基于PLC的對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)設計

黃勝維 陳麗城 農燕林 何金秋 譚嬌蘭

摘要：傳統(tǒng)的水產養(yǎng)殖存在資源消耗大、產量低、人力成本高等缺點。本文設計了一款基于三菱可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，的對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)。研究了當前水產養(yǎng)殖方式的背景，分析了對蝦養(yǎng)殖的環(huán)境條件及要求;明確了養(yǎng)殖系統(tǒng)的功能需求，提出基于PLC的工廠化養(yǎng)殖的控制系統(tǒng)，完成了對蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)的設計與搭建工作。通過實際測試驗證了系統(tǒng)的有效性，為進一步實現對蝦養(yǎng)殖自動化奠定基礎。

關鍵詞：循環(huán)水控制;三菱PLC;溫度控制

引言

20世紀70年代，國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的信息已經流入國內，北京、上海等各地的水產研究院、中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所等先驅者開始跟蹤研究，但那時并沒有出現真正意義上的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖。20世紀80年代，國外的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖設備和技術開始進入中國，但因當時的設備價格昂貴，養(yǎng)殖方式無法大規(guī)模普及。隨著當時物流業(yè)的迅速發(fā)展，我國北方的水產品價格大幅下跌，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖方式帶來的經濟收益受到了嚴重質疑，從而使其發(fā)展進入了低谷[1]。到了21世紀后，隨著經濟的發(fā)展，全國各地興起了很多水產養(yǎng)殖示范區(qū)，國家有關科研計劃大力支持工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的研究，并取得了重要的階段性成果。后自主研發(fā)適合我們國家國情的養(yǎng)殖設備，如微濾機、臭氧發(fā)生器、蛋白分離器等，逐步完善養(yǎng)殖技術和工藝。

一、研究內容及方法

以南美對蝦為例：設置養(yǎng)殖池尺寸為4m*5m，深度1.4m。最適生長溫度是23-32℃，生存水溫是10-40℃[2]。最佳的生存水色由綠藻和硅藻形成。在PH值上，對蝦養(yǎng)殖偏向堿性，PH值在7.8到9之間[3]。對蝦的耐鹽性較強，能適應比較高濃度的鹽度，可以適當地增加鹽度有利與對蝦的生長，但養(yǎng)殖水的含鹽度不能浮動過大，否則會傷害到對蝦。池水中往往會存在比較高含量的亞硝酸態(tài)氨、銨態(tài)氮和硫化氫等物質。這些物質的存在會嚴重影響到對蝦的生長，必須將其物質控制在0.5毫克每升左右。

本設計以三菱可編程控制器為系統(tǒng)的控制中心，在觸摸屏上我們選擇昆侖通泰觸摸屏進行監(jiān)控與交互。該系統(tǒng)可實現機電一體化，減少大量人工。水質在線監(jiān)測系統(tǒng)能實時掌握養(yǎng)殖水質環(huán)境信息，并可以根據水質監(jiān)測結果實時調整控制設備，實現水產養(yǎng)殖的科學養(yǎng)殖與管理。利用循環(huán)流水對養(yǎng)殖池使原本靜態(tài)的池水流動起來，保證養(yǎng)殖池體內水質新鮮、高氧量，促進水體中對蝦的良性成長。

二、系統(tǒng)設計分析

液位控制部分：在養(yǎng)殖池的進水和排水的過程中，對養(yǎng)殖池液位[5]部分程序進行判定。當液位過高時，程序打開排水閥，暫時關閉進水泵，在水位下降后，恢復循環(huán)水過程。當養(yǎng)殖池水過少時，液位程序，關斷電磁閥，待池水恢復設定的高度時，再重新開啟。如此一來，既能保證活水的循環(huán)，又能實現對蝦對養(yǎng)殖池的液位需求。

