吳強(qiáng)澤 袁永明

摘要 投飼機(jī)是繼增氧機(jī)后又一種量大面廣、顯著效益的水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械，傳統(tǒng)的漁用投飼機(jī)多采用機(jī)械定時(shí)的控制模式，常因精度差、定時(shí)不準(zhǔn)而造成飼料浪費(fèi)。針對這一問題，該文提出一種基于PLC控制技術(shù)的解決方案。研究了以水溫為輸入?yún)?shù)的定時(shí)控制方法，重點(diǎn)對定時(shí)控制器的硬件構(gòu)成和 PLC 控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，最后對其進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定，投喂效果良好。

關(guān)鍵詞 投飼機(jī)；PLC；水溫；定時(shí)控制器；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號 TP273；S951.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）34-350-03

2007年的中央一號文件明確指出，發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是社會主義新農(nóng)村建設(shè)的首要任務(wù)[1]?，F(xiàn)代漁業(yè)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要部分，具有規(guī)?；?、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化的特征。相對于我國水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的規(guī)模，以及國外設(shè)施漁業(yè)的發(fā)展水平，我國的現(xiàn)代漁業(yè)相對滯后，自動(dòng)化程度較低，尤其在投飼方面較為突出[2-3]。漁用投飼機(jī)集定點(diǎn)、定時(shí)和定量于一體，具有投飼面積廣、投飼均勻、減少飼料浪費(fèi)、降低水質(zhì)污染的優(yōu)點(diǎn)。使用該機(jī)械既減輕了漁民的勞動(dòng)強(qiáng)度，又增加了魚的產(chǎn)量。投飼機(jī)是繼增氧機(jī)后又一種量大面廣、有顯著效益的水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械[4]?，F(xiàn)有的投飼機(jī)大多采用機(jī)械定時(shí)的簡易控制系統(tǒng)。這種定時(shí)方式有著兩個(gè)核心問題：一是需要人工定時(shí)，不能自動(dòng)開啟；二是由于定時(shí)原理簡單，常因接觸不良造成定時(shí)不準(zhǔn)，甚至因?yàn)橥Ｗ叨锻觑暳希斐衫速M(fèi)并污染水質(zhì)。基于PLC的定時(shí)控制器可很好地解決上述問題，同時(shí)也是漁業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化過程的重要嘗試，對池塘養(yǎng)殖的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義。

1 傳統(tǒng)投飼機(jī)控制

1.1 常用控制器類型 投飼機(jī)的控制器的主要功能是開關(guān)，定時(shí)和間歇控制功能，一般分為機(jī)械定時(shí)、電子定時(shí)和PLC或單片機(jī)為核心的控制器。按自動(dòng)化程度分為半自動(dòng)和全自動(dòng)兩種。機(jī)械控制器采用機(jī)械旋鈕的定時(shí)方式，一般設(shè)有開機(jī)、定時(shí)時(shí)間、每次拋料的時(shí)間以及落料間隔時(shí)間這幾個(gè)控制按鈕。除了機(jī)械定時(shí)，市面上也有很多電子定時(shí)的控制盒，這種控制器摒除了不準(zhǔn)確的機(jī)械旋鈕記時(shí)方式，采用電子控制按鍵，并且支持LED顯示的較為先進(jìn)的模式，但是仍不能設(shè)定長時(shí)間的投飼計(jì)劃。PLC或單片機(jī)為核心的控制器，屬于全自動(dòng)的控制模式。符合更先進(jìn)的漁業(yè)生產(chǎn)需要。但是考慮到養(yǎng)殖成本問題，目前投放到市場的上仍以機(jī)械定時(shí)控制的投飼機(jī)為主流。

1.2 機(jī)械定時(shí)器原理 定時(shí)器按結(jié)構(gòu)和性能，一般可分為3類：機(jī)械發(fā)條式、電子式和電動(dòng)式[5]。由于機(jī)械發(fā)條式定時(shí)器價(jià)格低，操作方便、維修容易、適應(yīng)面較廣等特點(diǎn)，普通投飼機(jī)也采用這種機(jī)械定時(shí)控制裝置，相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)置機(jī)械時(shí)鐘，通過齒輪和發(fā)條的轉(zhuǎn)動(dòng)來記錄時(shí)間。

