PLC在鱼卵孵化系统中的应用

伍仕焱

摘要：随着科技社会的进步，PLC控制系统在循环水养殖系统中应用的越来越广泛，PLC控制系统可以时时监测循环水养殖系统中各项影响水质因子的变化，如溶氧、pH、温度等关键参数。通过对循环水孵化冷水鱼鱼卵系统的介绍，详细描述了设计原理、控制理念、软硬件设计结构，实现了系统的逻辑控制、安全控制、故障报警显示，以及通过远程电脑如何控制PLC系统。

关键词：工厂化循环水;PLC;自动控制;孵化系统

中图分类号：S969     文献标识码：A

1  PLC系统概述

随着我国渔业的高速发展，“绿水青山就是金山银山”的理念已深入人心，养鱼的同时也要注意对环境的保护。循环水系统的建立恰好符合当代养鱼的理念，既可以把现代化的技术应用于养鱼，又可以有效保护环境，是现代化养鱼的首选。PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，其与电脑的控制程序一样，采用一类可编程的存储器用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。通过将PLC控制程序应用于循环水孵化系统中，孵化所需要的关键性指标实现自动化控制，提高孵化率，减少人工，降低成本，真正把渔业推入现代化进程。

将s7-200 PLC应用于孵化系统中，其工作原理为：通过系统中安装的电磁阀或者调节阀等感应探头传送回来的标准信号经过A/D转换模块送到现场控制单元（PLC），经过PID运算后形成控制信号，控制信号再经过D/A转换模块返送到现场执行单元，对孵化系统的水温、pH、溶氧进行实时监控，达到自动化控制的目的。

2  系统的工艺设计和整体控制方案

2.1  工艺设计

本系统采用循环水系统设计工艺，可以提高孵化率、降低鱼卵畸形率，节水且污染小，遵循自动化程度高的设计理念。主要由孵化槽、机械过滤器、集水坑、回水泵、滴滤器、上水箱、紫外线滤器、制冷机等设备组成，系统中的实时监控传感器由氧气传感器、温度传感器、pH传感器、液位传感器等组成。该系统设计温度为5℃～8℃，总水流为4 m3/h，每天最大换水量3 m3，水在孵化槽内最大停留时间为12 min，补充的新水为井水。

系统运行前，先用pH为4的盐酸整体消毒，然后用井水稀释至pH为7以上，最后将消毒水排出系统。选用虹鳟3倍体鱼卵作为孵化对象，3倍体鱼卵从丹麦购买，经消毒后放入系统。工艺流程如图1所示。

系统运行时，首先将井水注入集水坑1中，当集水坑1蓄满水后打开回水泵，回水泵的水先经过滴滤器进行生物处理后注入到上水箱中，当上水箱中的水蓄满后打开孵化槽的手动开关，上水箱的水经过紫外线杀毒后流入孵化槽，孵化槽中的水溢流后通过管道进入机械过滤器，孵化鱼卵产生的卵膜等杂质在机械过滤器中被过滤掉，然后被排出系统外，最后水再次回流到集水坑1，完成一次循环。

2.2  系统的整体控制方案

本套孵化系统以PLC为核心，利用传感器自动检测系统当中的水温、水位、溶氧、pH，以上监测的数据均为模拟量，因此采用PLC的A/D转换模块收集模拟数据，再转换成具体的数据反馈给PLC，PLC根据传感器收集到的数据进行计算，经D/A转换后让系统中的设备执行参数命令，使其与系统的设定值达到一致。PLC通过采集输入和输出点的信号监控安装在系统内的设备，并在显示面板上用具体的数字显示出来。PLC通过控制安装在系统内的控制单元完成系统的自动化控制。系统整体方案如图2所示。

可以通过PLC控制面板查看报警的种类，并根据实际情况处理相关问题。综上所述，PLC在这个系统中起到了各功能监测保护、系统故障诊断、自动化控制等重要作用。

3  控制系统的设计

3.1  系统的硬件设计

本系统选用的是西门子PLC S7-200作为控制核心，控制系统包括总控制柜、分布控制柜、仪器仪表等，用于控制系统的正常运行。同时配备了3个EM231热电偶模块、3个EM231模拟量输入模块、3个EM232模拟量输出模块、1个EM223数字量输入输出模块，可满足控制系统的要求。系统中还安装了1个pH传感器、1个温度传感器、2个液位传感器、1个氧气传感器12个电磁阀、1台循环泵、1个流量计、1台制冷机、1台机械过滤器、1个报警器、1个西门子触摸屏等其他辅助设备[1]。

