基于PLC控制的深水網(wǎng)箱抗風(fēng)浪系統(tǒng)研究

鄭 釗，林壽英

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

深水養(yǎng)殖成活率高，魚類品質(zhì)好，不但提高養(yǎng)殖質(zhì)量和產(chǎn)量，而且促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是漁業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，前景廣闊[1]。深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱由于其本身的結(jié)構(gòu)在平常的天氣可以不受海風(fēng)和海浪的影響，當(dāng)臺(tái)風(fēng)到來(lái)時(shí)，由于風(fēng)大浪大，網(wǎng)箱很容易受海浪沖擊，沖擊嚴(yán)重將導(dǎo)致網(wǎng)箱解體。研究表明，將網(wǎng)箱下沉距離一定水面深處時(shí)，可以根據(jù)波浪強(qiáng)度與水的深度增加呈指數(shù)衰減這一自然規(guī)律，將網(wǎng)箱下沉到水面以下一定高度來(lái)降低臺(tái)風(fēng)帶來(lái)波浪沖擊的影響[2]。因此，養(yǎng)殖人員平時(shí)需要注意網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域的氣候，在臺(tái)風(fēng)到來(lái)之前控制網(wǎng)箱下沉懸浮在距離水面一定高度，來(lái)降低大風(fēng)浪的沖擊。當(dāng)臺(tái)風(fēng)過后控制網(wǎng)箱上浮，回到水面上，便于養(yǎng)殖人員對(duì)魚類的喂養(yǎng)。通過網(wǎng)箱的沉浮實(shí)現(xiàn)抗風(fēng)浪，保證漁業(yè)養(yǎng)殖的安全[3]。

1 網(wǎng)箱主體框架和測(cè)試環(huán)境

深水網(wǎng)箱直徑20m，高10m。為了便于實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究，本次采用直徑為2m，高為1m的縮小版網(wǎng)箱進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，網(wǎng)箱主要由上下兩個(gè)環(huán)形大浮管和中間環(huán)形固定管、底部?jī)筛徊婀堋⒛_架、16個(gè)PE浮筒和浮筒連接立柱組成。底部?jī)筛徊婀茏鳛殡娍叵涞陌惭b固定支架，也對(duì)網(wǎng)箱底部固定起到一定作用。16個(gè)PE浮筒主要用于提供浮力，使得網(wǎng)箱能夠漂浮在水面上。網(wǎng)箱各個(gè)部件的參數(shù)由下表1給出。

表1 網(wǎng)箱各個(gè)部件的參數(shù)

通過表格計(jì)算出網(wǎng)箱總的浮力大約為62.02kg，網(wǎng)箱總的重量為28.85kg，電控箱本身的浮力和重力相差無(wú)幾，這里可以忽略不計(jì)。用于網(wǎng)箱沉浮的水槽高度為2m,直徑為3m。網(wǎng)箱上部加高10cm用于覆蓋漁網(wǎng)部分露出水面。

2 網(wǎng)箱沉浮控制

2.1 網(wǎng)箱沉浮功能實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)箱最上面的圓形大浮管中間隔成四個(gè)部分，互不相通，每個(gè)部分上面有四個(gè)口與氣管相連接，每個(gè)部分下面通過浮筒連接立柱與四個(gè)浮筒連接，將這四個(gè)部分分別命名為浮筒1到4組。網(wǎng)箱最底下的圓形大浮管也同樣隔成四個(gè)部分，每個(gè)部分上面通過浮筒連接立柱與四個(gè)浮筒連接，每個(gè)部分底下與管道相連，管道的出口連接單向閥并安裝在電控箱底部。之所以這樣連接有兩個(gè)目的，第一是電控箱距離單向閥比較近，電纜線從電控箱出來(lái)直接給單向閥供電，走線簡(jiǎn)單，防水措施容易；第二是單向閥在排水的時(shí)候，處在網(wǎng)箱底部中間，水排出來(lái)有向上的力有助于網(wǎng)箱上浮，如果排水口在網(wǎng)箱旁邊就容易因?yàn)榕潘痪鶆驅(qū)е戮W(wǎng)箱上浮過程發(fā)生傾斜。

