基于PLC控制的魚菜共生系統(tǒng)*
——水質(zhì)凈化循環(huán)設(shè)計

金光哲，馬 婭，馬 晶，段科俊**

(1.玉溪農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 玉溪 653106；2.華寧縣柑桔科學(xué)研究所，云南 玉溪 652800)

引言

魚菜共生系統(tǒng)是一種可循環(huán)利用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施，其通過動力系統(tǒng)將含有魚類糞便的水輸送到蔬菜的根部，菜根在汲取養(yǎng)分的同時對水質(zhì)進(jìn)行凈化，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)魚不換水、種菜不施肥的共生模式。傳統(tǒng)的魚菜混養(yǎng)多采用人工觀測方式為主，存在智能化程度低、過于依懶技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷、耗費(fèi)時間、出錯率較高等問題[1]，導(dǎo)致魚菜共生系統(tǒng)的養(yǎng)殖效率低下?，F(xiàn)階段的魚菜共生系統(tǒng)大多停留在理論和試驗(yàn)階段，且整體結(jié)構(gòu)相對偏大，實(shí)際應(yīng)用具有一定的難度。因此，開發(fā)一套簡單適用的水質(zhì)凈化循環(huán)魚菜共生系統(tǒng)具有重要意義。

目前，已有部分學(xué)者對魚菜共生系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行研究，趙立軍[2]等人采用潮汐式水循環(huán)過濾方式設(shè)計一種自動補(bǔ)光、喂食系統(tǒng)，使動植物在無人狀態(tài)下正常生存，且減少了水資源浪費(fèi)。馬子超[2]等人采用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一種水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，對魚菜共生系統(tǒng)的PH值、溫度值等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。鄭廣智[3]等人以西門子S7-1500PLC為主控制器結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)ITO技術(shù)設(shè)計一套魚菜共生系統(tǒng)，具有低能耗、無污染、高產(chǎn)出的特點(diǎn)。但針對家用魚菜共生系統(tǒng)實(shí)例研究尚不多見，且存在噪音高、故障率高、占地面積大等問題。為進(jìn)一步探索魚菜共生系統(tǒng)的高效養(yǎng)殖方式，保證魚類和蔬菜穩(wěn)定生長，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一種基于PLC控制的家用魚菜共生系統(tǒng)，系統(tǒng)采用PLC為主控制器，對魚菜共生系統(tǒng)的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到養(yǎng)殖系統(tǒng)的微型化、智能化、提高產(chǎn)能的目的。

1 總體設(shè)計方案

魚菜共生系統(tǒng)采用PLC作為核心控制器，各執(zhí)行器件為電磁閥、繼電器、電機(jī)等，整個魚菜共生系統(tǒng)的運(yùn)行方式由上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并通過PLC采集系統(tǒng)內(nèi)部的各環(huán)境參數(shù)，上位機(jī)帶有云控制功能，系統(tǒng)的各環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行狀況可通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，在手機(jī)終端可對設(shè)備的各執(zhí)行器件進(jìn)行遠(yuǎn)程啟、停操作[4]。魚菜共生系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 魚菜共生系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

在魚菜共生系統(tǒng)中魚類的糞便和飼料殘留以及魚菜共生系統(tǒng)的換水都會直接影響到系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)的變化，從而影響魚類及蔬菜的生長。影響魚菜共生系統(tǒng)的主要環(huán)境參數(shù)包括水溫、電導(dǎo)率、pH值等，因此，在魚菜共生系統(tǒng)中對水溫、電導(dǎo)率、pH值參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并適當(dāng)調(diào)控很有必要。系統(tǒng)的整體控制方案主要包括以下幾個功能：

1)針對魚菜共生系統(tǒng)內(nèi)部的水溫、電導(dǎo)率、pH值進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并記錄歷史數(shù)據(jù)。

2)用戶根據(jù)不同的魚、菜種類進(jìn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置。

3)系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的溫度參數(shù)范圍進(jìn)行智能升/降溫。

