基于PLC和人机界面的水质自动监测仪研究

刘辉， 范良忠， 刘鹰

(1.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024；2.浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波 315100；3.中国科学院 海洋研究所，山东 青岛 266071)



基于PLC和人机界面的水质自动监测仪研究

刘辉1,2， 范良忠2， 刘鹰3

(1.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024；2.浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波 315100；3.中国科学院 海洋研究所，山东 青岛 266071)

针对目前市场水质监测仪缺少相应配套操作界面和上位机软件的问题，研究了一种集自动控制、手动控制、人机界面于一体的水质自动监测仪，实现对池塘中溶氧、pH、电导率等参数的实时监测和控制。监测仪以GX Works2和Dopsoft(版本号1.01.08)两款软件平台基础上开发，传感器选用CLEAN公司的5000系列，以FX1S系列PLC作为核心控制器，DOP-B07S411触摸屏作为人机界面，并结合RS485、RS422总线技术实现数据的采集和人机界面的通信，控制增氧机、电磁阀以及报警灯等设备。研究在宁海养殖池塘获得实际应用，结果表明，溶氧范围控制在6 mg/L以上，达到对虾生长的最佳适宜条件。研究的应用，极大地方便了人员对池塘的水质管理，且成本低廉，具有一定市场推广价值。

水质监测；PLC；溶氧；人机界面；RS485

0 引 言

渔业在我国国民经济发展中具有重要的地位[1]，鱼类的工业化养殖是实现鱼类养殖现代化的重要保障和前提[2]，工业化养殖可以减少人工成本，提高鱼类产量，是一种高产量、高效益的养殖模式[3]。溶氧、pH、电导率、温度是影响鱼类生长的重要因素，因此工业化养殖的重要内容是对上述参数进行有效监测和控制。美国、日本、荷兰等国家于20世纪70年代开始发展水质监测系统[4]，用来代替人工监测，现在美国等国家已经建设了全国性的水质监测系统，并发展到其他领域[5]。目前，很多仪器仪表公司相继推出了不同品牌的水质分析仪，如美国的YSI、HACH公司，意大利的HANNA公司[6]，法国的Polymerton公司等[7]。以YSI公司的多参数水质分析仪为例[8]，可同时监测溶氧、温度、电导率、盐度、酸碱度等近11个参数，且体积相对较小。近年来，国内厂家也进行了实践，并研发出了相应的产品，例如：江苏电分析仪器厂生产的AJ-1型水产养殖水质监测仪，西安大唐电信的小型一体化多参数水质数字在线监测仪等。但此类水质监测仪较为单一，只具备数据采集功能，无操作界面或操作界面不够友好，应用需要研发配套的上位机软件；有时会用到多个厂家的产品，因通信协议的不同，兼容性较差，也增加了后期集成的研发成本。本文旨在研究一种成本较低、界面友好的水质监测仪，既可实现水质的监测又能满足工业化养殖的需求。

1 总体结构设计

监测仪由数据采集单元、数据传输单元、控制器、现场监控、现场设备五部分组成。数据采集单元包括溶氧、pH、电导率三种传感器，传感器采用美国CLEAN公司的5000系列工业在线传感器(其中，溶氧传感器型号为DO5000，pH传感器型号为PH5000，电导率传感器型号为CON5000)；以三菱FX1S系列PLC作为控制器；人机交互界面作为现场监控设备，采用台达公司的DOP-B07S411触摸屏；现场设备由增氧机、报警灯和电磁阀构成。传感器、PLC模块之间利用RS485总线技术通信[9-10]，由PLC发送数据指令，传感器收到指令将数据发送至总线，PLC得到返回数据进行相应的处理，当溶氧量低于设定值时，将会开启增氧机及电磁阀，并进行相关报警；台达人机界面利用RS422总线与PLC通信，读取PLC内相关数据以及各现场设备的运行状态,并设计有手动和自动两种运行模块，手动模式可以使工作人员在中午开启增氧机以充分提升水中溶氧量和促进溶氧均衡。水质监测仪结构如图1所示。

