基于PLC和LabVIEW的魚菜共生實驗系統(tǒng)設(shè)計

剛營營 林少涵 劉美棱 郭金鑫 王魏

摘要：為控制養(yǎng)殖水體污染，維護水體生態(tài)平衡，實現(xiàn)水體的良性循環(huán)，提出一種利用PLC和LabVIEW實現(xiàn)魚菜共生實驗系統(tǒng)控制的方法。該方法用西門子S7-1500 PLC編程，實現(xiàn)對現(xiàn)場多種傳感器和執(zhí)行設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和自動控制，同時利用LabVIEW編程開發(fā)友好的人機界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、存儲查詢及分析處理等功能，最后通過OPC通信技術(shù)完成實時數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了對魚菜共生系統(tǒng)的監(jiān)控。經(jīng)過測試，目前該實驗系統(tǒng)已完全達到設(shè)計要求，能夠完成數(shù)據(jù)的采集與存儲，顯示與控制功能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：魚菜共生;PLC;LabVIEW;養(yǎng)殖水體

養(yǎng)殖水體中魚類排泄物、魚餌飼料殘渣等的累積會使水體中的氨氮不斷增加，毒性逐步增大影響魚類健康。硝化細菌可以將水中的氨氮分解成蔬菜好吸收利用的營養(yǎng)鹽類。蔬菜在生長的同時凈化了水質(zhì)，改善了魚類生長環(huán)境[1]。為進一步研究魚菜共生系統(tǒng)的工作原理，保證水產(chǎn)養(yǎng)殖和無土栽培兩個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本文借鑒其他領(lǐng)域的應(yīng)用[2，3]，開發(fā)了基于PLC和LabVIEW 圖形化語言的魚菜共生實驗系統(tǒng)。通過上、下位機的通訊，實現(xiàn)對魚菜共生系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測、啟停控制、故障報警及數(shù)據(jù)查詢等功能，為下一步魚菜共生系統(tǒng)水質(zhì)影響因素及優(yōu)化控制的研究奠定了基礎(chǔ)。

一、系統(tǒng)整體方案設(shè)計

整個魚菜共生系統(tǒng)由上位機PC監(jiān)控和下位機采集控制組成。PC端監(jiān)控設(shè)計主要采用LabVIEW軟件，STEP7軟件和MySQL數(shù)據(jù)庫。采集控制端主要由西門子S7-1500 PLC和各類傳感器構(gòu)成。PLC主要負責(zé)控制水循環(huán)、采集傳感器數(shù)據(jù)信號，實現(xiàn)遠距離操作。上位機和下位機之間的實時通訊采用的是OPC通信協(xié)議。

二、魚菜共生系統(tǒng)硬件組成

硬件系統(tǒng)主要包括水箱和PLC控制柜兩部分。其中水箱主要由養(yǎng)菜水箱、養(yǎng)魚水箱、過濾水箱和硝化細菌處理水箱組成。實體搭建水箱時，由于所需水環(huán)境，養(yǎng)分和微生物濃度均不同，所以魚池和菜池分離。下層設(shè)置的是魚池，上層設(shè)置的是菜池。魚池選擇大金屬箱，池底平坦方便清潔，保證安全。菜池選擇塑料箱，耐久度高。菜池的土壤采用的是水草泥，相比于其他土壤，水草泥能防止水質(zhì)變色或渾濁，保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定[4]。

PLC控制柜主要由空氣開關(guān)、開關(guān)電源、PLC、電磁繼電器及接線端子等組成。220V 交流電接入控制柜內(nèi)，通過空氣開關(guān)控制PLC電源，由PLC控制繼電器的開關(guān)，進而控制加熱，光照，電磁閥、增氧泵和抽水泵等部件。魚菜共生系統(tǒng)使用的PLC型號是西門子S7-1500，PLC需要持續(xù)穩(wěn)定的24V DC供電，使用開關(guān)電源將實驗室的220V AC轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的24V DC輸出。系統(tǒng)的信號采集傳輸模塊采用WTW儀器，使用3組探頭將信號傳送至儀器中心，再由儀器中心將信號轉(zhuǎn)換為4-20mA標準電流信號傳送至PLC。

