集成传感器清洁功能的水产养殖环境远程测控系统设计

单慧勇　于镓　田云臣　华旭峰

摘要：系统设计为集成传感器清洁装置的水产养殖环境远程测控系统，设计采样箱将传感器数据采集及清洁装置集成一体；采用PLC为主控制器，完成对传感器清洁系统、增氧泵、采样水泵等可执行装置的控制；现场人机交互选用MCGS触摸屏，触摸屏作为主机，通过485总线实时采集传感器数据，实现测试数据的实时显示、储存及历史信息统计；PLC与触摸屏之间通过RS232总线通讯交换数据，同时PLC与GPRs模块GRM200G通过485总线通讯，将现场信息传到服务器，实现远程监控。试验结果表明，系统运行稳定可靠，操作界面友好，实现了对水产养殖水质参数的实时监测与远程监控。

关键词：水产养殖；MCGS组态；PLC；传感器清洗装置

水产养殖中水质（水环境因子）尤为重要，主要包括溶氧、水温、氨氮、pH、盐度等，它们看不见又摸不着，很难准确把握。随着养殖业的不断发展，竞争越来越激烈，及时掌握准确可靠的水质参数，提高水产品的产量与品质，势在必行。系统应用PLC技术、组态技术及无线通信技术设计的水产养殖环境远程测控系统，实现对水质实时监测与远程监控：集成传感器探头清洁系统可保持传感器测量精度，延长传感器使用寿命。

1.系统总体设计方案

1.1系统功能分析

目前中国水产养殖主要是通过控制水中的溶解氧、pH、水温来调节养殖环境，在水质控制方面，多采用数字控制系统，在对多个参数进行检测的基础上进行控制运算，再输出到执行机构，使被控参数保持在给定值上，创造适合水产品生长发育的环境。考虑到水产养殖环境监控系统长期运行后，传感器探头因附着物会使测量数据偏离实际，从而设备产生误动作，需人工定期清洁带来的不便，系统中设计了集采集与清洁于一体的传感器清洁采样装置。

1.2系统总体结构

系统总体结构示意图如图1所示。系统总体结构分为上位机与下位机两部分，下位机为PLC控制器，主要完成对传感器清洁装置、增氧泵、水泵等其他可执行装置的控制：上位机为现场触摸屏和远程通讯模块，触摸屏主要负责接收传感器采集的数据，并对采集数据进行现场实时显示、储存及历史信息统计，并通过通讯协议关联下位机PLC中的软元件，代替PLC的部分外部输入：远程通讯模块用于向远程终端定时或出现异常时发送相应信息。

2.硬件设计与选型

2.1PLC选型

根据系统的控制要求确定I/O点数时，应再增加10%左右的备用点数，便于控制要求改变时增加控制功能。系统中PLC的I/O点数为10个数字输入量、9个数字输出量，如表1所示。

根据系统I/O点数、经济性、存储器容量等方面指标选择国产海微PLC，型号为hw-36MT-3DA。工作电压DC24V，具有20路输入、16路输出，输出为大功率晶体管，适合控制系统中的电感性负载电磁阀；通讯接口有RS232、RS485、SPI MS；程序空间为256 k步，不用电池记忆，无需维护，满足系统需求。

2.2传感器选型

2.2.1溶解氧传感器的选择 从实用性与价格等多方面因素考虑，选用博海致远科技D0-8100型溶解氧测试仪，电极为50um抗污染特氟隆膜，仪表具有模拟量信号输出，通过串口RS485协议将测量参数返回。

2.2.2pH传感器的选择 pH传感器采用北京博海致远pH-210型pH/ORP测试仪，pH-210型探头采用长距离的参比扩散途径，延长了电极在恶劣环境中的使用寿命，接触面使用新型设计的玻璃球泡，增加了球泡面积，能够防止内缓冲液中干扰气泡的生成。

2.3现场触摸屏选型

显示设备上选择具有可视化和按键功能且性能稳定的MCGS触摸屏，型号为TPC1062K。该触摸屏是一款以低功耗CPU（主频600 MHZ）为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏，预装了MCGS嵌入式组态软件，具备强大的图像显示和数据处理功能。

2.4GPRS模块选型

选用广州巨控科技开发的GRM200G智能GPRS控制器。该控制器采用一种非透传模式的GPRS方案，通过厂家提供的云服务器和OPC组件进行数据交互，用户无需搭建服务器，无需固定IP地址或动态域名，所有设备和监控端只需接入Internet网络即可。

2.5传感器清洁装置设计

水产养殖水质监测中，传感器探头的污染已经成为影响监测参数精度和传感器使用寿命的重要因素，目前多采用人工定期清洗的方式，即使用棉布等擦拭传感器感测窗口，花费时间较长，工作效率低，清洗也不彻底。系统设计的传感器清洁装置如图2所示。

