溫室甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳 丹，駱 斌，金文忻，盧穎濤，劉 攀

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院鎮(zhèn)江分院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國(guó)甲魚(yú)總產(chǎn)量是32.5萬(wàn)t，甲魚(yú)養(yǎng)殖主要集中在江蘇、浙江、湖北和廣東省，分別占全國(guó)甲魚(yú)養(yǎng)殖總產(chǎn)量的15.8%、24.0%、11.3%和18.9%，江浙地區(qū)的甲魚(yú)養(yǎng)殖規(guī)模大，產(chǎn)量高。

江浙地區(qū)的養(yǎng)殖戶(hù)為了提高甲魚(yú)養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益，普遍采用溫室養(yǎng)殖方式，這種養(yǎng)殖方式的優(yōu)點(diǎn)很明顯，第一是控制簡(jiǎn)單方便，第二是甲魚(yú)在溫室的生長(zhǎng)速度快，所以這種養(yǎng)殖方法的效率相對(duì)于其他方式效率更高。甲魚(yú)的養(yǎng)殖周期需要9～10個(gè)月，在整個(gè)周期中，甲魚(yú)的飼料、糞便等全部聚集在養(yǎng)殖池中，造成養(yǎng)殖水體嚴(yán)重污染，為了保證甲魚(yú)的生長(zhǎng)，養(yǎng)殖戶(hù)需要定期向外界排放尾水，換入新水。因此，大量的污染尾水未經(jīng)徹底處理就排入外河。溫室甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水中COD、氨氮和亞硝酸鹽等污染物濃度很高，如果未經(jīng)處理直接排入河流，不僅造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，更重要的是嚴(yán)重污染了水環(huán)境。

如何改善江浙地區(qū)甲魚(yú)養(yǎng)殖業(yè)的污染狀況，對(duì)我國(guó)甲魚(yú)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。近年來(lái)，養(yǎng)殖尾水污染問(wèn)題也得到了政府充分的重視，出臺(tái)了一系列規(guī)定，且隨著江浙地區(qū)環(huán)保力度的持續(xù)加強(qiáng)，關(guān)于養(yǎng)殖尾水排放問(wèn)題有了嚴(yán)格的規(guī)定。

但養(yǎng)殖戶(hù)目前還是多采用人工進(jìn)行尾水處理，勞動(dòng)強(qiáng)度大，處理標(biāo)準(zhǔn)由自己主觀(guān)意識(shí)決定，從而造成處理效果不理想，且增加了甲魚(yú)養(yǎng)殖的人工成本。因此，急需一套養(yǎng)殖尾水去除率高、操作管理簡(jiǎn)單、適合推廣應(yīng)用的溫室甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水處理設(shè)備。

筆者所研究的溫室甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水處理控制系統(tǒng)針對(duì)甲魚(yú)養(yǎng)殖的尾水特點(diǎn)，以先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于甲魚(yú)尾水處理的控制設(shè)備，使控制系統(tǒng)不僅能夠滿(mǎn)足甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水處理的要求，而且成本低廉，從而達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)效益。因此，該項(xiàng)目具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)研究和分析甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水處理流程(圖1)，設(shè)計(jì)了以PLC為核心的尾水處理控制系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)和控制尾水中的溶氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽、COD(化學(xué)需氧量)和水溫等因子，使尾水重新成為“新水”給養(yǎng)殖池供水，且保證養(yǎng)殖環(huán)境處于最佳狀態(tài)。同時(shí)根據(jù)我國(guó)水產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SC-T 9101—2007 淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》可知淡水養(yǎng)殖尾水標(biāo)準(zhǔn)值(表1)。結(jié)合表1中要求，確定了如下的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

(1)當(dāng)養(yǎng)殖戶(hù)需要進(jìn)行尾水處理時(shí)，打開(kāi)養(yǎng)殖池出水口閥門(mén)，尾水進(jìn)入沉淀池，經(jīng)一段時(shí)間沉淀后，PLC自動(dòng)打開(kāi)沉淀池出水口閥門(mén)，將沉淀過(guò)的尾水流入水培蔬菜渠。

