吳 丹，駱 斌，金文忻，盧穎濤，劉 攀

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

據(jù)統(tǒng)計，2019年全國甲魚總產(chǎn)量是32.5萬t，甲魚養(yǎng)殖主要集中在江蘇、浙江、湖北和廣東省，分別占全國甲魚養(yǎng)殖總產(chǎn)量的15.8%、24.0%、11.3%和18.9%，江浙地區(qū)的甲魚養(yǎng)殖規(guī)模大，產(chǎn)量高。

江浙地區(qū)的養(yǎng)殖戶為了提高甲魚養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益，普遍采用溫室養(yǎng)殖方式，這種養(yǎng)殖方式的優(yōu)點很明顯，第一是控制簡單方便，第二是甲魚在溫室的生長速度快，所以這種養(yǎng)殖方法的效率相對于其他方式效率更高。甲魚的養(yǎng)殖周期需要9～10個月，在整個周期中，甲魚的飼料、糞便等全部聚集在養(yǎng)殖池中，造成養(yǎng)殖水體嚴重污染，為了保證甲魚的生長，養(yǎng)殖戶需要定期向外界排放尾水，換入新水。因此，大量的污染尾水未經(jīng)徹底處理就排入外河。溫室甲魚養(yǎng)殖尾水中COD、氨氮和亞硝酸鹽等污染物濃度很高，如果未經(jīng)處理直接排入河流，不僅造成了水資源的嚴重浪費，更重要的是嚴重污染了水環(huán)境。

如何改善江浙地區(qū)甲魚養(yǎng)殖業(yè)的污染狀況，對我國甲魚養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。近年來，養(yǎng)殖尾水污染問題也得到了政府充分的重視，出臺了一系列規(guī)定，且隨著江浙地區(qū)環(huán)保力度的持續(xù)加強，關(guān)于養(yǎng)殖尾水排放問題有了嚴格的規(guī)定。

但養(yǎng)殖戶目前還是多采用人工進行尾水處理，勞動強度大，處理標準由自己主觀意識決定，從而造成處理效果不理想，且增加了甲魚養(yǎng)殖的人工成本。因此，急需一套養(yǎng)殖尾水去除率高、操作管理簡單、適合推廣應(yīng)用的溫室甲魚養(yǎng)殖尾水處理設(shè)備。

筆者所研究的溫室甲魚養(yǎng)殖尾水處理控制系統(tǒng)針對甲魚養(yǎng)殖的尾水特點，以先進的自動化控制技術(shù)，設(shè)計了專門用于甲魚尾水處理的控制設(shè)備，使控制系統(tǒng)不僅能夠滿足甲魚養(yǎng)殖尾水處理的要求，而且成本低廉，從而達到較高的經(jīng)濟效益。因此，該項目具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

通過研究和分析甲魚養(yǎng)殖尾水處理流程(圖1)，設(shè)計了以PLC為核心的尾水處理控制系統(tǒng)，自動檢測和控制尾水中的溶氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽、COD(化學(xué)需氧量)和水溫等因子，使尾水重新成為“新水”給養(yǎng)殖池供水，且保證養(yǎng)殖環(huán)境處于最佳狀態(tài)。同時根據(jù)我國水產(chǎn)行業(yè)標準《SC-T 9101—2007 淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求》可知淡水養(yǎng)殖尾水標準值(表1)。結(jié)合表1中要求，確定了如下的控制系統(tǒng)設(shè)計需求。

(1)當養(yǎng)殖戶需要進行尾水處理時，打開養(yǎng)殖池出水口閥門，尾水進入沉淀池，經(jīng)一段時間沉淀后，PLC自動打開沉淀池出水口閥門，將沉淀過的尾水流入水培蔬菜渠。

(2)沉淀池底部裝有壓力傳感器，當沉淀池尾水流出后并且池底積泥達到一定數(shù)值時，利用PLC控制排污泵啟動將沉淀池的污泥排放到附近稻田中。

圖1 甲魚池塘尾水流程Fig.1 Tail water flow of turtle pond

表1 淡水養(yǎng)殖尾水排放標準值

(3)曝氣池裝有溶氧測定儀，曝氣池底的增氧設(shè)施根據(jù)實際需求，開機增氧，直至達到所要求的溶氧量為止，此時PLC自動打開曝氣池出水口閥門將水流入過濾壩。

(4)調(diào)配池中裝有水質(zhì)檢測模塊和溫度控制模塊，當達到要求時，PLC自動打開調(diào)配池閥門，將達標水經(jīng)過水泵重新注入甲魚養(yǎng)殖池塘，池塘內(nèi)裝有液位計，若達到最高水位，PLC關(guān)閉調(diào)配池閥門，打開調(diào)配池閥門，將達標水排入外部河道進入循環(huán)水管道。

根據(jù)設(shè)計需求，確定控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，將整個控制系統(tǒng)分為尾水處理模塊、水質(zhì)監(jiān)測、溫度控制、組態(tài)監(jiān)控、新能源供電模塊五大模塊。

