黃勝維 陳麗城 農(nóng)燕林 何金秋 譚嬌蘭

摘要：傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖存在資源消耗大、產(chǎn)量低、人力成本高等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一款基于三菱可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，的對(duì)蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)。研究了當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖方式的背景，分析了對(duì)蝦養(yǎng)殖的環(huán)境條件及要求;明確了養(yǎng)殖系統(tǒng)的功能需求，提出基于PLC的工廠化養(yǎng)殖的控制系統(tǒng)，完成了對(duì)蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建工作。通過實(shí)際測試驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦養(yǎng)殖自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水控制;三菱PLC;溫度控制

引言

20世紀(jì)70年代，國外工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的信息已經(jīng)流入國內(nèi)，北京、上海等各地的水產(chǎn)研究院、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所等先驅(qū)者開始跟蹤研究，但那時(shí)并沒有出現(xiàn)真正意義上的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖。20世紀(jì)80年代，國外的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)備和技術(shù)開始進(jìn)入中國，但因當(dāng)時(shí)的設(shè)備價(jià)格昂貴，養(yǎng)殖方式無法大規(guī)模普及。隨著當(dāng)時(shí)物流業(yè)的迅速發(fā)展，我國北方的水產(chǎn)品價(jià)格大幅下跌，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖方式帶來的經(jīng)濟(jì)收益受到了嚴(yán)重質(zhì)疑，從而使其發(fā)展進(jìn)入了低谷[1]。到了21世紀(jì)后，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國各地興起了很多水產(chǎn)養(yǎng)殖示范區(qū)，國家有關(guān)科研計(jì)劃大力支持工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的研究，并取得了重要的階段性成果。后自主研發(fā)適合我們國家國情的養(yǎng)殖設(shè)備，如微濾機(jī)、臭氧發(fā)生器、蛋白分離器等，逐步完善養(yǎng)殖技術(shù)和工藝。

一、研究內(nèi)容及方法

以南美對(duì)蝦為例：設(shè)置養(yǎng)殖池尺寸為4m*5m，深度1.4m。最適生長溫度是23-32℃，生存水溫是10-40℃[2]。最佳的生存水色由綠藻和硅藻形成。在PH值上，對(duì)蝦養(yǎng)殖偏向堿性，PH值在7.8到9之間[3]。對(duì)蝦的耐鹽性較強(qiáng)，能適應(yīng)比較高濃度的鹽度，可以適當(dāng)?shù)卦黾欲}度有利與對(duì)蝦的生長，但養(yǎng)殖水的含鹽度不能浮動(dòng)過大，否則會(huì)傷害到對(duì)蝦。池水中往往會(huì)存在比較高含量的亞硝酸態(tài)氨、銨態(tài)氮和硫化氫等物質(zhì)。這些物質(zhì)的存在會(huì)嚴(yán)重影響到對(duì)蝦的生長，必須將其物質(zhì)控制在0.5毫克每升左右。

本設(shè)計(jì)以三菱可編程控制器為系統(tǒng)的控制中心，在觸摸屏上我們選擇昆侖通泰觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控與交互。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，減少大量人工。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)掌握養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境信息，并可以根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的科學(xué)養(yǎng)殖與管理。利用循環(huán)流水對(duì)養(yǎng)殖池使原本靜態(tài)的池水流動(dòng)起來，保證養(yǎng)殖池體內(nèi)水質(zhì)新鮮、高氧量，促進(jìn)水體中對(duì)蝦的良性成長。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

液位控制部分：在養(yǎng)殖池的進(jìn)水和排水的過程中，對(duì)養(yǎng)殖池液位[5]部分程序進(jìn)行判定。當(dāng)液位過高時(shí)，程序打開排水閥，暫時(shí)關(guān)閉進(jìn)水泵，在水位下降后，恢復(fù)循環(huán)水過程。當(dāng)養(yǎng)殖池水過少時(shí)，液位程序，關(guān)斷電磁閥，待池水恢復(fù)設(shè)定的高度時(shí)，再重新開啟。如此一來，既能保證活水的循環(huán)，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦對(duì)養(yǎng)殖池的液位需求。

