基于PLC的水產(chǎn)育苗池水溫控制系統(tǒng)

大連海洋大學(xué) 遼寧 大連 116000

正文：

一、項目介紹

1.1 研究背景

按照目前的發(fā)展趨勢，水產(chǎn)育苗池的智能化發(fā)展技術(shù)已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢，也成為新的關(guān)注焦點話題。就目前的發(fā)展形勢來看，機(jī)械化的智能控制技術(shù)只可以運用到一些比較小規(guī)模的育苗池中。但由于技術(shù)問題，該項智能控制技術(shù)還無法普遍大規(guī)模的使用，所以那些中大型的水產(chǎn)育苗池都采取的是人工測溫，需要大量的人力對水池的溫度進(jìn)行多次的檢測。但是這種方法不但耗費時間，人力。同時由于人工不可避免的誤差，無法得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。與此同時，系統(tǒng)也不能及時對水溫相應(yīng)的反饋的調(diào)節(jié)，對整個系統(tǒng)乃至經(jīng)濟(jì)都會造成一定的負(fù)面影響。傳統(tǒng)育苗池主要采用燃煤鍋爐供熱，燃煤鍋爐在燃燒中排出大量的二氧化碳和二氧化硫，飄塵，嚴(yán)重污染環(huán)境，不符合低碳節(jié)能的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。所以，如何解決這一缺陷，就成為了發(fā)展大規(guī)模育苗池的當(dāng)務(wù)之急，特別是在監(jiān)控水質(zhì)和水溫的方面依舊比較低，為了確保魚苗的正常發(fā)育，適宜生長的溫度環(huán)境必不可少，從而提高幼體的成活率并能使其快速發(fā)育。

二、硬件介紹

2.1 PLC

目前可編程控制器PLC主要是朝著小型化、廉價話、標(biāo)準(zhǔn)化、高速化、智能化、大容量化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，形成工業(yè)控制機(jī)系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)DCS、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS，這將使PLC功能更強(qiáng)，可靠性更高，使用更方便適用面更廣。

2.2 傳感器

傳感器是一種以測量為目的，一一定的精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、易于處理的電量信號輸出的儀器。

熱電偶傳感器是一種基于熱電效應(yīng)原理，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的傳感器。

三、設(shè)計方案

3.1 軟件

系統(tǒng)組成：控制核心為PLC，溫度傳感器，PLC讀入溫度變量值后與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度值相比較，并計算出誤差，執(zhí)行加熱機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。

3.2 硬件

3.2.1 PLC

主要從PLC的機(jī)型、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力、容量、I/O模塊電源模塊等方面來考慮。溫度控制系統(tǒng)的PLC主單元選擇三菱公司的FX2n-48MR。其輸出為繼電器輸出，有24點輸入和24點輸出。

3.2.2 溫度傳感器

選擇Pt100鉑電阻作為傳感器，鉑電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，其主要特點是測量精度高、性能穩(wěn)定，其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的。

3.2.3 模擬量輸入模塊

由于Pt100鉑電阻溫度傳感器檢測輸出的是模擬電阻信號，而PLC只能處理數(shù)字信號，所以需要加入一個模擬量輸入模塊。FX2n-4AD型PLC價格較低且性價比高。所以，整個系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊選用FX2n-4AD。FX2n-4AD模塊出廠時預(yù)設(shè)的模擬量與數(shù)字量之間的比例關(guān)系如表所示，增益和偏移還可以通過程序自行修改。

3.2.4 溫度模塊

溫度模塊會根據(jù)水溫的變化，在模塊的內(nèi)部發(fā)生形變，從而控制一些自動控制的元件的斷開與閉合，同時溫度模塊也會對育苗池的水溫溫度進(jìn)行監(jiān)控，在監(jiān)控的同時，對水溫進(jìn)行不定時采樣，若溫度高出標(biāo)準(zhǔn)值并達(dá)到高溫極限，溫度模塊會發(fā)出報警信號，經(jīng)常被使用于溫度控制領(lǐng)域。在本控制系統(tǒng)中，熱電偶，熱電阻產(chǎn)生的是電勢以及電阻信號，與模擬量信號不匹配，所以需要溫度模塊來進(jìn)行信號之間的轉(zhuǎn)換。

3.3 原理介紹

3.3.1 PID

PID中，P為偏差的比例，I為積分，D為微分。PID是現(xiàn)在控制系統(tǒng)算法中，比較簡單的一種算法，同時也能體現(xiàn)反饋控制的思想，能利用反饋來檢測偏差信號，并且通過偏差信號來控制被控量。PID功能塊通過一個PID回路表來交換數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)表是在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的開辟長度為36字節(jié)，因此每個PID功能塊在調(diào)用時需要指定兩個要素。

3.3.2 控制系統(tǒng)編程

在系統(tǒng)中，溫度為4 ～ 20mA信號，SM334模擬量輸入輸出模塊采集后的數(shù)據(jù)范圍為5530 ～ 27648。

1、創(chuàng)建輸入數(shù)值轉(zhuǎn)換功能。

2、創(chuàng)建輸出數(shù)值轉(zhuǎn)換功能。

四、結(jié)論

可編程控制器PLC由于其功能強(qiáng)大、性價比高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、能耗低、編程簡單等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)之中。

本次研究采用PID閉環(huán)控制，在控制系統(tǒng)中PID閉環(huán)控制是應(yīng)用很廣泛的一種算法。

使用精確度高的溫度傳感器對育苗池的水溫進(jìn)行溫度信號采集，以PLC為控制核心，對熱水供應(yīng)電動閥門進(jìn)行自動調(diào)節(jié)（溫度不夠則閥門開大或起用鍋爐供熱）使得育苗池水的溫在一個較小的波動范圍。

而設(shè)定采樣時間可以實現(xiàn)育苗池水溫的實時監(jiān)測，PLC與上位PC機(jī)、溫度傳感器、太陽能儲水池和鍋爐供熱系統(tǒng)相結(jié)合可以實現(xiàn)育苗池的自動控制。在此基礎(chǔ)上，可以通過采集太陽能儲水池的狀態(tài)信息來選擇是繼續(xù)使用太陽能儲水池供熱還是起用鍋爐供熱，從而達(dá)到整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行。

隨著對PLC的更深入了解，還可以在控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再增加遠(yuǎn)程控制指令，以解決各類突發(fā)事件，還可以增加其他PLC和上位PC機(jī)，構(gòu)建更復(fù)雜的多級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以適應(yīng)大型的工業(yè)自動化控制。近年來，隨著科技智能的不斷發(fā)展，智能控制系統(tǒng)已經(jīng)滲透至各個領(lǐng)域，并且迅速發(fā)展。所以我們也應(yīng)該緊跟時代的步伐，不斷改善，從無到有，從繁到簡，建造一套高效率，低消耗的自動控制系統(tǒng)，對水產(chǎn)育苗池水溫控制系統(tǒng)起到一定的推廣作用。