(1)尾水處理模塊。系統(tǒng)設(shè)計以S7-200 CPU 226 PLC為核心的尾水處理控制系統(tǒng)，研究尾水水質(zhì)監(jiān)控、尾水自動處理、節(jié)水節(jié)能等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)廢水處理方法如物理化學(xué)法、生物技術(shù)法等，創(chuàng)制尾水處理配套新裝備，提高尾水循環(huán)利用率，形成節(jié)水節(jié)能、綠色環(huán)保健康的甲魚養(yǎng)殖模式。

(2)水質(zhì)監(jiān)測模塊。利用組態(tài)監(jiān)控軟件，實時監(jiān)測溶氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽、COD等環(huán)境因子，實現(xiàn)甲魚養(yǎng)殖尾水水質(zhì)信息的實時獲取、水質(zhì)的精準控制和自動化操作。基于PLC軟件中的PID控制對曝氣池中的溶氧量進行實時運算并控制，使其平穩(wěn)達到實際需求。除溶氧測定儀裝在曝氣池中，其余測試儀器均安裝在調(diào)配池中，若有一項指標不合格，均不會打開調(diào)配池閥門。保證水質(zhì)的安全和甲魚的質(zhì)量，提高養(yǎng)殖效率、降低生產(chǎn)成本和勞動強度。

(3)溫度控制模塊。養(yǎng)殖全過程保證水溫恒定在30℃左右，由溫度傳感器監(jiān)測水溫，若水溫低于允許值，則PLC啟動裝在調(diào)配池內(nèi)的加溫設(shè)備進行加溫。

(4)組態(tài)監(jiān)控模塊。利用觸摸屏組態(tài)軟件，實時監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電量、光伏發(fā)電量、蓄電池電量，保證尾水處理系統(tǒng)供電充足；監(jiān)測各設(shè)備運行情況，監(jiān)測各閥門開合狀態(tài)；監(jiān)測各傳感器實時數(shù)據(jù)等；也可直接在觸摸屏上手動啟動各設(shè)備和開關(guān)各閥門。

(5)新能源供電模塊。考慮溫室大棚一般在野外等供電不便的地方，可以在溫室大棚屋頂安裝光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電裝備，實現(xiàn)甲魚養(yǎng)殖所需電力的自給自足。采用新能源供電一是可以脫離電網(wǎng)供電成為自給自足的獨立式發(fā)用電系統(tǒng)，二是新能源發(fā)電系統(tǒng)屬于一次性投資且技術(shù)較為成熟，這也成為甲魚養(yǎng)殖降本的一種創(chuàng)新方式。該項目主要采用風(fēng)光互補發(fā)電，系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機、光伏組件、風(fēng)力控制器、光伏控制器、蓄電池、逆變器和負載組成。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

溫室甲魚養(yǎng)殖基地大多在空曠處，因此可以利用新能源供電作為主要的能量來源。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)具有不管是日間還是夜間，不管是晴天還是陰雨天，都能進行發(fā)電的優(yōu)勢，可以保證溫室甲魚養(yǎng)殖基地24 h都有電力供應(yīng)。

采用風(fēng)光互補發(fā)電時，系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機、光伏組件、風(fēng)力控制器、光伏控制器、蓄電池、逆變器、負荷組成。由于風(fēng)速的不確定性和太陽能的不穩(wěn)定性，造成了發(fā)出的電能不是穩(wěn)定持續(xù)的，所以必須加裝風(fēng)力控制器和光伏控制器，保證電能持續(xù)穩(wěn)定，進而保證用電設(shè)備的安全(圖2)。

PLC作為控制系統(tǒng)的核心部件，通過編程軟件對PLC進行邏輯控制編程，實現(xiàn)對曝氣機、排污泵等的通斷控制。PLC通過模擬量輸入模塊讀取傳感器采集的信息，進行數(shù)據(jù)分析，同時PLC將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過觸摸屏實時展現(xiàn)給用戶。根據(jù)養(yǎng)殖水質(zhì)要求，系統(tǒng)能實時監(jiān)測水質(zhì)pH、EC、溫度、溶氧量、氨氮含量等數(shù)值，當傳感器檢測數(shù)值超出規(guī)定的標準范圍，系統(tǒng)將給出及時的提示與動作。監(jiān)測數(shù)值在規(guī)定范圍內(nèi)時，系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)先編寫的控制程序進行控制。PLC控制系統(tǒng)見圖3。

根據(jù)控制系統(tǒng)，確定該系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC，I/O分配情況見表2。

圖2 風(fēng)光互補供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of wind solar complementary power supply system

圖3 PLC控制系統(tǒng)Fig.3 PLC control system

表2 I/O分配情況

控制流程。控制程序分為風(fēng)光互補供電模塊和尾水控制模塊，流程圖分別見圖4和圖5。圖4中，首先監(jiān)測是否有風(fēng)和光，若有，接通風(fēng)力控制器和光伏控制器，啟動光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電；若無，則不進行發(fā)電。再監(jiān)測蓄電池電量，若達到上限，也不進行充電；若達到下限時，必須充電，但如果此時沒有條件進行風(fēng)光互補發(fā)電，則需要蓄電池充電器對蓄電池進行充電。

