李占賢，劉宣佑，王 凱

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 唐山 063000)

0 引言

隨著人們生活水平的日益提高，對(duì)水產(chǎn)品的需求量大幅上漲，而且對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)量的要求也與日俱增。目前國(guó)內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖大多采用粗糙開放型的飼養(yǎng)方式，造成水產(chǎn)產(chǎn)量有限、生長(zhǎng)周期慢、資源浪費(fèi)等。對(duì)于現(xiàn)代化的水產(chǎn)養(yǎng)殖，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注魚塘中的水深、水溫、水溶氧等影響水產(chǎn)成長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。然而目前大部分養(yǎng)殖戶針對(duì)以上數(shù)據(jù)并沒有太直觀的觀察，而是要根據(jù)老漁戶的飼養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)天氣和季節(jié)來調(diào)整水深、水溫及打氧量，這使得漁業(yè)飼養(yǎng)的門檻較高，而且也并不能真正使魚塘達(dá)到水產(chǎn)的最適合的生長(zhǎng)環(huán)境。因此，本文設(shè)計(jì)了基于PLC與人機(jī)界面觸摸屏的智能控制系統(tǒng)來給漁戶最直觀的數(shù)據(jù)反映與最直觀的飼養(yǎng)指導(dǎo)操作，從而降低漁業(yè)養(yǎng)殖的技術(shù)門檻，致富廣大漁業(yè)養(yǎng)殖戶，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的科學(xué)化、大型化、智能化和現(xiàn)代化。

1 針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵因素的數(shù)值分析

魚塘環(huán)境對(duì)水產(chǎn)品的生長(zhǎng)至關(guān)重要，其中尤以水深、水溫、水溶氧含量最為重要。以上因素會(huì)直接影響水產(chǎn)品的生長(zhǎng)速度和質(zhì)量，如果把握不好其中關(guān)系，甚至?xí)?dǎo)致魚塘水產(chǎn)大范圍患病及死亡[1]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及資料查詢所得魚塘中的水溶氧含量如圖1、圖2所示。

圖1一天中不同時(shí)刻魚塘中水溶氧含量變化圖圖2不同月份水中水溶氧含量的變化圖

從圖1和圖2中不難看出，無論一年四季中的哪一天，水中的水溶氧含量都隨著日光的照射而發(fā)生變化，從早上六點(diǎn)太陽出來開始，直到下午四點(diǎn)以后太陽落山，魚塘中的水溶氧含量先升高再降低。魚塘中水溫也是隨著日照的變化而變化，根據(jù)其他文獻(xiàn)介紹得到如圖3所示的水溫與水溶氧含量的關(guān)系曲線。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，不同水深有不同的水溫和水溶氧含量，隨著水深數(shù)值增大，水溫、水溶氧含量也會(huì)隨之降低[2]。

圖3 溫度與水溶氧的關(guān)系曲線

2 基于PLC的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 控制要求

該系統(tǒng)針對(duì)水深、水溫、水溶氧含量進(jìn)行監(jiān)控并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效地控制了魚塘水產(chǎn)生長(zhǎng)環(huán)境，基于PLC的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于PLC的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4中傳感數(shù)據(jù)檢測(cè)部分有日照傳感器、溫度傳感器、水溶氧含量傳感器。其中，日照傳感器用來檢測(cè)魚塘水池中的日照強(qiáng)度及時(shí)間，溫度傳感器用來檢測(cè)魚塘水池的水溫；水溶氧含量傳感器用以檢測(cè)水中的含氧量是否達(dá)到水產(chǎn)的最合適生長(zhǎng)條件[3]?？刂撇糠植捎脟?guó)產(chǎn)PLC進(jìn)行數(shù)字控制，由交互觸摸屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)以便漁戶進(jìn)行最直觀的觀察與分析。執(zhí)行部分由增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和給水泵驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成。增氧機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置用以增加魚塘中水的水溶氧含量，以達(dá)到最適合水產(chǎn)生長(zhǎng)的數(shù)值；而給水泵驅(qū)動(dòng)裝置用于對(duì)魚塘的水深及水溫進(jìn)行控制，通過給水、排水達(dá)到換水以及控制水深的目的。

