吳 丹，金文忻，黃則鑫，許龍飛

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院，江蘇句容 212400）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展和水產(chǎn)養(yǎng)殖的優(yōu)化升級，水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)以簡單快捷、數(shù)據(jù)準確、自動化控制的主要特點，因此受到大多養(yǎng)殖戶的追捧。但是，我國自動化控制水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)水平還不成熟，如果引進國外的養(yǎng)殖技術(shù)與設(shè)施將會增加投資成本，而且由于技術(shù)保密不容易發(fā)揮最大經(jīng)濟效益。因此，如何實現(xiàn)適合我國高效、健康、可持續(xù)發(fā)展的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測和水循環(huán)系統(tǒng)是一項重要工程[1-3]。

1 傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測方法

目前，國內(nèi)的甲魚養(yǎng)殖業(yè)及其水質(zhì)監(jiān)測基本上仍是處于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測階段，這種方式既耗時費力，而且精確度不高，檢測過程是需要有專業(yè)人員進行操作，并且需要大量檢測水質(zhì)的儀器。目前傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法主要有傳統(tǒng)經(jīng)驗法、化學藥劑檢驗法、儀器檢測法。

1.1 傳統(tǒng)經(jīng)驗法

經(jīng)驗法是指養(yǎng)殖人員憑借多年的養(yǎng)殖工作經(jīng)驗，用肉眼觀察，人為地判斷水質(zhì)的各項指標是否達到標準。如，魚類攝食減少，則可能是pH值偏高或偏低，也有可能是氨氮超標；魚類集中于水面，可能是水中缺氧等。這種養(yǎng)殖人員人為的判斷代表的只是一個粗略的結(jié)果，與實際結(jié)果誤差是相當大的，并且隨著養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模越來越大，養(yǎng)殖的種類也越來越多，水產(chǎn)品的質(zhì)量要求在不斷提高，那么這種混合養(yǎng)殖水質(zhì)的變化就是多樣的，而造成水質(zhì)改變的原因更是多樣的，例如，投喂飼料、投放藥品、自然環(huán)境、養(yǎng)殖品種數(shù)量的變化等因素，都會對水質(zhì)造成改變，要是單純依靠人為經(jīng)驗的判斷，已經(jīng)無法滿足需要，有時甚至會帶來巨大的損失。所以這種方法已經(jīng)被水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)逐漸淘汰。

1.2 化學藥劑檢驗法

這一方法的很大優(yōu)勢就是檢測數(shù)據(jù)準確可靠，但是化學方法的檢測過程比較復(fù)雜，需要較長的時間，要求檢測人員具備相當?shù)膶I(yè)技能，才能做出準確的檢測，如，“化學滴定法” “化學檢測試紙”，不過試紙容易受到外界環(huán)境（如溫度、濕度、光照等）的影響，會失效。并且化學法檢測都需要取樣測量，而水樣采集到實驗室時，各項指標都可能已發(fā)生變化，因而水質(zhì)檢測結(jié)果已經(jīng)不是實際水體的數(shù)值了。而且一些化學方法需要使用儀器進行檢測，這就要求使用者掌握一定基礎(chǔ)的化學知識。這種方法又有可能對養(yǎng)殖池造成二次污染，造成水產(chǎn)品大規(guī)模死亡，給養(yǎng)殖戶造成經(jīng)濟損失。

1.3 儀器檢測法

首先，這類儀器多為便攜式，體積小巧，便于攜帶和使用，特別適合養(yǎng)殖現(xiàn)場的水質(zhì)檢測，對于工廠化養(yǎng)殖車間的眾多養(yǎng)殖池的水質(zhì)檢測也是非常方便的，免去了取樣帶來的不便。第二，這類儀器多為按鍵式操作面板，中文顯示屏，操作簡單，檢測結(jié)果清晰直觀。第三，這類儀器檢測的水質(zhì)指標主要針對養(yǎng)殖行業(yè)的需要而設(shè)計，實用性強，項目齊全，并且可以靈活組合。特別要強調(diào)的是這類儀器的兩個主要的特性，其一，測量的數(shù)據(jù)準確、可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測，按下相應(yīng)的按鍵，屏幕立刻顯示測量結(jié)果，節(jié)省了大量取樣、化驗的時間，通過存儲功能，可實時記錄水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，提高了工作效率。其二，電極的穩(wěn)定性決定了測量數(shù)據(jù)的準確，同時，電極可以反復(fù)使用，不需要配制試劑、更換試紙等步驟，不僅簡化了操作程序，也保證了比較長的使用壽命[4-5]。

不管是那種傳統(tǒng)檢測方法，隨著甲魚需求量增加和水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展，整個甲魚養(yǎng)殖行業(yè)將迎來上升趨勢，這也就需要大量的人力物力投入水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域中來，因此，水質(zhì)的自動監(jiān)測也就將成為重中之重。

