基于PLC控制的魚菜共生系統*
——水質凈化循環設計

金光哲，馬 婭，馬 晶，段科俊**

(1.玉溪農業職業技術學院，云南 玉溪 653106；2.華寧縣柑桔科學研究所，云南 玉溪 652800)

引言

魚菜共生系統是一種可循環利用的現代農業設施，其通過動力系統將含有魚類糞便的水輸送到蔬菜的根部，菜根在汲取養分的同時對水質進行凈化，從而實現養魚不換水、種菜不施肥的共生模式。傳統的魚菜混養多采用人工觀測方式為主，存在智能化程度低、過于依懶技術人員的經驗判斷、耗費時間、出錯率較高等問題[1]，導致魚菜共生系統的養殖效率低下。現階段的魚菜共生系統大多停留在理論和試驗階段，且整體結構相對偏大，實際應用具有一定的難度。因此，開發一套簡單適用的水質凈化循環魚菜共生系統具有重要意義。

目前，已有部分學者對魚菜共生系統的控制方式進行研究，趙立軍[2]等人采用潮汐式水循環過濾方式設計一種自動補光、喂食系統，使動植物在無人狀態下正常生存，且減少了水資源浪費。馬子超[2]等人采用Zigbee無線傳感器網絡設計一種水質監測系統，對魚菜共生系統的PH值、溫度值等環境參數進行遠程監測控制。鄭廣智[3]等人以西門子S7-1500PLC為主控制器結合物聯網ITO技術設計一套魚菜共生系統，具有低能耗、無污染、高產出的特點。但針對家用魚菜共生系統實例研究尚不多見，且存在噪音高、故障率高、占地面積大等問題。為進一步探索魚菜共生系統的高效養殖方式，保證魚類和蔬菜穩定生長，本文結合物聯網技術設計一種基于PLC控制的家用魚菜共生系統，系統采用PLC為主控制器，對魚菜共生系統的溫度、濕度等環境參數進行調節，以達到養殖系統的微型化、智能化、提高產能的目的。

1 總體設計方案

魚菜共生系統采用PLC作為核心控制器，各執行器件為電磁閥、繼電器、電機等，整個魚菜共生系統的運行方式由上位機進行實時監控，并通過PLC采集系統內部的各環境參數，上位機帶有云控制功能，系統的各環境參數和運行狀況可通過物聯網云平臺進行實時監控，在手機終端可對設備的各執行器件進行遠程啟、停操作[4]。魚菜共生系統的總體架構圖如圖1所示。

圖1 魚菜共生系統總體架構圖

在魚菜共生系統中魚類的糞便和飼料殘留以及魚菜共生系統的換水都會直接影響到系統內各參數的變化，從而影響魚類及蔬菜的生長。影響魚菜共生系統的主要環境參數包括水溫、電導率、pH值等，因此，在魚菜共生系統中對水溫、電導率、pH值參數進行實時監測并適當調控很有必要。系統的整體控制方案主要包括以下幾個功能：

1)針對魚菜共生系統內部的水溫、電導率、pH值進行實時監測并記錄歷史數據。

2)用戶根據不同的魚、菜種類進行環境參數設置。

3)系統可根據設定的溫度參數范圍進行智能升/降溫。

4)根據水質各參數的監測數據，預測水中的溶解氧含量，并根據設定的參數自動開啟或關閉增氧泵。

5)定時控制水泵進行水質凈化循環，設定喂魚間隔周期。

6)通過人機界面進行現場控制，也可通過手機終端進行遠程控制。

根據控制要求，結合PLC的輸入輸出控制特點，設計魚菜共生系統控制結構圖如圖2所示。

圖2 魚菜共生系統控制結構圖

2 水質凈化及硝化細菌分解

水質凈化效果決定著魚類和蔬菜的生長質量，是魚菜共生系統的關鍵環節。本系統設計的水質凈化主要分為兩種：①蔬菜吸收水體中氨的形式；②硝化細菌對魚類糞便分解處理的形式。硝化細菌可以消除水體中排泄物及殘余食餌，同時防止水體內營養過剩，調節系統中水體環境的pH值，分解有機質。氨氮再氨氧化細菌體內經過一系列酶的作用，轉變為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽再經過亞硝酸鹽氧化細菌的作用最終成為硝酸鹽，二者的反應式分別如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

水質凈化處理系統設置三層，第一層采用毛刷對魚類排泄物及大顆粒殘余食餌進行過濾；第二層再次采用毛刷進行二次過濾，以處理第一層溢出、未過濾到位的殘余物；第三層設置硝化細菌培養層，采用硝化細菌室的模式設置硝化細菌箱，使循環系統內的硝化細菌得以繁殖[5]。

