PLC在海洋馆生物维生系统中的应用

第一作者简介：陶伟（1982-），男，二级技师。研究方向为水产养殖自动化控制，场馆电气设备智能化。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.027

摘" 要：目前，国内的海洋馆水质检测基本上仍处于人工取样、化学分析的人工监测阶段，其耗时费力并且需要配备人员进行全天候的观察和人工操作。该文提出的自动化养殖循环水控制系统操作简单、数值输出快而精确，并且可以实现对饲养的海洋生物进行24 h全过程的连续或适时监测，并可以根据监测数据自动启动相关设备进行干预以改善饲养水体质量。对于预防极端气候造成极端水质物理指标及各水环境因子综合的病害机理具有重要意义，可以使养殖的海洋生物规避生病和死亡的风险。

关键词：海洋馆生物维生系统；可编程控制器；自动控制；传感器；水泵

中图分类号：S964" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）21-0115-04

Abstract： At present， the water quality testing of domestic aquariums is basically still in the manual monitoring stage of manual sampling and chemical analysis， which is time-consuming and laborious， and needs to be equipped with personnel for all-weather observation and manual operation. This paper presents an automatic aquaculture circulating water control system is simple to operate， the numerical output is fast and accurate， and it can realize the continuous or timely monitoring of the whole process of the raised marine organisms for 24 hours， and can automatically start the relevant equipment to intervene according to the monitoring data to improve the quality of the feeding water. It is of great significance to prevent the physical indicators of extreme water quality caused by extreme climate and the disease mechanism of various water environmental factors， which can protect farmed Marine life from the risk of disease and death.

Keywords： aquarium biological life support system; programmable controller; automatic control; sensor; water pump

随着旅游业的飞速发展，出游对平常人已经成为每年的必修课一样，而人们对旅游产品的需求越来越多，越来越高。国内海洋馆和水族馆的建设应运而生，尤其是近几年，大连、青岛、上海和三亚等沿海城市的海洋馆让国人不用走出国门就可以近距离的欣赏到白鲸、海豚、海狮、海豹、海獭和企鹅等珍稀极地动物，以及珍稀海洋鱼类和海洋水生物。能否为海洋生物营造一个适于它们生存和健康的生命维护系统（简称“维生系统”）也是海洋馆能否成功运营的关键技术之一。根据各种海洋生物和海洋哺乳动物的生活习性，各种观赏生物对水体的配水温度、洁净度、深度、pH和成分差异很大，对海洋馆维生系统提出很高的要求。

1" 维生系统的概述

海洋生物维生系统技术是海洋馆的核心技术之一，其集海洋生物学、物理学、海洋化学材料学和水处理技术于一身，是多学科实用技术综合交叉集成的一项专门技术。

维生系统是海洋馆建设中的核心工程。俗话说：“养鱼先养水”，饲养用水是海洋生物生存的基础，饲养水质情况的好坏直接影响海洋生物的生存率、生长、发育。维生系统是海洋馆活体生物的状态和存活率的关键所在。其作用包括：①清除可溶性代谢物，保证溶解氧、pH、盐度、硬度、氨盐及微量元素等指标达到适宜范围。②去除水中的残饵、排泄物等悬浮物，保持水质清澈。③控制藻类、浮游生物、有害细菌的数量，提高水体质量。④调节水温，使水温保持在所饲养海洋生物适宜生存的温度范围内。

自动化养殖循环水控制系统是一个比较复杂的设备，包括信号采集部分和执行机构控制部分，两者密不可分，相辅相成。它们需要密切配合才能发挥出整个系统的功能，自动化养殖系统的水处理设备通常由以下部分构成。

1.1" 生物反应器自循环部分

作为循环水养殖的关键部分，利用生物反应器中的各种细菌，通过细菌本身所具有的分解功能和氧化功能等将水中残留的氨氮、亚硝酸盐等不适宜水产生物生长的化学物质进行化学反应生成不溶物或难溶物，然后使用不同的过滤方式清除各种颗粒直径大小不同的废物，以达到净化水质的目的。