4)根據(jù)水質(zhì)各參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測水中的溶解氧含量，并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動開啟或關(guān)閉增氧泵。

5)定時控制水泵進(jìn)行水質(zhì)凈化循環(huán)，設(shè)定喂魚間隔周期。

6)通過人機(jī)界面進(jìn)行現(xiàn)場控制，也可通過手機(jī)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

根據(jù)控制要求，結(jié)合PLC的輸入輸出控制特點(diǎn)，設(shè)計魚菜共生系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 魚菜共生系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 水質(zhì)凈化及硝化細(xì)菌分解

水質(zhì)凈化效果決定著魚類和蔬菜的生長質(zhì)量，是魚菜共生系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)設(shè)計的水質(zhì)凈化主要分為兩種：①蔬菜吸收水體中氨的形式；②硝化細(xì)菌對魚類糞便分解處理的形式。硝化細(xì)菌可以消除水體中排泄物及殘余食餌，同時防止水體內(nèi)營養(yǎng)過剩，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中水體環(huán)境的pH值，分解有機(jī)質(zhì)。氨氮再氨氧化細(xì)菌體內(nèi)經(jīng)過一系列酶的作用，轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}，亞硝酸鹽再經(jīng)過亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的作用最終成為硝酸鹽，二者的反應(yīng)式分別如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

水質(zhì)凈化處理系統(tǒng)設(shè)置三層，第一層采用毛刷對魚類排泄物及大顆粒殘余食餌進(jìn)行過濾；第二層再次采用毛刷進(jìn)行二次過濾，以處理第一層溢出、未過濾到位的殘余物；第三層設(shè)置硝化細(xì)菌培養(yǎng)層，采用硝化細(xì)菌室的模式設(shè)置硝化細(xì)菌箱，使循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的硝化細(xì)菌得以繁殖[5]。

魚菜共生系統(tǒng)的種植模式可分為3類：基質(zhì)栽培、深水栽培、浮筏栽培。深水栽培的植物根系完全淹沒在水中，對魚菜共生系統(tǒng)中的硝化細(xì)菌生長具有一定的抑制作用，因此本設(shè)計采用基質(zhì)栽培和浮筏栽培兩種模式[6]。相關(guān)研究表明氨利用率低會嚴(yán)重阻礙魚菜共生系統(tǒng)的推廣[6]，三種種植模式中基質(zhì)栽培對魚菜共生系統(tǒng)中氨的利用率較高，因此本設(shè)計將以基質(zhì)栽培為主，設(shè)計少量的浮筏栽培箱延緩水體循環(huán)時間，降低水體流速，促進(jìn)微生物吸收轉(zhuǎn)化氨氮。

3 硬件選型

魚菜共生系統(tǒng)硬件部分主要由養(yǎng)魚水箱、養(yǎng)菜水箱、凈化池、控制柜等組成，其中養(yǎng)魚水箱由2個組成，中間通過連通器完成水的流通，凈化水箱放于置物架上方，位置高于養(yǎng)魚水箱，兩者之間通過動力泵提供動力完成水的流通，在沉淀過濾箱內(nèi)完成沉淀后再進(jìn)行過濾分離流入硝化細(xì)菌箱，硝化細(xì)菌箱內(nèi)的水在完成細(xì)菌分解后再次流入水培植物箱，并通過蔬菜根系的凈化后再次流入養(yǎng)魚水箱，完成魚菜共生系統(tǒng)的水循環(huán)工作。除上述循環(huán)系統(tǒng)外還設(shè)有土培植物箱，對沉淀過濾箱的沉淀物加以利用，完成蔬菜的土壤培育。為保證魚菜共生系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運(yùn)行，養(yǎng)魚水箱、養(yǎng)菜水箱與凈化池均采用PE材質(zhì)塑料箱，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性。魚菜共生系統(tǒng)循環(huán)流程如圖3所示。

