溫室甲魚養殖尾水處理控制系統的設計

2022-08-12 13:59:42金文忻盧穎濤

安徽農業科學 2022年15期

吳丹，駱斌，金文忻，盧穎濤，劉攀

(1.江蘇農林職業技術學院，江蘇句容 212400；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院鎮江分院，江蘇鎮江 212013)

據統計，2019年全國甲魚總產量是32.5萬t，甲魚養殖主要集中在江蘇、浙江、湖北和廣東省，分別占全國甲魚養殖總產量的15.8%、24.0%、11.3%和18.9%，江浙地區的甲魚養殖規模大，產量高。

江浙地區的養殖戶為了提高甲魚養殖的經濟效益，普遍采用溫室養殖方式，這種養殖方式的優點很明顯，第一是控制簡單方便，第二是甲魚在溫室的生長速度快，所以這種養殖方法的效率相對于其他方式效率更高。甲魚的養殖周期需要9～10個月，在整個周期中，甲魚的飼料、糞便等全部聚集在養殖池中，造成養殖水體嚴重污染，為了保證甲魚的生長，養殖戶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徹底處理就排入外河。溫室甲魚養殖尾水中COD、氨氮和亞硝酸鹽等污染物濃度很高，如果未經處理直接排入河流，不僅造成了水資源的嚴重浪費，更重要的是嚴重污染了水環境。

如何改善江浙地區甲魚養殖業的污染狀況，對我國甲魚養殖業的健康發展具有重要意義。近年來，養殖尾水污染問題也得到了政府充分的重視，出臺了一系列規定，且隨著江浙地區環保力度的持續加強，關于養殖尾水排放問題有了嚴格的規定。

但養殖戶目前還是多采用人工進行尾水處理，勞動強度大，處理標準由自己主觀意識決定，從而造成處理效果不理想，且增加了甲魚養殖的人工成本。因此，急需一套養殖尾水去除率高、操作管理簡單、適合推廣應用的溫室甲魚養殖尾水處理設備。

筆者所研究的溫室甲魚養殖尾水處理控制系統針對甲魚養殖的尾水特點，以先進的自動化控制技術，設計了專門用于甲魚尾水處理的控制設備，使控制系統不僅能夠滿足甲魚養殖尾水處理的要求，而且成本低廉，從而達到較高的經濟效益。因此，該項目具有廣闊的產業化前景。

1 系統方案設計

通過研究和分析甲魚養殖尾水處理流程(圖1)，設計了以PLC為核心的尾水處理控制系統，自動檢測和控制尾水中的溶氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽、COD(化學需氧量)和水溫等因子，使尾水重新成為“新水”給養殖池供水，且保證養殖環境處于最佳狀態。同時根據我國水產行業標準《SC-T 9101—2007 淡水池塘養殖水排放要求》可知淡水養殖尾水標準值(表1)。結合表1中要求，確定了如下的控制系統設計需求。

(1)當養殖戶需要進行尾水處理時，打開養殖池出水口閥門，尾水進入沉淀池，經一段時間沉淀后，PLC自動打開沉淀池出水口閥門，將沉淀過的尾水流入水培蔬菜渠。

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

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

表1 淡水養殖尾水排放標準值

(3)曝氣池裝有溶氧測定儀，曝氣池底的增氧設施根據實際需求，開機增氧，直至達到所要求的溶氧量為止，此時PLC自動打開曝氣池出水口閥門將水流入過濾壩。

(4)調配池中裝有水質檢測模塊和溫度控制模塊，當達到要求時，PLC自動打開調配池閥門，將達標水經過水泵重新注入甲魚養殖池塘，池塘內裝有液位計，若達到最高水位，PLC關閉調配池閥門，打開調配池閥門，將達標水排入外部河道進入循環水管道。

根據設計需求，確定控制系統的整體設計方案，將整個控制系統分為尾水處理模塊、水質監測、溫度控制、組態監控、新能源供電模塊五大模塊。

(1)尾水處理模塊。系統設計以S7-200 CPU 226 PLC為核心的尾水處理控制系統，研究尾水水質監控、尾水自動處理、節水節能等關鍵技術，結合傳統廢水處理方法如物理化學法、生物技術法等，創制尾水處理配套新裝備，提高尾水循環利用率，形成節水節能、綠色環保健康的甲魚養殖模式。

(2)水質監測模塊。利用組態監控軟件，實時監測溶氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽、COD等環境因子，實現甲魚養殖尾水水質信息的實時獲取、水質的精準控制和自動化操作。基于PLC軟件中的PID控制對曝氣池中的溶氧量進行實時運算并控制，使其平穩達到實際需求。除溶氧測定儀裝在曝氣池中，其余測試儀器均安裝在調配池中，若有一項指標不合格，均不會打開調配池閥門。保證水質的安全和甲魚的質量，提高養殖效率、降低生產成本和勞動強度。

