劉輝， 范良忠， 劉鷹

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.中國科學(xué)院 海洋研究所，山東 青島 266071)

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基于PLC和人機(jī)界面的水質(zhì)自動監(jiān)測儀研究

劉輝1,2， 范良忠2， 劉鷹3

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.中國科學(xué)院 海洋研究所，山東 青島 266071)

針對目前市場水質(zhì)監(jiān)測儀缺少相應(yīng)配套操作界面和上位機(jī)軟件的問題，研究了一種集自動控制、手動控制、人機(jī)界面于一體的水質(zhì)自動監(jiān)測儀，實(shí)現(xiàn)對池塘中溶氧、pH、電導(dǎo)率等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和控制。監(jiān)測儀以GX Works2和Dopsoft(版本號1.01.08)兩款軟件平臺基礎(chǔ)上開發(fā)，傳感器選用CLEAN公司的5000系列，以FX1S系列PLC作為核心控制器，DOP-B07S411觸摸屏作為人機(jī)界面，并結(jié)合RS485、RS422總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和人機(jī)界面的通信，控制增氧機(jī)、電磁閥以及報警燈等設(shè)備。研究在寧海養(yǎng)殖池塘獲得實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，溶氧范圍控制在6 mg/L以上，達(dá)到對蝦生長的最佳適宜條件。研究的應(yīng)用，極大地方便了人員對池塘的水質(zhì)管理，且成本低廉，具有一定市場推廣價值。

水質(zhì)監(jiān)測；PLC；溶氧；人機(jī)界面；RS485

0 引 言

漁業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的地位[1]，魚類的工業(yè)化養(yǎng)殖是實(shí)現(xiàn)魚類養(yǎng)殖現(xiàn)代化的重要保障和前提[2]，工業(yè)化養(yǎng)殖可以減少人工成本，提高魚類產(chǎn)量，是一種高產(chǎn)量、高效益的養(yǎng)殖模式[3]。溶氧、pH、電導(dǎo)率、溫度是影響魚類生長的重要因素，因此工業(yè)化養(yǎng)殖的重要內(nèi)容是對上述參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測和控制。美國、日本、荷蘭等國家于20世紀(jì)70年代開始發(fā)展水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)[4]，用來代替人工監(jiān)測，現(xiàn)在美國等國家已經(jīng)建設(shè)了全國性的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，并發(fā)展到其他領(lǐng)域[5]。目前，很多儀器儀表公司相繼推出了不同品牌的水質(zhì)分析儀，如美國的YSI、HACH公司，意大利的HANNA公司[6]，法國的Polymerton公司等[7]。以YSI公司的多參數(shù)水質(zhì)分析儀為例[8]，可同時監(jiān)測溶氧、溫度、電導(dǎo)率、鹽度、酸堿度等近11個參數(shù)，且體積相對較小。近年來，國內(nèi)廠家也進(jìn)行了實(shí)踐，并研發(fā)出了相應(yīng)的產(chǎn)品，例如：江蘇電分析儀器廠生產(chǎn)的AJ-1型水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測儀，西安大唐電信的小型一體化多參數(shù)水質(zhì)數(shù)字在線監(jiān)測儀等。但此類水質(zhì)監(jiān)測儀較為單一，只具備數(shù)據(jù)采集功能，無操作界面或操作界面不夠友好，應(yīng)用需要研發(fā)配套的上位機(jī)軟件；有時會用到多個廠家的產(chǎn)品，因通信協(xié)議的不同，兼容性較差，也增加了后期集成的研發(fā)成本。本文旨在研究一種成本較低、界面友好的水質(zhì)監(jiān)測儀，既可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的監(jiān)測又能滿足工業(yè)化養(yǎng)殖的需求。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)測儀由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、控制器、現(xiàn)場監(jiān)控、現(xiàn)場設(shè)備五部分組成。數(shù)據(jù)采集單元包括溶氧、pH、電導(dǎo)率三種傳感器，傳感器采用美國CLEAN公司的5000系列工業(yè)在線傳感器(其中，溶氧傳感器型號為DO5000，pH傳感器型號為PH5000，電導(dǎo)率傳感器型號為CON5000)；以三菱FX1S系列PLC作為控制器；人機(jī)交互界面作為現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備，采用臺達(dá)公司的DOP-B07S411觸摸屏；現(xiàn)場設(shè)備由增氧機(jī)、報警燈和電磁閥構(gòu)成。傳感器、PLC模塊之間利用RS485總線技術(shù)通信[9-10]，由PLC發(fā)送數(shù)據(jù)指令，傳感器收到指令將數(shù)據(jù)發(fā)送至總線，PLC得到返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，當(dāng)溶氧量低于設(shè)定值時，將會開啟增氧機(jī)及電磁閥，并進(jìn)行相關(guān)報警；臺達(dá)人機(jī)界面利用RS422總線與PLC通信，讀取PLC內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)以及各現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),并設(shè)計(jì)有手動和自動兩種運(yùn)行模塊，手動模式可以使工作人員在中午開啟增氧機(jī)以充分提升水中溶氧量和促進(jìn)溶氧均衡。水質(zhì)監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