(2)沉淀池底部裝有壓力傳感器，當(dāng)沉淀池尾水流出后并且池底積泥達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，利用PLC控制排污泵啟動(dòng)將沉淀池的污泥排放到附近稻田中。

圖1 甲魚(yú)池塘尾水流程Fig.1 Tail water flow of turtle pond

表1 淡水養(yǎng)殖尾水排放標(biāo)準(zhǔn)值

(3)曝氣池裝有溶氧測(cè)定儀，曝氣池底的增氧設(shè)施根據(jù)實(shí)際需求，開(kāi)機(jī)增氧，直至達(dá)到所要求的溶氧量為止，此時(shí)PLC自動(dòng)打開(kāi)曝氣池出水口閥門(mén)將水流入過(guò)濾壩。

(4)調(diào)配池中裝有水質(zhì)檢測(cè)模塊和溫度控制模塊，當(dāng)達(dá)到要求時(shí)，PLC自動(dòng)打開(kāi)調(diào)配池閥門(mén)，將達(dá)標(biāo)水經(jīng)過(guò)水泵重新注入甲魚(yú)養(yǎng)殖池塘，池塘內(nèi)裝有液位計(jì)，若達(dá)到最高水位，PLC關(guān)閉調(diào)配池閥門(mén)，打開(kāi)調(diào)配池閥門(mén)，將達(dá)標(biāo)水排入外部河道進(jìn)入循環(huán)水管道。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，確定控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，將整個(gè)控制系統(tǒng)分為尾水處理模塊、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、溫度控制、組態(tài)監(jiān)控、新能源供電模塊五大模塊。

(1)尾水處理模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以S7-200 CPU 226 PLC為核心的尾水處理控制系統(tǒng)，研究尾水水質(zhì)監(jiān)控、尾水自動(dòng)處理、節(jié)水節(jié)能等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)廢水處理方法如物理化學(xué)法、生物技術(shù)法等，創(chuàng)制尾水處理配套新裝備，提高尾水循環(huán)利用率，形成節(jié)水節(jié)能、綠色環(huán)保健康的甲魚(yú)養(yǎng)殖模式。

(2)水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊。利用組態(tài)監(jiān)控軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽、COD等環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水水質(zhì)信息的實(shí)時(shí)獲取、水質(zhì)的精準(zhǔn)控制和自動(dòng)化操作。基于PLC軟件中的PID控制對(duì)曝氣池中的溶氧量進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算并控制，使其平穩(wěn)達(dá)到實(shí)際需求。除溶氧測(cè)定儀裝在曝氣池中，其余測(cè)試儀器均安裝在調(diào)配池中，若有一項(xiàng)指標(biāo)不合格，均不會(huì)打開(kāi)調(diào)配池閥門(mén)。保證水質(zhì)的安全和甲魚(yú)的質(zhì)量，提高養(yǎng)殖效率、降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)溫度控制模塊。養(yǎng)殖全過(guò)程保證水溫恒定在30℃左右，由溫度傳感器監(jiān)測(cè)水溫，若水溫低于允許值，則PLC啟動(dòng)裝在調(diào)配池內(nèi)的加溫設(shè)備進(jìn)行加溫。

(4)組態(tài)監(jiān)控模塊。利用觸摸屏組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電量、光伏發(fā)電量、蓄電池電量，保證尾水處理系統(tǒng)供電充足；監(jiān)測(cè)各設(shè)備運(yùn)行情況，監(jiān)測(cè)各閥門(mén)開(kāi)合狀態(tài)；監(jiān)測(cè)各傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等；也可直接在觸摸屏上手動(dòng)啟動(dòng)各設(shè)備和開(kāi)關(guān)各閥門(mén)。

