PLC在魚卵孵化系統中的應用

伍仕焱

摘要：隨著科技社會的進步，PLC控制系統在循環水養殖系統中應用的越來越廣泛，PLC控制系統可以時時監測循環水養殖系統中各項影響水質因子的變化，如溶氧、pH、溫度等關鍵參數。通過對循環水孵化冷水魚魚卵系統的介紹，詳細描述了設計原理、控制理念、軟硬件設計結構，實現了系統的邏輯控制、安全控制、故障報警顯示，以及通過遠程電腦如何控制PLC系統。

關鍵詞：工廠化循環水;PLC;自動控制;孵化系統

中圖分類號：S969 ? ? 文獻標識碼：A

1 ?PLC系統概述

隨著我國漁業的高速發展，“綠水青山就是金山銀山”的理念已深入人心，養魚的同時也要注意對環境的保護。循環水系統的建立恰好符合當代養魚的理念，既可以把現代化的技術應用于養魚，又可以有效保護環境，是現代化養魚的首選。PLC是一種用于工業自動化控制的專用計算機，其與電腦的控制程序一樣，采用一類可編程的存儲器用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。通過將PLC控制程序應用于循環水孵化系統中，孵化所需要的關鍵性指標實現自動化控制，提高孵化率，減少人工，降低成本，真正把漁業推入現代化進程。

將s7-200 PLC應用于孵化系統中，其工作原理為：通過系統中安裝的電磁閥或者調節閥等感應探頭傳送回來的標準信號經過A/D轉換模塊送到現場控制單元（PLC），經過PID運算后形成控制信號，控制信號再經過D/A轉換模塊返送到現場執行單元，對孵化系統的水溫、pH、溶氧進行實時監控，達到自動化控制的目的。

2 ?系統的工藝設計和整體控制方案

2.1 ?工藝設計

本系統采用循環水系統設計工藝，可以提高孵化率、降低魚卵畸形率，節水且污染小，遵循自動化程度高的設計理念。主要由孵化槽、機械過濾器、集水坑、回水泵、滴濾器、上水箱、紫外線濾器、制冷機等設備組成，系統中的實時監控傳感器由氧氣傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、液位傳感器等組成。該系統設計溫度為5℃～8℃，總水流為4 m3/h，每天最大換水量3 m3，水在孵化槽內最大停留時間為12 min，補充的新水為井水。

系統運行前，先用pH為4的鹽酸整體消毒，然后用井水稀釋至pH為7以上，最后將消毒水排出系統。選用虹鱒3倍體魚卵作為孵化對象，3倍體魚卵從丹麥購買，經消毒后放入系統。工藝流程如圖1所示。

系統運行時，首先將井水注入集水坑1中，當集水坑1蓄滿水后打開回水泵，回水泵的水先經過滴濾器進行生物處理后注入到上水箱中，當上水箱中的水蓄滿后打開孵化槽的手動開關，上水箱的水經過紫外線殺毒后流入孵化槽，孵化槽中的水溢流后通過管道進入機械過濾器，孵化魚卵產生的卵膜等雜質在機械過濾器中被過濾掉，然后被排出系統外，最后水再次回流到集水坑1，完成一次循環。

2.2 ?系統的整體控制方案

本套孵化系統以PLC為核心，利用傳感器自動檢測系統當中的水溫、水位、溶氧、pH，以上監測的數據均為模擬量，因此采用PLC的A/D轉換模塊收集模擬數據，再轉換成具體的數據反饋給PLC，PLC根據傳感器收集到的數據進行計算，經D/A轉換后讓系統中的設備執行參數命令，使其與系統的設定值達到一致。PLC通過采集輸入和輸出點的信號監控安裝在系統內的設備，并在顯示面板上用具體的數字顯示出來。PLC通過控制安裝在系統內的控制單元完成系統的自動化控制。系統整體方案如圖2所示。

可以通過PLC控制面板查看報警的種類，并根據實際情況處理相關問題。綜上所述，PLC在這個系統中起到了各功能監測保護、系統故障診斷、自動化控制等重要作用。

3 ?控制系統的設計

3.1 ?系統的硬件設計

本系統選用的是西門子PLC S7-200作為控制核心，控制系統包括總控制柜、分布控制柜、儀器儀表等，用于控制系統的正常運行。同時配備了3個EM231熱電偶模塊、3個EM231模擬量輸入模塊、3個EM232模擬量輸出模塊、1個EM223數字量輸入輸出模塊，可滿足控制系統的要求。系統中還安裝了1個pH傳感器、1個溫度傳感器、2個液位傳感器、1個氧氣傳感器12個電磁閥、1臺循環泵、1個流量計、1臺制冷機、1臺機械過濾器、1個報警器、1個西門子觸摸屏等其他輔助設備[1]。

