PLC在海洋館生物維生系統(tǒng)中的應(yīng)用

第一作者簡介：陶偉（1982-），男，二級技師。研究方向為水產(chǎn)養(yǎng)殖自動化控制，場館電氣設(shè)備智能化。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.027

摘" 要：目前，國內(nèi)的海洋館水質(zhì)檢測基本上仍處于人工取樣、化學分析的人工監(jiān)測階段，其耗時費力并且需要配備人員進行全天候的觀察和人工操作。該文提出的自動化養(yǎng)殖循環(huán)水控制系統(tǒng)操作簡單、數(shù)值輸出快而精確，并且可以實現(xiàn)對飼養(yǎng)的海洋生物進行24 h全過程的連續(xù)或適時監(jiān)測，并可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動啟動相關(guān)設(shè)備進行干預(yù)以改善飼養(yǎng)水體質(zhì)量。對于預(yù)防極端氣候造成極端水質(zhì)物理指標及各水環(huán)境因子綜合的病害機理具有重要意義，可以使養(yǎng)殖的海洋生物規(guī)避生病和死亡的風險。

關(guān)鍵詞：海洋館生物維生系統(tǒng)；可編程控制器；自動控制；傳感器；水泵

中圖分類號：S964" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0115-04

Abstract： At present， the water quality testing of domestic aquariums is basically still in the manual monitoring stage of manual sampling and chemical analysis， which is time-consuming and laborious， and needs to be equipped with personnel for all-weather observation and manual operation. This paper presents an automatic aquaculture circulating water control system is simple to operate， the numerical output is fast and accurate， and it can realize the continuous or timely monitoring of the whole process of the raised marine organisms for 24 hours， and can automatically start the relevant equipment to intervene according to the monitoring data to improve the quality of the feeding water. It is of great significance to prevent the physical indicators of extreme water quality caused by extreme climate and the disease mechanism of various water environmental factors， which can protect farmed Marine life from the risk of disease and death.

Keywords： aquarium biological life support system; programmable controller; automatic control; sensor; water pump

隨著旅游業(yè)的飛速發(fā)展，出游對平常人已經(jīng)成為每年的必修課一樣，而人們對旅游產(chǎn)品的需求越來越多，越來越高。國內(nèi)海洋館和水族館的建設(shè)應(yīng)運而生，尤其是近幾年，大連、青島、上海和三亞等沿海城市的海洋館讓國人不用走出國門就可以近距離的欣賞到白鯨、海豚、海獅、海豹、海獺和企鵝等珍稀極地動物，以及珍稀海洋魚類和海洋水生物。能否為海洋生物營造一個適于它們生存和健康的生命維護系統(tǒng)（簡稱“維生系統(tǒng)”）也是海洋館能否成功運營的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)各種海洋生物和海洋哺乳動物的生活習性，各種觀賞生物對水體的配水溫度、潔凈度、深度、pH和成分差異很大，對海洋館維生系統(tǒng)提出很高的要求。

1" 維生系統(tǒng)的概述

海洋生物維生系統(tǒng)技術(shù)是海洋館的核心技術(shù)之一，其集海洋生物學、物理學、海洋化學材料學和水處理技術(shù)于一身，是多學科實用技術(shù)綜合交叉集成的一項專門技術(shù)。

維生系統(tǒng)是海洋館建設(shè)中的核心工程。俗話說：“養(yǎng)魚先養(yǎng)水”，飼養(yǎng)用水是海洋生物生存的基礎(chǔ)，飼養(yǎng)水質(zhì)情況的好壞直接影響海洋生物的生存率、生長、發(fā)育。維生系統(tǒng)是海洋館活體生物的狀態(tài)和存活率的關(guān)鍵所在。其作用包括：①清除可溶性代謝物，保證溶解氧、pH、鹽度、硬度、氨鹽及微量元素等指標達到適宜范圍。②去除水中的殘餌、排泄物等懸浮物，保持水質(zhì)清澈。③控制藻類、浮游生物、有害細菌的數(shù)量，提高水體質(zhì)量。④調(diào)節(jié)水溫，使水溫保持在所飼養(yǎng)海洋生物適宜生存的溫度范圍內(nèi)。

