張紅燕,袁永明,馬曉飛,施珮
?。ㄖ袊a(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心 農(nóng)業(yè)部淡水漁業(yè)和種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214081)
摘要:池塘養(yǎng)殖用工成本、能源及飼料消耗越來越高,消費(fèi)者對水產(chǎn)品質(zhì)量也更加重視,傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖技術(shù)不能充分滿足現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的基本需求,應(yīng)用自動(dòng)化精準(zhǔn)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制,能夠有效降低養(yǎng)殖用工成本、減少能源飼料浪費(fèi)、提高水產(chǎn)品質(zhì)量。文章根據(jù)池塘養(yǎng)殖一般流程以及自動(dòng)控制需求,設(shè)計(jì)了池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng),詳細(xì)分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能,闡述了系統(tǒng)硬件設(shè)備的選型與集成,介紹了系統(tǒng)主要軟件的編程原理和開發(fā)實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞:池塘養(yǎng)殖;自動(dòng)控制;自動(dòng)增氧;自動(dòng)調(diào)水
中圖分類號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.030
引用格式:張紅燕,袁永明,馬曉飛,等. 池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(1):99-102.
0引言
我國水產(chǎn)養(yǎng)殖主要以傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)方式為主,隨著自動(dòng)化養(yǎng)殖設(shè)備的推廣和普及,水質(zhì)監(jiān)測、自動(dòng)控制以及智能養(yǎng)殖等技術(shù)手段在池塘養(yǎng)殖中的應(yīng)用越來越廣泛。目前,我國池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中的自動(dòng)設(shè)備控制主要依靠養(yǎng)殖者的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣,不能按需控制、預(yù)警控制和精準(zhǔn)控制,在造成電力、飼料、人工等生產(chǎn)成本浪費(fèi)的同時(shí)不能滿足現(xiàn)代化精準(zhǔn)池塘養(yǎng)殖管理的需求[1]。因而,研發(fā)一種能夠有效降低養(yǎng)殖用工成本、減少能源飼料浪費(fèi)、提高水產(chǎn)品質(zhì)量的池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)十分必要。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測模塊、自動(dòng)控制模塊、專家系統(tǒng)模塊以及人機(jī)交互模塊組成,各功能模塊之間通過混合組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳遞。通過系統(tǒng)軟硬件設(shè)備設(shè)施的集成,系統(tǒng)能夠完成和實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、養(yǎng)殖精準(zhǔn)控制、養(yǎng)殖方案更新和養(yǎng)殖現(xiàn)場查看等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí),用戶可以使用遠(yuǎn)程配置程序或現(xiàn)場配置終端將養(yǎng)殖方案配置到控制器;養(yǎng)殖過程中,控制器實(shí)時(shí)采集養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)并上傳至物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)[2],同時(shí)根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)和已下載的養(yǎng)殖方案進(jìn)行精準(zhǔn)控制;物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)將控制器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理,通過專家系統(tǒng)[3]判斷當(dāng)前養(yǎng)殖環(huán)境狀況,對于異常狀況及時(shí)生成控制處理方案,通過控制器及時(shí)處理異常,對于非異常狀況則智能生成下一階段的養(yǎng)殖控制方案,并將新方案與現(xiàn)有方案進(jìn)行差異化比對后下載更新到控制器;控制器下載配置完養(yǎng)殖控制方案后可以獨(dú)立運(yùn)行,對養(yǎng)殖過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。
2系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要包括水質(zhì)和氣象環(huán)境傳感器、水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)控制器(PLC743)、數(shù)據(jù)通信單元和自動(dòng)控制設(shè)備等。各硬件設(shè)備之間通過有線或無線進(jìn)行通信連接,實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間的互聯(lián)互通,硬件設(shè)備的有效集成和互聯(lián)保證了系統(tǒng)各項(xiàng)功能的穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)。
2.1水質(zhì)和氣象傳感器
