養(yǎng)殖環(huán)境自動控制系統(tǒng)設計

花本杰，周錦程，吳凡，陶杰

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇蘇州，215008）

0 引言

近些年隨著養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化、科學化發(fā)展，各種高新技術在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)得到了大量的運用，大大提高了勞動力、資本等生產(chǎn)必要資源的配置與利用效率。但是目前在中小型魚塘養(yǎng)殖中，仍大量沿用傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖的方法。飼養(yǎng)者往往根據(jù)飼養(yǎng)經(jīng)驗，隨著天氣和季節(jié)自主來調(diào)整水溫、打氧量等，該種方式生產(chǎn)效率低下，技術落后，無法使魚塘達到水產(chǎn)最適合的生長環(huán)境，也無法滿足現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的相關要求。

魚塘養(yǎng)殖環(huán)境主要受到水溶氧率、溫度、水質(zhì)PH值等影響，為了保證良性魚種健康成長，就需要將這些環(huán)境因素自動控制在一個適合范圍內(nèi)。本文就是針對魚塘的幾種環(huán)境因素控制，設計了以三菱小型PLC為核心控制的魚塘自動環(huán)境控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以自動采集水中的環(huán)境數(shù)據(jù)信息并進行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)魚塘養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)自動控制、管理與預警，降低了魚塘水產(chǎn)養(yǎng)殖的風險。飼養(yǎng)者可以通過手機、計算機等信息終端遠程查詢魚塘水質(zhì)的溫度、PH值、溶解氧等各類信息，人工控制進出水和增氧設備等工作，實現(xiàn)遠程魚塘環(huán)境的監(jiān)測。也可以通過人機界面MCGS觸摸屏查詢魚塘養(yǎng)殖環(huán)境的各類參數(shù)，并進行相關機構的控制。

1 控制系統(tǒng)總體方案設計

本控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、物聯(lián)網(wǎng)關模塊、MCGS觸摸屏、執(zhí)行系統(tǒng)、指示燈系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中，物聯(lián)網(wǎng)關模塊連接溫度傳感器、水質(zhì)PH值傳感器和溶氧率傳感器，分別采集魚塘中的水中溫度、含氧量和PH值；執(zhí)行系統(tǒng)由給水泵驅動裝置、增氧泵驅動裝置和藥物噴灑泵驅動裝置組成，分別控制水中的氧氣含量、溫度和PH值。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)具備手動調(diào)試、自動運行兩種工作模式。手動調(diào)試模式時，用戶可通過觸摸屏上的開關按鈕或手機界面直接控制增氧泵、給水泵、噴藥泵驅動裝置，既可以滿足安裝調(diào)試時的控制需求，同時也為后期的維護提供了便捷。自動運行模式時，溫度傳感器、溶解氧傳感器和PH值傳感器，自動對魚塘中的環(huán)境進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器傳到云端和PLC中。用戶可以在手機端直接觀測到當前的數(shù)據(jù)值、接收報警信息。PLC則是實時將監(jiān)測值與設定值范圍進行比對，從而驅動執(zhí)行機構進行相應的動作。

MCGS觸摸屏設有手動調(diào)試和自動運行控制畫面。在手動畫面中，用戶可以單獨控制增氧泵、給水泵、噴藥泵驅動裝置的啟動和停止。在自動畫面中，用戶可以實時觀察到水溫、水中含氧量、PH值等數(shù)據(jù)信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

本控制系統(tǒng)選用的PLC為三菱FX3U-16MR小型PLC，觸摸屏為昆侖通態(tài)MCGS的 TPC7062Ti型號，PLC通訊模塊為FX3U-485-BD，物聯(lián)網(wǎng)關為星原W2S88DOI型模塊，環(huán)境傳感器為BPHT-RS485溫度PH值二合一傳感器、LNISEC10L05投入式溶解氧傳感器。

三菱PLC與星原物聯(lián)網(wǎng)關之間采用的是ModbudsRTU 485協(xié)議進行通信。將環(huán)境傳感器直接接入星原物聯(lián)網(wǎng)關模塊，進行水中環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸。物聯(lián)網(wǎng)關將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳入三菱PLC中進行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。此外物聯(lián)網(wǎng)關實時地將收集到的養(yǎng)殖環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_。通過云平臺，用戶就可以在手機上觀察到當前養(yǎng)殖環(huán)境的各種數(shù)據(jù)狀態(tài)，并且可以根據(jù)當前狀態(tài)進行遠程的控制。

根據(jù)魚塘環(huán)境的控制需求分析，確定了環(huán)境控制系統(tǒng)的PLC外部輸入輸出點，具體分配如表1和表2中所示。其中在輸入點部分，由于考慮到整個控制系統(tǒng)為手動自動兩種模式，因此設置了手動/自動切換轉換開關SA1。自動啟動和停止按鈕采用的是一個按鈕SB1來進行控制，按鈕第一次按下為自動啟動，第二次按下為自動停止，如此循環(huán)。手動測試按鈕分別設置了增氧泵手動按鈕SB2、給水泵手動按鈕SB3、噴藥泵手動按鈕SB。急停按鈕為SB5，當按下急停按鈕后，所有的輸出均立即停止。在輸出點部分，主要分為兩大類，一類為指示燈顯示，分別為運行狀態(tài)顯示的指示燈HL1和報警用的指示燈HL2，另外一類為增氧泵、給水泵、噴藥泵控制用的交流接觸器KM1、KM2、KM3。