(5)新能源供電模塊。考慮溫室大棚一般在野外等供電不便的地方，可以在溫室大棚屋頂安裝光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電裝備，實(shí)現(xiàn)甲魚(yú)養(yǎng)殖所需電力的自給自足。采用新能源供電一是可以脫離電網(wǎng)供電成為自給自足的獨(dú)立式發(fā)用電系統(tǒng)，二是新能源發(fā)電系統(tǒng)屬于一次性投資且技術(shù)較為成熟，這也成為甲魚(yú)養(yǎng)殖降本的一種創(chuàng)新方式。該項(xiàng)目主要采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏組件、風(fēng)力控制器、光伏控制器、蓄電池、逆變器和負(fù)載組成。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室甲魚(yú)養(yǎng)殖基地大多在空曠處，因此可以利用新能源供電作為主要的能量來(lái)源。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有不管是日間還是夜間，不管是晴天還是陰雨天，都能進(jìn)行發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，可以保證溫室甲魚(yú)養(yǎng)殖基地24 h都有電力供應(yīng)。

采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電時(shí)，系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏組件、風(fēng)力控制器、光伏控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)荷組成。由于風(fēng)速的不確定性和太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性，造成了發(fā)出的電能不是穩(wěn)定持續(xù)的，所以必須加裝風(fēng)力控制器和光伏控制器，保證電能持續(xù)穩(wěn)定，進(jìn)而保證用電設(shè)備的安全(圖2)。

PLC作為控制系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)編程軟件對(duì)PLC進(jìn)行邏輯控制編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣機(jī)、排污泵等的通斷控制。PLC通過(guò)模擬量輸入模塊讀取傳感器采集的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)PLC將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)展現(xiàn)給用戶(hù)。根據(jù)養(yǎng)殖水質(zhì)要求，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)pH、EC、溫度、溶氧量、氨氮含量等數(shù)值，當(dāng)傳感器檢測(cè)數(shù)值超出規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍，系統(tǒng)將給出及時(shí)的提示與動(dòng)作。監(jiān)測(cè)數(shù)值在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)先編寫(xiě)的控制程序進(jìn)行控制。PLC控制系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

根據(jù)控制系統(tǒng)，確定該系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200系列PLC，I/O分配情況見(jiàn)表2。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of wind solar complementary power supply system

圖3 PLC控制系統(tǒng)Fig.3 PLC control system

表2 I/O分配情況

控制流程。控制程序分為風(fēng)光互補(bǔ)供電模塊和尾水控制模塊，流程圖分別見(jiàn)圖4和圖5。圖4中，首先監(jiān)測(cè)是否有風(fēng)和光，若有，接通風(fēng)力控制器和光伏控制器，啟動(dòng)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電；若無(wú)，則不進(jìn)行發(fā)電。再監(jiān)測(cè)蓄電池電量，若達(dá)到上限，也不進(jìn)行充電；若達(dá)到下限時(shí)，必須充電，但如果此時(shí)沒(méi)有條件進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，則需要蓄電池充電器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

圖5中，系統(tǒng)收集的主要數(shù)據(jù)包括pH、溶解氧值、EC值、液位值、氨氮含量、溫度值。

第一步，定時(shí)打開(kāi)甲魚(yú)養(yǎng)殖池的閥1，甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水排入沉淀池；第二步，當(dāng)沉淀池底部的壓力傳感器達(dá)到限制值，啟動(dòng)排污泵抽掉污泥；當(dāng)壓力值恢復(fù)正常，關(guān)閉排污泵，打開(kāi)沉淀池閥門(mén)2，尾水流入水培蔬菜渠，再進(jìn)入曝氣池；第三步，在曝氣池內(nèi)監(jiān)測(cè)尾水的含氧量，若不達(dá)標(biāo)，則啟動(dòng)曝氣機(jī)，利用PLC進(jìn)行PID控制對(duì)曝氣池中的溶氧量進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算并控制，使其平穩(wěn)達(dá)到實(shí)際需求；當(dāng)氧氣含量達(dá)標(biāo)，則關(guān)閉曝氣機(jī)，打開(kāi)曝氣池的閥3，尾水經(jīng)過(guò)過(guò)濾壩，進(jìn)入生物凈化池，經(jīng)過(guò)生物自然凈化后，尾水流入調(diào)配池；第四步，在調(diào)配池內(nèi)監(jiān)測(cè)水溫，若溫度較低，打開(kāi)加熱器直至加熱至目標(biāo)溫度為止。同時(shí)監(jiān)測(cè)氨氮值、pH和EC值，由于經(jīng)過(guò)前期的處理，此時(shí)的氨氮值、pH和EC值基本會(huì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，若達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)可以手動(dòng)添加生物制劑，因?yàn)榇朔N情況較為少見(jiàn)，為了控制成本，此處就不做自動(dòng)控制；第五步，甲魚(yú)養(yǎng)殖池中有液位計(jì)，保證池中水位達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，若低于標(biāo)準(zhǔn)液位，利用注水泵將凈化后的尾水重新給養(yǎng)殖池注水，若尾水不多，可以從養(yǎng)殖池外部注水；若尾水過(guò)多，則打開(kāi)調(diào)配池的閥5，將尾水排入外部河道。