图1 水质监测仪结构

2 软件设计

2.1 PLC程序设计

三菱FX1S系列PLC可以为低成本用户在有限I/O范围内寻求强大的控制，并且具有完善的性能和通讯功能，在加入FX1N-485-BD扩展板后可以与其他设备进行RS485通信，通信方式为半双工方式，扩展版有四个接口：SDA、SDB、RDA、RDB，通信时需将SDA与RDA短接后接入RS485A，SDB与RDB短接后接入RS485B,同时SDA与RDB间需接110 Ω以增加数据传输的稳定性。D8120即为PLC通讯设定寄存器，共16位。详细说明如表1所示，设定D8120为H0C81，即8位数据、无校验、无停止位、波特率为9 600、无起始符和终止符、同时选择无协议通信和常用控制顺序。

M8161为8/16位数据模式选择；D8121 用于PLC设定的站号，可设定范围0-8；D8129为延迟数据接收时间，默认单位是10 ms。本设计选用8位数据模式，PLC站号设定为1，延迟数据接受时间为50 ms。

以溶氧传感器为例，程序启动，将默认设定的溶氧阈值写入指定寄存器，同时将指令移入发送寄存器，CRC校验生成的2个字节放入发送寄存器的后两位。驱动RS指令和开启计时器，将发送寄存器内的数据移入发送缓存区，置位发送标志位，并每隔五分钟发送一次指令。数据接收完成后，PLC的接收标志位自动置位，程序复位接收完成标志位以供下次接收，将接收数据缓存区内的数据移入数据接收寄存器，判断数据格式和CRC校验码是否相同，如数据无误，则计算溶氧值并与阈值做比较。如果溶氧值小于或者等于阈值，则置位Y0/Y1，开启增氧机同时开启计时器2，计时器2设定时间为30分钟，即每次增氧机开启时间至少保持30分钟。具体流程如图2所示。

表1 通讯设定D8120寄存器各位含义

图2 PLC逻辑设计图

2.2 台达触摸屏设计

人机界面采用台达专用组态软件DOPSOFT(版本号1.01.08)开发，利用软件设定通讯参数和模块参数，设定通讯端口为com3口、人机界面站号为0、通讯方式为RS-422、8位数据、1位停止位、波特率为9 600、PLC站号1等。

监控画面主要分为开机画面、监控总画面、各养殖池分画面。开机画面包括开机设定密码、参数、时间和触摸屏校正。监控总画面通过设定管状图等各个状态动态显示设备运行状态，用不同颜色区分池塘内溶氧值的波动范围。各养殖池分画面信息包含以下内容：1.溶氧值、温度、pH值、电导率等详细信息；2.报警灯、增氧机启停状态；3.自动模式和手动模式按钮等。组态设计流程图如图3所示。开机后，Initial初始化系统内各标志位，Clock宏循环计算全局变量，画面Cycle宏因其占用空间小于Clock宏，所以用于分画面显示且不影响控制的部分代码放于画面Cycle中。

图3 组态流程图

3 结果与分析

本研究于2013年9月投入宁海双盘涂一池塘使用，主要是对温度、pH值、电导率的监测和对池塘内溶氧的监控，池塘大约3亩左右，池塘以养殖对虾为主，并有少量滩涂鱼等其他鱼类，池中放有三台增氧机，按要求池中溶氧值不得小于6 mg/L。图4为阈值6 mg/L和7 mg/L时一天的溶氧值曲线，时间跨度为当天7:00至隔天7:00，绘制间隔为20分钟，横坐标为时刻，纵坐标为时刻对应的溶氧值(单位：mg/L)。

