PLC水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)

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［摘要］我國水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)目前人工成本很高，大部分地區(qū)技術(shù)落后，且依靠傳統(tǒng)養(yǎng)殖方法難滿足現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。目前已經(jīng)到更新?lián)Q代的階段。本系統(tǒng)利用傳感器測量出水中相應(yīng)的環(huán)境因子PH值、溶解氧、氨氮、水溫、水位。并通過傳感器將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)或者模擬信號(hào)，傳入現(xiàn)場plc控制系統(tǒng)以及終端，再通過編制的軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)分析，依據(jù)數(shù)據(jù)控制電機(jī)啟停。通過傳感器反饋參數(shù)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用上位機(jī)實(shí)時(shí)操作和監(jiān)控。在管理人員不在現(xiàn)場的情況下，能通過手機(jī)短信接收到系統(tǒng)發(fā)來的報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)全時(shí)段監(jiān)控。

［關(guān)鍵詞］水產(chǎn)養(yǎng)殖；自動(dòng)控制系統(tǒng)；PLC；傳感器；上位機(jī)

1系統(tǒng)方案

在本文中，選用西門子S7-200224XP控制器和EM231模擬量模塊采集傳感器參數(shù)。通過軟件程序判定水質(zhì)狀況。根據(jù)飼養(yǎng)方案判斷啟停抽水機(jī)和增氧機(jī)，自動(dòng)控制水體環(huán)境始終保持在飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。同時(shí)西門子S7-200224XP控制器與上位機(jī)通過RS-485（PPI協(xié)議）轉(zhuǎn)RS-232串口通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

2水質(zhì)調(diào)節(jié)方案

水產(chǎn)養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)范圍的水質(zhì)指標(biāo)：PH（酸堿度）：8.2~8.6；DO（溶氧）：大于4mg/L；氨氮：小于0.1mg/L；水位：根據(jù)魚種選擇；水溫：根據(jù)魚種選擇。

3PH引起的水質(zhì)問題

PH值過高或者過低都會(huì)對水中魚類造成損害甚至致死。PH值過低會(huì)使魚類血液的PH值降低，消弱其載氧能力，造成生理缺氧。雖然水中不缺氧但也會(huì)造成魚類浮頭。由于耗氧降低，代謝急劇下降。盡管食物豐富，但任然處于饑餓狀態(tài)。PH低于6時(shí)，水中90%以上的硫化物以硫化氫的形式存在，增大硫化物的毒性。PH高于8時(shí)，大量的氨離子會(huì)轉(zhuǎn)化成有毒的氨氣?？傊?，過高或者過低的PH值均會(huì)使水中的微生物活動(dòng)受到抑制，有機(jī)物不易分解，會(huì)增大水中有毒物質(zhì)的毒性。解決方案：（1）當(dāng)PH計(jì)檢測到水體PH值過低，上位機(jī)報(bào)警。并顯示“投放生灰石nkg”，其中n=池寬畝數(shù)×水深×125公斤。若長時(shí)間（30分鐘以上）PH值沒有提高，系統(tǒng)自啟動(dòng)抽水機(jī)，啟動(dòng)換水程序。（2）當(dāng)PH計(jì)檢測到水體PH值過高，上位機(jī)報(bào)警。并顯示“投放漂白粉nkg”，其中n=池寬畝數(shù)×（水深/3）×12公斤。若長時(shí)間（30分鐘以上）PH值沒有降低，系統(tǒng)自啟動(dòng)抽水機(jī)，啟動(dòng)換水程序。

4氨氮引起的水質(zhì)問題

氨氮主要來源于水生物的糞便和其它廢物。水中的氨氮偏高會(huì)使魚類中毒，會(huì)嚴(yán)重影響魚類飼養(yǎng)安全性。急性中毒時(shí)可使肌肉痙攣、眼球出現(xiàn)回轉(zhuǎn)反射障礙。甚至出現(xiàn)異常旋轉(zhuǎn)游泳等癥狀，嚴(yán)重時(shí)窒息死亡。解決方案：（1）當(dāng)氨氮傳感器檢測到水體氨氮偏高。系統(tǒng)自啟動(dòng)增氧機(jī)，直到水體氨氮值恢復(fù)到養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)范圍。（2）當(dāng)水體長時(shí)間（10分鐘）未恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。系統(tǒng)自啟動(dòng)抽水機(jī)，啟動(dòng)換水程序。

