基于PLC的對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)設(shè)計

黃勝維 陳麗城 農(nóng)燕林 何金秋 譚嬌蘭

摘要：傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖存在資源消耗大、產(chǎn)量低、人力成本高等缺點。本文設(shè)計了一款基于三菱可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，的對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)。研究了當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖方式的背景，分析了對蝦養(yǎng)殖的環(huán)境條件及要求;明確了養(yǎng)殖系統(tǒng)的功能需求，提出基于PLC的工廠化養(yǎng)殖的控制系統(tǒng)，完成了對蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計與搭建工作。通過實際測試驗證了系統(tǒng)的有效性，為進一步實現(xiàn)對蝦養(yǎng)殖自動化奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水控制;三菱PLC;溫度控制

引言

20世紀(jì)70年代，國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的信息已經(jīng)流入國內(nèi)，北京、上海等各地的水產(chǎn)研究院、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所等先驅(qū)者開始跟蹤研究，但那時并沒有出現(xiàn)真正意義上的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖。20世紀(jì)80年代，國外的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)備和技術(shù)開始進入中國，但因當(dāng)時的設(shè)備價格昂貴，養(yǎng)殖方式無法大規(guī)模普及。隨著當(dāng)時物流業(yè)的迅速發(fā)展，我國北方的水產(chǎn)品價格大幅下跌，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖方式帶來的經(jīng)濟收益受到了嚴(yán)重質(zhì)疑，從而使其發(fā)展進入了低谷[1]。到了21世紀(jì)后，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，全國各地興起了很多水產(chǎn)養(yǎng)殖示范區(qū)，國家有關(guān)科研計劃大力支持工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的研究，并取得了重要的階段性成果。后自主研發(fā)適合我們國家國情的養(yǎng)殖設(shè)備，如微濾機、臭氧發(fā)生器、蛋白分離器等，逐步完善養(yǎng)殖技術(shù)和工藝。

一、研究內(nèi)容及方法

以南美對蝦為例：設(shè)置養(yǎng)殖池尺寸為4m*5m，深度1.4m。最適生長溫度是23-32℃，生存水溫是10-40℃[2]。最佳的生存水色由綠藻和硅藻形成。在PH值上，對蝦養(yǎng)殖偏向堿性，PH值在7.8到9之間[3]。對蝦的耐鹽性較強，能適應(yīng)比較高濃度的鹽度，可以適當(dāng)?shù)卦黾欲}度有利與對蝦的生長，但養(yǎng)殖水的含鹽度不能浮動過大，否則會傷害到對蝦。池水中往往會存在比較高含量的亞硝酸態(tài)氨、銨態(tài)氮和硫化氫等物質(zhì)。這些物質(zhì)的存在會嚴(yán)重影響到對蝦的生長，必須將其物質(zhì)控制在0.5毫克每升左右。

本設(shè)計以三菱可編程控制器為系統(tǒng)的控制中心，在觸摸屏上我們選擇昆侖通泰觸摸屏進行監(jiān)控與交互。該系統(tǒng)可實現(xiàn)機電一體化，減少大量人工。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)能實時掌握養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境信息，并可以根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果實時調(diào)整控制設(shè)備，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的科學(xué)養(yǎng)殖與管理。利用循環(huán)流水對養(yǎng)殖池使原本靜態(tài)的池水流動起來，保證養(yǎng)殖池體內(nèi)水質(zhì)新鮮、高氧量，促進水體中對蝦的良性成長。

二、系統(tǒng)設(shè)計分析

液位控制部分：在養(yǎng)殖池的進水和排水的過程中，對養(yǎng)殖池液位[5]部分程序進行判定。當(dāng)液位過高時，程序打開排水閥，暫時關(guān)閉進水泵，在水位下降后，恢復(fù)循環(huán)水過程。當(dāng)養(yǎng)殖池水過少時，液位程序，關(guān)斷電磁閥，待池水恢復(fù)設(shè)定的高度時，再重新開啟。如此一來，既能保證活水的循環(huán)，又能實現(xiàn)對蝦對養(yǎng)殖池的液位需求。