自動化養(yǎng)殖循環(huán)水控制系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的設(shè)備，包括信號采集部分和執(zhí)行機構(gòu)控制部分，兩者密不可分，相輔相成。它們需要密切配合才能發(fā)揮出整個系統(tǒng)的功能，自動化養(yǎng)殖系統(tǒng)的水處理設(shè)備通常由以下部分構(gòu)成。

1.1" 生物反應(yīng)器自循環(huán)部分

作為循環(huán)水養(yǎng)殖的關(guān)鍵部分，利用生物反應(yīng)器中的各種細菌，通過細菌本身所具有的分解功能和氧化功能等將水中殘留的氨氮、亞硝酸鹽等不適宜水產(chǎn)生物生長的化學物質(zhì)進行化學反應(yīng)生成不溶物或難溶物，然后使用不同的過濾方式清除各種顆粒直徑大小不同的廢物，以達到凈化水質(zhì)的目的。

1.2 養(yǎng)殖水消毒

臭氧氧化能力大約為氯氣的2倍，殺死病菌所用的接觸時間相對于氯氣較短。臭氧的化學性質(zhì)比較活躍，無法運輸，需使用臭氧制造機現(xiàn)場制造。結(jié)合蛋白分離罐進一步對過濾后的養(yǎng)殖用水進行消毒。

1.3 水循環(huán)及過濾部分

該部分是利用可編程控制器控制各循環(huán)水凈化設(shè)備對養(yǎng)殖池中不達標的飼養(yǎng)水進行過濾循環(huán)處理，對處理后的養(yǎng)殖水體經(jīng)檢測達到養(yǎng)殖標準后送回養(yǎng)殖池進行循環(huán)利用。對養(yǎng)殖水的處理過程基本實現(xiàn)無人化、自動化的操作，為了防止循環(huán)水泵由于故障停止工作而導(dǎo)致整個處理系統(tǒng)不能工作，該過程使用2臺水泵互為備用，如圖1所示。

1.4 水質(zhì)監(jiān)測及設(shè)備控制部分

該部分是將傳感器檢測到的過濾凈化前后的養(yǎng)殖水的水質(zhì)參數(shù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后傳給PLC，經(jīng)PLC進行數(shù)據(jù)比較處理后，控制與各參數(shù)相關(guān)的設(shè)備，對養(yǎng)殖水體進行實時檢測和循環(huán)過濾、消毒控制，保證養(yǎng)殖水體環(huán)境的穩(wěn)定可靠。

1.5 恒溫溫控部分

該部分是溫度傳感器，將實時水溫采集并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換讀入PLC，設(shè)計所需水體溫度的PID算法，通過PLC進行PID數(shù)據(jù)處理，從而控制與溫度處理相關(guān)設(shè)備的工作和停止，最終實現(xiàn)水溫的恒定。

1.6" 排廢消毒

在濁度保持在某個合理的范圍內(nèi)時，紫外線消毒后不會在水中留下任何殘留，紫外線設(shè)備的操作和安裝較為簡便且能夠長時間使用，在排棄廢水處理環(huán)節(jié)使用可以起到環(huán)保的作用。