溫控系統(tǒng)：利用PID模糊算法和占空比輸出進(jìn)行閉環(huán)控制?？刂粕侠昧薖ID算法[4]，通過對(duì)PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，輸出一個(gè)合適的值來調(diào)節(jié)養(yǎng)殖池的溫度，使溫度穩(wěn)定維持在預(yù)設(shè)溫度上下。

定時(shí)增氧部分：晚上時(shí)，池中的溶解氧含量減少，通過TRD指令，將實(shí)時(shí)時(shí)間傳送到程序的寄存器當(dāng)中，控制增氧機(jī)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)工作，滿足養(yǎng)殖池的溶解氧含量要求。用戶在觸摸屏可以監(jiān)測到增氧機(jī)的工作狀態(tài)，在實(shí)時(shí)時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，增氧機(jī)開始工作，反之，當(dāng)時(shí)間未到設(shè)定范圍時(shí)，增氧機(jī)停止工作。

循環(huán)水處理：這一部分是工廠化養(yǎng)殖的核心，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化，接著養(yǎng)殖池的增氧機(jī)開始工作，排水閥開通，污水流經(jīng)微濾機(jī)，然后流入沉淀池，進(jìn)行雜質(zhì)過濾。而后通過水泵抽水，將過濾完的水抽到生物凈化池，利用水生物的特性消除對(duì)養(yǎng)殖有害物質(zhì)。再將處理過的水經(jīng)過臭氧殺菌消毒處理，然后通過熱交換方式，將處理好的凈水進(jìn)行加溫。最后出水回流到養(yǎng)殖池。在養(yǎng)殖池的進(jìn)出水中，設(shè)置了液位開關(guān)，保證養(yǎng)殖池正常的水位。當(dāng)養(yǎng)殖池水位過高時(shí)，液位傳感器將信號(hào)發(fā)送到PLC內(nèi)部進(jìn)行處理，進(jìn)水泵停止工作，當(dāng)水位過低時(shí)，電磁閥通過PLC的指令控制關(guān)閉。

三、系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：通過上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)控制，在觸摸屏中顯示各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)、實(shí)時(shí)時(shí)間、液位和溫度值曲線等多方面內(nèi)容。啟動(dòng)系統(tǒng)后，循環(huán)水系統(tǒng)部分，電磁閥和水泵開始循環(huán)水運(yùn)作，用戶可以在觸摸屏監(jiān)測到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在觸摸屏上可以更新實(shí)時(shí)時(shí)間，在晚上時(shí)養(yǎng)殖池氧氣濃度下降，需設(shè)定增氧時(shí)間保持氧濃度值。其次可以在觸摸屏觀察液位的高低，當(dāng)液位異常時(shí)，會(huì)進(jìn)行警報(bào)。用戶可以在觸摸屏對(duì)養(yǎng)殖池進(jìn)行溫度設(shè)定，恒定養(yǎng)殖過程中的水溫。

四、總結(jié)

對(duì)蝦有較為廣泛的市場前景，近年來，蝦的養(yǎng)殖規(guī)模日漸擴(kuò)大，對(duì)養(yǎng)殖技術(shù)提出了更高層次的要求。該控制系統(tǒng)確定科學(xué)的養(yǎng)殖模式，通過蝦苗培育、餌料投喂、水質(zhì)調(diào)控、管理等方面技術(shù)的提升，營造一個(gè)和諧的養(yǎng)殖環(huán)境，使養(yǎng)殖生態(tài)更為平衡，增強(qiáng)對(duì)蝦的生命力，提升養(yǎng)殖的成功率，進(jìn)而促進(jìn)養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益的提升。與周邊散養(yǎng)對(duì)蝦的養(yǎng)殖戶相比，效益提高20%以上，實(shí)現(xiàn)了高效低人工的目的。該模式控制了成蝦密度，相對(duì)降低了日投餌量，具有污染少、風(fēng)險(xiǎn)小、效益高等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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梧州學(xué)院2021年自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：對(duì)蝦工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖控制系統(tǒng)（項(xiàng)目編號(hào)：S202111354057）.

作者簡介：黃勝維（2001-），男，漢族，廣西欽州人，本科，學(xué)生。研究方向：自動(dòng)化