養(yǎng)殖環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

花本杰，周錦程，吳凡，陶杰

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xué)化發(fā)展，各種高新技術(shù)在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)得到了大量的運(yùn)用，大大提高了勞動(dòng)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(yàn)，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(shù)落后，無法使魚塘達(dá)到水產(chǎn)最適合的生長(zhǎng)環(huán)境，也無法滿足現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的相關(guān)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(zhǎng)，就需要將這些環(huán)境因素自動(dòng)控制在一個(gè)適合范圍內(nèi)。本文就是針對(duì)魚塘的幾種環(huán)境因素控制，設(shè)計(jì)了以三菱小型PLC為核心控制的魚塘自動(dòng)環(huán)境控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以自動(dòng)采集水中的環(huán)境數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)魚塘養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)自動(dòng)控制、管理與預(yù)警，降低了魚塘水產(chǎn)養(yǎng)殖的風(fēng)險(xiǎn)。飼養(yǎng)者可以通過手機(jī)、計(jì)算機(jī)等信息終端遠(yuǎn)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(jìn)出水和增氧設(shè)備等工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程魚塘環(huán)境的監(jiān)測(cè)。也可以通過人機(jī)界面MCGS觸摸屏查詢魚塘養(yǎng)殖環(huán)境的各類參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)機(jī)構(gòu)的控制。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)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(guān)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(qū)動(dòng)裝置、增氧泵驅(qū)動(dòng)裝置和藥物噴灑泵驅(qū)動(dòng)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(dòng)調(diào)試、自動(dòng)運(yùn)行兩種工作模式。手動(dòng)調(diào)試模式時(shí)，用戶可通過觸摸屏上的開關(guān)按鈕或手機(jī)界面直接控制增氧泵、給水泵、噴藥泵驅(qū)動(dòng)裝置，既可以滿足安裝調(diào)試時(shí)的控制需求，同時(shí)也為后期的維護(hù)提供了便捷。自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，溫度傳感器、溶解氧傳感器和PH值傳感器，自動(dòng)對(duì)魚塘中的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)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(jī)端直接觀測(cè)到當(dāng)前的數(shù)據(jù)值、接收?qǐng)?bào)警信息。PLC則是實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)值與設(shè)定值范圍進(jìn)行比對(duì)，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

MCGS觸摸屏設(shè)有手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)運(yùn)行控制畫面。在手動(dòng)畫面中，用戶可以單獨(dú)控制增氧泵、給水泵、噴藥泵驅(qū)動(dòng)裝置的啟動(dòng)和停止。在自動(dòng)畫面中，用戶可以實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)

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(hào)，PLC通訊模塊為FX3U-485-BD，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)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(guān)之間采用的是ModbudsRTU 485協(xié)議進(jìn)行通信。將環(huán)境傳感器直接接入星原物聯(lián)網(wǎng)關(guān)模塊，進(jìn)行水中環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳入三菱PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。此外物聯(lián)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)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_(tái)。通過云平臺(tái)，用戶就可以在手機(jī)上觀察到當(dāng)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(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)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(diǎn)，具體分配如表1和表2中所示。其中在輸入點(diǎn)部分，由于考慮到整個(gè)控制系統(tǒng)為手動(dòng)自動(dòng)兩種模式，因此設(shè)置了手動(dòng)/自動(dòng)切換轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1。自動(dòng)啟動(dòng)和停止按鈕采用的是一個(gè)按鈕SB1來進(jìn)行控制，按鈕第一次按下為自動(dòng)啟動(dòng)，第二次按下為自動(dòng)停止，如此循環(huán)。手動(dòng)測(cè)試按鈕分別設(shè)置了增氧泵手動(dòng)按鈕SB2、給水泵手動(dòng)按鈕SB3、噴藥泵手動(dòng)按鈕SB。急停按鈕為SB5，當(dāng)按下急停按鈕后，所有的輸出均立即停止。在輸出點(diǎn)部分，主要分為兩大類，一類為指示燈顯示，分別為運(yùn)行狀態(tài)顯示的指示燈HL1和報(bào)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(guān)，用于控制整個(gè)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(yùn)行指示燈HL1和報(bào)警指示燈HL2，并通過三個(gè)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(shè)計(jì)

