天津同阳科技发展有限公司
摘要：近年来，随着我国工农业技术的快速发展，水产养殖正在逐步从池塘养殖向工厂化养殖过渡。集约化的工厂化水产养殖技术以高氧、适温为基础，以水体再循环的方式运行，养殖密度高，生长快，饵料系数低，病害少，是水产养殖技术发展的趋势。为了提高水产养殖的自动化水平，本文以淡水养殖为例，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，使鱼类生长在最适宜的环境条件下，实现自动投饵、科学养殖、高密度集约化养殖等功能，提高水产养殖品质和产量。
关键词：现场总线；Profibus-DP；水产养殖；监控系统；PLC；数据采集
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。基于此，笔者提出基于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。经实际应用证明，该系统运行稳定可靠，易于扩展，有效提高了水产养殖的自动化水平和产品品质。
1水产养殖控制系统总体结构
目前工厂化水产养殖网络监控手段较丰富，可以采用ZigBee、GPRS等无线网络技术，也可采用现场总线等有线技术。综合技术、成本、可靠性、工程实施的紧迫性等因素，本文选用Profibus-DP现场总线作为各现场控制站与中央控制室IPC之间的通信网络。
由Profibus-DP构成的单主站水产养殖控制系统如图1所示，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，或直接采用西门子专用的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VisualBasic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（S7-200PLC与EM277模块），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4路模拟量输入模块，可用于（0～20）mA及（0～10）V标准模拟量的输入。
2现场检测元件及执行机构
2.1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。溶解氧控制示意图如图2所示，利用PLC内的PID控制器设计PID控制模块，根据溶解氧的实际情况通过变频器控制增氧机的转速，从而在实现溶解氧精确控制的同时最大程度地节约能源。
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。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3个模糊输出量。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[1]，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）温度
传统的水产养殖业，不论在何种水体饲养，都受当地气候影响，水温是影响鱼类快速生长的最大限制因子。水温调节包括保温、降温和加温，对于养殖普通的水产品，增加水的对流可实现降温，增氧机在工作时即可增加水的对流；在冬日寒冷时注入热水或用大棚遮挡可实现加温和保温，热水的注入可通过冷热交换机实现控制。
温度测量选用PT100温度传感器+PT100温度变送器，输出为（4～20）mA电流。
（4）水位
池塘水位的测量使用液位继电器加电极的方式，较传统的浮球式或超声波式液位传感器有成本低，稳定可靠的优点，尤其在高湿度和以海水介质的环境下，不锈钢材质的检测电极大大提高了使用寿命，传感器设置高低液位极限值，触发电磁阀控制进水、出水和转鼓微滤机的工作状态，从而实现池塘水位的自动控制。
2.2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。变频器选用西门子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。
3上位机监控系统开发
3.1上位机监控软件设计
监控系统使用VB6.0作为开发工具，数据库采用SQLServer2005。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。
3.2WinAC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（用户界面）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。
4现场监控软件设计
现场监控利用西门子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。如图3所示。
6结语
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ProfibusDP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、从站的控制均采用了西门子成套设备，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：
[1]朱明瑞，曹广斌，蒋树义，等.工厂化水产养殖水体的pH值在线自动控制系统[J].水产学报，2007，31（3）．
[2]仇荣华.基于ZigBee和ARM平台的水产养殖水质在线监测系统[D].山东大学，2010．
[3]孟建军，李德仓，段丽霞，等.基于WinCC的整备作业安全监控系统[J].计算机工程，2011，37（9）．
[4]刘兴国，刘兆普，王鹏样，等.基于水质监测技术的水产养殖安全保障系统及应用[J].农业工程学报，2009，25（6）
论文作者:刘金星
论文发表刊物:《基层建设》2016年10期
论文发表时间:2016/7/29
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