適用于農業物聯網教學的養殖過濾裝置設計

邢博聞，楊柳，孫青

（上海海洋大學工程學院，上海 202010）

1 引言

隨著經濟的不斷發展，現代漁業的發展至關重要，與人民生活息息相關。漁業結構的不斷改革創造了經濟效益，但是同時帶來了一系列環境問題。傳統的水產養殖業存在著水域環境惡化、養殖設施陳舊、養殖災害頻發等問題，導致水產品質量安全隱患增多，水產養殖發展與資源、環境的矛盾不斷加劇[1]。而且傳統的養殖模式單一，以分散養殖為主，可復制性差，環境污染大，不確定性大。因此，改造提升傳統水產養殖業，大力發展生態養殖模式至關重要。

伴隨現代漁業養殖規模的不斷擴大，需要越來越完善的設備來保持良好的養殖水質[2]。當把魚放入池內時，魚產生的排泄物，加上過量地投食餌料，產生的氨氮物質集聚池內，就會污染池內環境，魚類餌料和排泄物等大顆粒雜質會加速水質惡化；而養殖水中氨氮過量會給水產養殖帶來諸多危害。當氨（NH3）通過鰓進入水生生物體內時，會直接增加水生生物氨氮排泄的負擔，氨氮在血液中的濃度升高，血液pH 隨之上升，水生生物體內的多種酶活性受到抑制，血液的輸氧能力降低，鰓表皮組織被破壞，水生生物因氧氣和廢物交換不暢而出現窒息。此外，水中氨濃度高也影響水對水生生物的滲透性，降低生物體內部離子濃度。

顯然，及時控制養殖水中的氨氮含量和過濾大顆粒雜質十分重要，但是目前的一些過濾裝置只能過濾水中較大的顆粒物質，或者用于過濾氨氮物質的結構復雜，且不能循環利用，維護頻繁、成本高，因此開發一種結構簡單、易于維護、可重復利用的循環淺水養殖系統的生物過濾裝置，持續吸收氨氮和過濾普通大顆粒的雜質是至關重要的。

2 硬件設計

該養殖過濾裝置通過內置水生植物的翅形網箱對養殖池塘水中的氨氮和普通大顆粒的雜質進行持續的吸收和過濾，增加水中含氧量，水生植物生長好，同時，通過氨氮檢測傳感器持續獲得水中氨氮含量，并據此控制滾軸轉動，進而精準控制養殖池塘中的氨氮含量。另外，該發明結構合理、成本低廉、自動控制精確，減少無用功，可對不同氨氮污染程度的水體進行凈化處理，適于各種淺水水產品養殖，具有顯著的進步性和實用價值。

2.1 總體設計

適用于農業物聯網課程教學的循環淺水養殖系統的養殖過濾裝置，在外觀設計上包括：養殖池塘、隔墻、過濾機構、沖刷槽和支撐架。如圖1 所示，養殖池塘隔成呈環形跑道式設置，沿長度方向設有隔墻，使得養殖池溏內的水沿環形跑道循環流動。沖刷槽與養殖池塘獨立并相鄰設置，過濾機構通過支撐架跨裝在沖刷槽和養殖池塘上，養殖池塘內的水具有一定流速并流經垂直于水中的過濾裝置的網箱。過濾裝置的寬度與養殖池溏的寬度相匹配，養殖池塘的水通過吹水機控制進水速度，流過過濾裝置，增加水中的含氧量。

圖1 總體設計

2.2 過濾裝置

過濾裝置的結構設計圖如圖2 所示，過濾裝置包括支撐架、滾軸和4 個翅形網箱，考慮到支撐架的穩固性和適配性，支撐架為以一橫邊作為支撐底邊的三角形支架，兩個氨氮檢測傳感器分別安裝在三角支架的兩側邊上并且沒入水中，數據傳輸模塊安裝在三角支架的任一側邊上，采用三角形支架減少了占用的空間，同時，便于與養殖池塘側壁相結合。滾軸上設有軸向設置的滑道，翅形網箱上設有與滑道相配合的滑軌，翅形網箱通過滑軌與滑道相契合來固定在滾軸上。滾軸兩端分別通過支撐架跨裝在沖刷槽和養殖池塘上，4 個翅形網箱呈“十字”狀連接在滾軸上并且可隨著滾軸的轉動而轉動，同時，滾軸在軸向方向上分別與翅形網箱可滑動連接,養殖池塘內的水具有一定流速并流經垂直于水中的所述翅形網箱，翅形網箱內設有可吸收氨氮的水生植物。當氨氮過濾效果不好時，滾軸轉動，以更換用于水中過濾的翅形網箱，使得垂直于養殖池塘水中的翅形網箱翻轉至水平位置后沿滾軸滑動至沖刷槽處進行刷洗，同時，原本位于水平位置的翅形網箱翻轉至垂直于養殖池塘中的水流，繼續對養殖池塘內的流動水進行過濾。

