适用于农业物联网教学的养殖过滤装置设计

邢博闻，杨柳，孙青

（上海海洋大学工程学院，上海 202010）

1 引言

随着经济的不断发展，现代渔业的发展至关重要，与人民生活息息相关。渔业结构的不断改革创造了经济效益，但是同时带来了一系列环境问题。传统的水产养殖业存在着水域环境恶化、养殖设施陈旧、养殖灾害频发等问题，导致水产品质量安全隐患增多，水产养殖发展与资源、环境的矛盾不断加剧[1]。而且传统的养殖模式单一，以分散养殖为主，可复制性差，环境污染大，不确定性大。因此，改造提升传统水产养殖业，大力发展生态养殖模式至关重要。

伴随现代渔业养殖规模的不断扩大，需要越来越完善的设备来保持良好的养殖水质[2]。当把鱼放入池内时，鱼产生的排泄物，加上过量地投食饵料，产生的氨氮物质集聚池内，就会污染池内环境，鱼类饵料和排泄物等大颗粒杂质会加速水质恶化；而养殖水中氨氮过量会给水产养殖带来诸多危害。当氨（NH3）通过鳃进入水生生物体内时，会直接增加水生生物氨氮排泄的负担，氨氮在血液中的浓度升高，血液pH 随之上升，水生生物体内的多种酶活性受到抑制，血液的输氧能力降低，鳃表皮组织被破坏，水生生物因氧气和废物交换不畅而出现窒息。此外，水中氨浓度高也影响水对水生生物的渗透性，降低生物体内部离子浓度。

显然，及时控制养殖水中的氨氮含量和过滤大颗粒杂质十分重要，但是目前的一些过滤装置只能过滤水中较大的颗粒物质，或者用于过滤氨氮物质的结构复杂，且不能循环利用，维护频繁、成本高，因此开发一种结构简单、易于维护、可重复利用的循环浅水养殖系统的生物过滤装置，持续吸收氨氮和过滤普通大颗粒的杂质是至关重要的。

2 硬件设计

该养殖过滤装置通过内置水生植物的翅形网箱对养殖池塘水中的氨氮和普通大颗粒的杂质进行持续的吸收和过滤，增加水中含氧量，水生植物生长好，同时，通过氨氮检测传感器持续获得水中氨氮含量，并据此控制滚轴转动，进而精准控制养殖池塘中的氨氮含量。另外，该发明结构合理、成本低廉、自动控制精确，减少无用功，可对不同氨氮污染程度的水体进行净化处理，适于各种浅水水产品养殖，具有显著的进步性和实用价值。

2.1 总体设计

适用于农业物联网课程教学的循环浅水养殖系统的养殖过滤装置，在外观设计上包括：养殖池塘、隔墙、过滤机构、冲刷槽和支撑架。如图1 所示，养殖池塘隔成呈环形跑道式设置，沿长度方向设有隔墙，使得养殖池溏内的水沿环形跑道循环流动。冲刷槽与养殖池塘独立并相邻设置，过滤机构通过支撑架跨装在冲刷槽和养殖池塘上，养殖池塘内的水具有一定流速并流经垂直于水中的过滤装置的网箱。过滤装置的宽度与养殖池溏的宽度相匹配，养殖池塘的水通过吹水机控制进水速度，流过过滤装置，增加水中的含氧量。

图1 总体设计

2.2 过滤装置

过滤装置的结构设计图如图2 所示，过滤装置包括支撑架、滚轴和4 个翅形网箱，考虑到支撑架的稳固性和适配性，支撑架为以一横边作为支撑底边的三角形支架，两个氨氮检测传感器分别安装在三角支架的两侧边上并且没入水中，数据传输模块安装在三角支架的任一侧边上，采用三角形支架减少了占用的空间，同时，便于与养殖池塘侧壁相结合。滚轴上设有轴向设置的滑道，翅形网箱上设有与滑道相配合的滑轨，翅形网箱通过滑轨与滑道相契合来固定在滚轴上。滚轴两端分别通过支撑架跨装在冲刷槽和养殖池塘上，4 个翅形网箱呈“十字”状连接在滚轴上并且可随着滚轴的转动而转动，同时，滚轴在轴向方向上分别与翅形网箱可滑动连接,养殖池塘内的水具有一定流速并流经垂直于水中的所述翅形网箱，翅形网箱内设有可吸收氨氮的水生植物。当氨氮过滤效果不好时，滚轴转动，以更换用于水中过滤的翅形网箱，使得垂直于养殖池塘水中的翅形网箱翻转至水平位置后沿滚轴滑动至冲刷槽处进行刷洗，同时，原本位于水平位置的翅形网箱翻转至垂直于养殖池塘中的水流，继续对养殖池塘内的流动水进行过滤。