该装置采用射流冲洗方式来清洁传感器，结构设计上采用双层结构，第一层安放传感器旋转清洁喷头及液位开关支架，第二层安装传感器。液位开关A为传感器清洗上限位及水环境因子开始采集状态标志位：液位开关B为水环境因子采集时液位控制标志位：液位开关C为液位超限报警标志，当开关c动作时系统停止工作，报警灯开始闪烁。

3.软件设计

软件设计包括上位机组态设计和下位机PLC程序设计，系统运行流程图如图3所示。

3.1下位机PLC程序设计

3.1.1PLC主程序设计 PLC主程序设计流程图如图4所示。PLC上电，寄存器写入初始化值后进行系统设置，选择是否更新参数，或是选择工作方式。工作方式分为手动或自动模式，手动模式中选择传感器采集模式或传感器清洗模式，自动模式为系统自动运行，当手动模式与自动模式遇到液位超限、设备故障时，系统停止运行并报警。

3.1.2传感器清洗子程序设计 传感器清洁装置是系统的核心工作装置，为使清洁装置的清洗效果最佳，对每个传感器单独清洗，每个传感器清洗一次为一个周期，传感器清洗装置程序流程图如图5所示。清洗工作开始时，程序通过液位开关A的状态判断传感器清洁箱中水位是否超出清洗液面，如果超出，经过预置排水时间（其中PLC寄存器D53中设置排水等待时间）排水后，再次判断是否超出清洗液面，如此反复，直到达到传感器清洗液面时，水泵才开始工作。清洗阀门交替工作时间在PLC寄存器D50中设置，对每个传感器探头进行循环清洗。如果在清洗过程中液位开关A动作，系统判断液位过高影响清洗效果，暂停清洗，延时排水（D53中设置）后方继续清洗。

3.1.3传感器采集子程序设计 传感器采集子程序流程图如图6所示。采集开始水泵启动，待水位超过液位A后采集数据开始更新，水位超过液位B后排水阀门B打开排水，用于调节箱内水位，排水时间在寄存器D54中设置，一旦水位达到液位c，系统停止工作并报警。

3.1.4系统自动工作子程序设计 系统自动工作指在数据采集与传感器清洁之间自动循环工作，其中采集数据工作时间通过PLC中寄存器D51进行设置，循环工作中传感器探头清洗次数由PLC中寄存器D52设置，系统上电启动后自动调用断电前的设置值，并可通过触摸屏修改该参数。

3.2上位机组态设计

触摸屏是系统显示储存的核心器件，系统框图如图7所示。其具备以下功能：每个用户有单独的用户名和密码，对用户进行分级管理，根据权限进行相应的操作：能够实时显示传感器采集到水质参数及设备状态，查看系统运行状态及报警信息：实时控制操作现场设备，可根据采集到的水质环境参数进行相应处理，控制现场设备；保存采集水质数据，并以曲线、报表显示，方便用户查询和积累经验。

3.2.1组态画面设计 组态画面设计分为根据系统框图建立相应窗口、画面编辑、动画连接。通过以上步骤建立实时监控操作窗口，如图8所示。

3.2.2循环策略编写 在MCGS中编写循环策略，实现如下功能；控制养殖池溶氧量，当溶氧量低于设定值时启动增氧泵，并驱动GRM200G向远程终端报警：定时启动投饵机喂食：对采集水质参数进行转换，定时存贮。

3.3通讯设置

上位机MCGS触摸屏通过RS232总线实时读取PLC的内部寄存器状态，映射到与之相关联的内部寄存器；MCGS触摸屏通过RS485总线接收传感器采集的数据。用户无需编写通讯程序，只需要添加设备从机，根据软元件地址对应连接即可，方便用户使用。

4.远程通讯设计

上位机GRM200G通过RS485总线协议与下位机PLC进行数据交换，内部寄存器状态进行实时读取，映射到与之相关联的内部寄存器。用户只需按照说明书添加从机设备，按照PLC内部软元件地址进行关联即可。将手机SIM卡插入，将安装通用组态软件的电脑接入网络，利用巨控公司的Internet云监控服务器即可实现无线远程监控。

5.小结

基于PLC技术、组态技术及无线通信技术，设计集成传感器清洁装置的水产养殖远程监控系统，实现对水质实时监测与远程监控。将PLC程序分为采集和清洁两部分，保证了传感器采集数据的准确：通过McGs组态软件使整个控制过程实现可视化的监测，并具有历史数据查询、报警信息浏览等功能：通过GRM200G将养殖池塘的实时信息展现在用户面前，实现短信报警、短信查询等功能。