水體工業(yè)自動(dòng)化增氧控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與開發(fā)*

陳勝利，吳展鴻，李文潤

(河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東　河源　517000)

0　引言

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動(dòng)化水平成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一，也是亟待解決的問題?；谑袌?chǎng)需求，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能自動(dòng)精準(zhǔn)調(diào)控養(yǎng)殖水體溶解氧含量的控制系統(tǒng)。本文所描述的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有傳感器裝置，通過傳感器檢測(cè)水體含氧量,根據(jù)適宜魚類生存的溶解氧范圍自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)作。該系統(tǒng)操作方便簡(jiǎn)單，可精準(zhǔn)調(diào)控養(yǎng)殖水體的溶解氧含量，提高餌料利用率，減少魚病的發(fā)生，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖高產(chǎn)增產(chǎn)，解決盲目增氧、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題。

1　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括溶氧量傳感器、溶氧量變送器、PLC、模擬量模塊、觸摸屏、變頻器、增氧機(jī)。硬件構(gòu)建如圖1所示。

圖1　水體溶氧含量控制系統(tǒng)硬件原理構(gòu)建示意圖

1.1　傳感器模塊

在控制系統(tǒng)中選用極譜型氧傳感器，型號(hào)為雷磁DO-10,集成溫度傳感器Pt1000，由兩個(gè)金屬電極和薄膜組成，以銀絲制作陽極，以鉑金制作陰極，采用電化學(xué)檢測(cè)法，以KCL作為電解液,使金屬電極與電解質(zhì)相接觸，其薄膜具有選擇性，只能透過氧和其他氣體，其他可溶解物質(zhì)和水均不能透過。當(dāng)在陽極與陰極之間加一定的極譜電壓時(shí)，溶解在水中的氧就滲過氧敏感薄膜，并在陰極上還原，形成與氧濃度成正比例關(guān)系的擴(kuò)散電流，其電極反應(yīng)為[1-2]：

陰極：O2+2H2O+4e-→4OH-。

陽極：4Ag+4CL-→4AgCL↓+4e-。

1.2　信號(hào)監(jiān)控模塊

信號(hào)監(jiān)控模塊是控制系統(tǒng)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，包括溶氧量變送器和模擬量模塊，其中溶氧量變送器為雷磁DO200變送器，是將溶氧量傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀荒M量模塊識(shí)別的信號(hào)(或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏啃盘?hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)同時(shí)放大為可供遠(yuǎn)方測(cè)量和控制的信號(hào)源)的轉(zhuǎn)換器[3]，并具有顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶氧量和溫度值的功能。傳感器和變送器一同構(gòu)成自動(dòng)控制的監(jiān)測(cè)信號(hào)源。模擬量模塊為XC-E4AD信捷PLC擴(kuò)展模塊,它將現(xiàn)場(chǎng)由傳感器檢測(cè)而產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC的CPU可以接收的數(shù)字量信號(hào)[4]?？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控部分整體就是通過溶氧量傳感器采集到的模擬量信號(hào)，經(jīng)過溶氧量變送器傳輸給模擬量模塊，模擬量模塊將溶氧量變送器傳輸過來的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，進(jìn)而通過PLC運(yùn)算處理，并根據(jù)溶氧量傳感器監(jiān)測(cè)的溶解氧含量的數(shù)據(jù)變化控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

1.3　人機(jī)交互模塊

控制系統(tǒng)中的人機(jī)交互模塊包括PLC以及HMI。其中PLC選用信捷XC系列的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型，編程方便，能夠滿足絕大多數(shù)用戶的使用要求，同時(shí)具備2個(gè)通訊口，支持 RS232、RS485、CAN 總線，可連接多種外部設(shè)備，如上位機(jī)、HMI和變頻器等[5]?？刂葡到y(tǒng)選用顯控HMI，HMI鑲嵌在電氣柜的柜門上，可單獨(dú)與PLC通訊，通過操作HMI選擇工作模式，工作模式分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，根據(jù)溶解氧含量的變化，經(jīng)過PLC的運(yùn)算處理自動(dòng)控制增氧機(jī)的啟停或手動(dòng)選擇增氧機(jī)的執(zhí)行時(shí)間和運(yùn)行頻率，改善池塘水含氧量，使魚類生存在適宜的環(huán)境中，保障魚類生長的正常速度。

1.4　執(zhí)行模塊

控制系統(tǒng)中的變頻調(diào)速模塊包括變頻器(VFD004M21A臺(tái)達(dá)變頻器)、增氧機(jī)(HOULE光軸定速調(diào)速電機(jī)和螺旋漿組成)。變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，通過改變電動(dòng)機(jī)供電電源頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)速的目的[6],實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)的變速運(yùn)行。增氧機(jī)是由三相異步電機(jī)和螺旋槳組成，經(jīng)過聯(lián)軸器的配合使得整體實(shí)現(xiàn)攪拌水體的功能，增氧機(jī)工作時(shí)帶動(dòng)螺旋槳攪動(dòng)水體表面，其增大水與空氣的接觸面積，從而增加水體溶解氧的含量，硬件控制箱如圖2所示。

