基于PLC的水产养殖监控系统的开发实验

李占贤，刘宣佑，王 凯

(华北理工大学 机械工程学院， 河北 唐山 063000)

0 引言

随着人们生活水平的日益提高，对水产品的需求量大幅上涨，而且对水产品质量的要求也与日俱增。目前国内的水产养殖大多采用粗糙开放型的饲养方式，造成水产产量有限、生长周期慢、资源浪费等。对于现代化的水产养殖，应时刻关注鱼塘中的水深、水温、水溶氧等影响水产成长的关键因素。然而目前大部分养殖户针对以上数据并没有太直观的观察，而是要根据老渔户的饲养经验，根据天气和季节来调整水深、水温及打氧量，这使得渔业饲养的门槛较高，而且也并不能真正使鱼塘达到水产的最适合的生长环境。因此，本文设计了基于PLC与人机界面触摸屏的智能控制系统来给渔户最直观的数据反映与最直观的饲养指导操作，从而降低渔业养殖的技术门槛，致富广大渔业养殖户，实现水产养殖的科学化、大型化、智能化和现代化。

1 针对水产养殖的关键因素的数值分析

鱼塘环境对水产品的生长至关重要，其中尤以水深、水温、水溶氧含量最为重要。以上因素会直接影响水产品的生长速度和质量，如果把握不好其中关系，甚至会导致鱼塘水产大范围患病及死亡[1]。根据相关文献及资料查询所得鱼塘中的水溶氧含量如图1、图2所示。

图1一天中不同时刻鱼塘中水溶氧含量变化图图2不同月份水中水溶氧含量的变化图

从图1和图2中不难看出，无论一年四季中的哪一天，水中的水溶氧含量都随着日光的照射而发生变化，从早上六点太阳出来开始，直到下午四点以后太阳落山，鱼塘中的水溶氧含量先升高再降低。鱼塘中水温也是随着日照的变化而变化，根据其他文献介绍得到如图3所示的水温与水溶氧含量的关系曲线。

根据实验数据分析，不同水深有不同的水温和水溶氧含量，随着水深数值增大，水温、水溶氧含量也会随之降低[2]。

图3 温度与水溶氧的关系曲线

2 基于PLC的水产养殖监控系统总体设计

2.1 控制要求

该系统针对水深、水温、水溶氧含量进行监控并通过执行机构进行调节，有效地控制了鱼塘水产生长环境，基于PLC的水产养殖系统结构如图4所示。

图4 基于PLC的水产养殖系统结构框图

图4中传感数据检测部分有日照传感器、温度传感器、水溶氧含量传感器。其中，日照传感器用来检测鱼塘水池中的日照强度及时间，温度传感器用来检测鱼塘水池的水温；水溶氧含量传感器用以检测水中的含氧量是否达到水产的最合适生长条件[3]。控制部分采用国产PLC进行数字控制，由交互触摸屏实时显示测试数据以便渔户进行最直观的观察与分析。执行部分由增氧机驱动装置和给水泵驱动装置构成。增氧机驱动装置用以增加鱼塘中水的水溶氧含量，以达到最适合水产生长的数值；而给水泵驱动装置用于对鱼塘的水深及水温进行控制，通过给水、排水达到换水以及控制水深的目的。

2.2 系统硬件选择

系统选用的PLC需满足以下功能才能达到设备所需的控制过程：①接收触摸屏上的参数设定值，检测传感器采集的温度、溶解氧、光照强度等参数并在触摸屏上实时显示；②根据传感器上的信息反映，通过PLC程序处理，顺利完成执行机构的工作；③渔户可根据季节、天气等实时自然条件进行手动操作，以达到完美控制，实现利益最大化。

本文选用SBWZ系列的温度变送器、KTR-952-DO溶解氧传感器和KTR-8017-DO溶解氧采集模块以及WZD-B1光照传感器，传感器检测信号统一采用4 mA～20 mA的信号。以温度传感器接线为例，如图5所示。

图5 温度传感器接线图

4 mA～20 mA的电流信号经过250 Ω的电阻，转换成1 V～5 V的电压信号并传送到PLC控制模块[4]。

设备的主电路采用PLC驱动交流接触器控制各类水泵及电磁阀现场执行相应动作[5]。硬件选型如表1所示。

表1 硬件选型表

考虑到给水设备水泵的工作负荷及可靠性，决定其由工作泵M1和备用水泵M2组成，分别由接触器KM1、KM2控制工频运行，由KM3、KM4控制变频运行。增氧机泵M3由接触器KM5进行控制[5]。控制电路如图6所示。

图6 控制电路接线图

触摸屏与CPU采用DC24 V电源供电，用RS485串行通讯方式。接触器线圈采用AC220 V电源供电。

2.3 系统软件设计

该设备的系统软件包括上位机软件与下位机软件，具体工作流程如图7所示。

图7 软件流程图

2.4 上位机监控画面设计

选用Eview ET070型触摸屏，其监控画面如图8所示。

图8 实时监控画面

图8中主画面为摄像头拍摄的鱼塘，用以监控鱼塘环境，防止出现人为破坏，并根据外部环境做出人为的反应。左侧为实时显示的温度和水溶氧含量的数值，以便人为进行增氧机与给水泵的启停操作。

右侧为增氧机与给水泵的开关，方便进行启停操作，控制鱼塘的水温及溶氧含量，并实时反映在左侧的数据栏中。

右侧上方设置有手动开关，方便经验丰富的渔户进行现场控制PLC的操作。

2.5 下位机软件编写

下位机选用西门子CPU224的PLC主机，其中I/O分配表如表2所示。

表2 PLC输入输出端子分配

温度控制程序如图9所示。

图9 水温控制程序段

鱼塘溶氧量控制程序与温度控制类似。

3 结束语

该设备以PLC控制模块为核心，辅以组态触摸屏为基础进行设计，实现了对鱼塘渔业生产养殖的水深、水温以及水溶氧含量的数字化控制，用程序控制增氧机以及给水泵，实现了对鱼塘的生产环境进行改良并使其最大限度地适应水产生长，该设备成本低、效率高，有一定的推广价值。

图2 消防控制系统PLC控制梯形图

该梯形图的设计难点在于手动和自动的逻辑配合关系。在手动开启系统的过程中，巧妙地避开了系统的故障部分，使手动开启程序得以运行。

3 结论

基于PLC的高层建筑消防水泵控制系统，采用全自动的运行方式，运行安全可靠。同时，由于PLC采用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备的外部接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时设备维护也变得容易起来，在节省人力物力的同时，能够在火灾发生的第一时间启动消防系统，能够最大程度地减少损失。

参考文献：

[1] 潘振显，郭伟清，邱金秀.PLC在高层建筑生活及消防供水控制系统中的应用[J].电世界,2016(7): 339-342.

[2] 王世群.高层建筑消防灭火系统可靠性研究[D].重庆:重庆大学，2004:18-19.

[3] 黄正元.基于PLC的小区楼宇供水系统设计[J].工业控制计算机，2010,23(6):115-118.

[4] 西门子(中国)有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社，2009.

[5] 陆柏林，肖峰.PLC编程100例[M].北京:中国电力出版社，2016.