魚菜共生系統的種植模式可分為3類：基質栽培、深水栽培、浮筏栽培。深水栽培的植物根系完全淹沒在水中，對魚菜共生系統中的硝化細菌生長具有一定的抑制作用，因此本設計采用基質栽培和浮筏栽培兩種模式[6]。相關研究表明氨利用率低會嚴重阻礙魚菜共生系統的推廣[6]，三種種植模式中基質栽培對魚菜共生系統中氨的利用率較高，因此本設計將以基質栽培為主，設計少量的浮筏栽培箱延緩水體循環時間，降低水體流速，促進微生物吸收轉化氨氮。

3 硬件選型

魚菜共生系統硬件部分主要由養魚水箱、養菜水箱、凈化池、控制柜等組成，其中養魚水箱由2個組成，中間通過連通器完成水的流通，凈化水箱放于置物架上方，位置高于養魚水箱，兩者之間通過動力泵提供動力完成水的流通，在沉淀過濾箱內完成沉淀后再進行過濾分離流入硝化細菌箱，硝化細菌箱內的水在完成細菌分解后再次流入水培植物箱，并通過蔬菜根系的凈化后再次流入養魚水箱，完成魚菜共生系統的水循環工作。除上述循環系統外還設有土培植物箱，對沉淀過濾箱的沉淀物加以利用，完成蔬菜的土壤培育。為保證魚菜共生系統長時間穩定運行，養魚水箱、養菜水箱與凈化池均采用PE材質塑料箱，具有較強的耐腐蝕性。魚菜共生系統循環流程如圖3所示。

圖3 魚菜共生系統循環流程

控制柜主要有主控制器、人機界面、繼電器、空氣開關、接線端子、電源模塊等組成。根據控制要求，主控制器采用Haiwell T32S2R型PLC，支持以太網及5個RS232/RS485通訊口同時工作，pH值檢測數據將通過RS485通訊方式與主控制器進行數據交換，溫、濕度檢測通過模擬量擴展模塊Haiwell S04XA實現，根據控制要求，本系統采用2個Haiwell S04XA模擬量擴展模塊。由Haiwell T32S2R和Haiwell S04XA組成的控制模塊具備16個數字量輸入和16個數字量輸出通道，4個模擬量輸入和4個模擬量輸出通道。

主控制器的上位機采用Haiwell C7S-GW型物聯云搭建人機界面，其與PLC主控制器之間采用RS485通信進行數據交換，并可通過HTTP協議獲取設備運行狀況，對設備進行遠程控制。Haiwell C7S-GW型物聯云支持遠端上傳下載程序功能，降低設備的組裝成本，縮小安裝空間。

4 軟件設計

魚菜共生系統的軟件部分主要有PLC程序及人機交互界面兩部分組成。Haiwell T32S2R型PLC采用HaiwellHappy編程軟件進行梯形圖編程，支持梯形圖程序的運行監控。人機界面部分采用Haiwell Cloud SCADA軟件完成，軟件具有各種空間功能，可滿足魚菜共生系統的運行監控功能，并支持手機端遠程同步操作。

PLC通過模擬量擴展模塊讀取溫度、濕度的檢測數據，再經過計算轉換為實際的工程值，可根據預先設定的工程范圍值進行比較并自動調控。在手動控制模式下，可直接通過上位機或遠程終端開啟魚食自動投喂以及加熱、水循環、凈化等模式，并可通過數值顯示區對系統環境參數進行監測。手動模式雖然可實時操作，但為免誤操作導致魚菜共生系統不穩定運行，對實際的操作設置也開啟了上下線報警功能。在自動模式下，PLC程序可根據預先設定的魚食投喂時間、投喂量進行定時操作，對蔬菜土培部分定時定量完成澆水工作，并可根據設定的溫濕度參數、pH值參數進行自動調控。

上位機部分主要完成人機界面的搭建及遠程終端的控制調試工作。人機界面是人與計算機交換信息的接口，通過人機交互界面可以直觀的展示魚菜共生系統的各環境參數，并根據實際的運行情況進行修改，以及手動、自動運行的切換。本設計的人機界面如圖4所示。

圖4 人機界面

5 結語

魚菜共生系統有著較為廣泛的應用前景，本文采用PLC作為主控制器，完成對魚菜共生系統硬件設備的選型及軟件設計工作，并搭建上位機，完成人機交互界面的設計，構建一套小型魚菜共生系統裝置。本設計具有低成本、高性能、較強的實用性等特點，對促進生態循環、節約水資源有著積極地意義，同時可實現遠程終端控制功能，節約人力成本，具有一定的應用開發價值。