松辽水利委员会察尔森水库管理局 内蒙古乌兰浩特市 137400
摘要：养殖池塘溶解氧是鱼类赖以生存的重要指标，及时准确地对池塘溶解氧进行智能监测与调控才能确保池塘溶解氧满足鱼类生长需要和提高养殖经济效益。基于Profibus现场总线网络控制的智能监控系统。采用现场总线、PLC、传感器、计算机技术对养殖池的溶氧量、pH值、温度、水位等主要环境参数进行自动检测和控制，开发人机界面和数据库系统，实现养殖数据的实时采集、动态监测和处理。
关键词：水产养殖；监控系统；PLC；数据采集
池塘溶解氧能够较好地维持池塘生态环境，增强鱼体的活动能力，提高代谢水平和产品品质，加速有机物分解，减少有毒有害物质产生，它是水产养殖动植物生命要素和渔业水体的重要水质指标之一。面对越来越大的水产养殖规模和科学化养殖的要求，如何对水产养殖生态环境进行科学监测，将养殖环境控制在最佳状态成为非常重要的一个环节。本文以南方淡水养殖为例，采用现场总线、PLC、传感器、计算机技术对养殖水池的主要环境参数进行自动检测和控制。
一、水产养殖控制系统总体结构
由Profibus-DP 构成的单主站水产养殖控制系统，由一台工控机配CP5613通信卡和WinAC 软PLC 为主站，以S7-200 系列的PLC 为从站。网络拓扑结构采用总线型。Profibus-DP的传输可采用RS-485 传输技术， 传输介质可以是双绞线或光缆，或直接采用Profibus-DP 线缆和接头。Profibus-DP 总线上最多可挂接127个站点。现场各传感器采集的数据由智能从站处理器处理后通过Profibus 现场总线上传给中央控制室，中央控制室对上传数据进行处理和显示。
1、中央控制室IPC：作为Profibus-DP 的主站，上位监控采用WinAC 软PLC 技术， 进行从站远程参数化设置。上位监控系统用STEP7 编写控制程序，实现对各PLC 从站的远程控制。利用WinAC 提供的OPC、AtiveX 控件等，可用Visual Basic 开发监控画面。监控程序的实现也比较容易，因为主从PLC之间的通信接口可通过WinAC 实现，而无须费力去开发底层通讯程序。
2、各养殖池从站：从站PLC 通过对养殖池水环境参数的自动检测，分析掌握养殖池内鱼体排泄状况、投饵是否过量、增养殖是否过快等重要养殖信息；同时接受从上位机传送的控制参数设置，启动投饲机、增氧机、水泵等执行机构，按不同要求调控养殖的微气候环境。从站采用DP 组合设备， 将S7-200系列CPU226通过EM277 模块连接到Profibus-DP 通信网络。这样的配置从站可不依赖于主站独立运行。EM231是模拟量输入模块，可用于（0～20）mA 及（0～10）V标准模拟量的输入。
二、现场检测元件及执行机构
1、检测参数及控制方法
（1）DO 溶解氧。在水产养殖过程中，水环境中的溶解氧含量是鱼类生存的重要指标。一般养殖鱼类正常生长发育所需要的溶氧量在4～5mg/L 以上。传统养殖池溶解氧含氧难以实现精确控制，其增氧方式采用增氧机不间断式增氧也造成了电能的极大浪费。鉴于水产养殖环境的特点是多变量、大惯性非线性、纯滞后，采用常规控制方法难以达到满意的控制效果，本系统利用模糊控制算法整定PID 参数的方式通过设计PID 调节器对水环境中的溶解氧进行控制，使其稳定在需要的范围之内。
本系统采用模糊控制算法实现PID 参数的设定，通过建立模糊参数控制表实现参数的自整定。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆首先，控制算法将根据溶解氧电压的给定值、采样的实际值和前一次误差分别计算误差和误差变化，然后根据模糊化的结果查询已经存入PLC 的模糊控制表，得到整定PID 的模糊输出量。采用此方式整定PID 参数， 既保持了PID 参数的相对稳定，又根据监控参数的误差和误差变化实现了PID 参数的在线调整。溶解氧传感器可选用长沙华先仪器的HXLDO在线溶氧传感器，测量范围（0～20）ppm，温度范围是（-5～+50）℃，使用24V 直流电源供电，自带温度补偿，输出（4～20）mA 电流。
（2）酸碱度。淡水鱼虾最适宜的pH 值为6.8～7.5，pH 过高或过低对鱼虾都有直接损害，甚至死亡。在养殖过程中，系统的pH 值变化呈现温和、渐进降低趋势。pH值的调节可通过人工往池塘加入适当的中和剂实现，也可以采取自动控制的方法，利用S7-200 内的PID 功能块，以占空比方式控制电磁阀添加中和剂，将pH 值控制在规定范围。pH 值传感器选用中西泰安技术的m129121，为（4～20）mA 标准输出，工作量程是（0～14）pH，精度是满量程的2％。