圖2 過濾裝置的結構設計圖

2.3 主控模塊

為了實現自動控制，該裝置采用PLC 來控制電機，PLC 型號為三菱FX1N-24MR-001。過濾裝置的滾軸一端與PLC 控制電機驅動連接，通過PLC 控制電機帶動滾軸轉動，從而帶動翅形網箱圍繞滾軸轉動，還通過數據傳輸模塊分別與氨氮檢測傳感器、PLC 控制電機通訊連接，通訊連接采用4G 網絡技術實現與氨氮檢測傳感器、PLC 控制電機的信息遠程傳輸。該過濾裝置的生物過濾控制方法具體包括如下步驟：

（1）進行系統初始化設置。

（2）獲取兩個氨氮檢測傳感器的數據信息，并將數據信息與預設氨氮含量值和預設氨氮含量差值進行比較。

（3）當測得的數據信息皆大于預設氨氮含量值和預設氨氮含量差值時，進入步驟（4）；否則，進入步驟（2）。

（4）PLC 電機控制滾軸轉動90°，則翅形網箱隨之轉動，使得垂直于養殖池塘水流的翅形網箱翻轉至水平位置。同時，原本位于水平位置的翅形網箱翻轉至垂直于養殖池塘水流，繼續對養殖池塘內的流動水進行過濾。

（5）處于水平位置的翅形網箱平移到沖刷槽處進行沖刷。

（6）若翅形網箱到達沖刷槽處，開始沖刷翅形網箱，并將沖刷完成后的翅形網箱平移至原處，進入步驟（2）；否則，進入步驟（5）。

3 軟件設計

3.1 Gx Developer 軟件簡介

Gx Developer 是用來對三菱公司的PLC 進行program 的創建、編輯、監控、檢測、更改以及I/O 分配、特殊模組、CC-LINK 與網絡的參數設置、程式仿真的軟件。在該軟件中，程式文件是以一個工程文件方式來建立的，所以所有的步驟都是對工程文件進行操作。經過Gx Developer 軟件的程式建立、編輯，各種模組使用參數設置，如連線設置、數據傳送、在線仿真等功能。

3.2 梯形圖程序簡介

梯形圖是一種從繼電接觸控制電路圖演變而來的圖形語言。它是借助類似于繼電器的動合、動斷觸點、線圈以及串聯并聯等術語和符號，根據控制要求連接而成的表示PLC 輸入和輸出之間邏輯關系的圖形，直觀易懂[3]。

梯形圖中常用圖形符號分別表示PLC 編程元件的動合和動斷觸點，用“ ”符號來表示他們的線圈。梯形圖中編程元件的種類用圖形符號及標注的字母或數加以區別。觸點和線圈等組成獨立電路稱為網絡，用編程軟件生成的梯形圖和語句表程序中有網絡編號，語序以網絡為單位給梯形圖加注釋[4]。

梯形圖的設計應該注意到梯形圖從左到右、自上而下的順序排列，每一行邏輯（或稱梯級）起始于左母線，然后是觸點的串、并聯連接，最后是線圈。梯形圖中每個梯級流過的不是物理電流，而是“概念電流”，從左向右，其兩端沒有電源[4]。梯形圖示例如圖3 所示。

圖3 梯形圖程序示例

4 結語

適用于農業物聯網課程教學的循環淺水養殖系統的養殖過濾裝置通過內置水生植物的翅形網箱持續吸收氨氮和過濾雜質，增加池塘中水的含氧量，通過氨氮檢測傳感器持續獲得水中氨氮含量以控制滾軸轉動，氨氮含量控制精準，適用于各種淺水養殖，清理不同污染程度的氨氮。該裝置采用PLC 作為硬件控制平臺，當安裝在支架兩側邊上的氨氮傳感器所測的數據比預設的氨氮含量值和氨氮含量差值皆大的時候，通訊模塊將數據傳給上位機，然后PLC 控制滾軸轉動，從而將翅形網箱翻轉90°，原本位于水平位置的翅形網箱翻轉至垂直位置，原本位于垂直位置的翅形網箱翻轉至水平位置。之后處于水平位置的翅形網箱平移到沖刷槽進行沖洗，沖洗干凈后平移到原位。

該文以PLC 作為設計的硬件平臺，以Gx Developer 為軟件平臺開發了適用于農業物聯網課程教學的循環淺水養殖系統的生物過濾裝置，且完成了循環淺水養殖系統中過濾裝置控制系統的各個任務功能要求，滿足了結構簡單、易于維護、可重復利用以及可持續吸收氨氮和過濾普通大顆粒的雜質的要求，并根據實際要求對一些硬件設施進行了調試。