三、魚菜共生系統(tǒng)軟件組成

魚菜共生系統(tǒng)軟件分模塊進行設(shè)計，主要有控制器模塊、人機交互界面設(shè)計以及上位機和下位機的通訊協(xié)議。通訊協(xié)議采用OPC標準，通過COM、DCOM接口與計算機相連接，完成圖形，文本等信息的交互。西門子新型的S7-1500控制器支持TIA portal軟件，可以實現(xiàn)控制程序和畫面監(jiān)控。但為了實現(xiàn)更多、更簡便的功能，更美觀的畫面，本系統(tǒng)選擇LabVIEW開發(fā)環(huán)境，它滿足搭建魚菜共生系統(tǒng)監(jiān)控平臺需要的各種控件與功能，并且快速簡便，與WinCC有著異曲同工之妙，可以實現(xiàn)替換。通過在TIA Portal中設(shè)置變量，添加程序，并且下載程序到S7-1500 PLC控制器，傳輸變量數(shù)據(jù)到OPC服務(wù)器，LabVIEW通過自帶的通道讀取并把值送回OPC服務(wù)器，實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)流的完整流通。

（一）PLC程序設(shè)計

對PLC的AI模塊從傳感器讀取到的數(shù)據(jù)，首先設(shè)置通道信號，再通過指令里的Scale函數(shù)，選擇溶解氧、溫度、電導(dǎo)率、pH四個通道的信號值，已知量程值，轉(zhuǎn)換成最終的工程值。

在手動控制下，遵循實際泵與閥的開啟順序，防止錯誤操作，所以開啟時先開閥再開泵，關(guān)閉時則先關(guān)閉泵再關(guān)閉閥，具體操作可以通過設(shè)置M中間變量實現(xiàn)。

自動控制與手動控制一樣，泵和閥的開關(guān)有順序，需要進行TON延時。限值報警通過IN_Range和OUT_Range函數(shù)實現(xiàn)。

（二）LabVIEW程序設(shè)計

LabVIEW監(jiān)控端設(shè)計的人機交互界面包括監(jiān)測項目和控制方式等，主要實現(xiàn)電導(dǎo)率、pH、溶解氧、溫度四個值的實時監(jiān)測，控制方式分為手動和自動，當(dāng)處于自動模式時，手動按鈕無效。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出值域時，蜂鳴器報警提示，顯示提醒文字，提醒操作人員采取相應(yīng)措施，否則可能會對魚菜共生系統(tǒng)造成損失，實時監(jiān)測與遠程監(jiān)控保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時降低了人工勞動力，提高了工作效率。

經(jīng)過聯(lián)機測試，本魚菜共生系統(tǒng)能夠采用TIAportal軟件進行PLC程序編制和調(diào)試，利用OPC服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，通過LabVIEW進行可視化展現(xiàn)，很好的搭建出了魚菜共生的模擬環(huán)境。

四、結(jié)論

魚菜共生系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，本文以西門子S7-1500控制器為核心，采用LabVIEW設(shè)計了監(jiān)控畫面，在實驗室進行了小型系統(tǒng)運行試驗，形成了一套高可靠性的智慧循環(huán)系統(tǒng)，論證了方法的可行性。下一步工作將根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，結(jié)合農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，提出一種特定的魚菜比例選擇策略，為進一步推廣魚菜共生系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]饒偉，李道亮，位耀光，楊衛(wèi)中.農(nóng)循環(huán)水養(yǎng)殖新模式-魚菜共生系統(tǒng)[J].中國水產(chǎn)，2017，5：76-79.

[2]劉少清等.基于LabVIEW和PLC的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2018：1-4.

[3]孫小明等.基于LabVIEW和PLC的礦井排水泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].化工礦物與加工，2017：32-39.

[4]張明華等.魚菜共生技術(shù)及系統(tǒng)工程研究[J].農(nóng)業(yè)科技增效與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展，2003：265-272.