用于進(jìn)水和排水的4個(gè)電磁閥是單向閥，為了區(qū)別另外4個(gè)用于進(jìn)氣的電磁閥，把進(jìn)水/排水的電磁閥叫做電磁水閥，而用于進(jìn)氣的電磁閥叫做電磁氣閥。水可以從圓形大浮管和浮筒中通過單向電磁水閥排出，而外面的水不能通過單向電磁水閥流進(jìn)去，但由于電磁水閥在水底，外壓大于內(nèi)壓，所以水不會(huì)流出去。正常情況下網(wǎng)箱頂部露出少部分在水面上，當(dāng)網(wǎng)箱需要下沉?xí)r，上位機(jī)發(fā)送打開電磁水閥的信號(hào)給電控箱中的PLC，PLC接收到信號(hào)后打開四個(gè)單向電磁水閥，由于水中的壓力大于浮筒中的氣壓，水就會(huì)通過管道進(jìn)入圓形大浮管和浮筒中，使得整個(gè)網(wǎng)箱的重力大于浮力，網(wǎng)箱開始慢慢下沉，當(dāng)網(wǎng)箱沉入水面的時(shí)候，就可以關(guān)閉單向電磁水閥使得網(wǎng)箱停止進(jìn)水。如果需要網(wǎng)箱上浮，則上位機(jī)發(fā)信號(hào)打開電磁氣閥，然后啟動(dòng)潛水泵，將浮筒中的水抽出，浮筒和圓形大浮管中又被空氣占據(jù)，使得整個(gè)網(wǎng)箱的浮力大于網(wǎng)箱的重力，網(wǎng)箱開始慢慢浮出水面。

2.2 網(wǎng)箱控制系統(tǒng)

網(wǎng)箱采用兩個(gè)PLC控制，一個(gè)放在網(wǎng)箱電控箱里面，為水下電控箱控制器，一個(gè)放在工作臺(tái)電控箱里面，叫水上控制器，兩個(gè)PLC通過型號(hào)為E90-DT的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)相互通訊。水上電控箱控制部分功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水上電控箱控制部分功能結(jié)構(gòu)

圖1 中，可以通過觸摸屏看到網(wǎng)箱的信息參數(shù)，并在上面對(duì)應(yīng)功能區(qū)進(jìn)行操作控制網(wǎng)箱。無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)1號(hào)安裝在工作臺(tái)的電控箱中，與PLC通過串口通訊；浸水報(bào)警器在水下電控箱浸水時(shí)會(huì)接收到信號(hào)并報(bào)警，養(yǎng)殖人員就可以及時(shí)去處理漏水問題。圖2為水下電控箱控制部分功能結(jié)構(gòu)。

圖2 水下電控箱控制部分功能結(jié)構(gòu)

圖2 中，水下PLC通過無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)2號(hào)傳輸數(shù)據(jù)給無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)1號(hào)，水上PLC讀取數(shù)據(jù)后傳到上位機(jī)和觸摸屏上。傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)由EM AE08模擬量擴(kuò)展模塊采集，然后由水下PLC傳給水上PLC，再由水上PLC傳輸?shù)娇梢暬缑嫔巷@示。電磁閥包括4個(gè)電磁水閥和4個(gè)電磁氣閥，只有在網(wǎng)箱需要下沉?xí)r，才打開電磁水閥，水進(jìn)入浮筒中網(wǎng)箱下沉，通過控制電磁氣閥、電磁水閥和潛水泵三者之間配合，使網(wǎng)箱懸浮在一定水位高度后，就可以將這三者關(guān)閉；而網(wǎng)箱上浮時(shí)，只需打開電磁氣閥和潛水泵，將浮筒中的水抽出，浮筒中的空間又被空氣占據(jù)，網(wǎng)箱上浮穩(wěn)定后關(guān)掉潛水泵和電磁氣閥。因此，只有在網(wǎng)箱沉浮的過程中它們才工作，平常情況它們都處于斷電狀態(tài)，不會(huì)消耗電能。