1.2 养殖水消毒

臭氧氧化能力大约为氯气的2倍，杀死病菌所用的接触时间相对于氯气较短。臭氧的化学性质比较活跃，无法运输，需使用臭氧制造机现场制造。结合蛋白分离罐进一步对过滤后的养殖用水进行消毒。

1.3 水循环及过滤部分

该部分是利用可编程控制器控制各循环水净化设备对养殖池中不达标的饲养水进行过滤循环处理，对处理后的养殖水体经检测达到养殖标准后送回养殖池进行循环利用。对养殖水的处理过程基本实现无人化、自动化的操作，为了防止循环水泵由于故障停止工作而导致整个处理系统不能工作，该过程使用2台水泵互为备用，如图1所示。

1.4 水质监测及设备控制部分

该部分是将传感器检测到的过滤净化前后的养殖水的水质参数通过模数转换模块转换后传给PLC，经PLC进行数据比较处理后，控制与各参数相关的设备，对养殖水体进行实时检测和循环过滤、消毒控制，保证养殖水体环境的稳定可靠。

1.5 恒温温控部分

该部分是温度传感器，将实时水温采集并经过模数转换读入PLC，设计所需水体温度的PID算法，通过PLC进行PID数据处理，从而控制与温度处理相关设备的工作和停止，最终实现水温的恒定。

1.6" 排废消毒

在浊度保持在某个合理的范围内时，紫外线消毒后不会在水中留下任何残留，紫外线设备的操作和安装较为简便且能够长时间使用，在排弃废水处理环节使用可以起到环保的作用。

2" 控制系统的方案设计

2.1" 控制系统设计的步骤

第一步，要多方面剖析自动化养殖循环水控制系统的制造工艺和控制要求。

第二步，确定I/O设备。依据控制系统功能的需要，明确系统所需的I/O设备。

第三步，根据I/O的点数对设备进行选型，同时合理配置I/O点，并做出I/O表。

第四步，做出循环水控制的梯形图，温度、水质数据采集变量。

第五步，将编写好的程序输出到可编程控制器中进行软件调试，找出漏洞及不合理的地方，及时修改和改进，保证系统程序的质量。

2.2" 控制系统设计的方案

在电气自控的总体设计上，应该在条件允许的情况下，提高整个系统的自动化程度，尽可能接近甚至达到完全意义上的脱离人力。这样对于中小型的海洋馆养殖成本来说有很重要的经济意义。因为，尽管自动化养殖的规模较小，如果没有自动化程度相对较高的控制系统和设备，必然需要耗费饲养人员的精力和工作强度，从而增加饲养人员。而针对人力成本相对较高的今天，提高养殖设备的自动化程度还是很有必要的。

2.3" 控制系统的原理图

控制系统的原理图如图2所示。

2.4" 控制系统的工艺流程图

控制系统的工艺流程图如图3所示。

3" 控制系统的硬件设计

3.1" 可编程控制系统与继电控制比较

3.1.1" 继电器控制的优点和缺点

1）继电器控制的优点：所用的电气原件都是常见的，价格便宜，也便于更换。

2）继电器控制的缺点：采用继电器控制的触点比较多，由于触点容易烧坏，会有接触不良的情况发生，所以电路的故障也会接二连三地发生；再者继电控制很难实现较复杂的控制功能，因此，系统的拓展性比较差，技术水平也很难得到提升；触点的反应缓慢、电磁惯性大及机械性使系统的控制精度难以得到保证；继电器控制工作不稳定、系统体积增大，不满足系统后期扩展升级的要求。如图4所示。

3.1.2" 可编程控制器控制的优点

采用PLC控制的优点可总结为以下4个方面。

1）可靠性高。可编程逻辑控制器内部的硬件有滤波作用和光电隔离抗干扰能力的电路，使得内部的存储单元、外部设备、接口电路都得到很好的保护，可靠性比较高。通过软件的方法对变频调速器和水泵进行控制，使系统的无人化程度提高。

2）维护、操作方便。可编程逻辑控制器用到的电子元件比较少，减少了接线数，降低错误率，便于设计，维护起来也大大方便了；PLC可使用HMI（人机界面）进行现场的参数调试和控制操作，简便易行。

