基于易控的工业化循环水养殖系统

张业韡， 吴 凡， 陈 翔， 杨宇红

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

基于易控的工业化循环水养殖系统

张业韡1,2， 吴 凡2， 陈 翔2， 杨宇红1

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

随着可用水资源的减少，工业化循环水养殖是现代渔业的发展趋势。为了提高工业化循环水养殖的自动化程度，以及将其与物联网更好的结合起来，设计了基于易控的工业化循环水养殖系统。系统采用封闭式循环水养殖工艺，选用微滤机、流化床、低压纯氧混合装置等国内先进的循环水养殖装备构建硬件系统，使用西门子S7-300 PLC和其它智能仪表设备等构建控制系统，通过易控软件作为人机交互平台将各要素进行整合。该系统实现了工业化循环水养殖系统的养殖过程智能控制、养殖水质精准调控和养殖控制物联网化，具备自动化程度高、运行稳定、扩展性强的优点。该系统易于推广，并为将来的福利养殖系统提供了理论依据和基础数据。

循环水养殖；易控(INSPEC)；物联网；自动控制

工业化循环水养殖是一种结合了水产养殖技术、水处理技术等的生产方式，是现代渔业发展的必然趋势[1]；物联网是具有全面感知、可靠传输、智能处理特征的连接物理世界的网络。物联网技术与工业化循环水养殖相结合，是实现渔业生产集约化、自动化、智能化和信息化的必然趋势[2-5]。目前，国内工业化循环水养殖自动控制应用很少，大多数养殖场主要使用简单的控制系统进行养殖池溶氧控制和水质参数采样，有些养殖场直接采购国外的成套专用设备。国内水产养殖自动控制的相关研究内容主要为水质传感器网络研究和养殖水质的简单调控[6-9]，其通用设备比较少，不可直接应用到循环水养殖系统的控制中[10]，需要采用相关的软件来实现工业化循环水养殖的全部控制功能。

易控(INSPEC)是全球首款完全基于.NET平台的组态软件，它结合了最新IT技术、通信技术、控制技术以及大量用户使用经验，它是一款面向设备制造、工厂自动化控制、过程自动化控制等并基于分布式网络架构设计的大型综合自动化软件。其拥有超越组态的多语言和C#用户编程功能、分布式网络架构、WEB门户、构建重大系统冗余功能等，非常适合用于工业化循环水养殖控制系统的构建。

1 系统构成

循环水养殖系统由硬件设备和控制系统两部分构成。硬件设备包括水处理设备(如微滤机、流化床等)、循环水泵、控温设备、水质监测设备等。养殖系统工艺流程(图1)。

图1 循环水养殖系统工艺流程

从鱼池流出的养殖污水通过微滤机的物理过滤，并在微滤机池内进行温度调节、pH调节，然后通过循环水泵进入流化床进行生物过滤，通过流化床的水经过低压溶氧装置增氧和臭氧紫外杀菌装置杀菌，自流入鱼池。

控制系统包括人机界面、总控制柜、分布控制柜、PLC、仪器仪表等(图2)，用于控制系统的正常运行。

图2 电气控制系统结构

控制系统基于集散控制系统(DCS)：在人机界面中安装易控软件，人机界面选择工控机或工业级触摸屏，以保证控制系统的稳定；人机界面的电源采用UPS不间断电源，确保在系统运行过程中不会因为意外断电而导致控制系统停止，引起事故。在总控制柜内安装西门子S7-300 PLC主站(CPU模块)，负责运行系统的自动控制程序和易控软件及子站的通信，主站和人机界面使用以太网口进行通信。在分布控制柜中安装西门子ET200模块作为子站，安装有I/O模块和数字量、模拟量输入/输出模块，用于接收并执行主站的命令，并将采集到的数据传回主站；主站和子站直接采用PROFIBUS现场总线进行通信[11]。水质传感器、变频器和其他智能仪器设备等，通过RS-485总线和MODBUS通信协议与人机界面进行通信，实现数据交互。根据现场的实际工况，PROFIBUS总线和RS-485总线可以选择有线或无线的方式进行搭建。控制系统主要实现以下功能：硬件IO通信、人机界面、养殖系统自动控制、数据存储/查询、异常报警、安全区/用户管理和WEB访问等。

2 易控的控制系统

2.1 硬件IO通信

工程中的硬件IO通信(又称“设备通信”)是易控工程与所连接的下位设备(如PLC、模块、仪表、变频器等各种硬件设备)通过各种不同方法进行通信，实现数据读写的功能。易控的IO通信具有以下特点：支持各种硬件连接方式(如串口、以太网、各种现场总线接口卡的通信电缆连接方式)；支持和各种软件的通信，间接实现和硬件设备的通信；可以同时与不同种类的硬件和软件进行通信。通过IO通信，可以更直接地控制养殖设备，获取设备运行状态和养殖水质数据等。

