池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)*

張紅燕，袁永明,馬曉飛，施 珮

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214081)

池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)*

張紅燕，袁永明,馬曉飛，施 珮

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214081)

池塘養(yǎng)殖用工成本、能源及飼料消耗越來(lái)越高，消費(fèi)者對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)量也更加重視，傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖技術(shù)不能充分滿(mǎn)足現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的基本需求，應(yīng)用自動(dòng)化精準(zhǔn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制，能夠有效降低養(yǎng)殖用工成本、減少能源飼料浪費(fèi)、提高水產(chǎn)品質(zhì)量。文章根據(jù)池塘養(yǎng)殖一般流程以及自動(dòng)控制需求，設(shè)計(jì)了池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能，闡述了系統(tǒng)硬件設(shè)備的選型與集成，介紹了系統(tǒng)主要軟件的編程原理和開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

池塘養(yǎng)殖；自動(dòng)控制；自動(dòng)增氧；自動(dòng)調(diào)水

0 引言

我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖主要以傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)方式為主，隨著自動(dòng)化養(yǎng)殖設(shè)備的推廣和普及，水質(zhì)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制以及智能養(yǎng)殖等技術(shù)手段在池塘養(yǎng)殖中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，我國(guó)池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中的自動(dòng)設(shè)備控制主要依靠養(yǎng)殖者的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，不能按需控制、預(yù)警控制和精準(zhǔn)控制，在造成電力、飼料、人工等生產(chǎn)成本浪費(fèi)的同時(shí)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化精準(zhǔn)池塘養(yǎng)殖管理的需求[1]。因而，研發(fā)一種能夠有效降低養(yǎng)殖用工成本、減少能源飼料浪費(fèi)、提高水產(chǎn)品質(zhì)量的池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)十分必要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、自動(dòng)控制模塊、專(zhuān)家系統(tǒng)模塊以及人機(jī)交互模塊組成，各功能模塊之間通過(guò)混合組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳遞。通過(guò)系統(tǒng)軟硬件設(shè)備設(shè)施的集成，系統(tǒng)能夠完成和實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)、養(yǎng)殖精準(zhǔn)控制、養(yǎng)殖方案更新和養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)查看等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí)，用戶(hù)可以使用遠(yuǎn)程配置程序或現(xiàn)場(chǎng)配置終端將養(yǎng)殖方案配置到控制器；養(yǎng)殖過(guò)程中，控制器實(shí)時(shí)采集養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)并上傳至物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)[2]，同時(shí)根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)和已下載的養(yǎng)殖方案進(jìn)行精準(zhǔn)控制；物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)將控制器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)[3]判斷當(dāng)前養(yǎng)殖環(huán)境狀況，對(duì)于異常狀況及時(shí)生成控制處理方案，通過(guò)控制器及時(shí)處理異常，對(duì)于非異常狀況則智能生成下一階段的養(yǎng)殖控制方案，并將新方案與現(xiàn)有方案進(jìn)行差異化比對(duì)后下載更新到控制器；控制器下載配置完養(yǎng)殖控制方案后可以獨(dú)立運(yùn)行，對(duì)養(yǎng)殖過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括水質(zhì)和氣象環(huán)境傳感器、水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)控制器(PLC743)、數(shù)據(jù)通信單元和自動(dòng)控制設(shè)備等。各硬件設(shè)備之間通過(guò)有線或無(wú)線進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間的互聯(lián)互通，硬件設(shè)備的有效集成和互聯(lián)保證了系統(tǒng)各項(xiàng)功能的穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)。

2.1 水質(zhì)和氣象傳感器

水質(zhì)和氣象傳感器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)功能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的重要設(shè)備，系統(tǒng)選用測(cè)量準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定的溶解氧傳感器、pH傳感器以及多參數(shù)氣象站傳感器實(shí)現(xiàn)水質(zhì)和氣象環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。水質(zhì)傳感器設(shè)備采取投入式安裝方式，安裝于配套的水質(zhì)傳感器安裝浮標(biāo)，采用太陽(yáng)能鋰電池供電，有效持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)可達(dá)45天；氣象傳感器為集成式多參數(shù)氣象站，采用配套氣象站安裝立桿安裝，采用混合供電方式，有效保證設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 智能控制器單元

可編程邏輯控制器[4](PLC)是配備了微處理器的工業(yè)計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)選用西門(mén)子S7-200系列CPU224XP AC/DC/RLY型PLC[5]，它集成了14路開(kāi)關(guān)量輸入和10路繼電器輸出，配有2路模擬量輸入和1路模擬量輸出，具有2個(gè)RS485通信接口，支持PPI、ModBus、MPI通信協(xié)議和自由方式通信。智能控制器接線圖如圖3。

