘養(yǎng)殖自動控制系統(tǒng)研發(fā)[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(1)：99-102.

2016-09-12)

張紅燕(1978-)，女，碩士，副研究員，主要研究方向：漁業(yè)經(jīng)濟與信息技術(shù)。

袁永明(1961-)，通信作者，男，本科，研究員，主要研究方向：漁業(yè)經(jīng)濟與信息技術(shù)。E-mail: yuan@ffrc.cn。

馬曉飛(1989-)，男，碩士，研究實習(xí)員，主要研究方向：漁業(yè)經(jīng)濟與信息技術(shù)。