2　控制系統(tǒng)原理及操作

2.1　工作原理

控制系統(tǒng)的工作原理為：溶解氧傳感器集成溫度傳感器在線測(cè)量魚塘水體的溶解氧和溫度，然后將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸給溶解氧變送器，將溶氧量傳感器產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)并傳輸?shù)侥M量模塊，模擬量模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給PLC后[7]，PLC根據(jù)用戶在HMI選擇的工作模式，通過PLC的運(yùn)算處理以及變頻器的變頻調(diào)速作用改變?cè)鲅鯔C(jī)的頻率，并控制增氧機(jī)的啟停。系統(tǒng)以PLC為控制核心，設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式可供選擇，具備實(shí)時(shí)觀察魚塘水體溶解氧含量以及溫度的功能，可應(yīng)用于各個(gè)密集型的農(nóng)業(yè)魚塘養(yǎng)殖生產(chǎn)作業(yè)中。

2.2　操作流程及程序設(shè)計(jì)

2.2.1操作流程

控制系統(tǒng)通過空氣開關(guān)啟動(dòng)整臺(tái)設(shè)備運(yùn)行，通過HMI選擇運(yùn)行方式。HMI將顯示手動(dòng)模式和自動(dòng)模式供選擇，人機(jī)交互控制模式如圖3所示。

圖2硬件控制箱圖3人機(jī)交互控制模式

當(dāng)選擇手動(dòng)模式時(shí)，增氧機(jī)僅由操作人員通過HMI選擇執(zhí)行時(shí)間來進(jìn)行啟?？刂?，并用電位器(電流)調(diào)整增氧機(jī)運(yùn)行頻率；HMI界面將顯示設(shè)定時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間，以供用戶查看增氧機(jī)需運(yùn)行的設(shè)定時(shí)間和實(shí)時(shí)反饋已運(yùn)行的時(shí)間，手動(dòng)運(yùn)行模式監(jiān)控如圖4所示。

圖4　手動(dòng)運(yùn)行模式監(jiān)控

當(dāng)選擇自動(dòng)模式時(shí)，增氧機(jī)的運(yùn)行僅由控制系統(tǒng)的指令自動(dòng)控制。自動(dòng)模式下，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的溶氧量范圍以及傳感器檢測(cè)到的溶氧量變化數(shù)據(jù)自動(dòng)控制增氧機(jī)的啟停，當(dāng)魚類生長季節(jié)溶氧量低于啟動(dòng)設(shè)定值(即適宜魚類生存的溶氧量范圍下限值)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)增氧機(jī)；當(dāng)溶氧量高于關(guān)閉設(shè)定值(即適宜魚類生存的溶氧量范圍上限值)時(shí)，自動(dòng)停止增氧機(jī)運(yùn)行。用戶可以通過變送器實(shí)時(shí)查看溶解氧含量和溫度值。

控制系統(tǒng)可根據(jù)用戶的需求設(shè)定不同的養(yǎng)殖魚類對(duì)溶氧量范圍進(jìn)行選擇，不同的養(yǎng)殖魚適宜生存的溶解氧范圍不同，具體魚種對(duì)水體的含氧需求如表1所示[8]。

表1　魚蝦類對(duì)水體溶氧量的適應(yīng)情況表　mg/L

進(jìn)入自動(dòng)模式后,HMI界面將提示用戶選擇養(yǎng)殖魚種類，用戶選擇完成后，控制系統(tǒng)開啟自動(dòng)監(jiān)控增氧模式。

2.2.2程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)步驟如下：

(1) 模擬量模塊設(shè)置：首先，打開XC系列編程軟件，添加對(duì)應(yīng)PLC類型，在左側(cè)工具欄左鍵雙擊打開擴(kuò)展模塊設(shè)置。在擴(kuò)展模塊界面讀取添加XC-E4AD模塊，設(shè)置通道1、2為4 mA～20 mA輸入模式，1/2濾波[9]。完成設(shè)置后點(diǎn)擊寫入PLC即可，具體設(shè)置如圖5所示。

圖5　模擬量模塊設(shè)置示意圖

(2) PLC程序設(shè)計(jì)：PLC通過模擬量模塊讀取到溶氧量傳感器的檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過PLC的處理運(yùn)算，在自動(dòng)模式下自動(dòng)控制增氧機(jī)啟停，在手動(dòng)模式下人為控制增氧機(jī)的啟停、頻率和執(zhí)行時(shí)間。