機(jī)械定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：第1部分是動(dòng)力部件，由發(fā)條[6]、上發(fā)條的單向機(jī)構(gòu)，人工擰轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)條擰緊就提供了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力；第2部分是釋放部件，由一系列的齒輪組成，齒輪變速，使發(fā)條松弛時(shí)的旋轉(zhuǎn)周數(shù)增加，在齒輪系的末端有擒縱輪、擒縱爪和游絲，用來保證齒輪系在發(fā)條的驅(qū)動(dòng)下以恒定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。游絲上設(shè)有調(diào)整游絲長度的裝置，以調(diào)整擒縱爪擺動(dòng)的頻率，保證齒輪按設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，避免將已擰緊的發(fā)條一下子松完，同時(shí)也不受發(fā)條松緊的影響而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的變化；第3部分是定時(shí)觸發(fā)裝置，使齒輪系中某個(gè)齒輪轉(zhuǎn)到一定角度后發(fā)出一個(gè)電信號或機(jī)械信號，停止供電。

1.3 局限性分析 這種以機(jī)械定時(shí)器為控制核心的投飼機(jī)只是單純的取代手工拋灑這一重復(fù)性動(dòng)作[7]，有著諸多的局限性。

（1）自動(dòng)化程度低。傳統(tǒng)的投飼機(jī)工作時(shí)必須人工設(shè)定時(shí)間，每次定時(shí)只能完成一次投喂。一天投喂多次時(shí)需每次提前轉(zhuǎn)動(dòng)定時(shí)旋鈕。在炎熱天氣，人力不足時(shí)造成養(yǎng)殖戶很大困擾；（2）定時(shí)不準(zhǔn)確。這種以機(jī)械定時(shí)器為控制核心的投飼機(jī)，設(shè)定定時(shí)檔時(shí)，需轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕到需要的時(shí)間刻度，然后發(fā)條開始松動(dòng)，機(jī)器開始工作。這樣多次摩擦過后發(fā)條和齒輪被損耗，導(dǎo)致定時(shí)不準(zhǔn)。（3）容易停走。機(jī)械定時(shí)裝置工作一段時(shí)間后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)長時(shí)間磨損，受環(huán)境腐蝕，發(fā)條與齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)不順暢，甚至卡住，導(dǎo)致投飼機(jī)停走。這種情況下飼料可能一次被投完，從而造成浪費(fèi)。

這種機(jī)械定時(shí)的控制方式雖然能滿足日常的池塘魚類養(yǎng)殖需要，但受限于其局限性，必將被新型的定時(shí)裝置所取代。

2 PLC控制方案設(shè)計(jì)

2.1 基本方法 控制器以PLC為控制核心，水溫為控制變量，時(shí)間為輸出變量。魚類生長對水溫有著很高的要求，以羅非魚為例，養(yǎng)殖水溫要求在18～32 ℃之間[8]， 最適水溫為28～30 ℃[9]，這種水溫條件下攝食效率最高。水溫傳感器選用Troll9500多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，支持RS485接口，可測水溫范圍為-5～50 ℃。PLC支持RS485接口，讀取的溫度值可被存儲。計(jì)算前一天的水溫平均值作為輸入變量決定第2天的定時(shí)方案。具體設(shè)計(jì)如下：當(dāng)水溫低于20 ℃或高于30 ℃時(shí)，每天只投喂1 次，投飼時(shí)間定在上午9 點(diǎn)；當(dāng)水溫在20～25 ℃之間時(shí)，每天投喂2次，投飼時(shí)間選在上午9點(diǎn)及下午5點(diǎn)；當(dāng)水溫在25～30 ℃之間時(shí)，每天投喂3次，時(shí)間分別設(shè)定在上午8時(shí)、下午 2 時(shí)和 6 時(shí)。確定投喂次數(shù)后，再?zèng)Q定每次的投喂量。由于魚類有在早上進(jìn)食欲望高于傍晚的習(xí)性，因此可早上多投，傍晚少投。投飼量在PLC設(shè)計(jì)時(shí)以時(shí)間長度推算，具體時(shí)間由投飼機(jī)的投飼速率試驗(yàn)得出。