本項目的甲魚養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)操作簡單、數(shù)值輸出快而精確，可以用手機上的云平臺實現(xiàn)甲魚養(yǎng)殖過程中的連續(xù)或適時監(jiān)測，能使養(yǎng)殖戶規(guī)避風險，給養(yǎng)殖戶帶來利潤。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本課題以西門子S7-200 CPU 226 PLC為核心控制設(shè)計的一種溫室甲魚幼苗養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。對甲魚幼苗養(yǎng)殖過程中水質(zhì)監(jiān)測軟件設(shè)計和云平臺設(shè)計[6-8]，研究在養(yǎng)殖甲魚的過程中養(yǎng)殖水質(zhì)的變化過程，提前做出預(yù)防氣候造成水質(zhì)物理指標及各水環(huán)境因子綜合的病害原因分析，節(jié)水節(jié)能，促使甲魚養(yǎng)殖走向更高效、節(jié)能、循環(huán)的新型綠色水產(chǎn)養(yǎng)殖模式。為養(yǎng)殖戶提供優(yōu)質(zhì)的甲魚幼苗和良好的甲魚養(yǎng)殖環(huán)境，增加養(yǎng)殖戶收入、減少甲魚在培育過程的死亡率、提高甲魚養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)。實物模型如圖1所示。

控制系統(tǒng)能自動檢測循環(huán)水中的溶氧、pH酸堿度、EC值和水溫等因子，使循環(huán)水成為“新水”繼續(xù)供給甲魚池循環(huán)使用，并且保證在養(yǎng)殖過程中使甲魚池保持在最佳狀態(tài)。具體方案如下：

1）當甲魚池中EC傳感器發(fā)生報警時，用戶可通過云平臺來進行水循環(huán)，PLC控制電磁閥實現(xiàn)水循環(huán)，循環(huán)水首先通過水培蔬菜渠，在經(jīng)過濾池到達曝氣池，最后通過沉淀池在流回甲魚池。

2）通過水培蔬菜渠時，能過濾大顆粒雜質(zhì)并增加水含氧量，物理一級過濾使用海綿網(wǎng)能過濾肉眼可見的顆粒物，物理二級過濾使用木炭和火山石能吸附難溶物，生物過濾使用硝化細菌能分解無機物產(chǎn)生有機物。

3）甲魚池中裝有溫度傳感器，水溫過低時通過PLC打開升溫裝置。曝氣池中裝有臭氧發(fā)生器，PLC打開臭氧發(fā)生器，臭氧能殺滅大部分有害細菌。

4）系統(tǒng)中裝有EC傳感器、pH值傳感器、溶氧傳感器，當水質(zhì)不達標時，開啟相應(yīng)的設(shè)備進行水質(zhì)處理；當水質(zhì)達標時，PLC打開閥門流入甲魚池繼續(xù)使用。

5）為了給甲魚進行常規(guī)消毒，系統(tǒng)中安裝了紫外線殺菌燈和臭氧發(fā)生器，定期打開進行常規(guī)消毒。

6）考慮到甲魚曬背可以促進甲魚鈣的吸收、保持體溫、提升身體代謝能力、保證身體健康，因此安裝曬背燈，在室內(nèi)也可以供甲魚定期曬背。

3 水質(zhì)監(jiān)測傳感器選型

3.1 EC傳感器選型

EC傳感器可以檢測水質(zhì)電導率，電導率用來反應(yīng)循環(huán)水中可溶性鹽的濃度。如果沒有及時進行排污、不及時補充新水、水中雜質(zhì)超標、亞硝酸鹽超標、氨氮超標，溫度變化等，都可能造成電導率變高。因此電導率能夠?qū)崟r反應(yīng)水質(zhì)的變化情況，在實際中應(yīng)用范圍廣泛。本項目選用SM2130B-EC傳感器，此傳感器采用工業(yè)通用標準RS485總線Modbus-RTU協(xié)議接口，方便接入PLC，DCS等儀器或系統(tǒng)。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測模擬試驗實物圖

3.2 水溫傳感器

在整個養(yǎng)殖過程中保證水溫在30℃左右，如果水溫低于允許值，則啟動安裝在養(yǎng)殖池中的加熱設(shè)備進行加熱，本項目采用建大仁科系列溫度感應(yīng)器。

3.3 PH傳感器

在中國池塘養(yǎng)殖水最為常見水產(chǎn)養(yǎng)殖方法，池塘養(yǎng)殖普遍投放魚飼料，但飼料約有5%～10%不被魚吃掉，其中大約30%的魚飼料被排出體外。因此，養(yǎng)殖尾水中混合物主要有：氨氮、有機物、磷和污染物，造成水質(zhì)環(huán)境的惡化，影響甲魚生長甚至致死。pH值是水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的一個重要指標，與許多疾病有直接或間接的關(guān)系。一般來說，水產(chǎn)養(yǎng)殖的pH值一般為7.5到9.0，過高或過低都會影響?zhàn)B殖動物的生長和健康。