2" 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計

2.1" 控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟

第一步，要多方面剖析自動化養(yǎng)殖循環(huán)水控制系統(tǒng)的制造工藝和控制要求。

第二步，確定I/O設(shè)備。依據(jù)控制系統(tǒng)功能的需要，明確系統(tǒng)所需的I/O設(shè)備。

第三步，根據(jù)I/O的點數(shù)對設(shè)備進行選型，同時合理配置I/O點，并做出I/O表。

第四步，做出循環(huán)水控制的梯形圖，溫度、水質(zhì)數(shù)據(jù)采集變量。

第五步，將編寫好的程序輸出到可編程控制器中進行軟件調(diào)試，找出漏洞及不合理的地方，及時修改和改進，保證系統(tǒng)程序的質(zhì)量。

2.2" 控制系統(tǒng)設(shè)計的方案

在電氣自控的總體設(shè)計上，應(yīng)該在條件允許的情況下，提高整個系統(tǒng)的自動化程度，盡可能接近甚至達到完全意義上的脫離人力。這樣對于中小型的海洋館養(yǎng)殖成本來說有很重要的經(jīng)濟意義。因為，盡管自動化養(yǎng)殖的規(guī)模較小，如果沒有自動化程度相對較高的控制系統(tǒng)和設(shè)備，必然需要耗費飼養(yǎng)人員的精力和工作強度，從而增加飼養(yǎng)人員。而針對人力成本相對較高的今天，提高養(yǎng)殖設(shè)備的自動化程度還是很有必要的。

2.3" 控制系統(tǒng)的原理圖

控制系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

2.4" 控制系統(tǒng)的工藝流程圖

控制系統(tǒng)的工藝流程圖如圖3所示。

3" 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1" 可編程控制系統(tǒng)與繼電控制比較

3.1.1" 繼電器控制的優(yōu)點和缺點

1）繼電器控制的優(yōu)點：所用的電氣原件都是常見的，價格便宜，也便于更換。

2）繼電器控制的缺點：采用繼電器控制的觸點比較多，由于觸點容易燒壞，會有接觸不良的情況發(fā)生，所以電路的故障也會接二連三地發(fā)生；再者繼電控制很難實現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能，因此，系統(tǒng)的拓展性比較差，技術(shù)水平也很難得到提升；觸點的反應(yīng)緩慢、電磁慣性大及機械性使系統(tǒng)的控制精度難以得到保證；繼電器控制工作不穩(wěn)定、系統(tǒng)體積增大，不滿足系統(tǒng)后期擴展升級的要求。如圖4所示。

3.1.2" 可編程控制器控制的優(yōu)點

采用PLC控制的優(yōu)點可總結(jié)為以下4個方面。

1）可靠性高?？删幊踢壿嬁刂破鲀?nèi)部的硬件有濾波作用和光電隔離抗干擾能力的電路，使得內(nèi)部的存儲單元、外部設(shè)備、接口電路都得到很好的保護，可靠性比較高。通過軟件的方法對變頻調(diào)速器和水泵進行控制，使系統(tǒng)的無人化程度提高。

2）維護、操作方便。可編程邏輯控制器用到的電子元件比較少，減少了接線數(shù)，降低錯誤率，便于設(shè)計，維護起來也大大方便了；PLC可使用HMI（人機界面）進行現(xiàn)場的參數(shù)調(diào)試和控制操作，簡便易行。

3）拓展性、靈活性強。PLC的編寫程序語言眾多，編寫指令的方法靈活多變，利于開發(fā)人員的操作。需要增加點數(shù)或變量時，可以增加相應(yīng)的模塊，通過更改程序可以進行功能的拓展。

4）運行效率高、通信功能強。伴隨總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入，使得自動化養(yǎng)殖的通信能力大大增強。實現(xiàn)了群控制、遠程監(jiān)控等功能。因為有了上述的優(yōu)點，PLC控制的效率也就大大地提高了。

3.2" PLC設(shè)備選型

3.2.1" PLC選型原則

使用PLC組成自動化養(yǎng)殖循環(huán)水控制系統(tǒng)時，首先應(yīng)該面對的是PLC選型。在選擇可編程控制器時，因為海水腐蝕的問題，應(yīng)該把可靠性和環(huán)境適應(yīng)性放在首位。除此之外，還應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用的飼養(yǎng)水體大小來選擇合適的可編程控制器。