2.2 投飼速率 試驗(yàn)所用投飼機(jī)為振動(dòng)離心式投飼機(jī)。具體為江蘇省無錫市凱靈電泵廠的凱靈STLZ120WB投飼機(jī)。整機(jī)重量35 kg；配套電壓220 V；料箱容量60 kg；投飼距離3～15 m；投飼扇形角90～130度；最大投飼能力≥200 kg/h；投飼破碎率≤5%；適用水面0.66 7～1 hm2。

試驗(yàn)前，調(diào)整投飼機(jī)的落料時(shí)間為5 s，間隔時(shí)間為7 s。為統(tǒng)計(jì)方便，把開關(guān)撥到常開，用手機(jī)計(jì)時(shí)5 min后手動(dòng)關(guān)閉，投出的飼料用大塑料袋收集，然后稱出重量，連續(xù)測5次，計(jì)算其平均值。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)機(jī)器開啟時(shí)都有17 s的預(yù)熱時(shí)間，之后才開始投喂飼料，因此實(shí)際計(jì)算時(shí)需減掉17 s的時(shí)間，具體數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，5次投喂，所投飼料重量的平均值為8.465 kg，其標(biāo)準(zhǔn)差只有0.158 8，說明相同時(shí)間內(nèi)的投飼機(jī)的投飼量是相對穩(wěn)定的，用投飼速率表示投飼機(jī)的工作效率是可靠的。所得重量除以時(shí)間即可計(jì)算出投飼機(jī)的投飼速率，約為29.91 g/s。

2.3 定時(shí)分配 試驗(yàn)選在尼羅羅非魚和奧利亞羅非魚混養(yǎng)模式池塘，飼料選用通威配合飼料1038，袋裝40 kg。初期放養(yǎng)魚體總重331 kg，平均體重約158 g每尾。若日投喂量占魚體總重的3%，即一天需投喂飼料9.93 kg。投飼機(jī)的投飼速率為29.91 g/s，可計(jì)算一天總的投喂時(shí)間為332 s。由于投喂次數(shù)和時(shí)間根據(jù)水溫有所不同。需分配每次的投喂時(shí)長，不考慮天氣等諸多因素，設(shè)當(dāng)天正常投喂。定時(shí)1次：投喂全部飼料；定時(shí)2次：早上和傍晚的投喂比例為3∶2；定時(shí)3次：早上、中午以及傍晚的比例為4∶3∶3。每次開機(jī)時(shí)間需加上預(yù)熱17 s，具體投飼時(shí)間如表2所示。

養(yǎng)殖周期內(nèi)，魚類會急速增重，這時(shí)具體投喂時(shí)間需根據(jù)魚的規(guī)格及時(shí)調(diào)整。

3 PLC實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件選型 PLC選用國產(chǎn)耐特LT200系列，具體型號為“CPU224XP AC/DC/RLY”。24VDC電源供電，14DI/10DO晶體管，2AI/1AO，可連接7個(gè)模塊，2個(gè)485編程通信口支持，可采用PPI協(xié)議連接市面上常用的文本、觸摸屏和上位組態(tài)軟件。功能指令均可兼容西門子CPU224系列產(chǎn)品。人機(jī)交互選用LTMD204L可編程文本顯示器，通過編輯軟件TP200CN在計(jì)算機(jī)上制作畫面，自由輸入漢字及設(shè)定 PLC 地址，使用串口通訊下載畫面，20個(gè)按鍵可被定義成功能鍵，有數(shù)值輸入小鍵盤，操作簡便。