三菱FX1S系列PLC可以為低成本用戶在有限I/O范圍內(nèi)尋求強(qiáng)大的控制，并且具有完善的性能和通訊功能，在加入FX1N-485-BD擴(kuò)展板后可以與其他設(shè)備進(jìn)行RS485通信，通信方式為半雙工方式，擴(kuò)展版有四個接口：SDA、SDB、RDA、RDB，通信時需將SDA與RDA短接后接入RS485A，SDB與RDB短接后接入RS485B,同時SDA與RDB間需接110 Ω以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。D8120即為PLC通訊設(shè)定寄存器，共16位。詳細(xì)說明如表1所示，設(shè)定D8120為H0C81，即8位數(shù)據(jù)、無校驗(yàn)、無停止位、波特率為9 600、無起始符和終止符、同時選擇無協(xié)議通信和常用控制順序。

M8161為8/16位數(shù)據(jù)模式選擇；D8121 用于PLC設(shè)定的站號，可設(shè)定范圍0-8；D8129為延遲數(shù)據(jù)接收時間，默認(rèn)單位是10 ms。本設(shè)計(jì)選用8位數(shù)據(jù)模式，PLC站號設(shè)定為1，延遲數(shù)據(jù)接受時間為50 ms。

以溶氧傳感器為例，程序啟動，將默認(rèn)設(shè)定的溶氧閾值寫入指定寄存器，同時將指令移入發(fā)送寄存器，CRC校驗(yàn)生成的2個字節(jié)放入發(fā)送寄存器的后兩位。驅(qū)動RS指令和開啟計(jì)時器，將發(fā)送寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)移入發(fā)送緩存區(qū)，置位發(fā)送標(biāo)志位，并每隔五分鐘發(fā)送一次指令。數(shù)據(jù)接收完成后，PLC的接收標(biāo)志位自動置位，程序復(fù)位接收完成標(biāo)志位以供下次接收，將接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)移入數(shù)據(jù)接收寄存器，判斷數(shù)據(jù)格式和CRC校驗(yàn)碼是否相同，如數(shù)據(jù)無誤，則計(jì)算溶氧值并與閾值做比較。如果溶氧值小于或者等于閾值，則置位Y0/Y1，開啟增氧機(jī)同時開啟計(jì)時器2，計(jì)時器2設(shè)定時間為30分鐘，即每次增氧機(jī)開啟時間至少保持30分鐘。具體流程如圖2所示。

表1 通訊設(shè)定D8120寄存器各位含義

圖2 PLC邏輯設(shè)計(jì)圖

2.2 臺達(dá)觸摸屏設(shè)計(jì)

人機(jī)界面采用臺達(dá)專用組態(tài)軟件DOPSOFT(版本號1.01.08)開發(fā)，利用軟件設(shè)定通訊參數(shù)和模塊參數(shù)，設(shè)定通訊端口為com3口、人機(jī)界面站號為0、通訊方式為RS-422、8位數(shù)據(jù)、1位停止位、波特率為9 600、PLC站號1等。

監(jiān)控畫面主要分為開機(jī)畫面、監(jiān)控總畫面、各養(yǎng)殖池分畫面。開機(jī)畫面包括開機(jī)設(shè)定密碼、參數(shù)、時間和觸摸屏校正。監(jiān)控總畫面通過設(shè)定管狀圖等各個狀態(tài)動態(tài)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，用不同顏色區(qū)分池塘內(nèi)溶氧值的波動范圍。各養(yǎng)殖池分畫面信息包含以下內(nèi)容：1.溶氧值、溫度、pH值、電導(dǎo)率等詳細(xì)信息；2.報警燈、增氧機(jī)啟停狀態(tài)；3.自動模式和手動模式按鈕等。組態(tài)設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。開機(jī)后，Initial初始化系統(tǒng)內(nèi)各標(biāo)志位，Clock宏循環(huán)計(jì)算全局變量，畫面Cycle宏因其占用空間小于Clock宏，所以用于分畫面顯示且不影響控制的部分代碼放于畫面Cycle中。