水質(zhì)和氣象傳感器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測功能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的重要設(shè)備,系統(tǒng)選用測量準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定的溶解氧傳感器、pH傳感器以及多參數(shù)氣象站傳感器實(shí)現(xiàn)水質(zhì)和氣象環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。水質(zhì)傳感器設(shè)備采取投入式安裝方式,安裝于配套的水質(zhì)傳感器安裝浮標(biāo),采用太陽能鋰電池供電,有效持續(xù)工作時(shí)長可達(dá)45天;氣象傳感器為集成式多參數(shù)氣象站,采用配套氣象站安裝立桿安裝,采用混合供電方式,有效保證設(shè)備正常運(yùn)行。
2.2智能控制器單元
可編程邏輯控制器[4](PLC)是配備了微處理器的工業(yè)計(jì)算機(jī),系統(tǒng)選用西門子S7200系列CPU224XP AC/DC/RLY型PLC[5],它集成了14路開關(guān)量輸入和10路繼電器輸出,配有2路模擬量輸入和1路模擬量輸出,具有2個(gè)RS485通信接口,支持PPI、ModBus、MPI通信協(xié)議和自由方式通信。智能控制器接線圖如圖3。
系統(tǒng)使用PLC的PORT0通信口完成控制器與服務(wù)器端的通信,使用PORT1通信口接收傳感器設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù);使用第一組繼電器Q0.0~0.3控制投飼機(jī),完成養(yǎng)殖投飼,使用對應(yīng)的開關(guān)量輸入I0.0~0.3監(jiān)測投飼機(jī)運(yùn)行狀態(tài);使用第二組繼電器Q0.4~0.6控制葉輪式增氧機(jī),其中Q0.4為增氧控制,Q0.5為調(diào)水控制,Q0.6為定時(shí)控制,并使用對應(yīng)的開關(guān)量輸入I0.4~0.6監(jiān)測增氧機(jī)運(yùn)行狀態(tài);使用第三組繼電器Q0.7~1.1控制潛水泵,完成進(jìn)排水操作,使用開關(guān)量輸入I0.7~1.1監(jiān)測潛水泵運(yùn)行狀態(tài)。
2.3數(shù)據(jù)通信單元
控制器與傳感器、控制器與服務(wù)器之間的互聯(lián)互通需要借助通信模塊實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)選用ZigBee通信方式[6]實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信;使用TCP/IP-RS485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)控制器的網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)通信,在不具備寬帶上網(wǎng)條件的野外,池塘通過GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K實(shí)現(xiàn)控制器與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4。
2.4自動(dòng)養(yǎng)殖設(shè)備
池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中增氧機(jī)、投飼機(jī)、水泵等設(shè)備最為常用,不穩(wěn)定的電力供應(yīng)、超負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)以及工人操作不當(dāng)?shù)惹闆r均會(huì)造成電機(jī)燒毀等損失或事故[7]。系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)殖池塘現(xiàn)有自動(dòng)養(yǎng)殖設(shè)備負(fù)荷,為每一路養(yǎng)殖設(shè)備單獨(dú)配套集成最適合的電氣保護(hù)設(shè)備,配合智能控制器的智能養(yǎng)殖控制方案,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)養(yǎng)殖設(shè)備的精準(zhǔn)控制、狀態(tài)監(jiān)測和斷電保護(hù)。系統(tǒng)選用CDP632系列電動(dòng)機(jī)專用斷路器對增氧機(jī)進(jìn)行電氣保護(hù),能夠及時(shí)切斷電動(dòng)機(jī)供電,有效保護(hù)電動(dòng)機(jī)不受過載、缺相、短路等用電異常情況的影響;使用CJX2系列小型交流接觸器與智能PLC控制器連接,控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)停止,并使用該型號(hào)交流接觸器的常開觸點(diǎn)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)增氧機(jī)接線圖如圖5。
圖5中,QS為電動(dòng)機(jī)斷路器開關(guān),F(xiàn)R為電動(dòng)機(jī)斷路器中的熱繼電器保護(hù)裝置,F(xiàn)U為熔斷器,KM為交流接觸器,KM′為控制觸點(diǎn),KM*為常開觸點(diǎn),SA為增氧機(jī)手動(dòng)開關(guān)。其作用原理為:閉合斷路器QS,PLC控制器會(huì)根據(jù)環(huán)境狀況和控制方案進(jìn)行自動(dòng)精準(zhǔn)控制,滿足控制條件,PLC輸出端Q0.4繼電器動(dòng)作,交流接觸器KM吸合,增氧機(jī)開啟,到達(dá)指定條件,KM釋放,增氧機(jī)停止;手動(dòng)閉合增氧機(jī)手動(dòng)開關(guān)SA,交流接觸器KM吸合,增氧機(jī)開啟,斷開SA,KM釋放,增氧機(jī)停止;當(dāng)增氧機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常狀況,F(xiàn)R內(nèi)部發(fā)熱使其內(nèi)部雙金屬片彎曲,推動(dòng)電動(dòng)機(jī)斷路器內(nèi)部閉合觸點(diǎn)斷開,交流接觸器斷開,完成電氣保護(hù)。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括控制器程序設(shè)計(jì)、控制器遠(yuǎn)程配置程序設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場配置終端程序設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、控制器配置、養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測和精準(zhǔn)養(yǎng)殖控制等功能。