圖3 魚菜共生系統(tǒng)循環(huán)流程

控制柜主要有主控制器、人機(jī)界面、繼電器、空氣開關(guān)、接線端子、電源模塊等組成。根據(jù)控制要求，主控制器采用Haiwell T32S2R型PLC，支持以太網(wǎng)及5個RS232/RS485通訊口同時工作，pH值檢測數(shù)據(jù)將通過RS485通訊方式與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，溫、濕度檢測通過模擬量擴(kuò)展模塊Haiwell S04XA實(shí)現(xiàn)，根據(jù)控制要求，本系統(tǒng)采用2個Haiwell S04XA模擬量擴(kuò)展模塊。由Haiwell T32S2R和Haiwell S04XA組成的控制模塊具備16個數(shù)字量輸入和16個數(shù)字量輸出通道，4個模擬量輸入和4個模擬量輸出通道。

主控制器的上位機(jī)采用Haiwell C7S-GW型物聯(lián)云搭建人機(jī)界面，其與PLC主控制器之間采用RS485通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并可通過HTTP協(xié)議獲取設(shè)備運(yùn)行狀況，對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。Haiwell C7S-GW型物聯(lián)云支持遠(yuǎn)端上傳下載程序功能，降低設(shè)備的組裝成本，縮小安裝空間。

4 軟件設(shè)計

魚菜共生系統(tǒng)的軟件部分主要有PLC程序及人機(jī)交互界面兩部分組成。Haiwell T32S2R型PLC采用HaiwellHappy編程軟件進(jìn)行梯形圖編程，支持梯形圖程序的運(yùn)行監(jiān)控。人機(jī)界面部分采用Haiwell Cloud SCADA軟件完成，軟件具有各種空間功能，可滿足魚菜共生系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控功能，并支持手機(jī)端遠(yuǎn)程同步操作。

PLC通過模擬量擴(kuò)展模塊讀取溫度、濕度的檢測數(shù)據(jù)，再經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換為實(shí)際的工程值，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工程范圍值進(jìn)行比較并自動調(diào)控。在手動控制模式下，可直接通過上位機(jī)或遠(yuǎn)程終端開啟魚食自動投喂以及加熱、水循環(huán)、凈化等模式，并可通過數(shù)值顯示區(qū)對系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。手動模式雖然可實(shí)時操作，但為免誤操作導(dǎo)致魚菜共生系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行，對實(shí)際的操作設(shè)置也開啟了上下線報警功能。在自動模式下，PLC程序可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的魚食投喂時間、投喂量進(jìn)行定時操作，對蔬菜土培部分定時定量完成澆水工作，并可根據(jù)設(shè)定的溫濕度參數(shù)、pH值參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)控。

上位機(jī)部分主要完成人機(jī)界面的搭建及遠(yuǎn)程終端的控制調(diào)試工作。人機(jī)界面是人與計算機(jī)交換信息的接口，通過人機(jī)交互界面可以直觀的展示魚菜共生系統(tǒng)的各環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況進(jìn)行修改，以及手動、自動運(yùn)行的切換。本設(shè)計的人機(jī)界面如圖4所示。

圖4 人機(jī)界面

5 結(jié)語

魚菜共生系統(tǒng)有著較為廣泛的應(yīng)用前景，本文采用PLC作為主控制器，完成對魚菜共生系統(tǒng)硬件設(shè)備的選型及軟件設(shè)計工作，并搭建上位機(jī)，完成人機(jī)交互界面的設(shè)計，構(gòu)建一套小型魚菜共生系統(tǒng)裝置。本設(shè)計具有低成本、高性能、較強(qiáng)的實(shí)用性等特點(diǎn)，對促進(jìn)生態(tài)循環(huán)、節(jié)約水資源有著積極地意義，同時可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端控制功能，節(jié)約人力成本，具有一定的應(yīng)用開發(fā)價值。