基于DCS控制的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的研究

摘" 要：針對(duì)傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)效率低、人力成本高、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）為核心的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)傳感器將實(shí)時(shí)水體和餌料含量信息，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入PID（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制器，根據(jù)PID控制策略與算法，將其與設(shè)定的值實(shí)時(shí)比較并生成控制信號(hào)，調(diào)整調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。基于LoRa的無(wú)線通信模塊將結(jié)果送到終端，用戶便可以通過(guò)手機(jī)App查看或修改參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可以操控水泵進(jìn)行換水和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投餌，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效的養(yǎng)殖環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：DCS系統(tǒng) ""水產(chǎn)養(yǎng)殖" "PID控制 ""自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP273.3

Research onDesign of Factory Aquaculture System Based on DCS Control

ZHAO Wenyu" MA Zhanjun^*" JI Zhenwu

School of Information Science and Engineering， Dalian Ocean University， Dalian， Liaoning Province， 116023 China

Abstract： In response to the problems of low efficiency， high labor costs， and poor real-time performance in traditional water quality monitoring， this paper proposes the design of a factory based aquaculture system with Distributed Control System （DCS） as the core has been designed. The system uses sensors to convert real-time water and bait content information into digital signals through an A/D converter， which are then sent to a Proportional Integral Derivative （PID） controller. Based on the PID control strategy and algorithm， it compares it with the set values in real time and generates control signals to adjust the adjustment module， achieving real-time monitoring and control. The LoRa based wireless communication module can send the results to the terminal， and users can view or modify parameter settings through the mobile app. At the same time， they can control the water pump to change water and achieve automatic feeding， realizing an accurate and effective aquaculture environment detection system.

Key Wwords： DCS system; Aquaculture; PID control; Automation

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)依賴于人工經(jīng)驗(yàn)判斷，雖然該監(jiān)測(cè)操作簡(jiǎn)單，但存在水質(zhì)采樣不足、實(shí)時(shí)性較差、耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)與控制。隨著互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）系統(tǒng)、傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)控制顯得尤為重要。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出建立以DCS系統(tǒng)為核心的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PID控制器作為主控制器，利用溫度傳感器、光照傳感器、pH值傳感器和超聲波傳感器實(shí)時(shí)獲取水質(zhì)、飼料含量信息，并將其數(shù)據(jù)傳入PID控制器中；基于模糊PID控制算法的DCS系統(tǒng)，便會(huì)實(shí)時(shí)控制執(zhí)行器（水泵、閥門等）；基于LoRa的無(wú)線通信模塊將結(jié)果送到終端，用戶便可以通過(guò)手機(jī)App實(shí)時(shí)查看，真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

1 "DCS系統(tǒng)的應(yīng)用

DCS控制系統(tǒng)主要采用了模糊PID控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過(guò)程控制和操作管理。在DCS系統(tǒng)通過(guò)溫度、pH值、TDS（Total Dissolved solids，TDS）等傳感器，將溫度大小、pH值、溶解氧含量等物理量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)ADC（Analog-to-Digital Converter，ADC）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再傳入控制器中。控制器則處理這些數(shù)據(jù)，根據(jù)控制策略與算法，將其與設(shè)定的值實(shí)時(shí)比較，并生成控制信號(hào)，控制執(zhí)行器（如水泵、供氧機(jī)等），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制^[2]。

除此之外，還需要無(wú)線通信以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在傳感器、控制器和工作臺(tái)之間的傳輸與交互。工作臺(tái)的員工通過(guò)無(wú)線通信可以在線查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，甚至還可以手動(dòng)輸入報(bào)警信號(hào)或修改設(shè)定值。DCS系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了高效與高擴(kuò)展性的統(tǒng)一^[3]。

2 "系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)傳感器、無(wú)線通信技術(shù)和 DCS系統(tǒng)，規(guī)劃出以下系統(tǒng)流程（如圖1所示）。分為水質(zhì)檢測(cè)模塊與自動(dòng)投餌模塊。初始化后，首先數(shù)據(jù)采集。傳感器采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換后，成為數(shù)字量進(jìn)入PID控制器。根據(jù)PID控制策略與算法，將其與設(shè)定的值實(shí)時(shí)比較，并生成控制信號(hào)，調(diào)整調(diào)節(jié)模塊。利用無(wú)線通信技術(shù)，工作人員也可以通過(guò)手機(jī)、電腦查找實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)；同時(shí)，也可以通過(guò)手機(jī)或電腦調(diào)節(jié)光源、溫度、水量或啟動(dòng)投餌模塊^[4]。

3 ""硬件系統(tǒng)

3.1 ""溫度檢測(cè)系統(tǒng)

