水产养殖多点水质监测与传感器清洁装置设计

单慧勇，田云臣，张仲雄，全鹏坤，朱银龙，华旭峰

(1 天津农学院工程技术学院,天津 300384；2 天津农学院计算机与信息工程学院,天津 300384)

在水产养殖中，为保证生产安全，需对溶氧(DO)、pH、水温等多项水质参数进行实时在线监测[1-3]。由于监测传感器长期浸泡在水中，水中的污染物、微生物、藻类等容易附着在传感器表面，严重影响传感器的监测精度，严重时甚至会导致设备产生误动作。在实际生产中，主要依靠人工定期清洁传感器，污染严重时，一周就需要对传感器清洁一次，工作量很大。由于频繁拆装、清洁，也存在很大的安全生产隐患。

近年来，随着水产养殖物联网技术的发展，水产养殖水质监测得到广泛应用，水质传感器的自动清洁问题日益引起人们重视，出现了射流清洁、超声波清洁、毛刷清洁等多种技术方法[4-11]。由于各种原因，这些技术都未在生产实践中推广应用。由于水质监测传感器目前价格较高，面对水产养殖监测点较多的情况，需要考虑使用一组传感器实现多点水质监测，以降低系统成本[12-14]。

本文提出了一种可实现多点水质监测与传感器自动清洁维护的解决方案，借助搭载在三轴移动平台上的一组传感器和多水槽系统，可以完成多点水质监测及传感器的自动清洁。该设计方案提高了传感器的使用效率，降低了使用成本，目前已申报了专利[16]，并开发了系统样机进行测试。

1　系统总体控制方案

传感器分时复用方案采用多水槽水质采样箱和三轴移动平台系统，使用采样泵将多个监测点位的水抽取引入到对应监测水槽中，结合三轴移动系统实现多点水质监测，同时设置专用清洁水槽配合清洁毛刷对传感器自动清洁维护。与原来单水槽水路切换的方案相比，缩短了水路系统稳定的时间[11]，也更便于通过软件标定校准采样输送产生的系统性误差，从而提高了监测精度[ 15-18]。

系统采用PLC作为现场主控制器，总体控制方案如图1所示：对传感器清洁装置、传感器(pH、溶氧、氨氮等)、水槽等进行监测控制；MCGS触摸屏、远程通讯模块、PLC通讯，分别通过通讯协议关联PLC中的软元件，实现现场与远程监控。

图1　系统结构框图

2　硬件设计与选择

2.1　硬件系统总体设计

装置硬件大体上可以分为三轴移动平台、水质监测系统、传感器清洁维护系统、电气控制箱、显示及控制系统5个部分(图2)。三轴移动平台是核心，可以通过一组传感器实现对多点水质的监测。三轴移动平台为三维空间结构，X轴、Y轴在同一平面主要用来定位，Z轴挂有传感器可进行上下运动，三轴都由步进电机进行控制。水质监测系统上有进水口、出水口、溢流阀。进水口和出水口都位于水槽底部，进出水口接有水泵维持水槽液面平衡。显示控制系统主要由PLC控制器、传感器组件、驱动板、电源组成。通过显示屏显示实时数据，反映养殖水体状况。电气控制箱布置在箱体侧面，方便查看维修。

图2　PLC控制系统流程图

2.2　三轴移动平台运动设计

三轴移动平台运动示意图如图3所示。三轴移动系统中X、Y轴通过TB6560步进电机驱动板驱动42步进电机转动，实现X、Y平面的精确定位，而Z轴是通过推杆电机实现Z轴的上下移动，在X、Y、Z轴方向设置有两组限位开关，实现三轴移动系统的复位和保护。步进电机驱动器、推杆电机驱动器、限位开关都连接到PLC控制器的I/O接口模块，由PLC控制三轴移动系统带动集成传感器组件实现传感器组件在不同水槽之间的切换，从而最终实现传感器数据采集与清洁维护状态的切换，X轴结构示意图如图4所示。