表1 輸入端口分配表

表2 輸出端口分配表

魚塘環(huán)境控制系統(tǒng)的PLC外部硬件圖如圖2所示。QS 為空氣開關，用于控制整個電路的啟停；三菱PLC的電源為220V供電，觸摸屏MCGS的電源為DC24V供電。SA1、SB1-SB5各類控制按鈕均接在PLC的輸入端，PLC輸出端則接有運行指示燈HL1和報警指示燈HL2，并通過三個交流接觸器KM1-KM3來控制給水泵、增氧泵和噴藥泵的啟停。

圖2 PLC硬件電路

3 系統(tǒng)軟件設計

該設備的系統(tǒng)軟件設計包括上位機MCGS監(jiān)控畫面設計、下位機PLC程序設計。

■3.1 上位機監(jiān)控畫面設計

采用TPC7062TI觸摸屏完成魚塘環(huán)境控制系統(tǒng)人機界面的設計，界面分為手動調(diào)試界面和自動運行畫面兩種，可以完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、報警、實時歷史曲線處理、按鈕控制等功能。

在手動調(diào)試界面中，如圖3所示。界面除了可以實時顯示當前溫度、酸堿度、溶氧率等信息外，還支持給水泵和增氧泵的手動控制，方便控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試以及后續(xù)維護工作。

圖3 手動操作畫面

在自動調(diào)試界面中，如圖4所示，在參數(shù)設置區(qū)，用戶可以設定魚塘所需要的溫度、PH值、溶氧率等參數(shù)的區(qū)間范圍。當按下啟動按鈕后，魚塘即進行自動控制模式，傳感器不斷監(jiān)測水中的參數(shù)值，并將參數(shù)值實時顯示在狀態(tài)顯示區(qū)內(nèi)，同時可以將該數(shù)據(jù)形成曲線圖顯示在歷史數(shù)據(jù)畫面中，從而保證了管理的可追溯，如圖5所示。

圖4 自動運行畫面

圖5 歷史數(shù)據(jù)畫面

■3.2 下位機PLC程序設計

魚塘環(huán)境控制系統(tǒng)的自動控制包括水溶氧值、溫度和PH值三個方面的控制，其控制流程基本是一致的。以下以溶氧值為例進行說明控制流程，如圖6所示：系統(tǒng)上電按下啟動按鈕后，進入自動模式，系統(tǒng)通過溶解氧傳感器對魚塘內(nèi)溶氧值進行檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)值經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊，傳入PLC中。PLC將采集到的水溶氧值數(shù)據(jù)實時反饋到MCGS觸摸屏上，并將實時數(shù)據(jù)值和預設的溶氧值進行分析對比，若實時水溶氧值大于預定值的上限值，則關閉增氧泵執(zhí)行機構，若實時水溶氧值小于預定值的下限值，則打開增氧泵執(zhí)行機構。

圖6 溶解氧自動控制流程圖

PLC與環(huán)境參數(shù)采集傳感器之間采用ModbusRTU485通訊。設定PLC通訊模塊FX3U-485-BD通信口通信參數(shù)約定為9600、8、E、1，通信協(xié)議為Modbus RTU主站，通信物理層為RS485，實現(xiàn)功能為接收傳感器數(shù)據(jù)采集模塊傳來的數(shù)據(jù)。在進行PLC程序設計時，可通過RS指令無協(xié)議模式實現(xiàn)程序的編寫，根據(jù)兩個傳感器的協(xié)議，采用讀指令，分別設置站號01、02，功能碼為03（讀）、字節(jié)數(shù)量、數(shù)據(jù)內(nèi)容，并編程自行計算出CRC校驗碼，按照Modbus協(xié)議組成通信幀，用PLC指令指定存儲起始地址和字節(jié)數(shù)，依次讀取各傳感器測量數(shù)據(jù)。

當PLC通信特殊繼電器M8123觸發(fā),表示RS指令無協(xié)議模式通信模塊接收完成，隨后根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，多數(shù)據(jù)進行處理，計算出對應的測量值至指定寄存器，相應地觸摸屏上顯示出數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

設備安裝后，進行物聯(lián)網(wǎng)關配置，在配置時需要保證網(wǎng)關串口與三菱PLC的串口協(xié)議、參數(shù)保持一致。在系統(tǒng)測試階段中，首先測試傳感器通信狀況，根據(jù)PLC測試數(shù)據(jù)通信狀況，從通訊模塊FX3U-485-BD通信口上收發(fā)指示燈看出硬件正常，而后結合PLC編程監(jiān)控軟件，實時查看接收數(shù)據(jù)值，結合觸摸屏調(diào)試設置值，查看程序功能。調(diào)試正常后，能滿足預期控制功能，檢測界面實際如圖7所示。

圖7 運行檢測界面

5 總結

本論文設計的基于三菱PLC的魚塘環(huán)境自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了魚塘環(huán)境控制系統(tǒng)的水溶氧含量、PH值和水溫的自動化控制，具有可視化監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)采集和遠程控制功能。用戶可以通過手機或計算機等信息終端遠程查詢魚塘環(huán)境參數(shù)，控制給水泵、增氧泵等進行工作。也可通過人機界面MCGS觸摸屏進行控制，實時觀察魚塘養(yǎng)殖環(huán)境的各類參數(shù)并進行相關執(zhí)行機構的控制。該設備具有人機界面友好、運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)控制精準等優(yōu)點，具有一定的推廣應用價值。