3）拓展性、灵活性强。PLC的编写程序语言众多，编写指令的方法灵活多变，利于开发人员的操作。需要增加点数或变量时，可以增加相应的模块，通过更改程序可以进行功能的拓展。

4）运行效率高、通信功能强。伴随总线技术和网络技术的引入，使得自动化养殖的通信能力大大增强。实现了群控制、远程监控等功能。因为有了上述的优点，PLC控制的效率也就大大地提高了。

3.2" PLC设备选型

3.2.1" PLC选型原则

使用PLC组成自动化养殖循环水控制系统时，首先应该面对的是PLC选型。在选择可编程控制器时，因为海水腐蚀的问题，应该把可靠性和环境适应性放在首位。除此之外，还应根据具体应用的饲养水体大小来选择合适的可编程控制器。

关于可编程控制器的选型，其基本原则可以从以下几个方面考虑。

1）明确饲养生物对水体的要求。

2）根据饲养水体要求的不同来确定功能的选择。具体包括替代继电器、数据传递、模拟量数学运算、诊断功能、高级功能和串行接口。

3）输入/输出模块的选择。输入/输出模块是可编程控制器与被控对象间的数据接口，输入/输出模块选择的合适与否会直接影响到维生系统的控制性能。

4）存储器的类型及其容量的选择。普通海洋馆对海洋生物一般为分类饲养，所以选取小规模控制，考虑到小型可编程控制器作为单机在使用时，由于操作使用便捷、程序特定，通常选用EPROM或EPROM加RAM。

5）控制系统的方式和结构的选择。用PLC构成的控制系统的控制方式有远程I/0控制、模拟量控制、集中式控制3种。

6）技术支持。在可编程控制器的选择时，支持技术条件也是重要的因素之一。技术支持主要体现在编写程序的能力、贮存程序的方式、通信软件包。通信软件包常常与通信硬件结合使用，具有物联网兼容性，可以让相关人员随时随地查看设备的运转情况和水质的实时数据。

3.2.2" PLC机型的选择

为了保证自动化养殖控制系统稳定高效的运行，可编程控制器选用西门子公司的S7-200 SMART/ 三菱的FX3U系列产品。现场PLC控制的主要设备是西门子公司S7-200 SMART/ 三菱FX3U系列的PLC可编程控制器。

PLC性能特点：内部指令种类丰富全面、功能完善强大、控制可靠性高、对不同运行环境适应性好、结构精密紧凑和能够根据实际需要扩展存储量。综上所述，S7-200 SMART/三菱FX3U系列的PLC可编程控制器的性价比高于其他中大机型。

4" 结论

在进行自动化养殖循环水控制系统的设计中，要充分考虑到物理、化学、生物及人为等各种可能存在的因素对系统的影响，为了防止这些因素在实际中对系统产生不良的影响，必须充分处理好这些可能的因素，并且在实际投入使用中反复验证并不断改进。随着当今环保意识的提升及科技软实力的提高，无人化、自动化程度较高的循环水养殖设备为海洋馆的生物饲养提供有力的保障。

在本文中使用了目前较为先进的可编程控制器对循环水养殖系统中水位、浑浊度、可溶性代谢物等养殖所需的水质参数进行监控比较，通过PLC控制器对过滤循环泵、蛋白分离器、臭氧消毒系统等维生系统所需的设备进行控制，使养殖池保持在一个相对稳定并适宜海洋生物生活的水质水平上。养殖系统自动化程度的提高，在减少了饲养人员工作强度的同时也保证了生物的存活率。

参考文献：

[1] 汪文忠.水产养殖水质调控技术[J].渔业致富指南，2015-16.

[2] 冯祖稳.池塘养殖常见水质问题的6个有效解决办法[J].渔业致富指南，2015：7.

[3] 高钦和，可编程控制器应用技术与设计实例[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[4] 王峰．国内外工厂化循环水养殖研究进展[J]．中国水产科学，2013；20（5）：1100-1111.

[5] 吴燕翔．基于PLC循环水养殖温控系统的设计[J]．科学技术与工程，2011；11（20）：4734-4739.