養殖環境自動控制系統設計

花本杰，周錦程，吳凡，陶杰

（蘇州農業職業技術學院，江蘇蘇州，215008）

0 引言

近些年隨著養殖業規模化、科學化發展，各種高新技術在傳統農業生產的各個環節得到了大量的運用，大大提高了勞動力、資本等生產必要資源的配置與利用效率。但是目前在中小型魚塘養殖中，仍大量沿用傳統人工養殖的方法。飼養者往往根據飼養經驗，隨著天氣和季節自主來調整水溫、打氧量等，該種方式生產效率低下，技術落后，無法使魚塘達到水產最適合的生長環境，也無法滿足現代養殖業的相關要求。

魚塘養殖環境主要受到水溶氧率、溫度、水質PH值等影響，為了保證良性魚種健康成長，就需要將這些環境因素自動控制在一個適合范圍內。本文就是針對魚塘的幾種環境因素控制，設計了以三菱小型PLC為核心控制的魚塘自動環境控制系統。該控制系統可以自動采集水中的環境數據信息并進行自動調節，實現魚塘養殖過程中的水質自動控制、管理與預警，降低了魚塘水產養殖的風險。飼養者可以通過手機、計算機等信息終端遠程查詢魚塘水質的溫度、PH值、溶解氧等各類信息，人工控制進出水和增氧設備等工作，實現遠程魚塘環境的監測。也可以通過人機界面MCGS觸摸屏查詢魚塘養殖環境的各類參數，并進行相關機構的控制。

1 控制系統總體方案設計

本控制系統主要由PLC控制器、物聯網關模塊、MCGS觸摸屏、執行系統、指示燈系統等組成，如圖1所示。其中，物聯網關模塊連接溫度傳感器、水質PH值傳感器和溶氧率傳感器，分別采集魚塘中的水中溫度、含氧量和PH值；執行系統由給水泵驅動裝置、增氧泵驅動裝置和藥物噴灑泵驅動裝置組成，分別控制水中的氧氣含量、溫度和PH值。

圖1 系統總體框圖

本系統具備手動調試、自動運行兩種工作模式。手動調試模式時，用戶可通過觸摸屏上的開關按鈕或手機界面直接控制增氧泵、給水泵、噴藥泵驅動裝置，既可以滿足安裝調試時的控制需求，同時也為后期的維護提供了便捷。自動運行模式時，溫度傳感器、溶解氧傳感器和PH值傳感器，自動對魚塘中的環境進行實時監測，并將監測到的數據通過數據采集器傳到云端和PLC中。用戶可以在手機端直接觀測到當前的數據值、接收報警信息。PLC則是實時將監測值與設定值范圍進行比對，從而驅動執行機構進行相應的動作。

MCGS觸摸屏設有手動調試和自動運行控制畫面。在手動畫面中，用戶可以單獨控制增氧泵、給水泵、噴藥泵驅動裝置的啟動和停止。在自動畫面中，用戶可以實時觀察到水溫、水中含氧量、PH值等數據信息。

2 系統硬件設計

本控制系統選用的PLC為三菱FX3U-16MR小型PLC，觸摸屏為昆侖通態MCGS的 TPC7062Ti型號，PLC通訊模塊為FX3U-485-BD，物聯網關為星原W2S88DOI型模塊，環境傳感器為BPHT-RS485溫度PH值二合一傳感器、LNISEC10L05投入式溶解氧傳感器。

三菱PLC與星原物聯網關之間采用的是ModbudsRTU 485協議進行通信。將環境傳感器直接接入星原物聯網關模塊，進行水中環境數據的采集和傳輸。物聯網關將采集到的環境數據傳入三菱PLC中進行數據分析和數據處理。此外物聯網關實時地將收集到的養殖環境中的各類數據，通過互聯網傳輸到云平臺。通過云平臺，用戶就可以在手機上觀察到當前養殖環境的各種數據狀態，并且可以根據當前狀態進行遠程的控制。

根據魚塘環境的控制需求分析，確定了環境控制系統的PLC外部輸入輸出點，具體分配如表1和表2中所示。其中在輸入點部分，由于考慮到整個控制系統為手動自動兩種模式，因此設置了手動/自動切換轉換開關SA1。自動啟動和停止按鈕采用的是一個按鈕SB1來進行控制，按鈕第一次按下為自動啟動，第二次按下為自動停止，如此循環。手動測試按鈕分別設置了增氧泵手動按鈕SB2、給水泵手動按鈕SB3、噴藥泵手動按鈕SB。急停按鈕為SB5，當按下急停按鈕后，所有的輸出均立即停止。在輸出點部分，主要分為兩大類，一類為指示燈顯示，分別為運行狀態顯示的指示燈HL1和報警用的指示燈HL2，另外一類為增氧泵、給水泵、噴藥泵控制用的交流接觸器KM1、KM2、KM3。