圖3 智能控制器接線圖

系統(tǒng)使用PLC的PORT0通信口完成控制器與服務(wù)器端的通信，使用PORT1通信口接收傳感器設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；使用第一組繼電器Q0.0～0.3控制投飼機(jī)，完成養(yǎng)殖投飼，使用對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸入I0.0～0.3監(jiān)測(cè)投飼機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；使用第二組繼電器Q0.4～0.6控制葉輪式增氧機(jī)，其中Q0.4為增氧控制，Q0.5為調(diào)水控制，Q0.6為定時(shí)控制，并使用對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量輸入I0.4～0.6監(jiān)測(cè)增氧機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；使用第三組繼電器Q0.7～1.1控制潛水泵，完成進(jìn)排水操作，使用開(kāi)關(guān)量輸入I0.7～1.1監(jiān)測(cè)潛水泵運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)通信單元

控制器與傳感器、控制器與服務(wù)器之間的互聯(lián)互通需要借助通信模塊實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)選用ZigBee通信方式[6]實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信；使用TCP/IP-RS485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)控制器的網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)通信，在不具備寬帶上網(wǎng)條件的野外，池塘通過(guò)GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K實(shí)現(xiàn)控制器與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.4 自動(dòng)養(yǎng)殖設(shè)備

池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中增氧機(jī)、投飼機(jī)、水泵等設(shè)備最為常用，不穩(wěn)定的電力供應(yīng)、超負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)以及工人操作不當(dāng)?shù)惹闆r均會(huì)造成電機(jī)燒毀等損失或事故[7]。系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)殖池塘現(xiàn)有自動(dòng)養(yǎng)殖設(shè)備負(fù)荷，為每一路養(yǎng)殖設(shè)備單獨(dú)配套集成最適合的電氣保護(hù)設(shè)備，配合智能控制器的智能養(yǎng)殖控制方案，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)養(yǎng)殖設(shè)備的精準(zhǔn)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和斷電保護(hù)。系統(tǒng)選用CDP6-32系列電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用斷路器對(duì)增氧機(jī)進(jìn)行電氣保護(hù)，能夠及時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)供電，有效保護(hù)電動(dòng)機(jī)不受過(guò)載、缺相、短路等用電異常情況的影響；使用CJX2系列小型交流接觸器與智能PLC控制器連接，控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)停止，并使用該型號(hào)交流接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)增氧機(jī)接線圖如圖5。

圖5 增氧機(jī)接線圖

圖5中，QS為電動(dòng)機(jī)斷路器開(kāi)關(guān)，F(xiàn)R為電動(dòng)機(jī)斷路器中的熱繼電器保護(hù)裝置，F(xiàn)U為熔斷器，KM為交流接觸器，KM′為控制觸點(diǎn)，KM*為常開(kāi)觸點(diǎn)，SA為增氧機(jī)手動(dòng)開(kāi)關(guān)。其作用原理為：閉合斷路器QS，PLC控制器會(huì)根據(jù)環(huán)境狀況和控制方案進(jìn)行自動(dòng)精準(zhǔn)控制，滿(mǎn)足控制條件，PLC輸出端Q0.4繼電器動(dòng)作，交流接觸器KM吸合，增氧機(jī)開(kāi)啟，到達(dá)指定條件，KM釋放，增氧機(jī)停止；手動(dòng)閉合增氧機(jī)手動(dòng)開(kāi)關(guān)SA，交流接觸器KM吸合，增氧機(jī)開(kāi)啟，斷開(kāi)SA，KM釋放，增氧機(jī)停止；當(dāng)增氧機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常狀況，F(xiàn)R內(nèi)部發(fā)熱使其內(nèi)部雙金屬片彎曲，推動(dòng)電動(dòng)機(jī)斷路器內(nèi)部閉合觸點(diǎn)斷開(kāi)，交流接觸器斷開(kāi)，完成電氣保護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括控制器程序設(shè)計(jì)、控制器遠(yuǎn)程配置程序設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)配置終端程序設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、控制器配置、養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)養(yǎng)殖控制等功能。

3.1 控制器程序設(shè)計(jì)