關(guān)于可編程控制器的選型，其基本原則可以從以下幾個方面考慮。

1）明確飼養(yǎng)生物對水體的要求。

2）根據(jù)飼養(yǎng)水體要求的不同來確定功能的選擇。具體包括替代繼電器、數(shù)據(jù)傳遞、模擬量數(shù)學運算、診斷功能、高級功能和串行接口。

3）輸入/輸出模塊的選擇。輸入/輸出模塊是可編程控制器與被控對象間的數(shù)據(jù)接口，輸入/輸出模塊選擇的合適與否會直接影響到維生系統(tǒng)的控制性能。

4）存儲器的類型及其容量的選擇。普通海洋館對海洋生物一般為分類飼養(yǎng)，所以選取小規(guī)?？刂疲紤]到小型可編程控制器作為單機在使用時，由于操作使用便捷、程序特定，通常選用EPROM或EPROM加RAM。

5）控制系統(tǒng)的方式和結(jié)構(gòu)的選擇。用PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)的控制方式有遠程I/0控制、模擬量控制、集中式控制3種。

6）技術(shù)支持。在可編程控制器的選擇時，支持技術(shù)條件也是重要的因素之一。技術(shù)支持主要體現(xiàn)在編寫程序的能力、貯存程序的方式、通信軟件包。通信軟件包常常與通信硬件結(jié)合使用，具有物聯(lián)網(wǎng)兼容性，可以讓相關(guān)人員隨時隨地查看設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況和水質(zhì)的實時數(shù)據(jù)。

3.2.2" PLC機型的選擇

為了保證自動化養(yǎng)殖控制系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運行，可編程控制器選用西門子公司的S7-200 SMART/ 三菱的FX3U系列產(chǎn)品。現(xiàn)場PLC控制的主要設(shè)備是西門子公司S7-200 SMART/ 三菱FX3U系列的PLC可編程控制器。

PLC性能特點：內(nèi)部指令種類豐富全面、功能完善強大、控制可靠性高、對不同運行環(huán)境適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)精密緊湊和能夠根據(jù)實際需要擴展存儲量。綜上所述，S7-200 SMART/三菱FX3U系列的PLC可編程控制器的性價比高于其他中大機型。

4" 結(jié)論

在進行自動化養(yǎng)殖循環(huán)水控制系統(tǒng)的設(shè)計中，要充分考慮到物理、化學、生物及人為等各種可能存在的因素對系統(tǒng)的影響，為了防止這些因素在實際中對系統(tǒng)產(chǎn)生不良的影響，必須充分處理好這些可能的因素，并且在實際投入使用中反復(fù)驗證并不斷改進。隨著當今環(huán)保意識的提升及科技軟實力的提高，無人化、自動化程度較高的循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)備為海洋館的生物飼養(yǎng)提供有力的保障。

在本文中使用了目前較為先進的可編程控制器對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中水位、渾濁度、可溶性代謝物等養(yǎng)殖所需的水質(zhì)參數(shù)進行監(jiān)控比較，通過PLC控制器對過濾循環(huán)泵、蛋白分離器、臭氧消毒系統(tǒng)等維生系統(tǒng)所需的設(shè)備進行控制，使養(yǎng)殖池保持在一個相對穩(wěn)定并適宜海洋生物生活的水質(zhì)水平上。養(yǎng)殖系統(tǒng)自動化程度的提高，在減少了飼養(yǎng)人員工作強度的同時也保證了生物的存活率。

參考文獻：

[1] 汪文忠.水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控技術(shù)[J].漁業(yè)致富指南，2015-16.

[2] 馮祖穩(wěn).池塘養(yǎng)殖常見水質(zhì)問題的6個有效解決辦法[J].漁業(yè)致富指南，2015：7.

[3] 高欽和，可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計實例[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4] 王峰．國內(nèi)外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖研究進展[J]．中國水產(chǎn)科學，2013；20（5）：1100-1111.

[5] 吳燕翔．基于PLC循環(huán)水養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)的設(shè)計[J]．科學技術(shù)與工程，2011；11（20）：4734-4739.