养殖环境自动控制系统设计

花本杰，周锦程，吴凡，陶杰

（苏州农业职业技术学院，江苏苏州，215008）

0 引言

近些年随着养殖业规模化、科学化发展，各种高新技术在传统农业生产的各个环节得到了大量的运用，大大提高了劳动力、资本等生产必要资源的配置与利用效率。但是目前在中小型鱼塘养殖中，仍大量沿用传统人工养殖的方法。饲养者往往根据饲养经验，随着天气和季节自主来调整水温、打氧量等，该种方式生产效率低下，技术落后，无法使鱼塘达到水产最适合的生长环境，也无法满足现代养殖业的相关要求。

鱼塘养殖环境主要受到水溶氧率、温度、水质PH值等影响，为了保证良性鱼种健康成长，就需要将这些环境因素自动控制在一个适合范围内。本文就是针对鱼塘的几种环境因素控制，设计了以三菱小型PLC为核心控制的鱼塘自动环境控制系统。该控制系统可以自动采集水中的环境数据信息并进行自动调节，实现鱼塘养殖过程中的水质自动控制、管理与预警，降低了鱼塘水产养殖的风险。饲养者可以通过手机、计算机等信息终端远程查询鱼塘水质的温度、PH值、溶解氧等各类信息，人工控制进出水和增氧设备等工作，实现远程鱼塘环境的监测。也可以通过人机界面MCGS触摸屏查询鱼塘养殖环境的各类参数，并进行相关机构的控制。

1 控制系统总体方案设计

本控制系统主要由PLC控制器、物联网关模块、MCGS触摸屏、执行系统、指示灯系统等组成，如图1所示。其中，物联网关模块连接温度传感器、水质PH值传感器和溶氧率传感器，分别采集鱼塘中的水中温度、含氧量和PH值；执行系统由给水泵驱动装置、增氧泵驱动装置和药物喷洒泵驱动装置组成，分别控制水中的氧气含量、温度和PH值。

图1 系统总体框图

本系统具备手动调试、自动运行两种工作模式。手动调试模式时，用户可通过触摸屏上的开关按钮或手机界面直接控制增氧泵、给水泵、喷药泵驱动装置，既可以满足安装调试时的控制需求，同时也为后期的维护提供了便捷。自动运行模式时，温度传感器、溶解氧传感器和PH值传感器，自动对鱼塘中的环境进行实时监测，并将监测到的数据通过数据采集器传到云端和PLC中。用户可以在手机端直接观测到当前的数据值、接收报警信息。PLC则是实时将监测值与设定值范围进行比对，从而驱动执行机构进行相应的动作。

MCGS触摸屏设有手动调试和自动运行控制画面。在手动画面中，用户可以单独控制增氧泵、给水泵、喷药泵驱动装置的启动和停止。在自动画面中，用户可以实时观察到水温、水中含氧量、PH值等数据信息。

2 系统硬件设计

本控制系统选用的PLC为三菱FX3U-16MR小型PLC，触摸屏为昆仑通态MCGS的 TPC7062Ti型号，PLC通讯模块为FX3U-485-BD，物联网关为星原W2S88DOI型模块，环境传感器为BPHT-RS485温度PH值二合一传感器、LNISEC10L05投入式溶解氧传感器。

三菱PLC与星原物联网关之间采用的是ModbudsRTU 485协议进行通信。将环境传感器直接接入星原物联网关模块，进行水中环境数据的采集和传输。物联网关将采集到的环境数据传入三菱PLC中进行数据分析和数据处理。此外物联网关实时地将收集到的养殖环境中的各类数据，通过互联网传输到云平台。通过云平台，用户就可以在手机上观察到当前养殖环境的各种数据状态，并且可以根据当前状态进行远程的控制。

根据鱼塘环境的控制需求分析，确定了环境控制系统的PLC外部输入输出点，具体分配如表1和表2中所示。其中在输入点部分，由于考虑到整个控制系统为手动自动两种模式，因此设置了手动/自动切换转换开关SA1。自动启动和停止按钮采用的是一个按钮SB1来进行控制，按钮第一次按下为自动启动，第二次按下为自动停止，如此循环。手动测试按钮分别设置了增氧泵手动按钮SB2、给水泵手动按钮SB3、喷药泵手动按钮SB。急停按钮为SB5，当按下急停按钮后，所有的输出均立即停止。在输出点部分，主要分为两大类，一类为指示灯显示，分别为运行状态显示的指示灯HL1和报警用的指示灯HL2，另外一类为增氧泵、给水泵、喷药泵控制用的交流接触器KM1、KM2、KM3。