控制器程序設(shè)計(jì)使用SIEMENS S7-200PLC配套程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)STEP 7-Micro/WIN V4.09.25進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)過(guò)程需要導(dǎo)入ModBus協(xié)議庫(kù)[8]以實(shí)現(xiàn)PLC控制器的ModBus-RTU通信功能，并使用MBUS_INIT、MBUS_SLAVE初始化PLC從站功能，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器間的通信；使用MBUS_CTRL、MBUS_MSG初始化PLC主站功能，實(shí)現(xiàn)與傳感器間的通信。能夠連接7個(gè)支持ModBus-RTU通信協(xié)議的傳感器接入，同時(shí)監(jiān)測(cè)15個(gè)環(huán)境參數(shù)；采用4組定時(shí)控制器實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)的定時(shí)投飼功能，結(jié)合環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)智能控制；以水體溶解氧相對(duì)飽和度以及氧分壓為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)智能增氧和調(diào)水功能，使用不同的繼電輸出控制同一臺(tái)增氧機(jī)進(jìn)行增氧和調(diào)水。控制器程序運(yùn)行流程如圖6。

圖6 控制器運(yùn)行流程圖

3.2 控制器遠(yuǎn)程配置程序設(shè)計(jì)

控制器遠(yuǎn)程配置程序(ITSStool)使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于控制器的遠(yuǎn)程配置。遠(yuǎn)程配置程序通過(guò)RS232/485直聯(lián)方式或TCP/IP遠(yuǎn)程通信方式實(shí)現(xiàn)配置指令的傳輸及配置。用戶(hù)通過(guò)程序可以?huà)呙璨⑦B接在線控制器設(shè)備，上載控制器現(xiàn)有配置，批量或逐條下載配置到控制器；通過(guò)配置界面完成傳感器、控制器、定時(shí)器、輸出控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能配置，并查看實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。遠(yuǎn)程配置程序運(yùn)行流程如圖7。

圖7 遠(yuǎn)程配置程序運(yùn)行流程圖

3.3 控制器現(xiàn)場(chǎng)配置終端程序設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)配置終端選用兼容西門(mén)子TD-200系列的MD204L文本顯示屏，使用MD204L配套編輯軟件TP200CN進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配置終端程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于控制器的現(xiàn)場(chǎng)配置：MD204L通過(guò)PPI協(xié)議[9]與西門(mén)子S7-200系列PLC的編程口或擴(kuò)展通信口直接通信；用戶(hù)使用通信電纜完成MD204L與控制器的連接，進(jìn)行包括通信參數(shù)在內(nèi)的全部控制器參數(shù)的配置。控制器現(xiàn)場(chǎng)配置終端如圖8。

圖8 控制器現(xiàn)場(chǎng)配置終端

4 結(jié)論

池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖精準(zhǔn)控制管理。系統(tǒng)能夠有效降低生產(chǎn)成本、提高水產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、提高生產(chǎn)管理的自動(dòng)化程度，對(duì)現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。

[1] 徐志強(qiáng),王濤,鮑旭騰,等.池塘養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)化升級(jí)與驗(yàn)證[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2015,13(3):272-276.

[2] 馬曉飛，袁永明，張紅燕,等.基于Modbus的水產(chǎn)物聯(lián)設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(10):65-68.

[3] 張紅燕,袁永明,賀艷輝,等.水產(chǎn)養(yǎng)殖專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2011,27(1):436-440.

[4] 王秀.基于PLC和GPRS的外加熱干燥遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安:西安科技大學(xué),2013.

[5] BERGER H. Automating with SIMATIC: controllers, software, programming, data[M]. Paris: Publicis, 2013.

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Research and development of automatic control system for pond culture

Zhang Hongyan，Yuan Yongming，Ma Xiaofei，Shi Pei

(Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Germplasm Resources Utilization, Ministry of Agriculture,Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences，Wuxi 214081, China)

With the more and more high labor costs and energy and feed consumption of pond farming, consumers also pay more attention on the quality of aquatic products, traditional pond aquaculture technology can’t fully meet the basic needs of modern aquaculture production. Using automation precision control technology can effectively reduce farming labor costs, the waste of energy feed and improve the quality of the water products. According to the general process of the pond aquaculture and the requirement of automatic control design, the automatic control system of pond aquaculture was designed. this paper analyzed the system structure and functions in detail, described the system hardware selection and integration, introduced the software programming principle and realization.

pond culture；automatic control；automatic aeration；automatic water-changing

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015JBFM22)

TP311

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.030

張紅燕，袁永明,馬曉飛，等. 池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(1)：99-102.

2016-09-12)

張紅燕(1978-)，女，碩士，副研究員，主要研究方向：漁業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)。

袁永明(1961-)，通信作者，男，本科，研究員，主要研究方向：漁業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)。E-mail: yuan@ffrc.cn。

馬曉飛(1989-)，男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要研究方向：漁業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)。