图2 过滤装置的结构设计图

2.3 主控模块

为了实现自动控制，该装置采用PLC 来控制电机，PLC 型号为三菱FX1N-24MR-001。过滤装置的滚轴一端与PLC 控制电机驱动连接，通过PLC 控制电机带动滚轴转动，从而带动翅形网箱围绕滚轴转动，还通过数据传输模块分别与氨氮检测传感器、PLC 控制电机通讯连接，通讯连接采用4G 网络技术实现与氨氮检测传感器、PLC 控制电机的信息远程传输。该过滤装置的生物过滤控制方法具体包括如下步骤：

（1）进行系统初始化设置。

（2）获取两个氨氮检测传感器的数据信息，并将数据信息与预设氨氮含量值和预设氨氮含量差值进行比较。

（3）当测得的数据信息皆大于预设氨氮含量值和预设氨氮含量差值时，进入步骤（4）；否则，进入步骤（2）。

（4）PLC 电机控制滚轴转动90°，则翅形网箱随之转动，使得垂直于养殖池塘水流的翅形网箱翻转至水平位置。同时，原本位于水平位置的翅形网箱翻转至垂直于养殖池塘水流，继续对养殖池塘内的流动水进行过滤。

（5）处于水平位置的翅形网箱平移到冲刷槽处进行冲刷。

（6）若翅形网箱到达冲刷槽处，开始冲刷翅形网箱，并将冲刷完成后的翅形网箱平移至原处，进入步骤（2）；否则，进入步骤（5）。

3 软件设计

3.1 Gx Developer 软件简介

Gx Developer 是用来对三菱公司的PLC 进行program 的创建、编辑、监控、检测、更改以及I/O 分配、特殊模组、CC-LINK 与网络的参数设置、程式仿真的软件。在该软件中，程式文件是以一个工程文件方式来建立的，所以所有的步骤都是对工程文件进行操作。经过Gx Developer 软件的程式建立、编辑，各种模组使用参数设置，如连线设置、数据传送、在线仿真等功能。

3.2 梯形图程序简介

梯形图是一种从继电接触控制电路图演变而来的图形语言。它是借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈以及串联并联等术语和符号，根据控制要求连接而成的表示PLC 输入和输出之间逻辑关系的图形，直观易懂[3]。

梯形图中常用图形符号分别表示PLC 编程元件的动合和动断触点，用“ ”符号来表示他们的线圈。梯形图中编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数加以区别。触点和线圈等组成独立电路称为网络，用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，语序以网络为单位给梯形图加注释[4]。

梯形图的设计应该注意到梯形图从左到右、自上而下的顺序排列，每一行逻辑（或称梯级）起始于左母线，然后是触点的串、并联连接，最后是线圈。梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左向右，其两端没有电源[4]。梯形图示例如图3 所示。

图3 梯形图程序示例

4 结语

适用于农业物联网课程教学的循环浅水养殖系统的养殖过滤装置通过内置水生植物的翅形网箱持续吸收氨氮和过滤杂质，增加池塘中水的含氧量，通过氨氮检测传感器持续获得水中氨氮含量以控制滚轴转动，氨氮含量控制精准，适用于各种浅水养殖，清理不同污染程度的氨氮。该装置采用PLC 作为硬件控制平台，当安装在支架两侧边上的氨氮传感器所测的数据比预设的氨氮含量值和氨氮含量差值皆大的时候，通讯模块将数据传给上位机，然后PLC 控制滚轴转动，从而将翅形网箱翻转90°，原本位于水平位置的翅形网箱翻转至垂直位置，原本位于垂直位置的翅形网箱翻转至水平位置。之后处于水平位置的翅形网箱平移到冲刷槽进行冲洗，冲洗干净后平移到原位。

该文以PLC 作为设计的硬件平台，以Gx Developer 为软件平台开发了适用于农业物联网课程教学的循环浅水养殖系统的生物过滤装置，且完成了循环浅水养殖系统中过滤装置控制系统的各个任务功能要求，满足了结构简单、易于维护、可重复利用以及可持续吸收氨氮和过滤普通大颗粒的杂质的要求，并根据实际要求对一些硬件设施进行了调试。