3.2 程序設(shè)計(jì) LT200系列支持IEC 11313及SIMATIC指令集[10]，支持中英文編程，可直接使用STEP7MICRO/WIN SP9軟件編程，支持梯形圖、指令表以及功能圖等多種編程語言。

3.2.1 系統(tǒng)符號定義。設(shè)計(jì)程序時(shí)，為方便修改參數(shù)，預(yù)先自定義符號及其地址。如“addr0”表示傳感器地址，“addr1”表示保存寄存器的地址。這種自定義符號并分配地址后，修改參數(shù)時(shí)無需重新編寫程序，改變寄存地址的數(shù)值即可。具體地址和初始賦值見表3。

3.2.2 傳感器值讀取。所選傳感器支持RS485通信口，在西門子S7200系列PLC編程中需安裝MODBUS協(xié)議庫。首先需初始化主站和從站。初始化從站的程序片段如圖1所示。

SM為特殊標(biāo)志繼電器?！癝M0.1”是首次掃描為1，以后為0，常用來對程序進(jìn)行初始化?！癝M0.0”表示始終接通。圖1中“addr0”為傳感器地址。“parity”為校驗(yàn)位?！癕ode”為1表示執(zhí)行Modbus協(xié)議。波特率選用9600?！癉elay”為延遲。“MaxAI”為保存寄存器最大數(shù)目。“MaxIQ”為I和Q最大數(shù)目?！癕axHold”表示保存寄存器最大數(shù)目，“Holdstart”表示保存寄存器在V內(nèi)存中的起始地址。

初始化后使用MBUS_MSG指令（或用于端口1的MBUS_MSG_P1）用于啟動(dòng)對Modbus從站的請求并處理應(yīng)答，程序如圖3所示。

“Slave”為從站設(shè)備地址，允許范圍是0-247。“RW”為讀寫指令。值為“0”表示讀，值為“1”表示寫?！癈ount”表示指定要在該請求中讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)元素?cái)?shù)目。對位數(shù)據(jù)類型而言，Count是位數(shù)，對字?jǐn)?shù)據(jù)類型而言，Count是字?jǐn)?shù)?！癉ataPtr” 是間接地址指針，該指針指向S7200 CPU中與讀或?qū)懻埱笙嚓P(guān)的數(shù)據(jù)的V存儲器。利用此指令可讀出傳感器的一串?dāng)?shù)據(jù)值。

3.2.3 定時(shí)控制。水溫決定定時(shí)控制的方案。依據(jù)表2，T<20、T >30時(shí)輸出“M1.1”，定時(shí)1次。20≤T ≤25時(shí)輸出“M1.2”，定時(shí)2次。25

程序設(shè)計(jì)時(shí)首先使用讀實(shí)時(shí)時(shí)鐘（TODR）指令從硬件時(shí)鐘中讀當(dāng)前時(shí)間和日期，并把它裝載到一個(gè)8字節(jié)，起始地址為T的時(shí)間緩沖區(qū)中[11-12]。程序片段如圖4所示。

“SM0.5”表示時(shí)鐘脈沖，每1秒讀取1次。T設(shè)為“VB0”表示以“VB0”為起始地址的 8 字節(jié)緩沖區(qū)，依次存放年“VB0”、月“VB1”、日“VB2”、時(shí)“VB3”、分“VB4”、秒“VB5”、0“VB6”和星期“VB7”。

投飼機(jī)的定時(shí)控制不需要考慮年、月、日，因?yàn)槊刻於级〞r(shí)定點(diǎn)開啟。所以只需比較時(shí)、分、秒。參考前文可知投飼機(jī)每次投喂時(shí)間不超過1 h，所以小時(shí)位不會變動(dòng)。分秒同時(shí)進(jìn)行比較。由于“VW1”等同于“VB1”和“VB2” ，“VB3”為時(shí)，“VW4”即表示分和秒。具體定時(shí)控制梯形圖程序如圖5所示。