（3）水位。池塘水位的测量可使用简单的浮球液位控制器，设置高低极限值，触发电磁阀控制进水、出水，从而实现池塘水位的自动控制。
2、执行机构。增氧机选用叶轮增氧机，其具有上下水层交换的作用， 叶轮旋转所形成的水膜及水花与空气接触面大，有较大的曝气作用；同时搅水能力强，产生的波浪大，波及范围广，能有效地增加水体中的含氧量。投饵调节采用自动投饵机投饵，从养殖生产的安全性、经济性角度考虑，以水体DO 为指标进行投饲控制： 水体DO<2mg／L时， 投饲机停止运行；DO在2～5mg／L时，投饲机变频运行：DO>5mg ／L时，投饲机正常工作。增氧机的控制采用变频调速技术，使用变频器调速控制一大优点是控制过程中只是降低功率，增氧机始终是运转的，这样就避免了增氧机反复启停可能导致的电机使用寿命降低、故障率增加等缺点。变频器选用MM420 基本型通用变频器，它是一种模块化变频器，可安装在35mm 标准导轨上，非常适用于本从站系统。
三、上位机监控系统开发
1、上位机监控软件设计。监控系统使用VB 6.0 作为开发工具，数据库采用SQL Server，监控系统包括现场监测数据的处理和鱼病预防诊断模块两大部分。现场数据的处理包括实时数据和历史数据的处理，实现在线数据的多样化显示和监控参数的设置。鱼病预防诊断模块能够根据病鱼症状特征进行病害诊断和预防，由于篇幅所限，有关鱼病诊断专家系统的内容不在此介绍。监控软件通过WinAC 主机， 向Profibus-DP 上的EM277 从站发送命令， 同时读取从站PLC 监测到的设备运行状态、模拟量采样数据和报警信息等。
2、WinAC 组态及通信。在使用Profibus 网络之前，首先进行网络组态，用STEP7 组态WinAC 软PLC 主站和EM277 从站，新建一个Profibus 通讯网络，配置主、从站的站点号和接口通讯区，设置主、从站数据通讯区域，将组态下载到主站中，并对主机编程。WinAC 要处理主站的应用程序与实时控制的从站PLC 之间的数据信息交换、报警事件的处理、两个从站之间运行协调和一些运行参数的存储等。WinAC 本身没有画面功能， 但与VB 通讯极其方便， 利用WinAC提供的ActiveX 控件，用户无需任何编程，在VB 中使用该控件即实现了与WinAC 的连接。
3、现场监控软件设计。现场监控利用S7-200 实现，其主要功能是实现各养殖池的参数控制及与上位机的数据交换。为了优化系统软件程序设计，从站软件结构采用模块化设计方法，主要包括：数据采样、数据处理输出、数据通讯、数据存储、算法控制等模块。
4、运行情况分析。该系统已成功应用于某水产养殖基地，该基地以养殖青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼为主，从两个多月的测试来看，上位机与各测控站点通讯稳定，监控系统能实时监控养殖池水环境参数，采用PID 控制调节器能有效地将溶解氧控制在设定范围内；整个数据库系统工作正常，能定时保存各监测数据， 实现数据查询和报表生成，本系统实现了对溶解氧、pH 值和水位的自动调节，有效地增加了水产养殖的密度，减小劳动强度，提高水产品的品质。系统采用Profibus DP 和软PLC 等技术简化了硬件结构便于调试维护，易于扩展，适用性强。WinAC 满足了快速实时的要求，简化了通讯接口，降低了编程工作量，大大加快了系统的开发进度。但是，由于控制系统组网、系统可靠性增强的同时也增加了成本，如果从节约成本考虑，从站的控制和通讯以及测量传感器的调理电路可改由单片机自行开发实现。
参考文献：
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[3] 黄建清, 王卫星, 姜晟. 基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验[J].农业工程学报,2013,29(4):10.
论文作者:武剑朋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/27
标签：溶解氧论文; 增氧机论文; 水产养殖论文; 池塘论文; 参数论文; 传感器论文; 上位论文; 《防护工程》2018年第22期论文;