图3　系统三轴移动平台示意图

步进电机的静态指标和动态指标决定了用户的实现需求，所以步进电机的选型从这两方面出发，其中，有些指标在电机出厂前已经设定，有些是根据用户实际控制要求进行设定。下面将根据实际要求，确定步进电机的类型。1)相数：表示产生不同对极(N、S)磁场的激磁线圈对数(m)，这里采用常用的两相四线步进电机。2)步距角：表示电机驱动板每发一个脉冲信号，电机转子所转动的角位移用θ表示，和电机工作时的实际步距角可能会有出入，用户为了编程的方便，可以借助驱动板的机械细分进行步距角的调整，通常步进电机步距角β按下式计算。

β=360°/(Z×M×K)

(1)

式中：β―步进电机的步距角；Z―转子齿数；M―步进电动机的相数；K―控制系数，拍数与相数的比例系数。选用步距角为1.8°的步进电机。

图4　X轴结构示意图

2.3　清水循环系统

清水循环系统如图5所示。

图5　清水循环系统示意图

清水槽外部设计有专门的清水循环系统，包括清水循环水泵、清水储水箱净水系统。采用过滤精度为0.001～0.02 μm的超纯过滤系统，可去除水中的藻类等杂质，保证用于浸泡的清水系统洁净度，减少对传感器的污染。当传感器完成水质监测任务，传感器组件自动返回到清水箱中进行传感器清洗，在清水水槽的适当位置设置有海绵擦拭装置，控制器控制X轴、Y轴驱动传感器组件以适当的速度移动，实现传感器的柔性擦拭，延长传感器的使用寿命、提高测试精度。

2.4　关键组件选择

2.4.1PLC控制器

采用国产普中PLC，型号PZ-36MT-3AD-3PG。该PLC工作电压为DC 24 V，具有18路输入、18路输出，输出为大功率晶体管输出，适合控制系统中的电感性负载电磁阀；通讯接口有RS232、RS485、SPI_MS，程序空间为256 K，内部继电器M有5 200点，计时器C有200点，满足系统需求。对于该系统PLC的I/O口分配如下表1所示。

表1　PLC的I/O分配表

2.4.2溶氧传感器

从经济、实用等多方面考虑，选用北京博海致远科技有限公司的DO—8100型溶氧传感器。其电极为50 μm抗污染特氟隆膜，具有模拟量信号输出，通过串口RS485协议将测量参数返回，具有响应时间短、测量数据准确性高、性能稳定等优点。

2.4.3pH传感器

pH传感器采用北京博海致远科技有限公司的pH—210型pH /ORP测试仪，该测试仪接触面使用了新型设计的玻璃球泡，能够防止内缓冲液中干扰气泡的生成；探头采用pH—210型，具有长距离的参比扩散途径，延长了电极在恶劣环境下的使用寿命，能够有效地降低成本。

2.4.4现场触摸屏

控制系统选用了型号为TPC1062K型MCGS触摸屏[4]，该触摸屏替代了传统的多控制按键，具有强大的图像显示和数据处理功能，不仅具有可视化功能和性能稳定的优点，还能够实时显示传感器采集到的水质信息，便于人们及时对水环境因子进行调整，提高经济效益。

3　软件设计

3.1　软件总体设计

软件总体设计包括PLC及其他外部设备功能程序的设计、MCGS组态设计等。软件总体设计如图6所示。

图6　软件总体设计图

3.2　程序设计

3.2.1PLC主程序设计

系统通电后，传感器组件搭载在三轴移动平台上进行位置初始化，系统默认设置为实现养殖池1、养殖池2、养殖池3自动循环监测模式，完成监测任务后，进行传感器的清洁维护，传感器运动到清水槽的擦拭位置，首先完成传感器表面的藻类和难于清洗的附着物的柔性擦拭工作，然后再控制传感器组件在清水槽中进行来回冲洗，完成清洗工作后，通过清水槽中的校准传感器与监测传感器进行参数对比，如果监测传感器与校准传感器的偏差太大，会发出报警信息，提醒养殖人员要更换新的监测传感器。PLC程序采用梯形图设计，由于程序较长，这里给出主程序设计的流程图(图7)。

PLC通电，系统初始化后进行系统设置，若是，设置则选择参数设置，若否，则选择工作方式。工作方式分为手动和自动模式，手动模式选择传感器采集模式或传感器清洗模式，自动模式为系统自动运行。当手动模式与自动模式遇到液位超限、设备发生故障时，系统会立即停止运行并报警。