3.1控制器程序設(shè)計(jì)
控制器程序設(shè)計(jì)使用SIEMENS S7200PLC配套程序開發(fā)平臺(tái)STEP 7Micro/WIN V4.09.25進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn),開發(fā)過程需要導(dǎo)入ModBus協(xié)議庫[8]以實(shí)現(xiàn)PLC控制器的ModBusRTU通信功能,并使用MBUS_INIT、MBUS_SLAVE初始化PLC從站功能,實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器間的通信;使用MBUS_CTRL、MBUS_MSG初始化PLC主站功能,實(shí)現(xiàn)與傳感器間的通信。能夠連接7個(gè)支持ModBusRTU通信協(xié)議的傳感器接入,同時(shí)監(jiān)測15個(gè)環(huán)境參數(shù);采用4組定時(shí)控制器實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)的定時(shí)投飼功能,結(jié)合環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)投飼機(jī)智能控制;以水體溶解氧相對飽和度以及氧分壓為依據(jù),實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)智能增氧和調(diào)水功能,使用不同的繼電輸出控制同一臺(tái)增氧機(jī)進(jìn)行增氧和調(diào)水??刂破鞒绦蜻\(yùn)行流程如圖6。
3.2控制器遠(yuǎn)程配置程序設(shè)計(jì)
控制器遠(yuǎn)程配置程序(ITSStool)使用C語言設(shè)計(jì)開發(fā),實(shí)現(xiàn)對于控制器的遠(yuǎn)程配置。遠(yuǎn)程配置程序通過RS232/485直聯(lián)方式或TCP/IP遠(yuǎn)程通信方式實(shí)現(xiàn)配置指令的傳輸及配置。用戶通過程序可以掃描并連接在線控制器設(shè)備,上載控制器現(xiàn)有配置,批量或逐條下載配置到控制器;通過配置界面完成傳感器、控制器、定時(shí)器、輸出控制、狀態(tài)監(jiān)測等功能配置,并查看實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。遠(yuǎn)程配置程序運(yùn)行流程如圖7。
3.3控制器現(xiàn)場配置終端程序設(shè)計(jì)
現(xiàn)場配置終端選用兼容西門子TD200系列的MD204L文本顯示屏,使用MD204L配套編輯軟件TP200CN進(jìn)行現(xiàn)場配置終端程序設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對于控制器的現(xiàn)場配置:MD204L通過PPI協(xié)議[9]與西門子S7200系列PLC的編程口或擴(kuò)展通信口直接通信;用戶使用通信電纜完成MD204L與控制器的連接,進(jìn)行包括通信參數(shù)在內(nèi)的全部控制器參數(shù)的配置??刂破鳜F(xiàn)場配置終端如圖8。
4結(jié)論
池塘養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖精準(zhǔn)控制管理。系統(tǒng)能夠有效降低生產(chǎn)成本、提高水產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、提高生產(chǎn)管理的自動(dòng)化程度,對現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。
參考文獻(xiàn)
?。?] 徐志強(qiáng),王濤,鮑旭騰,等.池塘養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)化升級與驗(yàn)證[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào),2015,13(3):272-276.
[2] 馬曉飛,袁永明,張紅燕,等.基于Modbus的水產(chǎn)物聯(lián)設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(10):65-68.
?。?] 張紅燕,袁永明,賀艷輝,等.水產(chǎn)養(yǎng)殖專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2011,27(1):436-440.
?。?] 王秀.基于PLC和GPRS的外加熱干燥遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安:西安科技大學(xué),2013.
?。?] BERGER H. Automating with SIMATIC: controllers, software, programming, data[M]. Paris: Publicis, 2013.
[6] FARAHANI S. ZigBee wireless networks and transceivers[M]. Newnes,2008.
?。?] 谷堅(jiān),顧海濤,門濤,等.幾種機(jī)械增氧方式在池塘養(yǎng)殖中的增氧性能比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011,27(1):148-152.
?。?] 汪正果.ModBus協(xié)議在S7200PLC與PC機(jī)通信中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2010,31(2):192-194.
?。?] 蔡錦達(dá),倪建輝,郭銳,等.PPI協(xié)議與西門子S7200 PLC的通訊[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2006,19(4):13-14.