图4 阈值6 mg/L、7 mg/L时一天24小时内溶氧变化曲线

从图4中可以看出当设定溶氧阈值为6 mg/L时会因增氧机增氧效率慢而造成溶氧值持续下降并超出范围，最小可达到5.5 mg/L甚至更低。在多次试验尝试过程中确定设定阈值为7 mg/L，即水池中溶氧含量小于或者等于7 mg/L时增氧机开启。除中午外均为自动模式，中午手动开启增氧机促进表层水和地层水中溶氧均衡。从图中可以看出，夜间溶氧因鱼虾类的消耗较易出现上下波动，但均保持在6.71 mg/L～7.26 mg/L之间，满足水中溶氧不小于6 mg/L的要求。

4 结束语

通过利用PLC、人机界面并结合RS485和RS422总线技术，实现了对水中溶氧、pH、电导率和温度的自动监控。PLC作为工业级控制器为监测仪提供稳定的性能，台达触摸屏为工作人员提供友好的界面和更直观、更系统的数据。结果表明，溶氧范围控制在6 mg/L以内，达到对虾生长的最佳适宜条件。该研究的应用，极大的方便了人员对池塘的水质管理，且成本低廉，具有一定市场推广价值。本研究中三类传感器须定期维护保养，否则将造成数据失效。

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[10] 许燕萍,杨代华. RS485串行总线可靠性的研究[J].电子科技, 2009, 22(2):8-10.

Monitoring Instrument for Water Quality Based on PLC and HMI

Liu Hui1,2, Fan Liangzhong2，Liu Ying3

(1.College of Electronic Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan Shanxi 030024, China;2.Ningbo Institute of Science & Technology of Zhejiang University, Ningbo Zhejiang 315100, China;3.Institute of Oceanology, China Academy of Science, Qingdao Shandong 266071, China)

In view of the present problems that water quality monitor market lacks the corresponding operation interface and PC software, a kind of automatic monitoring instrument for water quality is studied; it integrates automatic control, manual control and HMI. It can effectively achieve the real-time monitoring and control for the dissolved oxygen, pH, conductivity and other parameters in the pool. This study is developed based on the GX Works and the Dopsoft(version 1.01.08). That CLEAN 5000series as the sensor 、FX1S series PLC as the core controller and DOP- B07S411 touch screen as man-machine interface can flexibly control the aerator, solenoid valves, alarm lights and other equipment, the PLC collects the data by communicating with sensor using RS-485, the HMI can provide the data and manual control by communicating with PLC using RS-422. This design has a good application in a pond next to Ninghai, results show that the date of dissolved oxygen is controlled in 6mg/L or more and achieve the best growth conditions of the prawn. The application of this study which gives the researchers great convenience to manage the water quality has low cost and has the market value.

water quality monitoring; PLC; dissolved oxygen; HMI; RS485

国家自然科学基金项目“基于计算机视觉的鱼类异常行为建模与识别研究(31302231)”；浙江省教育厅科研项目“封闭循环水养殖系统鱼类异常行为建模(Y201226043)”；宁波市自然科学基金项目“基于计算机视觉的大黄鱼行为研究(2012A610110)”。

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.035

TP277

A

1000-3886(2016)04-0113-03

刘辉(1989-)，男，山东泰安人，硕士生，研究方向：智能控制技术及应用。 范良忠(1980-)，男，浙江丽水人，中国科学院计算所博士。浙江大学宁波理工学院信息科学与工程学院副教授，信息与控制研究所副所长，从事计算机应用方面研究， 刘鹰(1969-)，男，陕西岚皋人，中科院海洋所研究员、博士生导师。浙江大学农业生物环境工程专业博士，中科院海洋所海洋生物学专业博士后，法国国家海洋开发研究院(IFREMER)访问学者。现任Aquacultural Engineering Society(AES)副主席，中国农业工程学会常务理事，中国农业工程学会特种水产工程分会主任委员，国家贝类产业技术体系设施养殖岗位专家等。

定稿日期: 2016-02-02