圖5中，系統(tǒng)收集的主要數(shù)據(jù)包括pH、溶解氧值、EC值、液位值、氨氮含量、溫度值。

第一步，定時打開甲魚養(yǎng)殖池的閥1，甲魚養(yǎng)殖尾水排入沉淀池；第二步，當沉淀池底部的壓力傳感器達到限制值，啟動排污泵抽掉污泥；當壓力值恢復(fù)正常，關(guān)閉排污泵，打開沉淀池閥門2，尾水流入水培蔬菜渠，再進入曝氣池；第三步，在曝氣池內(nèi)監(jiān)測尾水的含氧量，若不達標，則啟動曝氣機，利用PLC進行PID控制對曝氣池中的溶氧量進行實時運算并控制，使其平穩(wěn)達到實際需求；當氧氣含量達標，則關(guān)閉曝氣機，打開曝氣池的閥3，尾水經(jīng)過過濾壩，進入生物凈化池，經(jīng)過生物自然凈化后，尾水流入調(diào)配池；第四步，在調(diào)配池內(nèi)監(jiān)測水溫，若溫度較低，打開加熱器直至加熱至目標溫度為止。同時監(jiān)測氨氮值、pH和EC值，由于經(jīng)過前期的處理，此時的氨氮值、pH和EC值基本會達到標準，若達不到標準可以手動添加生物制劑，因為此種情況較為少見，為了控制成本，此處就不做自動控制；第五步，甲魚養(yǎng)殖池中有液位計，保證池中水位達到標準，若低于標準液位，利用注水泵將凈化后的尾水重新給養(yǎng)殖池注水，若尾水不多，可以從養(yǎng)殖池外部注水；若尾水過多，則打開調(diào)配池的閥5，將尾水排入外部河道。

圖4 風(fēng)光互補供電模塊控制流程Fig.4 Control flow of wind solar complementary power supply module

程序設(shè)計。水產(chǎn)養(yǎng)殖時為了維持正常的魚類活動，必須不斷呼吸。若水中溶氧量偏低，會導(dǎo)致魚蝦攝食量減少，生長速度減緩，體質(zhì)下降易得病，甚至可能導(dǎo)致魚蝦大量死亡。但水中溶氧量過高，會使微生物繁殖快，水中浮萍茂盛，損壞水質(zhì)，因此需要實時進行溶氧量的調(diào)節(jié)。

PID是比例、積分、微分運算的簡稱，用以溶氧量的穩(wěn)定。具體方法是利用溶氧量傳感器測得河道內(nèi)溶氧量，而河道內(nèi)最佳的溶氧量在4～5 mg/L，該研究以4 mg/L為準，主要程序：

初始化子程序：

LD SM0.0

MOVR 0.04, VD104

MOVR 0.3, VD112

MOVR 0.2, VD116

MOVR 20.0, VD120

MOVR 10.0, VD124

ATCH INT0, 10

ENI

圖5 尾水控制模塊控制流程Fig.5 Control flow of tail water control module

中斷服務(wù)程序：

Network 1

LD SM0.0

ITD AIW10, AC0

DTR AC0, AC0

/R 320000.0, AC0

MOVR AC0, VD100

Network 2

LD I1.1

PID VB100, 0

Network 3

LD SM0.0

MOVR VD108, AC0

*R 320000.0, AC0

ROUND AC0, AC0

DTI AC0, VW10

MOVW VW10, AQW0

3 系統(tǒng)調(diào)試

觸摸屏的作用是操作者通過觸摸屏本地操作控制尾水處理控制設(shè)備。觸摸屏使用威綸通MCGS觸摸屏，其優(yōu)點是功能齊全，可維護性強，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方便，通過以太網(wǎng)與PLC通信，總控界面見圖6。

圖6 總控界面Fig.6 Main control interface

圖7是該項目的模擬實物圖。在甲魚養(yǎng)殖池中安裝了液位傳感器，在沉淀池中安裝了壓力傳感器，曝氣池中安裝了溶氧傳感器，調(diào)配池中安裝了溫度傳感器、氨氮傳感器、pH傳感器。控制系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后，能很好地完成尾水凈化處理工作，且傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實時、準確地反映水質(zhì)變化。

圖7 尾水處理模擬實物圖Fig.7 Simulated physical diagram of tail water treatment

4 小結(jié)

該研究的溫室甲魚養(yǎng)殖尾水處理控制系統(tǒng)針對甲魚養(yǎng)殖的尾水特點，以先進的自動化控制技術(shù)，設(shè)計了專門用于甲魚尾水處理的控制設(shè)備，使控制系統(tǒng)滿足了甲魚養(yǎng)殖尾水處理的要求。