3.2  PLC系统输入/输出

本系统一共設计了16个数字量输入、21个数字量输出、13个模拟量输入、2个模拟量输出。输入/输出简图如图3所示。

3.3  系统的软件设计

此套孵化系统的软件设计由以下部分组成：主程序1个和初始化子程序9个，包括子程序1集水坑1水位;子程序2机械过滤器反冲洗;子程序3注入新水;子程序4上水箱水温调节;子程序5溶氧调节;子程序6PH调节;子程序7故障报警及显示;子程序8中断程序1;子程序9中断程序2。

系统主程序开始运行时，首先检检测集水坑1中的水位，水位低于开启回水泵的液位，系统中的回水泵就停止工作并报警;如果水位正常，回水泵正常启动。接下来依次开启集水坑1水位、新水注入子程序、机械过滤器反冲洗子程序、水温控制子程序、溶氧控制子程序、pH控制子程序。各子程序之间相互独立、互不干扰。系统有手动和自动两种模式，当电控柜上的控制旋钮处于某项子程序自动控制状态时，PLC执行自动控制程序;当控制旋钮处于某项子程序的手动控制状态时，系统持续执行手动状态的命令，直到系统中的某项输出值达到报警值，此时报警响起，并在PLC面板上显示哪个设备报警[2]。

下面以pH控制子程序、水位控制子程序、温度控制子程序和溶氧控制子程序为例，讲解PLC如何在整个系统中发挥作用。

3.3.1  pH控制子程序

在集水坑1中安装有在线式pH传感器，假如设定的pH值为7.0，启动值为±0.2，当pH传感器监测到pH值>7.2时（孵化只考虑降低pH），pH传感器将收集到的信号经PID运算后反馈给PLC，PLC再将信号传递给加酸泵，加酸泵向集水坑1中注入稀释后的盐酸，当pH降低至7.0时，pH传感器再次将信号传递给PLC，PLC根据反馈的信息向加酸泵发出停止加酸的指令，如此往复实现系统pH的自动调节。当pH高于或者低于设定值时均会触发报警。

3.3.2  水位控制子程序

在集水坑1中安装有三个类型的水位传感器，第一种是当集水坑1中水位达到最低，回水泵停止运行并报警;第二种是水位高于最低位置的水位传感器但没有达到中间水位传感器的位置，此时注入新水，不报警;第三种是水位高于中间位置传感器，停止加新水;当水位高于最高位置水位传感器时，高液面报警。如此往复实现水位的自动控制。

3.3.3  温度控制子程序

在上水箱中安装有温度传感器，假如设定温度值为5℃，启动值为±0.2℃。当温度>5.2℃时，温度传感器将收集到的信号传递给PLC，PLC将启动信号传递给制冷机，此时制冷机启动制冷。当温度达到5℃时制冷机停止制冷;当温度<4.8℃时，安装在集水坑1中的加热棒开始工作，当温度达到5℃时加热棒停止工作。系统中设置有高温和低温报警，达到高、低温报警的设定值，系统自动报警。

3.3.4  溶氧控制子程序

在上水箱中安装有氧气传感器，假设设定的氧气值为9.0，启动值为±0.2，那么当溶氧<8.8时，PLC向加入氧气的电磁阀发出指令，此时开始加入氧气，当氧气达到设定的9.0时，PLC再次向电磁阀发出指令，停止加氧。如此往复完成养殖的自动化控制。当氧气达到高氧或者低氧报警值时报警响起。

4  结束语

本文讲述了PLC控制系统在孵化系统中的应用，分两次向系统中放入鱼卵，测试系统的稳定性和实用性。2015年10月放入3倍体虹鳟鱼卵65000粒，上浮58200尾，孵化率89.53%;2015年11月放入3倍体虹鳟鱼卵65000粒，上浮59000尾，孵化率90.76%。經过测试，取得了良好的效果。PLC在工厂化循环水养殖系统中的应用实现了自动化控制，系统稳定性高、安全可靠、便于维护，能够精准测量和控制影响孵化过程中的不利因子，提高孵化率和减少畸形率，值得推广和应用。

参考文献

[1]刘雨青，吴燕翔，吴晓栋.工厂化养殖循环水处理控制系统的设计[J].科学技术与工程，2012（7）：1526-1530.

[2]吴燕翔，胡咏梅，刘雨青.基于PLC循环水养殖温控系统的设计[J].科学技术与工程，2011（20）：4734-4739.