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池塘養殖自動控制系統研發

2017年微型機與應用第1期

張紅燕，袁永明,馬曉飛，施珮

中國水產科學研究院淡水漁業研究中心農業部淡水漁業和種質資源利用重點實驗室，江蘇無錫 214081

摘要： 池塘養殖用工成本、能源及飼料消耗越來越高，消費者對水產品質量也更加重視，傳統池塘養殖技術不能充分滿足現代化水產養殖生產的基本需求，應用自動化精準控制技術實現池塘養殖自動控制，能夠有效降低養殖用工成本、減少能源飼料浪費、提高水產品質量。文章根據池塘養殖一般流程以及自動控制需求，設計了池塘養殖自動控制系統，詳細分析了系統結構組成及功能，闡述了系統硬件設備的選型與集成，介紹了系統主要軟件的編程原理和開發實現。

關鍵詞： 池塘養殖自動控制自動增氧自動調水

Abstract：

Key words :

　　張紅燕，袁永明,馬曉飛，施珮

　　（中國水產科學研究院淡水漁業研究中心農業部淡水漁業和種質資源利用重點實驗室，江蘇無錫 214081）

摘要：池塘養殖用工成本、能源及飼料消耗越來越高，消費者對水產品質量也更加重視，傳統池塘養殖技術不能充分滿足現代化水產養殖生產的基本需求，應用自動化精準控制技術實現池塘養殖自動控制，能夠有效降低養殖用工成本、減少能源飼料浪費、提高水產品質量。文章根據池塘養殖一般流程以及自動控制需求，設計了池塘養殖自動控制系統，詳細分析了系統結構組成及功能，闡述了系統硬件設備的選型與集成，介紹了系統主要軟件的編程原理和開發實現。

　　關鍵詞：池塘養殖；自動控制；自動增氧；自動調水

　　中圖分類號：TP311文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.030

　　引用格式：張紅燕，袁永明,馬曉飛，等. 池塘養殖自動控制系統研發［J］.微型機與應用，2017,36（1）：99-102.

0引言

　　我國水產養殖主要以傳統的池塘養殖生產方式為主，隨著自動化養殖設備的推廣和普及，水質監測、自動控制以及智能養殖等技術手段在池塘養殖中的應用越來越廣泛。目前，我國池塘養殖生產中的自動設備控制主要依靠養殖者的經驗和習慣，不能按需控制、預警控制和精準控制，在造成電力、飼料、人工等生產成本浪費的同時不能滿足現代化精準池塘養殖管理的需求［1］。因而，研發一種能夠有效降低養殖用工成本、減少能源飼料浪費、提高水產品質量的池塘養殖自動控制系統十分必要。

1系統結構與工作原理

　　池塘養殖自動控制系統主要由養殖環境監測模塊、自動控制模塊、專家系統模塊以及人機交互模塊組成，各功能模塊之間通過混合組網實現通信和數據傳遞。通過系統軟硬件設備設施的集成，系統能夠完成和實現養殖環境監測、養殖精準控制、養殖方案更新和養殖現場查看等功能。系統結構如圖1所示。

　　系統首次運行時，用戶可以使用遠程配置程序或現場配置終端將養殖方案配置到控制器；養殖過程中，控制器實時采集養殖環境參數并上傳至物聯服務系統［2］，同時根據環境數據和已下載的養殖方案進行精準控制；物聯服務系統將控制器上傳的數據進行智能分析和處理，通過專家系統［3］判斷當前養殖環境狀況，對于異常狀況及時生成控制處理方案，通過控制器及時處理異常，對于非異常狀況則智能生成下一階段的養殖控制方案，并將新方案與現有方案進行差異化比對后下載更新到控制器；控制器下載配置完養殖控制方案后可以獨立運行，對養殖過程進行精準控制。系統工作流程如圖2所示。

2系統硬件選型與設計

　　系統硬件主要包括水質和氣象環境傳感器、水產養殖自動控制器（PLC743）、數據通信單元和自動控制設備等。各硬件設備之間通過有線或無線進行通信連接，實現各個設備之間的互聯互通，硬件設備的有效集成和互聯保證了系統各項功能的穩定運行和實現。

　　2.1水質和氣象傳感器

　　水質和氣象傳感器是實現系統水質監測功能進而實現精準控制的重要設備，系統選用測量準確、工作穩定的溶解氧傳感器、pH傳感器以及多參數氣象站傳感器實現水質和氣象環境的實時監測。水質傳感器設備采取投入式安裝方式，安裝于配套的水質傳感器安裝浮標，采用太陽能鋰電池供電，有效持續工作時長可達45天；氣象傳感器為集成式多參數氣象站，采用配套氣象站安裝立桿安裝，采用混合供電方式，有效保證設備正常運行。

　　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計算機，系統選用西門子S7200系列CPU224XP AC/DC/RLY型PLC［5］，它集成了14路開關量輸入和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RS485通信接口，支持PPI、ModBus、MPI通信協議和自由方式通信。智能控制器接線圖如圖3。