3.2 ?PLC系統輸入/輸出

本系統一共設計了16個數字量輸入、21個數字量輸出、13個模擬量輸入、2個模擬量輸出。輸入/輸出簡圖如圖3所示。

3.3 ?系統的軟件設計

此套孵化系統的軟件設計由以下部分組成：主程序1個和初始化子程序9個，包括子程序1集水坑1水位;子程序2機械過濾器反沖洗;子程序3注入新水;子程序4上水箱水溫調節;子程序5溶氧調節;子程序6PH調節;子程序7故障報警及顯示;子程序8中斷程序1;子程序9中斷程序2。

系統主程序開始運行時，首先檢檢測集水坑1中的水位，水位低于開啟回水泵的液位，系統中的回水泵就停止工作并報警;如果水位正常，回水泵正常啟動。接下來依次開啟集水坑1水位、新水注入子程序、機械過濾器反沖洗子程序、水溫控制子程序、溶氧控制子程序、pH控制子程序。各子程序之間相互獨立、互不干擾。系統有手動和自動兩種模式，當電控柜上的控制旋鈕處于某項子程序自動控制狀態時，PLC執行自動控制程序;當控制旋鈕處于某項子程序的手動控制狀態時，系統持續執行手動狀態的命令，直到系統中的某項輸出值達到報警值，此時報警響起，并在PLC面板上顯示哪個設備報警[2]。

下面以pH控制子程序、水位控制子程序、溫度控制子程序和溶氧控制子程序為例，講解PLC如何在整個系統中發揮作用。

3.3.1 ?pH控制子程序

在集水坑1中安裝有在線式pH傳感器，假如設定的pH值為7.0，啟動值為±0.2，當pH傳感器監測到pH值>7.2時（孵化只考慮降低pH），pH傳感器將收集到的信號經PID運算后反饋給PLC，PLC再將信號傳遞給加酸泵，加酸泵向集水坑1中注入稀釋后的鹽酸，當pH降低至7.0時，pH傳感器再次將信號傳遞給PLC，PLC根據反饋的信息向加酸泵發出停止加酸的指令，如此往復實現系統pH的自動調節。當pH高于或者低于設定值時均會觸發報警。

3.3.2 ?水位控制子程序

在集水坑1中安裝有三個類型的水位傳感器，第一種是當集水坑1中水位達到最低，回水泵停止運行并報警;第二種是水位高于最低位置的水位傳感器但沒有達到中間水位傳感器的位置，此時注入新水，不報警;第三種是水位高于中間位置傳感器，停止加新水;當水位高于最高位置水位傳感器時，高液面報警。如此往復實現水位的自動控制。

3.3.3 ?溫度控制子程序

在上水箱中安裝有溫度傳感器，假如設定溫度值為5℃，啟動值為±0.2℃。當溫度>5.2℃時，溫度傳感器將收集到的信號傳遞給PLC，PLC將啟動信號傳遞給制冷機，此時制冷機啟動制冷。當溫度達到5℃時制冷機停止制冷;當溫度<4.8℃時，安裝在集水坑1中的加熱棒開始工作，當溫度達到5℃時加熱棒停止工作。系統中設置有高溫和低溫報警，達到高、低溫報警的設定值，系統自動報警。

3.3.4 ?溶氧控制子程序

在上水箱中安裝有氧氣傳感器，假設設定的氧氣值為9.0，啟動值為±0.2，那么當溶氧<8.8時，PLC向加入氧氣的電磁閥發出指令，此時開始加入氧氣，當氧氣達到設定的9.0時，PLC再次向電磁閥發出指令，停止加氧。如此往復完成養殖的自動化控制。當氧氣達到高氧或者低氧報警值時報警響起。

4 ?結束語

本文講述了PLC控制系統在孵化系統中的應用，分兩次向系統中放入魚卵，測試系統的穩定性和實用性。2015年10月放入3倍體虹鱒魚卵65000粒，上浮58200尾，孵化率89.53%;2015年11月放入3倍體虹鱒魚卵65000粒，上浮59000尾，孵化率90.76%。經過測試，取得了良好的效果。PLC在工廠化循環水養殖系統中的應用實現了自動化控制，系統穩定性高、安全可靠、便于維護，能夠精準測量和控制影響孵化過程中的不利因子，提高孵化率和減少畸形率，值得推廣和應用。

參考文獻

[1]劉雨青，吳燕翔，吳曉棟.工廠化養殖循環水處理控制系統的設計[J].科學技術與工程，2012（7）：1526-1530.

[2]吳燕翔，胡詠梅，劉雨青.基于PLC循環水養殖溫控系統的設計[J].科學技術與工程，2011（20）：4734-4739.