溫控系統(tǒng)：利用PID模糊算法和占空比輸出進行閉環(huán)控制。控制上利用了PID算法[4]，通過對PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，輸出一個合適的值來調(diào)節(jié)養(yǎng)殖池的溫度，使溫度穩(wěn)定維持在預(yù)設(shè)溫度上下。

定時增氧部分：晚上時，池中的溶解氧含量減少，通過TRD指令，將實時時間傳送到程序的寄存器當(dāng)中，控制增氧機在設(shè)定的時間內(nèi)工作，滿足養(yǎng)殖池的溶解氧含量要求。用戶在觸摸屏可以監(jiān)測到增氧機的工作狀態(tài)，在實時時間到達設(shè)定時間段內(nèi)，增氧機開始工作，反之，當(dāng)時間未到設(shè)定范圍時，增氧機停止工作。

循環(huán)水處理：這一部分是工廠化養(yǎng)殖的核心，當(dāng)系統(tǒng)啟動后，首先進行初始化，接著養(yǎng)殖池的增氧機開始工作，排水閥開通，污水流經(jīng)微濾機，然后流入沉淀池，進行雜質(zhì)過濾。而后通過水泵抽水，將過濾完的水抽到生物凈化池，利用水生物的特性消除對養(yǎng)殖有害物質(zhì)。再將處理過的水經(jīng)過臭氧殺菌消毒處理，然后通過熱交換方式，將處理好的凈水進行加溫。最后出水回流到養(yǎng)殖池。在養(yǎng)殖池的進出水中，設(shè)置了液位開關(guān)，保證養(yǎng)殖池正常的水位。當(dāng)養(yǎng)殖池水位過高時，液位傳感器將信號發(fā)送到PLC內(nèi)部進行處理，進水泵停止工作，當(dāng)水位過低時，電磁閥通過PLC的指令控制關(guān)閉。

三、系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)：通過上位機觸摸屏進行系統(tǒng)控制，在觸摸屏中顯示各個設(shè)備的狀態(tài)、實時時間、液位和溫度值曲線等多方面內(nèi)容。啟動系統(tǒng)后，循環(huán)水系統(tǒng)部分，電磁閥和水泵開始循環(huán)水運作，用戶可以在觸摸屏監(jiān)測到設(shè)備的運行狀態(tài)。在觸摸屏上可以更新實時時間，在晚上時養(yǎng)殖池氧氣濃度下降，需設(shè)定增氧時間保持氧濃度值。其次可以在觸摸屏觀察液位的高低，當(dāng)液位異常時，會進行警報。用戶可以在觸摸屏對養(yǎng)殖池進行溫度設(shè)定，恒定養(yǎng)殖過程中的水溫。

四、總結(jié)

對蝦有較為廣泛的市場前景，近年來，蝦的養(yǎng)殖規(guī)模日漸擴大，對養(yǎng)殖技術(shù)提出了更高層次的要求。該控制系統(tǒng)確定科學(xué)的養(yǎng)殖模式，通過蝦苗培育、餌料投喂、水質(zhì)調(diào)控、管理等方面技術(shù)的提升，營造一個和諧的養(yǎng)殖環(huán)境，使養(yǎng)殖生態(tài)更為平衡，增強對蝦的生命力，提升養(yǎng)殖的成功率，進而促進養(yǎng)殖經(jīng)濟、環(huán)保效益的提升。與周邊散養(yǎng)對蝦的養(yǎng)殖戶相比，效益提高20%以上，實現(xiàn)了高效低人工的目的。該模式控制了成蝦密度，相對降低了日投餌量，具有污染少、風(fēng)險小、效益高等特點。

參考文獻：

[1]謝龍.工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式現(xiàn)狀分析[J].當(dāng)代水產(chǎn)，2019，44（08）：90-91.

[2]詹華山.南美白對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)[J].海洋與漁業(yè)，2020（07）：63-64.

[3]鐘肇新，范建東.可編程程序控制器[M].廣州：華南理工出版社，2003.

[4]班小強.基于PID的溫度控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].時代汽車，2020（21）：25-26.

[5]宋云清.觸摸屏和PLC的液位自動控制在實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子測試，2021（05）：17-19.

梧州學(xué)院2021年自治區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目：對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)（項目編號：S202111354057）.

作者簡介：黃勝維（2001-），男，漢族，廣西欽州人，本科，學(xué)生。研究方向：自動化