5含氧引起的水質(zhì)問題

氧在水中的溶解隨溫度升高而降低、高溫會(huì)使魚類加快新陳代謝，增加耗氧。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖密度越大，生物耗氧量也越大。有機(jī)物的分解也會(huì)使氧氣消耗增加。無機(jī)物的氧化作用也會(huì)消耗大量溶解氧。輕度缺氧時(shí)，水面明顯看出魚游動(dòng)的波浪，且頭部付出水面，呼吸加快。嚴(yán)重缺氧時(shí)，大量浮頭，甚至死亡。實(shí)際養(yǎng)殖中發(fā)現(xiàn)對魚在溶氧為0.4mg/L時(shí)，停止攝食，長時(shí)間會(huì)窒息死亡。長期處于1.0-1.5mg/L的溶氧條件下，魚會(huì)停止生長。解決方案：（1）當(dāng)含氧傳感器檢測到水體含氧量低時(shí)。系統(tǒng)自啟動(dòng)增氧機(jī)，直到含氧恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，停止增氧機(jī)。（2）當(dāng)水體長時(shí)間（10分鐘）未恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。系統(tǒng)自啟動(dòng)抽水機(jī)，啟動(dòng)換水程序。

6水位調(diào)節(jié)方案

對于不同的水生動(dòng)物，對于水位的需求不同。根據(jù)水生動(dòng)物的種類設(shè)定相應(yīng)水位。在換水時(shí)通過采集水位信息，控制抽水機(jī)啟停，使水位處于相應(yīng)高度。初賻和魚苗本方案設(shè)置水位為30CM。草魚和鯽魚設(shè)置水位為50CM。

7溫度調(diào)節(jié)方案

在適溫范圍內(nèi)，水溫升高，呼吸頻率增快，代謝作用增強(qiáng)，耗氧量增大。相反，新陳代謝速度的改變，滲透壓調(diào)節(jié)和免疫系統(tǒng)功能低下等問題可能是由溫度的激烈變化導(dǎo)致的。甚至?xí)顾鷦?dòng)物體內(nèi)各種酶的失去活性，造成魚類的死亡。在適溫范圍內(nèi)，如遇天氣激烈變化引起溫度改變，也可能使水生動(dòng)物帶來災(zāi)難。輕的會(huì)發(fā)病，嚴(yán)重時(shí)造成死亡。水溫突變對幼魚的影響更為嚴(yán)重。初賻出的魚苗只能適應(yīng)±2℃以內(nèi)的溫差，而小魚苗能適應(yīng)±5℃以內(nèi)的溫差，超過這個(gè)范圍就會(huì)發(fā)病。此外，水溫的變化會(huì)引起水中環(huán)境因素改變。水溫升高還能使病原微生物活力增強(qiáng)，誘發(fā)疾病。水溫的高低對魚類的攝食影響明顯。草魚在水溫27-32℃時(shí)攝食量最大，20℃時(shí)攝食量顯著減小。水溫低于7℃時(shí)，就會(huì)停止進(jìn)食。鯉魚在水溫23-29℃時(shí)吃食最旺盛，4℃以下基本停食。因此魚類的生長表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。即春季吃食逐漸加強(qiáng)，夏季攝食旺盛，冬季攝食停止或基本停止。解決方案：（1）當(dāng)溫度傳感器檢測到水體溫度低時(shí)，系統(tǒng)自啟動(dòng)加熱棒。直到溫度恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，停止加熱。（2）當(dāng)溫度傳感器檢測到水體溫度高時(shí)，系統(tǒng)自啟動(dòng)增氧機(jī)。直到溫度恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，停止增氧。

8總結(jié)

我們小組多次在網(wǎng)上查閱或者到現(xiàn)場調(diào)研水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)和操作流程，熟悉養(yǎng)殖業(yè)必備的技能。并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)四種魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)。在上位機(jī)可以選擇養(yǎng)殖魚類，系統(tǒng)立即做出相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整，控制電機(jī)啟停直到滿足養(yǎng)殖條件。同時(shí)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)變化帶來的水環(huán)境異變的情況。在整個(gè)設(shè)計(jì)和調(diào)試的過程中，小組遇到非常多的困難。比如傳感器和控制器PLC的數(shù)據(jù)交互混亂，水產(chǎn)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)不足等。但是小組成員不拋棄不放棄，仔細(xì)分析問題根源，查閱資料，請教老師，終于完成這個(gè)項(xiàng)目。當(dāng)大家真正把所有精力都投入到這個(gè)項(xiàng)目中的時(shí)候，所有問題也就迎刃而解。通過這次大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目，我們真正感受到設(shè)計(jì)研發(fā)的艱辛。同時(shí)小組成員也深刻認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)和實(shí)踐的重要性。

參考文獻(xiàn)

[1]吳燕翔，胡詠梅，劉雨青.基于PLC循環(huán)水養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（20）.

作者：丁麗娜 曾立俊 廣穎 張世坤 魏榮成 單位：大連海洋大學(xué)