該設(shè)備的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)MCGS監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)、下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)。

■3.1 上位機(jī)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

采用TPC7062TI觸摸屏完成魚塘環(huán)境控制系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，界面分為手動(dòng)調(diào)試界面和自動(dòng)運(yùn)行畫面兩種，可以完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、實(shí)時(shí)歷史曲線處理、按鈕控制等功能。

在手動(dòng)調(diào)試界面中，如圖3所示。界面除了可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)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(dòng)控制，方便控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試以及后續(xù)維護(hù)工作。

圖3 手動(dòng)操作畫面

在自動(dòng)調(diào)試界面中，如圖4所示，在參數(shù)設(shè)置區(qū)，用戶可以設(shè)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(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，魚塘即進(jìn)行自動(dòng)控制模式，傳感器不斷監(jiān)測(cè)水中的參數(shù)值，并將參數(shù)值實(shí)時(shí)顯示在狀態(tài)顯示區(qū)內(nèi)，同時(shí)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(dòng)運(yùn)行畫面

圖5 歷史數(shù)據(jù)畫面

■3.2 下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)

魚塘環(huán)境控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制包括水溶氧值、溫度和PH值三個(gè)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(jìn)行說明控制流程，如圖6所示：系統(tǒng)上電按下啟動(dòng)按鈕后，進(jìn)入自動(dòng)模式，系統(tǒng)通過溶解氧傳感器對(duì)魚塘內(nèi)溶氧值進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)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(shí)時(shí)反饋到MCGS觸摸屏上，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值和預(yù)設(shè)的溶氧值進(jìn)行分析對(duì)比，若實(shí)時(shí)水溶氧值大于預(yù)定值的上限值，則關(guān)閉增氧泵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若實(shí)時(shí)水溶氧值小于預(yù)定值的下限值，則打開增氧泵執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖6 溶解氧自動(dòng)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(shè)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(shí)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(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，可通過RS指令無協(xié)議模式實(shí)現(xiàn)程序的編寫，根據(jù)兩個(gè)傳感器的協(xié)議，采用讀指令，分別設(shè)置站號(hào)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(jì)算出CRC校驗(yàn)碼，按照Modbus協(xié)議組成通信幀，用PLC指令指定存儲(chǔ)起始地址和字節(jié)數(shù)，依次讀取各傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。

當(dāng)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(jìn)行處理，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的測(cè)量值至指定寄存器，相應(yīng)地觸摸屏上顯示出數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)備安裝后，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)關(guān)配置，在配置時(shí)需要保證網(wǎng)關(guān)串口與三菱PLC的串口協(xié)議、參數(shù)保持一致。在系統(tǒng)測(cè)試階段中，首先測(cè)試傳感器通信狀況，根據(jù)PLC測(cè)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(jié)合PLC編程監(jiān)控軟件，實(shí)時(shí)查看接收數(shù)據(jù)值，結(jié)合觸摸屏調(diào)試設(shè)置值，查看程序功能。調(diào)試正常后，能滿足預(yù)期控制功能，檢測(cè)界面實(shí)際如圖7所示。

圖7 運(yùn)行檢測(cè)界面

5 總結(jié)

本論文設(shè)計(jì)的基于三菱PLC的魚塘環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)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(dòng)化控制，具有可視化監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制功能。用戶可以通過手機(jī)或計(jì)算機(jī)等信息終端遠(yuǎn)程查詢魚塘環(huán)境參數(shù)，控制給水泵、增氧泵等進(jìn)行工作。也可通過人機(jī)界面MCGS觸摸屏進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)觀察魚塘養(yǎng)殖環(huán)境的各類參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。該設(shè)備具有人機(jī)界面友好、運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)控制精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。