基于PLC和LabVIEW的鱼菜共生实验系统设计

刚营营 林少涵 刘美棱 郭金鑫 王魏

摘要：为控制养殖水体污染，维护水体生态平衡，实现水体的良性循环，提出一种利用PLC和LabVIEW实现鱼菜共生实验系统控制的方法。该方法用西门子S7-1500 PLC编程，实现对现场多种传感器和执行设备进行数据采集和自动控制，同时利用LabVIEW编程开发友好的人机界面，实现数据实时显示、存储查询及分析处理等功能，最后通过OPC通信技术完成实时数据交换，实现了对鱼菜共生系统的监控。经过测试，目前该实验系统已完全达到设计要求，能够完成数据的采集与存储，显示与控制功能稳定。

关键词：鱼菜共生;PLC;LabVIEW;养殖水体

养殖水体中鱼类排泄物、鱼饵饲料残渣等的累积会使水体中的氨氮不断增加，毒性逐步增大影响鱼类健康。硝化细菌可以将水中的氨氮分解成蔬菜好吸收利用的营养盐类。蔬菜在生长的同时净化了水质，改善了鱼类生长环境[1]。为进一步研究鱼菜共生系统的工作原理，保证水产养殖和无土栽培两个系统的稳定运行，本文借鉴其他领域的应用[2，3]，开发了基于PLC和LabVIEW 图形化语言的鱼菜共生实验系统。通过上、下位机的通讯，实现对鱼菜共生系统的运行状态监测、启停控制、故障报警及数据查询等功能，为下一步鱼菜共生系统水质影响因素及优化控制的研究奠定了基础。

一、系统整体方案设计

整个鱼菜共生系统由上位机PC监控和下位机采集控制组成。PC端监控设计主要采用LabVIEW软件，STEP7软件和MySQL数据库。采集控制端主要由西门子S7-1500 PLC和各类传感器构成。PLC主要负责控制水循环、采集传感器数据信号，实现远距离操作。上位机和下位机之间的实时通讯采用的是OPC通信协议。

二、鱼菜共生系统硬件组成

硬件系统主要包括水箱和PLC控制柜两部分。其中水箱主要由养菜水箱、养鱼水箱、过滤水箱和硝化细菌处理水箱组成。实体搭建水箱时，由于所需水环境，养分和微生物浓度均不同，所以鱼池和菜池分离。下层设置的是鱼池，上层设置的是菜池。鱼池选择大金属箱，池底平坦方便清洁，保证安全。菜池选择塑料箱，耐久度高。菜池的土壤采用的是水草泥，相比于其他土壤，水草泥能防止水质变色或浑浊，保证系统的长期稳定[4]。

PLC控制柜主要由空气开关、开关电源、PLC、电磁继电器及接线端子等组成。220V 交流电接入控制柜内，通过空气开关控制PLC电源，由PLC控制继电器的开关，进而控制加热，光照，电磁阀、增氧泵和抽水泵等部件。鱼菜共生系统使用的PLC型号是西门子S7-1500，PLC需要持续稳定的24V DC供电，使用开关电源将实验室的220V AC转换成稳定的24V DC输出。系统的信号采集传输模块采用WTW仪器，使用3组探头将信号传送至仪器中心，再由仪器中心将信号转换为4-20mA标准电流信号传送至PLC。

三、鱼菜共生系统软件组成

鱼菜共生系统软件分模块进行设计，主要有控制器模块、人机交互界面设计以及上位机和下位机的通讯协议。通讯协议采用OPC标准，通过COM、DCOM接口与计算机相连接，完成图形，文本等信息的交互。西门子新型的S7-1500控制器支持TIA portal软件，可以实现控制程序和画面监控。但为了实现更多、更简便的功能，更美观的画面，本系统选择LabVIEW开发环境，它满足搭建鱼菜共生系统监控平台需要的各种控件与功能，并且快速简便，与WinCC有着异曲同工之妙，可以实现替换。通过在TIA Portal中设置变量，添加程序，并且下载程序到S7-1500 PLC控制器，传输变量数据到OPC服务器，LabVIEW通过自带的通道读取并把值送回OPC服务器，实现整个数据流的完整流通。

（一）PLC程序设计

对PLC的AI模块从传感器读取到的数据，首先设置通道信号，再通过指令里的Scale函数，选择溶解氧、温度、电导率、pH四个通道的信号值，已知量程值，转换成最终的工程值。

在手动控制下，遵循实际泵与阀的开启顺序，防止错误操作，所以开启时先开阀再开泵，关闭时则先关闭泵再关闭阀，具体操作可以通过设置M中間变量实现。

自动控制与手动控制一样，泵和阀的开关有顺序，需要进行TON延时。限值报警通过IN_Range和OUT_Range函数实现。

（二）LabVIEW程序设计

LabVIEW监控端设计的人机交互界面包括监测项目和控制方式等，主要实现电导率、pH、溶解氧、温度四个值的实时监测，控制方式分为手动和自动，当处于自动模式时，手动按钮无效。当监测数据超出值域时，蜂鸣器报警提示，显示提醒文字，提醒操作人员采取相应措施，否则可能会对鱼菜共生系统造成损失，实时监测与远程监控保障了系统的稳定运行，同时降低了人工劳动力，提高了工作效率。

经过联机测试，本鱼菜共生系统能够采用TIAportal软件进行PLC程序编制和调试，利用OPC服务器进行数据交换，通过LabVIEW进行可视化展现，很好的搭建出了鱼菜共生的模拟环境。

四、结论

鱼菜共生系统具有广阔的应用前景，本文以西门子S7-1500控制器为核心，采用LabVIEW设计了监控画面，在实验室进行了小型系统运行试验，形成了一套高可靠性的智慧循环系统，论证了方法的可行性。下一步工作将根据检测数据，结合农业专家系统，提出一种特定的鱼菜比例选择策略，为进一步推广鱼菜共生系统奠定基础。

参考文献：

[1]饶伟，李道亮，位耀光，杨卫中.农循环水养殖新模式-鱼菜共生系统[J].中国水产，2017，5：76-79.

[2]刘少清等.基于LabVIEW和PLC的智慧农业监控系统[J].仪表技术，2018：1-4.

[3]孙小明等.基于LabVIEW和PLC的矿井排水泵监控系统设计[J].化工矿物与加工，2017：32-39.

[4]张明华等.鱼菜共生技术及系统工程研究[J].农业科技增效与现代化农业发展，2003：265-272.