PLC控制參考程序如下：

LDM8000//運(yùn)行監(jiān)視MOVID100D6//將ID100的值賦給D6MOVK6553D8//將K6553的值賦給D8MOVK8191D9//將K8191的值賦給D9MOVK9828D10//將K9828的值賦給D10MOVK13106D11//將K13106的值賦給D11MOVK14744D12//將K14744的值賦給D12MOVK0D13//將K0的值賦給D13LD=D6D13//當(dāng)D6=D13時(shí)起始觸點(diǎn)接通OUTT1K100//驅(qū)動(dòng)T1開始計(jì)時(shí),計(jì)時(shí)100sLDT1//當(dāng)T1完成計(jì)時(shí)觸點(diǎn)接通OUTY6//驅(qū)動(dòng)Y6輸出線圈LDM0//當(dāng)M0觸點(diǎn)接通ANIM1//串聯(lián)常閉觸點(diǎn)M1未通電LDM2//并且M2觸點(diǎn)接通ORM3//或M3觸點(diǎn)接通ORM4//或M4觸點(diǎn)接通ANB//用于兩個(gè)或兩個(gè)以上觸點(diǎn)并聯(lián)在 一起的回路的串聯(lián)操作OUTY0//驅(qū)動(dòng)Y0輸出線圈OUTY1//驅(qū)動(dòng)Y1輸出線圈OUTY2//驅(qū)動(dòng)Y2輸出線圈LDM21//當(dāng)M21觸點(diǎn)接通MCS//MCS主控LDD6D9//或當(dāng)D6>D9時(shí)觸點(diǎn)接通RSTM2//把M2復(fù)位MCR//MCR主控復(fù)位LDM22//當(dāng)M22觸點(diǎn)接通MCS//MCS主控LDD6D11//或當(dāng)D6>D11時(shí)觸點(diǎn)接通RSTM3//把M3復(fù)位MCR//MCR主控復(fù)位LDM23//當(dāng)M23觸點(diǎn)接通MCS//MCS主控LDD6D12//或當(dāng)D6>D12時(shí)觸點(diǎn)接通RSTM4//把M4復(fù)位MCR//MCR主控復(fù)位LDM1//當(dāng)M1觸點(diǎn)接通ANIM0//串聯(lián)常閉觸點(diǎn)M0未通電MCS//MCS主控LDIM10//并且常閉觸點(diǎn)M10未通電OUTY0//驅(qū)動(dòng)Y0輸出線圈

OUTY3//驅(qū)動(dòng)Y3輸出線圈LDPM8013//以1s的頻率周期震蕩ANIM15//并串聯(lián)的常閉觸點(diǎn)M15未通電時(shí)INCD2//D2自加一MCR//MCR主控復(fù)位LD=D2K60//當(dāng)D2=60時(shí)INCD1//D1自加一RSTD2//把D2復(fù)位LD=D1K60//當(dāng)D1=60時(shí)INCD0//D0自加一RSTD1//把D1復(fù)位LD=D0D3//當(dāng)D0=D3時(shí)觸點(diǎn)接通AND=D1D4//當(dāng)D1=D4時(shí)串聯(lián)觸點(diǎn)接通AND=D2D5//當(dāng)D2=D5時(shí)串聯(lián)觸點(diǎn)接通OUTM10//驅(qū)動(dòng)M10輸出線圈ZRSTD0D5//將D0-D5區(qū)間復(fù)位OUTM15//驅(qū)動(dòng)M15輸出線圈LDM5//當(dāng)M5觸點(diǎn)接通ANIM1//串聯(lián)常閉觸點(diǎn)M1未通電ZRSTD0D5//將D0-D5區(qū)間復(fù)位

3　結(jié)論

水體自動(dòng)增氧控制系統(tǒng)的成功開發(fā)，解決了水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化、規(guī)?；年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的成功研制，有效地解決了養(yǎng)殖戶憑經(jīng)驗(yàn)盲目增氧、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題。精準(zhǔn)調(diào)控養(yǎng)殖水體溶解氧含量的實(shí)現(xiàn)，保障了養(yǎng)殖魚的生長環(huán)境，控制了養(yǎng)殖魚的死亡率，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖戶的高產(chǎn)增收的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉彬,張緩緩,金慶輝,等.溶解氧的測(cè)定[J].化學(xué)傳感器,2011(12):41.

[2]錢俊峰.極譜型氧傳感器及溶解氧測(cè)定儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，1990(5)：24-26.

[3]韓維峰.有功功率擺動(dòng)的現(xiàn)象的處理[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(3):93.

[4]信捷.XC系列PLC擴(kuò)展模塊用戶手冊(cè)[EB/OL].[2014-08-27].http://www.xinje.com/Ch/DownView.asp?

[5]信捷.XC系列PLC可編程控制器用戶手冊(cè)(硬件篇)[EB/OL].[2014-06-16].http://www.xinje.com/Ch/DownView.asp?

[6]王紅育.變頻調(diào)速原理及使用中注意事項(xiàng)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2005(2):60-61.

[7]卜玉明.智能儀表測(cè)量信號(hào)的標(biāo)度變換及實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2000,21(2):47-48.

[8]中國水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng).水產(chǎn)養(yǎng)殖戶必須掌握的水質(zhì)指標(biāo)[EB/OL].[2015-04-07].www.shuichan.cc/article_view-32774.html.

[9]信捷.XC系列PLC可編程控制器用戶手冊(cè)(軟件篇)[EB/OL].[2014-06-17].http://www.xinje.com/Ch/DownView.asp?