溫度是水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要影響因素，過(guò)高或過(guò)低的溫度關(guān)系著魚類的生長(zhǎng)繁殖。通過(guò)DCS系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn) 24 h全方位監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水域水溫，當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定范圍后，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)打開控溫裝備，直到水溫正常，持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本系統(tǒng)采用 DS18B20溫度傳感器。它采用單總線接口，具有高精度和廣泛的工作溫度范圍的特點(diǎn)。DS18B20具有高度精確的溫度測(cè)量能力，可以精準(zhǔn)測(cè)量-55°～+125 ℃的溫度。單總線接口的方式，使多個(gè)傳感器可以通過(guò)單一數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信。這種簡(jiǎn)化的連接方案降低了電路復(fù)雜性和布線成本。

3.2 "光照檢測(cè)系統(tǒng)

光照的長(zhǎng)短、強(qiáng)弱決定魚類的生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)品質(zhì)量等各種問(wèn)題。自動(dòng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)可以通過(guò)智能照明系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)計(jì)算養(yǎng)殖時(shí)魚類需要的光照長(zhǎng)短，并決定是否需要開關(guān)燈光。

本系統(tǒng)采用ISL29004傳感器，既可以監(jiān)測(cè)可見光，也可以監(jiān)測(cè)紅外光。傳感器包含的抑制濾波器可以消除人為光閃，降低光閃爍現(xiàn)象對(duì)可見光光照度檢測(cè)結(jié)果的影響，因此，其在水域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有顯著優(yōu)勢(shì)。

3.3 "pH值檢測(cè)系統(tǒng)

如果水域中pH值過(guò)低，水體會(huì)呈現(xiàn)出酸性，而這會(huì)引起海洋生物病變，導(dǎo)致氧的利用率減少，造成水產(chǎn)品生病或者水中細(xì)菌繁殖迅速。通過(guò)安裝pH值測(cè)試探頭，可以借此來(lái)監(jiān)測(cè)水中pH值含量：當(dāng)水中的pH值超過(guò)設(shè)定值，將會(huì)控制自動(dòng)開啟水口閥進(jìn)行換水；pH值恢復(fù)到正常范圍后，再關(guān)閉水口閥門。

pH傳感器的工作原理為：氫離子玻璃電極與參比電極共組成原電池，在玻璃膜與溶液中的氫離子進(jìn)行離子交換過(guò)程中，憑借兩電極間的電位差，可以檢測(cè)出溶液中的氫離子濃度大小，從而測(cè)溶液的pH值。

3.4 "飼料余量檢測(cè)模塊

超聲波傳感器主要利用了超聲波的特性。超聲波在液體、固體中的穿透本領(lǐng)很強(qiáng)，在遇到雜質(zhì)或者分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象。利用這一個(gè)特性，在飼料余量不足時(shí)，超聲波傳感器就會(huì)在飼料分界面處產(chǎn)生明顯反射，根據(jù)超聲波傳感器發(fā)送超聲波與接收超聲波的時(shí)間差，便能分析得到飼料余量，進(jìn)而把飼料余量不足的信號(hào)傳入PID控制器中，啟動(dòng)自動(dòng)投餌模塊。

3.5 "自動(dòng)投餌模塊

在需要投餌的位置設(shè)置開關(guān)，通過(guò)電機(jī)的帶動(dòng)投餌裝置會(huì)在軌道上運(yùn)動(dòng)，等到達(dá)指定的位置后，系統(tǒng)就接收到信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的精準(zhǔn)投餌。其中，投餌裝置中配有步進(jìn)電機(jī)，其發(fā)送的不同脈沖信號(hào)可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)魚餌的定量下料；拋料裝置選用旋轉(zhuǎn)葉片式步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)餌料均勻拋撒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量科學(xué)投餌。

3.6 "無(wú)線通信系統(tǒng)

本系統(tǒng)中的無(wú)線通信部分采用LoRa遠(yuǎn)距離無(wú)線電。這種基于擴(kuò)頻技術(shù)的無(wú)線傳輸，其最大的優(yōu)勢(shì)便是遠(yuǎn)距離與低功耗的統(tǒng)一。LoRa無(wú)線電在有建筑物遮擋的情況下，其傳輸距離可達(dá)5 km，在空曠處可以傳輸15 km，比傳統(tǒng)的無(wú)線通信更加方便。除此之外，LoRa基于的擴(kuò)頻技術(shù)具有前向糾錯(cuò)的能力，在后期使用中更能降低成本。

4" 軟件部分

4.1 "A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

由于光傳感器、pH傳感器、超聲波傳感器都為信號(hào)傳感器，而且DCS系統(tǒng)都為二進(jìn)制或數(shù)字信號(hào)組成，因此需要對(duì)此進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)后，才能進(jìn)行DCS系統(tǒng)處理。