表1 输入端口分配表

表2 输出端口分配表

鱼塘环境控制系统的PLC外部硬件图如图2所示。QS 为空气开关，用于控制整个电路的启停；三菱PLC的电源为220V供电，触摸屏MCGS的电源为DC24V供电。SA1、SB1-SB5各类控制按钮均接在PLC的输入端，PLC输出端则接有运行指示灯HL1和报警指示灯HL2，并通过三个交流接触器KM1-KM3来控制给水泵、增氧泵和喷药泵的启停。

图2 PLC硬件电路

3 系统软件设计

该设备的系统软件设计包括上位机MCGS监控画面设计、下位机PLC程序设计。

■3.1 上位机监控画面设计

采用TPC7062TI触摸屏完成鱼塘环境控制系统人机界面的设计，界面分为手动调试界面和自动运行画面两种，可以完成现场数据采集、报警、实时历史曲线处理、按钮控制等功能。

在手动调试界面中，如图3所示。界面除了可以实时显示当前温度、酸碱度、溶氧率等信息外，还支持给水泵和增氧泵的手动控制，方便控制系统的安装调试以及后续维护工作。

图3 手动操作画面

在自动调试界面中，如图4所示，在参数设置区，用户可以设定鱼塘所需要的温度、PH值、溶氧率等参数的区间范围。当按下启动按钮后，鱼塘即进行自动控制模式，传感器不断监测水中的参数值，并将参数值实时显示在状态显示区内，同时可以将该数据形成曲线图显示在历史数据画面中，从而保证了管理的可追溯，如图5所示。

图4 自动运行画面

图5 历史数据画面

■3.2 下位机PLC程序设计

鱼塘环境控制系统的自动控制包括水溶氧值、温度和PH值三个方面的控制，其控制流程基本是一致的。以下以溶氧值为例进行说明控制流程，如图6所示：系统上电按下启动按钮后，进入自动模式，系统通过溶解氧传感器对鱼塘内溶氧值进行检测，将检测到的数据值经过数据采集模块，传入PLC中。PLC将采集到的水溶氧值数据实时反馈到MCGS触摸屏上，并将实时数据值和预设的溶氧值进行分析对比，若实时水溶氧值大于预定值的上限值，则关闭增氧泵执行机构，若实时水溶氧值小于预定值的下限值，则打开增氧泵执行机构。

图6 溶解氧自动控制流程图

PLC与环境参数采集传感器之间采用ModbusRTU485通讯。设定PLC通讯模块FX3U-485-BD通信口通信参数约定为9600、8、E、1，通信协议为Modbus RTU主站，通信物理层为RS485，实现功能为接收传感器数据采集模块传来的数据。在进行PLC程序设计时，可通过RS指令无协议模式实现程序的编写，根据两个传感器的协议，采用读指令，分别设置站号01、02，功能码为03（读）、字节数量、数据内容，并编程自行计算出CRC校验码，按照Modbus协议组成通信帧，用PLC指令指定存储起始地址和字节数，依次读取各传感器测量数据。

当PLC通信特殊继电器M8123触发,表示RS指令无协议模式通信模块接收完成，随后根据接收到的数据，多数据进行处理，计算出对应的测量值至指定寄存器，相应地触摸屏上显示出数据。

4 系统测试

设备安装后，进行物联网关配置，在配置时需要保证网关串口与三菱PLC的串口协议、参数保持一致。在系统测试阶段中，首先测试传感器通信状况，根据PLC测试数据通信状况，从通讯模块FX3U-485-BD通信口上收发指示灯看出硬件正常，而后结合PLC编程监控软件，实时查看接收数据值，结合触摸屏调试设置值，查看程序功能。调试正常后，能满足预期控制功能，检测界面实际如图7所示。

图7 运行检测界面

5 总结

本论文设计的基于三菱PLC的鱼塘环境自动控制系统，实现了鱼塘环境控制系统的水溶氧含量、PH值和水温的自动化控制，具有可视化监测、实时数据采集和远程控制功能。用户可以通过手机或计算机等信息终端远程查询鱼塘环境参数，控制给水泵、增氧泵等进行工作。也可通过人机界面MCGS触摸屏进行控制，实时观察鱼塘养殖环境的各类参数并进行相关执行机构的控制。该设备具有人机界面友好、运行稳定、数据控制精准等优点，具有一定的推广应用价值。