(3)溫度控制模塊。養殖全過程保證水溫恒定在30℃左右，由溫度傳感器監測水溫，若水溫低于允許值，則PLC啟動裝在調配池內的加溫設備進行加溫。

(4)組態監控模塊。利用觸摸屏組態軟件，實時監測風力發電量、光伏發電量、蓄電池電量，保證尾水處理系統供電充足；監測各設備運行情況，監測各閥門開合狀態；監測各傳感器實時數據等；也可直接在觸摸屏上手動啟動各設備和開關各閥門。

(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電和風力發電裝備，實現甲魚養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供電成為自給自足的獨立式發用電系統，二是新能源發電系統屬于一次性投資且技術較為成熟，這也成為甲魚養殖降本的一種創新方式。該項目主要采用風光互補發電，系統主要由風力發電機、光伏組件、風力控制器、光伏控制器、蓄電池、逆變器和負載組成。

2 控制系統設計

溫室甲魚養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源。風光互補發電系統具有不管是日間還是夜間，不管是晴天還是陰雨天，都能進行發電的優勢，可以保證溫室甲魚養殖基地24 h都有電力供應。

采用風光互補發電時，系統主要由風力發電機、光伏組件、風力控制器、光伏控制器、蓄電池、逆變器、負荷組成。由于風速的不確定性和太陽能的不穩定性，造成了發出的電能不是穩定持續的，所以必須加裝風力控制器和光伏控制器，保證電能持續穩定，進而保證用電設備的安全(圖2)。

PLC作為控制系統的核心部件，通過編程軟件對PLC進行邏輯控制編程，實現對曝氣機、排污泵等的通斷控制。PLC通過模擬量輸入模塊讀取傳感器采集的信息，進行數據分析，同時PLC將傳感器采集的數據通過觸摸屏實時展現給用戶。根據養殖水質要求，系統能實時監測水質pH、EC、溫度、溶氧量、氨氮含量等數值，當傳感器檢測數值超出規定的標準范圍，系統將給出及時的提示與動作。監測數值在規定范圍內時，系統將根據預先編寫的控制程序進行控制。PLC控制系統見圖3。

根據控制系統，確定該系統采用西門子S7-200系列PLC，I/O分配情況見表2。

圖2 風光互補供電系統結構Fig.2 Structure of wind solar complementary power supply system

圖3 PLC控制系統Fig.3 PLC control system

表2 I/O分配情況

控制流程?？刂瞥绦蚍譃轱L光互補供電模塊和尾水控制模塊，流程圖分別見圖4和圖5。圖4中，首先監測是否有風和光，若有，接通風力控制器和光伏控制器，啟動光伏發電和風力發電；若無，則不進行發電。再監測蓄電池電量，若達到上限，也不進行充電；若達到下限時，必須充電，但如果此時沒有條件進行風光互補發電，則需要蓄電池充電器對蓄電池進行充電。

圖5中，系統收集的主要數據包括pH、溶解氧值、EC值、液位值、氨氮含量、溫度值。

第一步，定時打開甲魚養殖池的閥1，甲魚養殖尾水排入沉淀池；第二步，當沉淀池底部的壓力傳感器達到限制值，啟動排污泵抽掉污泥；當壓力值恢復正常，關閉排污泵，打開沉淀池閥門2，尾水流入水培蔬菜渠，再進入曝氣池；第三步，在曝氣池內監測尾水的含氧量，若不達標，則啟動曝氣機，利用PLC進行PID控制對曝氣池中的溶氧量進行實時運算并控制，使其平穩達到實際需求；當氧氣含量達標，則關閉曝氣機，打開曝氣池的閥3，尾水經過過濾壩，進入生物凈化池，經過生物自然凈化后，尾水流入調配池；第四步，在調配池內監測水溫，若溫度較低，打開加熱器直至加熱至目標溫度為止。同時監測氨氮值、pH和EC值，由于經過前期的處理，此時的氨氮值、pH和EC值基本會達到標準，若達不到標準可以手動添加生物制劑，因為此種情況較為少見，為了控制成本，此處就不做自動控制；第五步，甲魚養殖池中有液位計，保證池中水位達到標準，若低于標準液位，利用注水泵將凈化后的尾水重新給養殖池注水，若尾水不多，可以從養殖池外部注水；若尾水過多，則打開調配池的閥5，將尾水排入外部河道。