　　系統使用PLC的PORT0通信口完成控制器與服務器端的通信，使用PORT1通信口接收傳感器設備的監測數據；使用第一組繼電器Q0.0~0.3控制投飼機，完成養殖投飼，使用對應的開關量輸入I0.0~0.3監測投飼機運行狀態；使用第二組繼電器Q0.4~0.6控制葉輪式增氧機，其中Q0.4為增氧控制，Q0.5為調水控制，Q0.6為定時控制，并使用對應的開關量輸入I0.4~0.6監測增氧機運行狀態；使用第三組繼電器Q0.7~1.1控制潛水泵，完成進排水操作，使用開關量輸入I0.7~1.1監測潛水泵運行狀態。

　　2.3數據通信單元

　　控制器與傳感器、控制器與服務器之間的互聯互通需要借助通信模塊實現，系統選用ZigBee通信方式［6］實現傳感器與控制器自組網和數據通信；使用TCP/IP-RS485轉換器實現控制器的網絡接入和數據通信，在不具備寬帶上網條件的野外，池塘通過GPRS/WCDMA/LTE等支持2G/3G/4G數據傳輸的通信模塊實現控制器與服務器的數據通信。系統網絡拓撲結構如圖4。

　　2.4自動養殖設備

　　池塘養殖生產中增氧機、投飼機、水泵等設備最為常用，不穩定的電力供應、超負荷的運轉以及工人操作不當等情況均會造成電機燒毀等損失或事故［7］。系統根據養殖池塘現有自動養殖設備負荷，為每一路養殖設備單獨配套集成最適合的電氣保護設備，配合智能控制器的智能養殖控制方案，實現自動養殖設備的精準控制、狀態監測和斷電保護。系統選用CDP632系列電動機專用斷路器對增氧機進行電氣保護，能夠及時切斷電動機供電，有效保護電動機不受過載、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，控制電動機的啟動停止，并使用該型號交流接觸器的常開觸點監測設備運行狀態。系統增氧機接線圖如圖5。

　　圖5中，QS為電動機斷路器開關，FR為電動機斷路器中的熱繼電器保護裝置，FU為熔斷器，KM為交流接觸器，KM′為控制觸點，KM*為常開觸點，SA為增氧機手動開關。其作用原理為：閉合斷路器QS，PLC控制器會根據環境狀況和控制方案進行自動精準控制，滿足控制條件，PLC輸出端Q0.4繼電器動作，交流接觸器KM吸合，增氧機開啟，到達指定條件，KM釋放，增氧機停止；手動閉合增氧機手動開關SA，交流接觸器KM吸合，增氧機開啟，斷開SA，KM釋放，增氧機停止；當增氧機運行過程中出現異常狀況，FR內部發熱使其內部雙金屬片彎曲，推動電動機斷路器內部閉合觸點斷開，交流接觸器斷開，完成電氣保護。

3系統軟件設計

　　系統軟件設計包括控制器程序設計、控制器遠程配置程序設計以及現場配置終端程序設計，以實現數據通信、控制器配置、養殖環境監測和精準養殖控制等功能。

　　3.1控制器程序設計

　　控制器程序設計使用SIEMENS S7200PLC配套程序開發平臺STEP 7Micro/WIN V4.09.25進行編程實現，開發過程需要導入ModBus協議庫［8］以實現PLC控制器的ModBusRTU通信功能，并使用MBUS_INIT、MBUS_SLAVE初始化PLC從站功能，實現與服務器間的通信；使用MBUS_CTRL、MBUS_MSG初始化PLC主站功能，實現與傳感器間的通信。能夠連接7個支持ModBusRTU通信協議的傳感器接入，同時監測15個環境參數；采用4組定時控制器實現投飼機的定時投飼功能，結合環境參數實現投飼機智能控制；以水體溶解氧相對飽和度以及氧分壓為依據，實現增氧機智能增氧和調水功能，使用不同的繼電輸出控制同一臺增氧機進行增氧和調水。控制器程序運行流程如圖6。

　　3.2控制器遠程配置程序設計

　　控制器遠程配置程序（ITSStool）使用C語言設計開發，實現對于控制器的遠程配置。遠程配置程序通過RS232/485直聯方式或TCP/IP遠程通信方式實現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備，上載控制器現有配置，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、定時器、輸出控制、狀態監測等功能配置，并查看實時環境監測數據和設備運行狀態。遠程配置程序運行流程如圖7。

　　3.3控制器現場配置終端程序設計

　　現場配置終端選用兼容西門子TD200系列的MD204L文本顯示屏，使用MD204L配套編輯軟件TP200CN進行現場配置終端程序設計，實現對于控制器的現場配置：MD204L通過PPI協議［9］與西門子S7200系列PLC的編程口或擴展通信口直接通信；用戶使用通信電纜完成MD204L與控制器的連接，進行包括通信參數在內的全部控制器參數的配置。控制器現場配置終端如圖8。