2.2 系統(tǒng)硬件選擇

系統(tǒng)選用的PLC需滿足以下功能才能達(dá)到設(shè)備所需的控制過程：①接收觸摸屏上的參數(shù)設(shè)定值，檢測(cè)傳感器采集的溫度、溶解氧、光照強(qiáng)度等參數(shù)并在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示；②根據(jù)傳感器上的信息反映，通過PLC程序處理，順利完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作；③漁戶可根據(jù)季節(jié)、天氣等實(shí)時(shí)自然條件進(jìn)行手動(dòng)操作，以達(dá)到完美控制，實(shí)現(xiàn)利益最大化。

本文選用SBWZ系列的溫度變送器、KTR-952-DO溶解氧傳感器和KTR-8017-DO溶解氧采集模塊以及WZD-B1光照傳感器，傳感器檢測(cè)信號(hào)統(tǒng)一采用4 mA～20 mA的信號(hào)。以溫度傳感器接線為例，如圖5所示。

圖5 溫度傳感器接線圖

4 mA～20 mA的電流信號(hào)經(jīng)過250 Ω的電阻，轉(zhuǎn)換成1 V～5 V的電壓信號(hào)并傳送到PLC控制模塊[4]。

設(shè)備的主電路采用PLC驅(qū)動(dòng)交流接觸器控制各類水泵及電磁閥現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作[5]。硬件選型如表1所示。

表1 硬件選型表

考慮到給水設(shè)備水泵的工作負(fù)荷及可靠性，決定其由工作泵M1和備用水泵M2組成，分別由接觸器KM1、KM2控制工頻運(yùn)行，由KM3、KM4控制變頻運(yùn)行。增氧機(jī)泵M3由接觸器KM5進(jìn)行控制[5]?？刂齐娐啡鐖D6所示。

圖6 控制電路接線圖

觸摸屏與CPU采用DC24 V電源供電，用RS485串行通訊方式。接觸器線圈采用AC220 V電源供電。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)備的系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件，具體工作流程如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

2.4 上位機(jī)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

選用Eview ET070型觸摸屏，其監(jiān)控畫面如圖8所示。

圖8 實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

圖8中主畫面為攝像頭拍攝的魚塘，用以監(jiān)控魚塘環(huán)境，防止出現(xiàn)人為破壞，并根據(jù)外部環(huán)境做出人為的反應(yīng)。左側(cè)為實(shí)時(shí)顯示的溫度和水溶氧含量的數(shù)值，以便人為進(jìn)行增氧機(jī)與給水泵的啟停操作。

右側(cè)為增氧機(jī)與給水泵的開關(guān)，方便進(jìn)行啟停操作，控制魚塘的水溫及溶氧含量，并實(shí)時(shí)反映在左側(cè)的數(shù)據(jù)欄中。

右側(cè)上方設(shè)置有手動(dòng)開關(guān)，方便經(jīng)驗(yàn)豐富的漁戶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制PLC的操作。

2.5 下位機(jī)軟件編寫

下位機(jī)選用西門子CPU224的PLC主機(jī)，其中I/O分配表如表2所示。

表2 PLC輸入輸出端子分配

溫度控制程序如圖9所示。

圖9 水溫控制程序段

魚塘溶氧量控制程序與溫度控制類似。

3 結(jié)束語

該設(shè)備以PLC控制模塊為核心，輔以組態(tài)觸摸屏為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚塘漁業(yè)生產(chǎn)養(yǎng)殖的水深、水溫以及水溶氧含量的數(shù)字化控制，用程序控制增氧機(jī)以及給水泵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚塘的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行改良并使其最大限度地適應(yīng)水產(chǎn)生長(zhǎng)，該設(shè)備成本低、效率高，有一定的推廣價(jià)值。

圖2 消防控制系統(tǒng)PLC控制梯形圖

該梯形圖的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于手動(dòng)和自動(dòng)的邏輯配合關(guān)系。在手動(dòng)開啟系統(tǒng)的過程中，巧妙地避開了系統(tǒng)的故障部分，使手動(dòng)開啟程序得以運(yùn)行。

3 結(jié)論

基于PLC的高層建筑消防水泵控制系統(tǒng)，采用全自動(dòng)的運(yùn)行方式，運(yùn)行安全可靠。同時(shí)，由于PLC采用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備的外部接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)設(shè)備維護(hù)也變得容易起來，在節(jié)省人力物力的同時(shí)，能夠在火災(zāi)發(fā)生的第一時(shí)間啟動(dòng)消防系統(tǒng)，能夠最大程度地減少損失。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 黃正元.基于PLC的小區(qū)樓宇供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010,23(6):115-118.

[4] 西門子(中國(guó))有限公司.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 陸柏林，肖峰.PLC編程100例[M].北京:中國(guó)電力出版社，2016.