溫控系統(tǒng)：利用PID模糊算法和占空比輸出進行閉環(huán)控制。控制上利用了PID算法[4]，通過對PID參數的調節(jié)，輸出一個合適的值來調節(jié)養(yǎng)殖池的溫度，使溫度穩(wěn)定維持在預設溫度上下。

定時增氧部分：晚上時，池中的溶解氧含量減少，通過TRD指令，將實時時間傳送到程序的寄存器當中，控制增氧機在設定的時間內工作，滿足養(yǎng)殖池的溶解氧含量要求。用戶在觸摸屏可以監(jiān)測到增氧機的工作狀態(tài)，在實時時間到達設定時間段內，增氧機開始工作，反之，當時間未到設定范圍時，增氧機停止工作。

循環(huán)水處理：這一部分是工廠化養(yǎng)殖的核心，當系統(tǒng)啟動后，首先進行初始化，接著養(yǎng)殖池的增氧機開始工作，排水閥開通，污水流經微濾機，然后流入沉淀池，進行雜質過濾。而后通過水泵抽水，將過濾完的水抽到生物凈化池，利用水生物的特性消除對養(yǎng)殖有害物質。再將處理過的水經過臭氧殺菌消毒處理，然后通過熱交換方式，將處理好的凈水進行加溫。最后出水回流到養(yǎng)殖池。在養(yǎng)殖池的進出水中，設置了液位開關，保證養(yǎng)殖池正常的水位。當養(yǎng)殖池水位過高時，液位傳感器將信號發(fā)送到PLC內部進行處理，進水泵停止工作，當水位過低時，電磁閥通過PLC的指令控制關閉。

三、系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)設計實現：通過上位機觸摸屏進行系統(tǒng)控制，在觸摸屏中顯示各個設備的狀態(tài)、實時時間、液位和溫度值曲線等多方面內容。啟動系統(tǒng)后，循環(huán)水系統(tǒng)部分，電磁閥和水泵開始循環(huán)水運作，用戶可以在觸摸屏監(jiān)測到設備的運行狀態(tài)。在觸摸屏上可以更新實時時間，在晚上時養(yǎng)殖池氧氣濃度下降，需設定增氧時間保持氧濃度值。其次可以在觸摸屏觀察液位的高低，當液位異常時，會進行警報。用戶可以在觸摸屏對養(yǎng)殖池進行溫度設定，恒定養(yǎng)殖過程中的水溫。

四、總結

對蝦有較為廣泛的市場前景，近年來，蝦的養(yǎng)殖規(guī)模日漸擴大，對養(yǎng)殖技術提出了更高層次的要求。該控制系統(tǒng)確定科學的養(yǎng)殖模式，通過蝦苗培育、餌料投喂、水質調控、管理等方面技術的提升，營造一個和諧的養(yǎng)殖環(huán)境，使養(yǎng)殖生態(tài)更為平衡，增強對蝦的生命力，提升養(yǎng)殖的成功率，進而促進養(yǎng)殖經濟、環(huán)保效益的提升。與周邊散養(yǎng)對蝦的養(yǎng)殖戶相比，效益提高20%以上，實現了高效低人工的目的。該模式控制了成蝦密度，相對降低了日投餌量，具有污染少、風險小、效益高等特點。

參考文獻：

[1]謝龍.工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式現狀分析[J].當代水產，2019，44（08）：90-91.

[2]詹華山.南美白對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術[J].海洋與漁業(yè)，2020（07）：63-64.

[3]鐘肇新，范建東.可編程程序控制器[M].廣州：華南理工出版社，2003.

[4]班小強.基于PID的溫度控制系統(tǒng)研究與應用[J].時代汽車，2020（21）：25-26.

[5]宋云清.觸摸屏和PLC的液位自動控制在實踐教學中的應用[J].電子測試，2021（05）：17-19.

梧州學院2021年自治區(qū)級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目：對蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)（項目編號：S202111354057）.

作者簡介：黃勝維（2001-），男，漢族，廣西欽州人，本科，學生。研究方向：自動化