甲魚養(yǎng)殖過程中，不僅及時準確檢測水質(zhì)pH值，還及時調(diào)整水質(zhì)pH值，降低有害水質(zhì)對甲魚健康的威脅。本項目采用SM2121M電流模式PH傳感器，此傳感器采用工業(yè)標準DC 4-20 mA電流輸出信號接口，連接PLC、DCS等各種儀器或系統(tǒng)，用于監(jiān)測溶液的pH值。

3.4 溶氧傳感器[9]

水中的氧是溶解氧，溶解在水或液相中的分子態(tài)氧，它是水生生物和植物生存不可缺的條件。無論是甲魚還是其他水生生物，他們都必須有適合自己生長的環(huán)境才能獲得豐收。所有需氧生物的生存、生長和繁殖都離不開氧氣?？諝庵泻趿考s21%，但水中含氧量低且易發(fā)生變化，水環(huán)境條件是影響水產(chǎn)品產(chǎn)量的重要原因之一。目前，檢測水環(huán)境中溶解氧含量的方法主要有碘量法，比色法，電導率，電極法等，電極法又稱傳感器法，因其在線監(jiān)測方便，靈敏度高，近年來得到廣泛應(yīng)用。本項目選用的MW-O101型溶解氧傳感器是根據(jù)原電池的原則設(shè)計開發(fā)的，測量準確使用方便，維護簡單，是水質(zhì)溶解氧監(jiān)測的常用傳感器。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

4.1 PLC設(shè)計[10]

本系統(tǒng)采用西門子S7-200 CPU226系列PLC，I/O分配表如表1所示，與I/O分配表相對應(yīng)的PLC控制線路接線圖如圖2所示。

表1 I/O分配表

圖2 PLC控制線路接線圖

PLC程序包括主程序、手動控制程序、水溫自動控制程序、增氧自動控制程序、殺菌自動控制程序。主要流程圖如圖3所示。

4.2 云平臺設(shè)計

利用有人云軟件進行云平臺開發(fā)與設(shè)計，養(yǎng)殖戶可以在任何時間和地點監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)并進行控制。

如圖4所示的甲魚水質(zhì)監(jiān)測界面，通過網(wǎng)關(guān)實時傳遞養(yǎng)殖池中的EC值（電導率）、水溫、pH值，并且能切換手動或自動模式。

圖3 各程序流程圖

圖4 甲魚水質(zhì)監(jiān)測界面

如圖5所示，水質(zhì)自動調(diào)控界面能進行的pH值、電導率、溶解氧、水溫的手動設(shè)置，并且可以根據(jù)需要手動打開養(yǎng)殖池的增氧泵。

圖5 水質(zhì)自動調(diào)控界面

4.3 實地試驗及結(jié)果

本試驗于2021年9月～2022年3月在校企合作企業(yè)，句容市后白鎮(zhèn)經(jīng)軍水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)合作社溫室甲魚養(yǎng)殖基地進行試驗。

本試驗共設(shè)計兩個環(huán)境，一是采用傳統(tǒng)人工檢測水質(zhì)方式，并進行循環(huán)水的凈化；二是采用本項目的自動監(jiān)測水質(zhì)方式，利用自動控制系統(tǒng)進行水質(zhì)的凈化，進行對比試驗。

得出如下結(jié)論：

1）控制系統(tǒng)在實驗中能穩(wěn)定運行，水質(zhì)在線監(jiān)測模塊在線監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)準確，而傳統(tǒng)方式完成的水質(zhì)凈化數(shù)據(jù)波動較大，存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2）控制系統(tǒng)能在實驗中可靠運行，控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，延時不超過1 s。經(jīng)檢測經(jīng)過處理的水質(zhì)合格，能達到甲魚養(yǎng)殖池的水質(zhì)要求，水質(zhì)參數(shù)反映準確，水質(zhì)在線參數(shù)檢測最大誤差不超過3%。

5 結(jié)語

本文針對甲魚養(yǎng)殖的水質(zhì)在線監(jiān)測，以先進的自動化控制技術(shù)，設(shè)計了專門用于甲魚水質(zhì)監(jiān)測和水循環(huán)的控制設(shè)備，使控制系統(tǒng)滿足了甲魚養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測和水循環(huán)控制的要求。根據(jù)對這一課題的了解和研究結(jié)果，認為還應(yīng)對下列一些問題進行重點研究：第一，該裝置設(shè)計的原理還可用于除甲魚外的其他水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測和水循環(huán)控制，因此可以根據(jù)其他水產(chǎn)品養(yǎng)殖的特殊要求，進行系統(tǒng)改進，使本裝置能得到更廣泛的應(yīng)用。第二，本文所選擇的傳感器能對水質(zhì)檢測能提供準確的數(shù)據(jù)，但未來還可以針對水循環(huán)特點選擇更先進的傳感器完成更全面的水質(zhì)檢測。