图7　PLC主程序运行流程图

3.2.2三轴移动平台系统的程序设计

由PLC控制移动平台实现传感器分时复用。三轴移动平台系统运行流程图如图8所示。

图8　三轴移动平台系统运行流程图

这部分程序设计主要是依据系统设置完成对安装在移动平台上的传感器组件X、Y、Z坐标轴的控制循环，实现传感器的分时复用。其中参数设置包括移动速度、移动模式等，功能运行是指进入数据监测或传感器清洁模式。如前所述，X、Y、Z三轴均采用步进电机驱动，程序设计中采用带加减速功能的脉冲输出指令控制电机运动，实现各轴的平稳运动。

3.2.3水质监测与传感器清洁系统程序设计

当系统通电后，系统开始初始化，进行触摸屏和PLC之间通讯测试；测试成功后可进行工作状态参数设置，其中包括有多个水槽自动循环监测、单个水槽监测、擦拭次数、监测时间等参数设定；按下启动按钮后，对应进水水泵打开，当液面到达监测液位后打开出水水泵，此时传感器组件到达设定好的监测位置时，开始采集数据；采集完成后，移动平台控制传感器运动到清水水槽进行传感器的清洁维护。在清洁维护时，首先对传感器进行柔性擦拭，当达到擦拭次数后再进行清水往复清洗，达到预定清洗次数后，监测传感器与校准传感器进行对比，当二者的差值超过设定偏差值时，产生报警信息。系统流程图见图9。

3.3　MCGS组态设计

组态画面设计分为建立相应的系统框图窗口、画面编辑、动画连接等。通过上述步骤建立监控操作窗口。在主界面中主要完成整个装置的控制，包括触摸屏与PLC的通讯测试，装置的启动、停止、复位，各个养殖池塘的动画显示及对应的监测指标的显示，对应养殖池塘的具体详情窗口查询；在界面中按下启动按钮，装置开始工作，通过组态软件中的各种构件，设计出现场模拟运动场景，让养殖人员直接看到装置的运行状态和采集到的数据，方便管理。

每个养殖池塘都设有对应的具体详情查看窗口，界面中设有该养殖池塘的监测启动、停止、复位按钮，现场工作模拟包括传感器、水泵的工作状态显示，对应监测指标溶氧、温度、pH显示，对应参数设置包括：清洗次数设置、擦拭次数设置、监测时间设置、传感器监测深度设置。对应数据查询包括监测指标的历史数据查询和发生报警信息的查询。从这个界面中可以有效地对养殖池塘进行监测控制。

图9　水质监测与传感器清洁系统流程图

4　结果与分析

对试验装置进行测试，选择的取水点分别为管道输送距离5 m、10 m和30 m处，采用2.4节中所述传感器，启动水泵5 min，待系统稳定后开始取样。对布置在池塘原位和测试水槽中的传感器监测比对发现，在30 m取样范围内，pH、溶氧和水温的最大相对偏差均小于3%，随着输送距离的增加，取样偏差略有增加。布置在现场的传感器由于环境差异，在15 d之后的数据已经不具备参考价值，而浸泡在清水箱中的传感器无明显变化。试验结果初步验证了该设计方案的可行性，后续将对该装置性能开展进一步详细测试。

5　结论

针对目前国内水产养殖中存在水质监测系统成本高、缺乏对传感器的自动清洁维护等问题，提出了采用一组水质传感器组件完成多点的水质监测的设想，并设计出了具有多点水质监测与传感器清洁功能的水产养殖水质监测装置。水泵将池塘中需要监测的水质引至装置中对应的监测水槽，利用三轴移动平台实现传感器组件的移动，完成一组传感器对多点水质的监测。为解决传感器的清洁维护工作，装置设有清水槽，利用海绵柔性擦拭和水流来回冲洗相结合的清洗方式，初步测试结果表明可有效缓解传感器上藻类及微生物的附着问题。通过校准传感器及时发现监测传感器的监测问题。采用MCGS组态软件对触摸屏进行开发，对整个装置运行状态进行监测与控制，实现了整个检测过程的自动化控制。

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