單慧勇　于鎵　田云臣　華旭峰

摘要：系統(tǒng)設(shè)計為集成傳感器清潔裝置的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境遠程測控系統(tǒng)，設(shè)計采樣箱將傳感器數(shù)據(jù)采集及清潔裝置集成一體；采用PLC為主控制器，完成對傳感器清潔系統(tǒng)、增氧泵、采樣水泵等可執(zhí)行裝置的控制；現(xiàn)場人機交互選用MCGS觸摸屏，觸摸屏作為主機，通過485總線實時采集傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的實時顯示、儲存及歷史信息統(tǒng)計；PLC與觸摸屏之間通過RS232總線通訊交換數(shù)據(jù)，同時PLC與GPRs模塊GRM200G通過485總線通訊，將現(xiàn)場信息傳到服務(wù)器，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，操作界面友好，實現(xiàn)了對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)的實時監(jiān)測與遠程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；MCGS組態(tài)；PLC；傳感器清洗裝置

水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)（水環(huán)境因子）尤為重要，主要包括溶氧、水溫、氨氮、pH、鹽度等，它們看不見又摸不著，很難準(zhǔn)確把握。隨著養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，競爭越來越激烈，及時掌握準(zhǔn)確可靠的水質(zhì)參數(shù)，提高水產(chǎn)品的產(chǎn)量與品質(zhì)，勢在必行。系統(tǒng)應(yīng)用PLC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)及無線通信技術(shù)設(shè)計的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境遠程測控系統(tǒng)，實現(xiàn)對水質(zhì)實時監(jiān)測與遠程監(jiān)控：集成傳感器探頭清潔系統(tǒng)可保持傳感器測量精度，延長傳感器使用壽命。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1系統(tǒng)功能分析

目前中國水產(chǎn)養(yǎng)殖主要是通過控制水中的溶解氧、pH、水溫來調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，在水質(zhì)控制方面，多采用數(shù)字控制系統(tǒng)，在對多個參數(shù)進行檢測的基礎(chǔ)上進行控制運算，再輸出到執(zhí)行機構(gòu)，使被控參數(shù)保持在給定值上，創(chuàng)造適合水產(chǎn)品生長發(fā)育的環(huán)境?？紤]到水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)長期運行后，傳感器探頭因附著物會使測量數(shù)據(jù)偏離實際，從而設(shè)備產(chǎn)生誤動作，需人工定期清潔帶來的不便，系統(tǒng)中設(shè)計了集采集與清潔于一體的傳感器清潔采樣裝置。

1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為上位機與下位機兩部分，下位機為PLC控制器，主要完成對傳感器清潔裝置、增氧泵、水泵等其他可執(zhí)行裝置的控制：上位機為現(xiàn)場觸摸屏和遠程通訊模塊，觸摸屏主要負責(zé)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對采集數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場實時顯示、儲存及歷史信息統(tǒng)計，并通過通訊協(xié)議關(guān)聯(lián)下位機PLC中的軟元件，代替PLC的部分外部輸入：遠程通訊模塊用于向遠程終端定時或出現(xiàn)異常時發(fā)送相應(yīng)信息。

2.硬件設(shè)計與選型

2.1PLC選型

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求確定I/O點數(shù)時，應(yīng)再增加10%左右的備用點數(shù)，便于控制要求改變時增加控制功能。系統(tǒng)中PLC的I/O點數(shù)為10個數(shù)字輸入量、9個數(shù)字輸出量，如表1所示。

根據(jù)系統(tǒng)I/O點數(shù)、經(jīng)濟性、存儲器容量等方面指標(biāo)選擇國產(chǎn)海微PLC，型號為hw-36MT-3DA。工作電壓DC24V，具有20路輸入、16路輸出，輸出為大功率晶體管，適合控制系統(tǒng)中的電感性負載電磁閥；通訊接口有RS232、RS485、SPI MS；程序空間為256 k步，不用電池記憶，無需維護，滿足系統(tǒng)需求。