2.2 人机界面

人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口。易控通过专业级的图形处理能力、独创的复合动画功能，逼真呈现工业现场，通过实时数据库模拟反映工业现场的运行状态。操作人员可以从人机界面上直观地了解到循环水系统中的设备运行情况、水质数据等并直接操作系统中的设备，可以直接点击人机界面上的图标来控制对应的设备，也可以修改系统中的控制参数(图3)。

图3 基于易控的工业化循环水养殖系统人机界面

2.3 养殖系统自动控制

养殖系统自动控制是工业化水产养殖的重要技术，可以控制养殖装置的自动运行，优化养殖水体环境的一些重要参数，最大限度地发挥工业化养殖的效能，达到精准控制养殖生产过程的目的[12]。相对于其他组态软件，通过易控可以更容易地实现工业化循环水养殖系统所有设备的自动控制。

2.3.1 主要设备控制

微滤机在循环水养殖中常用于截留养殖水体中的固体颗粒，是实现固液分离的净化装置。在过滤过程中，筛网因被堵塞而影响过滤效果，因此需要在PLC中编写反冲洗控制程序。该程序通过定时器和液位开关信号启动反冲洗水泵，配合微滤机转鼓的转动使微滤机筛网得到及时清洁。由于主要控制程序是在PLC中，组态软件和PLC的通讯中断并不会对微滤机的自动控制产生影响，可以保障系统的正常运行。另外，由于PLC和易控之间进行IO通信，因此可以在人机界面中修改定时器的设置。

流化床生物滤器是近年来研发出的新型生物过滤器，其选用的填料比表面积巨大，并具有良好的亲水性及生物相容性，在实际应用中已显现出了极佳的水处理性能[13]。流化床生物滤器在不同的养殖工况下有不同的流量要求，因此使用易控软件与变频器进行MODBUS通信，通过变频器来控制循环水泵的工作频率，从而控制进入流化床的水流量，使流化床处于最佳的水处理效果。

2.3.2 水质调控

养殖水质参数是水产养殖生产过程中非常重要的影响因素。循环水养殖系统不同于其他养殖系统的重要区别之一就是养殖水质参数的可控性。使用易控的工程程序功能可以进行水质调控。该功能采用开放C++高级语言作为编程语言在工程中编写用户程序代码，它具有可视化编程和智能感知等编程技术，可实现对工程各种资源的灵活控制，改变工程执行流程、使用第三方程序代码和编写特殊功能。在微滤机池中设置在线式水质传感器，采集并储存系统中的溶氧、温度、pH、氧化还原电位(ORP)、盐度、臭氧、氨氮等测量值。通过不同的工程程序来分析这些数值的变化，自动运行调控设备，将重要的水质参数维持在合适的范围内。

通过分析溶氧传感器测得养殖系统中的溶氧值，气体流量计测得进入低压纯氧混合装置的纯氧流量，使用新型的双重PID算法调节纯氧电动阀的开度，通过控制进入装置的纯氧流量来控制养殖系统中的溶氧。pH调控采用结合PID和TCP算法的新型控制算法，通过调节计量泵的流量向养殖水体持续加碱，将水体中的pH维持在一个稳定的数值[14]。使用PID算法调节臭氧电动阀的开度来控制进入紫外杀菌器中的臭氧量，通过紫外催化反应区将臭氧与紫外联用，对养殖水体进行消毒灭菌处理[15]。

2.3.3 其他控制

使用工程程序还可以实现以下控制功能：鱼池排污使用定时方式，在每天特定时间启动鱼池底部的排污电动阀实现鱼池排污；通过微滤机池中的水位传感器判断由于排污和蒸发导致的系统中水体的损失，并且根据程序的判断来启动补水电动阀进行补水。饲料投喂使用轨道式自动投饲系统，投饲设备通过轨道在鱼池上方移动，根据控制流程编写工程程序进行控制，可以实现定时、定点、定量的投喂策略[16]。易控能完全满足工业化循环水养殖系统中所有可控设备的控制功能。