A/D轉(zhuǎn)換包括以下4點(diǎn)。（1）采樣：將其連續(xù)的時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間上離散的點(diǎn)。（2）保持：將那些離散的點(diǎn)的幅度保持不變，并維持到轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束。（3）量化：將采樣與保持后的電平歸到與之接近的離散電平之中。（4）編碼：經(jīng)量化后的電平，以二進(jìn)制的形式表示出來(lái)。

4.2 "顯示屏

由于OLED跟傳統(tǒng)的LED相比，具有自發(fā)光、不需背光、低耗能的特點(diǎn)，因此研究選用OLED12864作為顯示屏。

像素顯示原理：屏幕像素是以矩陣劃分的，水平方向分為8個(gè)頁(yè)面（page），垂直方向劃分為128個(gè)列（column）。每個(gè)page-column區(qū)域包含8個(gè)像素，由一個(gè)十六進(jìn)制（8位）進(jìn)行控制，每個(gè)位對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。十六進(jìn)制（0和1）可映射出像素的滅與亮。

4.3 ""PID控制原理系統(tǒng)

圖2為水質(zhì)的檢測(cè)控制圖，主要基于的是閉環(huán)負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)控制原理，由傳感器、DCS的PID控制器、水泵等模塊組成的閉環(huán)系統(tǒng)，利用PID控制實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的檢測(cè)與自動(dòng)投餌^[5]。

在基于PID控制算法的反饋調(diào)節(jié)控制中，傳感器（pH傳感器、T超聲波傳感器、溫度傳感器等）實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并將溫度、pH和飼料余量等信息反饋給PID控制器中。PID控制器根據(jù)理想值與實(shí)際值間的差值，給出不同的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換后傳給調(diào)節(jié)器，通過(guò)進(jìn)出水、供氧機(jī)的運(yùn)行等。通過(guò)不斷的循環(huán)，PID控制器便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與精準(zhǔn)控制。

PID控制有著三大優(yōu)勢(shì)。（1）響應(yīng)速度快：PID控制算法能夠通過(guò)實(shí)際值與理想值的差值，調(diào)整調(diào)節(jié)模塊，因此能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)需求。（2）高精度控制：通過(guò)PID參數(shù)的合理調(diào)節(jié)，可以精確控制，提高系統(tǒng)的效率。（3）較強(qiáng)的魯棒性與適應(yīng)性：能夠應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜的環(huán)境變化，比如pH變化、溫度撥動(dòng)、調(diào)節(jié)模塊延時(shí)等情況，使系統(tǒng)控制更具穩(wěn)定性^[6]。

5 ""結(jié)語(yǔ)與展望

5.1" 結(jié)語(yǔ)

本文研究以DCS控制系統(tǒng)為核心，各類傳感器對(duì)水體信息和餌料含量進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳送到系統(tǒng)中。系統(tǒng)采用PID控制方法實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境與自動(dòng)投餌的控制。通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將信息傳送到手機(jī) App，實(shí)時(shí)查看水質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)信息，同時(shí)可以操控水泵進(jìn)行換水和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投餌，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、有效的養(yǎng)殖環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)。

5.2" 展望

近年來(lái)，全國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展勢(shì)頭較好。水產(chǎn)養(yǎng)殖的規(guī)模不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)調(diào)整取得了新進(jìn)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)得到了快速發(fā)展。而且，隨著人口的不斷發(fā)展以及對(duì)食品安全和可持續(xù)發(fā)展的追求，智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)技術(shù)逐漸成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的熱門話題。智能養(yǎng)殖技術(shù)的引入為養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)了全新的發(fā)展與挑戰(zhàn)，推動(dòng)著傳統(tǒng)漁業(yè)向智慧漁業(yè)的方向轉(zhuǎn)型。養(yǎng)殖智能化的應(yīng)用提高了養(yǎng)殖效率，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著智能傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等的不斷涌現(xiàn)和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，養(yǎng)殖智能化將為農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的活力。

參考文獻(xiàn)

[1]徐長(zhǎng)春，鄭楠，孫巍，等.基于PLC和觸摸屏的深海網(wǎng)箱自動(dòng)投餌遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].江蘇海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，31（1）：16-22.

[2]張健.基于DCS下的鍋爐自動(dòng)控制應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2023，13（3）：117-118，121.

[3]劉文杰，左雙杰.銅選礦廠基礎(chǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)與專家控制系統(tǒng)融合探討[J].有色礦冶，2024，40（5）：43-47.

[4]安曉松，王志勇，李海麗，等.基于DCS的氧化揮發(fā)器溫度控制方法設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2024，65（15）：119-122.

[5]朱宏升.基于異構(gòu)傳感設(shè)備的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連海洋大學(xué)，2024

[6]李兆富.基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].保定：河北大學(xué)，2023