2.2傳感器選型

2.2.1溶解氧傳感器的選擇 從實用性與價格等多方面因素考慮，選用博海致遠科技D0-8100型溶解氧測試儀，電極為50um抗污染特氟隆膜，儀表具有模擬量信號輸出，通過串口RS485協(xié)議將測量參數(shù)返回。

2.2.2pH傳感器的選擇 pH傳感器采用北京博海致遠pH-210型pH/ORP測試儀，pH-210型探頭采用長距離的參比擴散途徑，延長了電極在惡劣環(huán)境中的使用壽命，接觸面使用新型設(shè)計的玻璃球泡，增加了球泡面積，能夠防止內(nèi)緩沖液中干擾氣泡的生成。

2.3現(xiàn)場觸摸屏選型

顯示設(shè)備上選擇具有可視化和按鍵功能且性能穩(wěn)定的MCGS觸摸屏，型號為TPC1062K。該觸摸屏是一款以低功耗CPU（主頻600 MHZ）為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏，預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

2.4GPRS模塊選型

選用廣州巨控科技開發(fā)的GRM200G智能GPRS控制器。該控制器采用一種非透傳模式的GPRS方案，通過廠家提供的云服務(wù)器和OPC組件進行數(shù)據(jù)交互，用戶無需搭建服務(wù)器，無需固定IP地址或動態(tài)域名，所有設(shè)備和監(jiān)控端只需接入Internet網(wǎng)絡(luò)即可。

2.5傳感器清潔裝置設(shè)計

水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測中，傳感器探頭的污染已經(jīng)成為影響監(jiān)測參數(shù)精度和傳感器使用壽命的重要因素，目前多采用人工定期清洗的方式，即使用棉布等擦拭傳感器感測窗口，花費時間較長，工作效率低，清洗也不徹底。系統(tǒng)設(shè)計的傳感器清潔裝置如圖2所示。

該裝置采用射流沖洗方式來清潔傳感器，結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用雙層結(jié)構(gòu)，第一層安放傳感器旋轉(zhuǎn)清潔噴頭及液位開關(guān)支架，第二層安裝傳感器。液位開關(guān)A為傳感器清洗上限位及水環(huán)境因子開始采集狀態(tài)標(biāo)志位：液位開關(guān)B為水環(huán)境因子采集時液位控制標(biāo)志位：液位開關(guān)C為液位超限報警標(biāo)志，當(dāng)開關(guān)c動作時系統(tǒng)停止工作，報警燈開始閃爍。

3.軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括上位機組態(tài)設(shè)計和下位機PLC程序設(shè)計，系統(tǒng)運行流程圖如圖3所示。

3.1下位機PLC程序設(shè)計

3.1.1PLC主程序設(shè)計 PLC主程序設(shè)計流程圖如圖4所示。PLC上電，寄存器寫入初始化值后進行系統(tǒng)設(shè)置，選擇是否更新參數(shù)，或是選擇工作方式。工作方式分為手動或自動模式，手動模式中選擇傳感器采集模式或傳感器清洗模式，自動模式為系統(tǒng)自動運行，當(dāng)手動模式與自動模式遇到液位超限、設(shè)備故障時，系統(tǒng)停止運行并報警。

3.1.2傳感器清洗子程序設(shè)計 傳感器清潔裝置是系統(tǒng)的核心工作裝置，為使清潔裝置的清洗效果最佳，對每個傳感器單獨清洗，每個傳感器清洗一次為一個周期，傳感器清洗裝置程序流程圖如圖5所示。清洗工作開始時，程序通過液位開關(guān)A的狀態(tài)判斷傳感器清潔箱中水位是否超出清洗液面，如果超出，經(jīng)過預(yù)置排水時間（其中PLC寄存器D53中設(shè)置排水等待時間）排水后，再次判斷是否超出清洗液面，如此反復(fù)，直到達到傳感器清洗液面時，水泵才開始工作。清洗閥門交替工作時間在PLC寄存器D50中設(shè)置，對每個傳感器探頭進行循環(huán)清洗。如果在清洗過程中液位開關(guān)A動作，系統(tǒng)判斷液位過高影響清洗效果，暫停清洗，延時排水（D53中設(shè)置）后方繼續(xù)清洗。