图4 轨道式自动投饲系统控制流程

2.4 数据储存/查询

易控的数据储存/查询系统主要包括历史数据记录和事件记录。历史数据直接反映了工程运行的状况。在工业化循环水养殖系统中，可以通过变化记录功能来记录设备的运行参数变化情况，通过定时记录来记录系统的温度、溶氧、pH、ORP、盐度、臭氧、氨氮等水质参数。事件记录是记录工程运行过程中重要的操作和运行人员的登陆和注销，其主要目的是记录操作员的操作过程。其中的时间追溯是易控软件特有的一项功能，通过再现整个控制过程，辅助事故的定位，从而获知事故的发生原因。可以通过易控将历史数据和事件记录存储到关系型数据库SQL SERVER或SQL EXPRESS中，并通过报表和日志查看器来查询并导出这些记录。相对于其他组态软件，可以通过网络直接读取易控数据库内的数据，并进行云储存和大数据分析。

2.5 异常报警

在工业化循环水系统中，当出现设备停机等严重工况，或养殖水质状况发生变化以至于影响鱼类的正常生长时，需要以各种手段及时向系统运行人员、维护人员、主管技术人员等发出警示信息，避免可能出现的事故或危险，保证系统的正常、安全、可靠的运行。易控区别于其他组态软件的是其优化了报警功能。针对不同的报警变量，可以设置不同的报警区进行分组管理，并且设置不同的报警级别。比如：设备停机可以设置最高的报警级别立即报警；而水质状况变化可以设置多个报警区和报警组，如设定溶氧的安全值在6～7 mg/L，在5.5～6 mg/L设置低级别报警区不需要立即报警，可以延时30 min报警，而且只通知运行人员，其间如通过系统自动调控回到安全值则不进行报警，在5.5 mg/L以下设置高级别报警区，一旦溶氧值达到此范围立即报警，而且同时通知所有人员。易控的报警方式多样，可以选择声音、电话、手机短信、电子邮件等，未来还将加入微信等通知方式，全方位的报警可以更快地应对各种事故。

2.6 安全区/用户管理

安全区是易控工程中有关操作控制安全的一种逻辑划分单位。同一个安全区的安全控制要求是相同的，不同的安全区有不同的安全要求，当配置好安全区后，只有具有此安全区权限的用户才能进行操作。易控的用户分为一般用户和系统管理员，一般用户具有对指定安全区的操作权限，而系统管理员除此权限外，还可以在工程运行期间增加、删除和修改用户。例如可以将设备运行控制的安全区划分给用户1，将水质控制的安全区划分给用户2，将数据设定安全区划分给系统管理员，通过工程的“用户”和“安全区”的配合使用，避免工程中出现误操作、越权操作和系统被非法篡改，保证工程运行和操作安全。

2.7 WEB访问

易控的WEB功能采用B/S结构，客户可以随时随地通过互联网实现远程监控，实时了解现场的运行情况，以及远程调试、诊断。易控允许通过Web Server将易控运行工程中的画面以网页的形式发布到互联网上，客户端不需要安装任何易控软件，通过IE浏览器就可以访问Web Server发布工程的画面，实现远程监控。通过易控WEB功能实现的远程监控，不仅能够实现对养殖数据的浏览，同样可以对养殖设备进行控制。

3 结论

与国内常用的其他组态软件(如MCGS、组态王等)相比，易控功能更适用于工业化循环水养殖系统；同时，与其他特定养殖系统的专用软件相比，易控也可以轻松实现其所有功能，并且更易于二次开发。基于易控的工业化循环水控制系统在系统控制方面使用PLC编程和工程程序相结合的方法，并辅以各种传感器和执行机构，实现了工业化循环水养殖的自动化控制。在实际运行过程中，人机界面友好，系统运行稳定可靠、易于扩充、调整灵活。配合视频监视系统实现完全的远程自动控制，从而节省大量的人力成本。工业化循环水养殖自动控制系统将来的发展方向是结合正在发展的水产养殖机器视觉技术，可以代替操作人员对现场视频进行判断，实现无人系统。

虽然易控软件具有WEB功能，但由于软件功能的局限性，可实现的物联网功能不完全。未来我们将在应用层对易控软件数据库内的所有数据进行云存储和大数据分析，以实现养殖过程智能化决策和控制。

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[1] 戚翠战,韩世成,曹广斌,等.应用于冷水鱼工厂化循环水养殖的自动化系统[J].广东农业科学,2014,41(13):182-185.

[2] 李道亮.物联网与智慧农业[J].农业工程,2012(1):l-7.

[3] 杨金明,余情,朱红飞,等.基于物联网技术的水产养殖智能管理系统设计[J].湖北农业科学,2016,55(16):4276-4279.

[4] 陈浩成,袁永明,马晓飞,等.基于物联网的水产养殖水质监控集成技术[J].现代农业科技,2013,18:324-326.

[5] 王丹.基于物联网养殖系统的研究与应用[D].淮南:安徽理工大学,2012.