表1 輸入端口分配表

表2 輸出端口分配表

魚塘環境控制系統的PLC外部硬件圖如圖2所示。QS 為空氣開關，用于控制整個電路的啟停；三菱PLC的電源為220V供電，觸摸屏MCGS的電源為DC24V供電。SA1、SB1-SB5各類控制按鈕均接在PLC的輸入端，PLC輸出端則接有運行指示燈HL1和報警指示燈HL2，并通過三個交流接觸器KM1-KM3來控制給水泵、增氧泵和噴藥泵的啟停。

圖2 PLC硬件電路

3 系統軟件設計

該設備的系統軟件設計包括上位機MCGS監控畫面設計、下位機PLC程序設計。

■3.1 上位機監控畫面設計

采用TPC7062TI觸摸屏完成魚塘環境控制系統人機界面的設計，界面分為手動調試界面和自動運行畫面兩種，可以完成現場數據采集、報警、實時歷史曲線處理、按鈕控制等功能。

在手動調試界面中，如圖3所示。界面除了可以實時顯示當前溫度、酸堿度、溶氧率等信息外，還支持給水泵和增氧泵的手動控制，方便控制系統的安裝調試以及后續維護工作。

圖3 手動操作畫面

在自動調試界面中，如圖4所示，在參數設置區，用戶可以設定魚塘所需要的溫度、PH值、溶氧率等參數的區間范圍。當按下啟動按鈕后，魚塘即進行自動控制模式，傳感器不斷監測水中的參數值，并將參數值實時顯示在狀態顯示區內，同時可以將該數據形成曲線圖顯示在歷史數據畫面中，從而保證了管理的可追溯，如圖5所示。

圖4 自動運行畫面

圖5 歷史數據畫面

■3.2 下位機PLC程序設計

魚塘環境控制系統的自動控制包括水溶氧值、溫度和PH值三個方面的控制，其控制流程基本是一致的。以下以溶氧值為例進行說明控制流程，如圖6所示：系統上電按下啟動按鈕后，進入自動模式，系統通過溶解氧傳感器對魚塘內溶氧值進行檢測，將檢測到的數據值經過數據采集模塊，傳入PLC中。PLC將采集到的水溶氧值數據實時反饋到MCGS觸摸屏上，并將實時數據值和預設的溶氧值進行分析對比，若實時水溶氧值大于預定值的上限值，則關閉增氧泵執行機構，若實時水溶氧值小于預定值的下限值，則打開增氧泵執行機構。

圖6 溶解氧自動控制流程圖

PLC與環境參數采集傳感器之間采用ModbusRTU485通訊。設定PLC通訊模塊FX3U-485-BD通信口通信參數約定為9600、8、E、1，通信協議為Modbus RTU主站，通信物理層為RS485，實現功能為接收傳感器數據采集模塊傳來的數據。在進行PLC程序設計時，可通過RS指令無協議模式實現程序的編寫，根據兩個傳感器的協議，采用讀指令，分別設置站號01、02，功能碼為03（讀）、字節數量、數據內容，并編程自行計算出CRC校驗碼，按照Modbus協議組成通信幀，用PLC指令指定存儲起始地址和字節數，依次讀取各傳感器測量數據。

當PLC通信特殊繼電器M8123觸發,表示RS指令無協議模式通信模塊接收完成，隨后根據接收到的數據，多數據進行處理，計算出對應的測量值至指定寄存器，相應地觸摸屏上顯示出數據。

4 系統測試

設備安裝后，進行物聯網關配置，在配置時需要保證網關串口與三菱PLC的串口協議、參數保持一致。在系統測試階段中，首先測試傳感器通信狀況，根據PLC測試數據通信狀況，從通訊模塊FX3U-485-BD通信口上收發指示燈看出硬件正常，而后結合PLC編程監控軟件，實時查看接收數據值，結合觸摸屏調試設置值，查看程序功能。調試正常后，能滿足預期控制功能，檢測界面實際如圖7所示。

圖7 運行檢測界面

5 總結

本論文設計的基于三菱PLC的魚塘環境自動控制系統，實現了魚塘環境控制系統的水溶氧含量、PH值和水溫的自動化控制，具有可視化監測、實時數據采集和遠程控制功能。用戶可以通過手機或計算機等信息終端遠程查詢魚塘環境參數，控制給水泵、增氧泵等進行工作。也可通過人機界面MCGS觸摸屏進行控制，實時觀察魚塘養殖環境的各類參數并進行相關執行機構的控制。該設備具有人機界面友好、運行穩定、數據控制精準等優點，具有一定的推廣應用價值。