圖3 組態(tài)流程圖

3 結(jié)果與分析

本研究于2013年9月投入寧海雙盤涂一池塘使用，主要是對溫度、pH值、電導(dǎo)率的監(jiān)測和對池塘內(nèi)溶氧的監(jiān)控，池塘大約3畝左右，池塘以養(yǎng)殖對蝦為主，并有少量灘涂魚等其他魚類，池中放有三臺增氧機(jī)，按要求池中溶氧值不得小于6 mg/L。圖4為閾值6 mg/L和7 mg/L時一天的溶氧值曲線，時間跨度為當(dāng)天7:00至隔天7:00，繪制間隔為20分鐘，橫坐標(biāo)為時刻，縱坐標(biāo)為時刻對應(yīng)的溶氧值(單位：mg/L)。

圖4 閾值6 mg/L、7 mg/L時一天24小時內(nèi)溶氧變化曲線

從圖4中可以看出當(dāng)設(shè)定溶氧閾值為6 mg/L時會因增氧機(jī)增氧效率慢而造成溶氧值持續(xù)下降并超出范圍，最小可達(dá)到5.5 mg/L甚至更低。在多次試驗(yàn)嘗試過程中確定設(shè)定閾值為7 mg/L，即水池中溶氧含量小于或者等于7 mg/L時增氧機(jī)開啟。除中午外均為自動模式，中午手動開啟增氧機(jī)促進(jìn)表層水和地層水中溶氧均衡。從圖中可以看出，夜間溶氧因魚蝦類的消耗較易出現(xiàn)上下波動，但均保持在6.71 mg/L～7.26 mg/L之間，滿足水中溶氧不小于6 mg/L的要求。

4 結(jié)束語

通過利用PLC、人機(jī)界面并結(jié)合RS485和RS422總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對水中溶氧、pH、電導(dǎo)率和溫度的自動監(jiān)控。PLC作為工業(yè)級控制器為監(jiān)測儀提供穩(wěn)定的性能，臺達(dá)觸摸屏為工作人員提供友好的界面和更直觀、更系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，溶氧范圍控制在6 mg/L以內(nèi)，達(dá)到對蝦生長的最佳適宜條件。該研究的應(yīng)用，極大的方便了人員對池塘的水質(zhì)管理，且成本低廉，具有一定市場推廣價值。本研究中三類傳感器須定期維護(hù)保養(yǎng)，否則將造成數(shù)據(jù)失效。

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Monitoring Instrument for Water Quality Based on PLC and HMI

Liu Hui1,2, Fan Liangzhong2，Liu Ying3

(1.College of Electronic Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan Shanxi 030024, China;2.Ningbo Institute of Science & Technology of Zhejiang University, Ningbo Zhejiang 315100, China;3.Institute of Oceanology, China Academy of Science, Qingdao Shandong 266071, China)

In view of the present problems that water quality monitor market lacks the corresponding operation interface and PC software, a kind of automatic monitoring instrument for water quality is studied; it integrates automatic control, manual control and HMI. It can effectively achieve the real-time monitoring and control for the dissolved oxygen, pH, conductivity and other parameters in the pool. This study is developed based on the GX Works and the Dopsoft(version 1.01.08). That CLEAN 5000series as the sensor 、FX1S series PLC as the core controller and DOP- B07S411 touch screen as man-machine interface can flexibly control the aerator, solenoid valves, alarm lights and other equipment, the PLC collects the data by communicating with sensor using RS-485, the HMI can provide the data and manual control by communicating with PLC using RS-422. This design has a good application in a pond next to Ninghai, results show that the date of dissolved oxygen is controlled in 6mg/L or more and achieve the best growth conditions of the prawn. The application of this study which gives the researchers great convenience to manage the water quality has low cost and has the market value.

water quality monitoring; PLC; dissolved oxygen; HMI; RS485

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于計(jì)算機(jī)視覺的魚類異常行為建模與識別研究(31302231)”；浙江省教育廳科研項(xiàng)目“封閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)魚類異常行為建模(Y201226043)”；寧波市自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于計(jì)算機(jī)視覺的大黃魚行為研究(2012A610110)”。

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.035

TP277

A

1000-3886(2016)04-0113-03

劉輝(1989-)，男，山東泰安人，碩士生，研究方向：智能控制技術(shù)及應(yīng)用。 范良忠(1980-)，男，浙江麗水人，中國科學(xué)院計(jì)算所博士。浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授，信息與控制研究所副所長，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面研究， 劉鷹(1969-)，男，陜西嵐皋人，中科院海洋所研究員、博士生導(dǎo)師。浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程專業(yè)博士，中科院海洋所海洋生物學(xué)專業(yè)博士后，法國國家海洋開發(fā)研究院(IFREMER)訪問學(xué)者。現(xiàn)任Aquacultural Engineering Society(AES)副主席，中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會常務(wù)理事，中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會特種水產(chǎn)工程分會主任委員，國家貝類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系設(shè)施養(yǎng)殖崗位專家等。

定稿日期: 2016-02-02