[6] ZHANG M F,LI D L,WANG L Z,et al.Design and development of water quality monitoring system based on wireless sensor network in aquaculture[C].Computer and Computing Technologies in Agriculture Iv-ifip TC 12 Conference,2010,347:629-641.

[7] SIMBEYE D S,ZHAO J M,YANG S F.Design and deployment of wireless sensor networks for aquaculture monitoring and control based on virtual instruments[J].Computers and Electronics in Agriculture,2014,102:31-42.

[8] 苗雷,汤涛林,刘世晶.基于MCGS的养殖水质在线监控系统的设计与实现[J].现代农业科技,2012,23:261-263.

[9] HUAN J,LIU X Q,CHONG Q F.Design of an aquaculture monitoring system based on android and GPRS[J].Applied Engineering in Agriculture,2014,30(4):681-687

[10]刘雨青,吴燕翔,吴晓栋.工厂化养殖循环水处理控制系统的设计[J].科学技术与工程,2012,12(7):1526-1530.

[11]陈江,曲卫冬.基于PLC与PROFIBUS总线的油气管道监控系统设计与开发[J].科技创新与应用,2016(14):98-99.

[12]曹广斌,蒋树义,韩世成,等.工厂化水产养殖中的自动控制技术[J].水产学杂志,2011,24(1):60-64.

[13]张海耿,张宇雷,张业韡,等.循环水养殖系统中流化床水处理性能及硝化动力学分析[J].环境工程学报,2014,8(11):4743-4751.

[14]张业韡,张海,吴凡.工厂化循环水养殖系统中pH维持系统研究[J].渔业现代化,2013,40(6):1-5．

[15]管崇武,杨菁,单建军,等.工厂化循环水养殖中臭氧/紫外线反应系统的水处理性能 [J].农业工程学报,2014,30(23):253-259.

[16]袁凯,庄保陆,倪琦,等.室内工厂化水产养殖自动投饲系统设计与试验[J].农业工程学报,2013,29(3):169-176.

·文摘·

INAPRO复合养殖系统的动态建模

通过为使用创新性的双循环复合养殖系统ASTAF-PRO生产尼罗罗非鱼和蕃茄进行动态建模做实例，对使用建模技术分析复合养殖系统作了演示。对作为具有内部反馈和相互反馈特性的动态双元系统的复合养殖系统进行管理和控制，动态模型是必需的。本研究展示了如何将针对作物和鱼类生长、废物产生与过滤、温室环境与水培法等多样的复合养殖系统进程及基于微分方程的动态模型整合进一个现实而复杂的复合养殖系统模式。在VBA Excel中完成了拟建模型，它可用于展示如何找到、控制并管理不同的ASTAF-PRO配置，增加对系统的了解，因而也增加了未来环境可持续复合养殖系统大规模生产的可能性。

(《Aquacultural Engineering》Vol.75)

Industrialized recirculating aquaculture system based on INSPEC

ZHANG Yewei1,2，WU Fan2，CHEN Xiang2，YANG Yuhong1

(1SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

With the reduction of available water resources,the development of industrialized recirculating aquaculture becomes the trend of modern fishery.In order to improve the automation degree of industrial recirculating aquaculture and to better combine it with the Internet of Things,an industrial recirculating aquaculture system based on INSPEC has been designed and introduced in this paper.The system adopts closed recirculating aquaculture technology,uses microfiltration machine,fluidized bed,low pressure oxygen mixing device and other domestic advanced circulating water aquaculture equipment to build the hardware system,constructs the control system using SIEMENS S7-300 PLC and other intelligent instruments,and uses INSPEC as a human-computer interaction platform and to integrate all the elements together.The system realizes the intelligent control of aquaculture process,precise control of aquaculture water quality,and networked control of aquaculture in industrialized recirculating aquaculture system,with the advantages such as higher degree of automation,stable operation,and strong expansion.While being easy to popularize,the system also provides theoretical and data basis for future welfare breeding system.

industrialized recirculating aquaculture;INSPEC;Internet of Things;automatic control

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.005

2016-10-18

2017-01-06

中国水产科学研究院基本科研业务费专项(2017HY-ZD0607)；现代农业产业技术体系专项(CARS-50)

张业韡(1982—)，男，硕士研究生，研究方向：工业化水产养殖、数字渔业。E-mail:zhangyewei@fmiri.ac.cn

杨宇红(1968—)，女，副教授，硕导，研究方向：多媒体信息处理与通信、嵌入式系统设计技术研究。E-mail:yangyuhong@sjtu.edu.cn

S969.39

A

1007-9580(2017)01-021-05