圖4 風(fēng)光互補(bǔ)供電模塊控制流程Fig.4 Control flow of wind solar complementary power supply module

程序設(shè)計(jì)。水產(chǎn)養(yǎng)殖時(shí)為了維持正常的魚(yú)類(lèi)活動(dòng)，必須不斷呼吸。若水中溶氧量偏低，會(huì)導(dǎo)致魚(yú)蝦攝食量減少，生長(zhǎng)速度減緩，體質(zhì)下降易得病，甚至可能導(dǎo)致魚(yú)蝦大量死亡。但水中溶氧量過(guò)高，會(huì)使微生物繁殖快，水中浮萍茂盛，損壞水質(zhì)，因此需要實(shí)時(shí)進(jìn)行溶氧量的調(diào)節(jié)。

PID是比例、積分、微分運(yùn)算的簡(jiǎn)稱(chēng)，用以溶氧量的穩(wěn)定。具體方法是利用溶氧量傳感器測(cè)得河道內(nèi)溶氧量，而河道內(nèi)最佳的溶氧量在4～5 mg/L，該研究以4 mg/L為準(zhǔn)，主要程序：

初始化子程序：

LD SM0.0

MOVR 0.04, VD104

MOVR 0.3, VD112

MOVR 0.2, VD116

MOVR 20.0, VD120

MOVR 10.0, VD124

ATCH INT0, 10

ENI

圖5 尾水控制模塊控制流程Fig.5 Control flow of tail water control module

中斷服務(wù)程序：

Network 1

LD SM0.0

ITD AIW10, AC0

DTR AC0, AC0

/R 320000.0, AC0

MOVR AC0, VD100

Network 2

LD I1.1

PID VB100, 0

Network 3

LD SM0.0

MOVR VD108, AC0

*R 320000.0, AC0

ROUND AC0, AC0

DTI AC0, VW10

MOVW VW10, AQW0

3 系統(tǒng)調(diào)試

觸摸屏的作用是操作者通過(guò)觸摸屏本地操作控制尾水處理控制設(shè)備。觸摸屏使用威綸通MCGS觸摸屏，其優(yōu)點(diǎn)是功能齊全，可維護(hù)性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集方便，通過(guò)以太網(wǎng)與PLC通信，總控界面見(jiàn)圖6。

圖6 總控界面Fig.6 Main control interface

圖7是該項(xiàng)目的模擬實(shí)物圖。在甲魚(yú)養(yǎng)殖池中安裝了液位傳感器，在沉淀池中安裝了壓力傳感器，曝氣池中安裝了溶氧傳感器，調(diào)配池中安裝了溫度傳感器、氨氮傳感器、pH傳感器。控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試后，能很好地完成尾水凈化處理工作，且傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映水質(zhì)變化。

圖7 尾水處理模擬實(shí)物圖Fig.7 Simulated physical diagram of tail water treatment

4 小結(jié)

該研究的溫室甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水處理控制系統(tǒng)針對(duì)甲魚(yú)養(yǎng)殖的尾水特點(diǎn)，以先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于甲魚(yú)尾水處理的控制設(shè)備，使控制系統(tǒng)滿(mǎn)足了甲魚(yú)養(yǎng)殖尾水處理的要求。