水體工業自動化增氧控制系統的創新設計與開發*

陳勝利，吳展鴻，李文潤

(河源職業技術學院 機電工程學院，廣東　河源　517000)

0　引言

隨著水產養殖業的迅速發展，提高水產養殖的自動化水平成為水產養殖業重點關注的內容之一，也是亟待解決的問題。基于市場需求，項目團隊開發了一種能自動精準調控養殖水體溶解氧含量的控制系統。本文所描述的控制系統設計有傳感器裝置，通過傳感器檢測水體含氧量,根據適宜魚類生存的溶解氧范圍自動控制系統的運作。該系統操作方便簡單，可精準調控養殖水體的溶解氧含量，提高餌料利用率，減少魚病的發生，促進水產養殖高產增產，解決盲目增氧、費時費力的問題。

1　控制系統硬件結構設計

控制系統包括溶氧量傳感器、溶氧量變送器、PLC、模擬量模塊、觸摸屏、變頻器、增氧機。硬件構建如圖1所示。

圖1　水體溶氧含量控制系統硬件原理構建示意圖

1.1　傳感器模塊

在控制系統中選用極譜型氧傳感器，型號為雷磁DO-10,集成溫度傳感器Pt1000，由兩個金屬電極和薄膜組成，以銀絲制作陽極，以鉑金制作陰極，采用電化學檢測法，以KCL作為電解液,使金屬電極與電解質相接觸，其薄膜具有選擇性，只能透過氧和其他氣體，其他可溶解物質和水均不能透過。當在陽極與陰極之間加一定的極譜電壓時，溶解在水中的氧就滲過氧敏感薄膜，并在陰極上還原，形成與氧濃度成正比例關系的擴散電流，其電極反應為[1-2]：

陰極：O2+2H2O+4e-→4OH-。

陽極：4Ag+4CL-→4AgCL↓+4e-。

1.2　信號監控模塊

信號監控模塊是控制系統最重要的一個環節，包括溶氧量變送器和模擬量模塊，其中溶氧量變送器為雷磁DO200變送器，是將溶氧量傳感器的輸出信號轉變為可被模擬量模塊識別的信號(或將傳感器輸入的非電量信號轉變成電信號同時放大為可供遠方測量和控制的信號源)的轉換器[3]，并具有顯示實時監測溶氧量和溫度值的功能。傳感器和變送器一同構成自動控制的監測信號源。模擬量模塊為XC-E4AD信捷PLC擴展模塊,它將現場由傳感器檢測而產生的連續的模擬量信號轉換成PLC的CPU可以接收的數字量信號[4]。控制系統的監控部分整體就是通過溶氧量傳感器采集到的模擬量信號，經過溶氧量變送器傳輸給模擬量模塊，模擬量模塊將溶氧量變送器傳輸過來的標準電信號轉換成數字量信號，進而通過PLC運算處理，并根據溶氧量傳感器監測的溶解氧含量的數據變化控制系統進行相應的操作。

1.3　人機交互模塊

控制系統中的人機交互模塊包括PLC以及HMI。其中PLC選用信捷XC系列的標準機型，編程方便，能夠滿足絕大多數用戶的使用要求，同時具備2個通訊口，支持 RS232、RS485、CAN 總線，可連接多種外部設備，如上位機、HMI和變頻器等[5]。控制系統選用顯控HMI，HMI鑲嵌在電氣柜的柜門上，可單獨與PLC通訊，通過操作HMI選擇工作模式，工作模式分為自動和手動兩種模式，根據溶解氧含量的變化，經過PLC的運算處理自動控制增氧機的啟停或手動選擇增氧機的執行時間和運行頻率，改善池塘水含氧量，使魚類生存在適宜的環境中，保障魚類生長的正常速度。

1.4　執行模塊

控制系統中的變頻調速模塊包括變頻器(VFD004M21A臺達變頻器)、增氧機(HOULE光軸定速調速電機和螺旋漿組成)。變頻調速的基本原理是根據電動機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系，通過改變電動機供電電源頻率來改變電機轉速以達到調速的目的[6],實現增氧機的變速運行。增氧機是由三相異步電機和螺旋槳組成，經過聯軸器的配合使得整體實現攪拌水體的功能，增氧機工作時帶動螺旋槳攪動水體表面，其增大水與空氣的接觸面積，從而增加水體溶解氧的含量，硬件控制箱如圖2所示。

2　控制系統原理及操作

2.1　工作原理

控制系統的工作原理為：溶解氧傳感器集成溫度傳感器在線測量魚塘水體的溶解氧和溫度，然后將檢測到的信號傳輸給溶解氧變送器，將溶氧量傳感器產生的信號轉換成標準的電信號并傳輸到模擬量模塊，模擬量模塊將模擬信號轉換成數字信號反饋給PLC后[7]，PLC根據用戶在HMI選擇的工作模式，通過PLC的運算處理以及變頻器的變頻調速作用改變增氧機的頻率，并控制增氧機的啟停。系統以PLC為控制核心，設有自動、手動兩種模式可供選擇，具備實時觀察魚塘水體溶解氧含量以及溫度的功能，可應用于各個密集型的農業魚塘養殖生產作業中。

2.2　操作流程及程序設計

2.2.1操作流程

控制系統通過空氣開關啟動整臺設備運行，通過HMI選擇運行方式。HMI將顯示手動模式和自動模式供選擇，人機交互控制模式如圖3所示。

圖2硬件控制箱圖3人機交互控制模式

當選擇手動模式時，增氧機僅由操作人員通過HMI選擇執行時間來進行啟停控制，并用電位器(電流)調整增氧機運行頻率；HMI界面將顯示設定時間和運行時間，以供用戶查看增氧機需運行的設定時間和實時反饋已運行的時間，手動運行模式監控如圖4所示。