2.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏作為可視化界面，不僅可以監(jiān)測(cè)網(wǎng)箱的各種參數(shù)并將需要的參數(shù)顯示在觸摸屏的界面上，還能通過界面上的按鍵來(lái)控制網(wǎng)箱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能控制。傾斜監(jiān)控指示燈可以直觀的看出網(wǎng)箱是否傾斜，若網(wǎng)箱傾斜角度達(dá)到一定數(shù)值，這里設(shè)置為大于5°時(shí)表示傾斜明顯，則對(duì)應(yīng)方向的指示燈會(huì)變成紅色。傾斜監(jiān)控中的1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)1、2、3、4組浮筒，1組和2組浮筒和陀螺儀X相關(guān)，3組和4組與陀螺儀Y軸相關(guān)。緊急急停功能主要用于調(diào)試過程中發(fā)生意外情況時(shí)進(jìn)行急停。浮筒1水位對(duì)應(yīng)的是浮筒1組上面兩個(gè)浮筒注水高度。

3 網(wǎng)箱沉浮測(cè)試

在進(jìn)行網(wǎng)箱的沉浮測(cè)試中，正常情況下網(wǎng)箱頂部露出一小部分漂浮在水面上，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送下沉命令給水下電控箱打開電磁水閥，水進(jìn)入網(wǎng)箱上的浮筒中，網(wǎng)箱開始下沉。受實(shí)驗(yàn)條件影響，這里設(shè)定下沉的深度為40cm。通過潛水泵、電磁水閥和電磁氣閥三者之間相互配合調(diào)節(jié)，使得網(wǎng)箱懸浮在一定高度的水中。網(wǎng)箱底部中間白色部分為水下電控箱。因?yàn)榫W(wǎng)箱懸浮，左右不受力，而水面水流的沖擊力使得網(wǎng)箱偏到水槽的另一邊。

當(dāng)網(wǎng)箱需要下沉懸浮抵御臺(tái)風(fēng)時(shí)，設(shè)定網(wǎng)箱下沉40cm，點(diǎn)擊下沉，通過PID調(diào)節(jié)后，網(wǎng)箱懸浮在距水面高度41.70cm處，與設(shè)定的40cm相差較小，故認(rèn)為控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)箱懸浮控制。測(cè)得陀螺儀X軸沒有偏移，即1組浮筒和2組浮筒處于平衡，Y軸有0.92°的偏差，即4組浮筒高于水平面0.92°，不過數(shù)值較小，可忽略不計(jì)，當(dāng)偏移超過5°才認(rèn)為網(wǎng)箱失去平衡，故可以認(rèn)為網(wǎng)箱是處于平衡狀態(tài)沒有發(fā)生傾斜。

當(dāng)網(wǎng)箱需要上浮時(shí)，只需點(diǎn)擊界面上的上浮功能，水下電控箱控制器打開電磁氣閥，潛水泵將浮筒中的水抽出，空氣進(jìn)入浮筒中，使得網(wǎng)箱浮力大于重力，網(wǎng)箱就逐漸浮出水面。待水抽完就可以關(guān)掉潛水泵和電磁氣閥。如圖4網(wǎng)箱浮出水面界面所示。

圖3 網(wǎng)箱懸浮控制界面

圖4 網(wǎng)箱浮出水面界面

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過對(duì)深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱在面對(duì)臺(tái)風(fēng)天氣時(shí)，養(yǎng)殖人員的遠(yuǎn)程操控進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。通過觸摸屏界面遠(yuǎn)程控制網(wǎng)箱系統(tǒng)的下沉和上浮，下沉?xí)r網(wǎng)箱可以懸浮在設(shè)置的液位高度中。在網(wǎng)箱下沉與上浮的過程中，陀螺儀偏移量均在誤差允許范圍內(nèi)，即可視為網(wǎng)箱在沉浮過程中依然保持平衡。并能夠?qū)崟r(shí)傳輸網(wǎng)箱內(nèi)部的環(huán)境信息到觸摸屏界面顯示。因此，所研究的抗風(fēng)浪系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)展?jié)O業(yè)深水養(yǎng)殖具有一定的價(jià)值，為漁業(yè)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效提供路徑，是漁業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。