3.1.3傳感器采集子程序設(shè)計 傳感器采集子程序流程圖如圖6所示。采集開始水泵啟動，待水位超過液位A后采集數(shù)據(jù)開始更新，水位超過液位B后排水閥門B打開排水，用于調(diào)節(jié)箱內(nèi)水位，排水時間在寄存器D54中設(shè)置，一旦水位達到液位c，系統(tǒng)停止工作并報警。

3.1.4系統(tǒng)自動工作子程序設(shè)計 系統(tǒng)自動工作指在數(shù)據(jù)采集與傳感器清潔之間自動循環(huán)工作，其中采集數(shù)據(jù)工作時間通過PLC中寄存器D51進行設(shè)置，循環(huán)工作中傳感器探頭清洗次數(shù)由PLC中寄存器D52設(shè)置，系統(tǒng)上電啟動后自動調(diào)用斷電前的設(shè)置值，并可通過觸摸屏修改該參數(shù)。

3.2上位機組態(tài)設(shè)計

觸摸屏是系統(tǒng)顯示儲存的核心器件，系統(tǒng)框圖如圖7所示。其具備以下功能：每個用戶有單獨的用戶名和密碼，對用戶進行分級管理，根據(jù)權(quán)限進行相應(yīng)的操作：能夠?qū)崟r顯示傳感器采集到水質(zhì)參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)，查看系統(tǒng)運行狀態(tài)及報警信息：實時控制操作現(xiàn)場設(shè)備，可根據(jù)采集到的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)進行相應(yīng)處理，控制現(xiàn)場設(shè)備；保存采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，并以曲線、報表顯示，方便用戶查詢和積累經(jīng)驗。

3.2.1組態(tài)畫面設(shè)計 組態(tài)畫面設(shè)計分為根據(jù)系統(tǒng)框圖建立相應(yīng)窗口、畫面編輯、動畫連接。通過以上步驟建立實時監(jiān)控操作窗口，如圖8所示。

3.2.2循環(huán)策略編寫 在MCGS中編寫循環(huán)策略，實現(xiàn)如下功能；控制養(yǎng)殖池溶氧量，當(dāng)溶氧量低于設(shè)定值時啟動增氧泵，并驅(qū)動GRM200G向遠程終端報警：定時啟動投餌機喂食：對采集水質(zhì)參數(shù)進行轉(zhuǎn)換，定時存貯。

3.3通訊設(shè)置

上位機MCGS觸摸屏通過RS232總線實時讀取PLC的內(nèi)部寄存器狀態(tài)，映射到與之相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部寄存器；MCGS觸摸屏通過RS485總線接收傳感器采集的數(shù)據(jù)。用戶無需編寫通訊程序，只需要添加設(shè)備從機，根據(jù)軟元件地址對應(yīng)連接即可，方便用戶使用。

4.遠程通訊設(shè)計

上位機GRM200G通過RS485總線協(xié)議與下位機PLC進行數(shù)據(jù)交換，內(nèi)部寄存器狀態(tài)進行實時讀取，映射到與之相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部寄存器。用戶只需按照說明書添加從機設(shè)備，按照PLC內(nèi)部軟元件地址進行關(guān)聯(lián)即可。將手機SIM卡插入，將安裝通用組態(tài)軟件的電腦接入網(wǎng)絡(luò)，利用巨控公司的Internet云監(jiān)控服務(wù)器即可實現(xiàn)無線遠程監(jiān)控。

5.小結(jié)

基于PLC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)及無線通信技術(shù)，設(shè)計集成傳感器清潔裝置的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對水質(zhì)實時監(jiān)測與遠程監(jiān)控。將PLC程序分為采集和清潔兩部分，保證了傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確：通過McGs組態(tài)軟件使整個控制過程實現(xiàn)可視化的監(jiān)測，并具有歷史數(shù)據(jù)查詢、報警信息瀏覽等功能：通過GRM200G將養(yǎng)殖池塘的實時信息展現(xiàn)在用戶面前，實現(xiàn)短信報警、短信查詢等功能。