圖4　手動運行模式監控

當選擇自動模式時，增氧機的運行僅由控制系統的指令自動控制。自動模式下，根據系統設定的溶氧量范圍以及傳感器檢測到的溶氧量變化數據自動控制增氧機的啟停，當魚類生長季節溶氧量低于啟動設定值(即適宜魚類生存的溶氧量范圍下限值)時，自動啟動增氧機；當溶氧量高于關閉設定值(即適宜魚類生存的溶氧量范圍上限值)時，自動停止增氧機運行。用戶可以通過變送器實時查看溶解氧含量和溫度值。

控制系統可根據用戶的需求設定不同的養殖魚類對溶氧量范圍進行選擇，不同的養殖魚適宜生存的溶解氧范圍不同，具體魚種對水體的含氧需求如表1所示[8]。

表1　魚蝦類對水體溶氧量的適應情況表　mg/L

進入自動模式后,HMI界面將提示用戶選擇養殖魚種類，用戶選擇完成后，控制系統開啟自動監控增氧模式。

2.2.2程序設計

程序設計步驟如下：

(1) 模擬量模塊設置：首先，打開XC系列編程軟件，添加對應PLC類型，在左側工具欄左鍵雙擊打開擴展模塊設置。在擴展模塊界面讀取添加XC-E4AD模塊，設置通道1、2為4 mA～20 mA輸入模式，1/2濾波[9]。完成設置后點擊寫入PLC即可，具體設置如圖5所示。

圖5　模擬量模塊設置示意圖

(2) PLC程序設計：PLC通過模擬量模塊讀取到溶氧量傳感器的檢測信號，經過PLC的處理運算，在自動模式下自動控制增氧機啟停，在手動模式下人為控制增氧機的啟停、頻率和執行時間。

PLC控制參考程序如下：

LDM8000//運行監視MOVID100D6//將ID100的值賦給D6MOVK6553D8//將K6553的值賦給D8MOVK8191D9//將K8191的值賦給D9MOVK9828D10//將K9828的值賦給D10MOVK13106D11//將K13106的值賦給D11MOVK14744D12//將K14744的值賦給D12MOVK0D13//將K0的值賦給D13LD=D6D13//當D6=D13時起始觸點接通OUTT1K100//驅動T1開始計時,計時100sLDT1//當T1完成計時觸點接通OUTY6//驅動Y6輸出線圈LDM0//當M0觸點接通ANIM1//串聯常閉觸點M1未通電LDM2//并且M2觸點接通ORM3//或M3觸點接通ORM4//或M4觸點接通ANB//用于兩個或兩個以上觸點并聯在 一起的回路的串聯操作OUTY0//驅動Y0輸出線圈OUTY1//驅動Y1輸出線圈OUTY2//驅動Y2輸出線圈LDM21//當M21觸點接通MCS//MCS主控LDD6D9//或當D6>D9時觸點接通RSTM2//把M2復位MCR//MCR主控復位LDM22//當M22觸點接通MCS//MCS主控LDD6D11//或當D6>D11時觸點接通RSTM3//把M3復位MCR//MCR主控復位LDM23//當M23觸點接通MCS//MCS主控LDD6D12//或當D6>D12時觸點接通RSTM4//把M4復位MCR//MCR主控復位LDM1//當M1觸點接通ANIM0//串聯常閉觸點M0未通電MCS//MCS主控LDIM10//并且常閉觸點M10未通電OUTY0//驅動Y0輸出線圈

OUTY3//驅動Y3輸出線圈LDPM8013//以1s的頻率周期震蕩ANIM15//并串聯的常閉觸點M15未通電時INCD2//D2自加一MCR//MCR主控復位LD=D2K60//當D2=60時INCD1//D1自加一RSTD2//把D2復位LD=D1K60//當D1=60時INCD0//D0自加一RSTD1//把D1復位LD=D0D3//當D0=D3時觸點接通AND=D1D4//當D1=D4時串聯觸點接通AND=D2D5//當D2=D5時串聯觸點接通OUTM10//驅動M10輸出線圈ZRSTD0D5//將D0-D5區間復位OUTM15//驅動M15輸出線圈LDM5//當M5觸點接通ANIM1//串聯常閉觸點M1未通電ZRSTD0D5//將D0-D5區間復位

3　結論

水體自動增氧控制系統的成功開發，解決了水產養殖自動化、規模化的關鍵環節。系統的成功研制，有效地解決了養殖戶憑經驗盲目增氧、費時費力的問題。精準調控養殖水體溶解氧含量的實現，保障了養殖魚的生長環境，控制了養殖魚的死亡率，從而實現養殖戶的高產增收的目的。

參考文獻：

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[5]信捷.XC系列PLC可編程控制器用戶手冊(硬件篇)[EB/OL].[2014-06-16].http://www.xinje.com/Ch/DownView.asp?

[6]王紅育.變頻調速原理及使用中注意事項[J].現代制造技術與裝備,2005(2):60-61.

[7]卜玉明.智能儀表測量信號的標度變換及實現[J].自動化儀表,2000,21(2):47-48.

[8]中國水產養殖網.水產養殖戶必須掌握的水質指標[EB/OL].[2015-04-07].www.shuichan.cc/article_view-32774.html.

[9]信捷.XC系列PLC可編程控制器用戶手冊(軟件篇)[EB/OL].[2014-06-17].http://www.xinje.com/Ch/DownView.asp?