基于PLC控制的鱼菜共生系统*——水质净化循环设计

金光哲，马 娅，马 晶，段科俊**

(1.玉溪农业职业技术学院，云南 玉溪 653106；2.华宁县柑桔科学研究所，云南 玉溪 652800)

引言

鱼菜共生系统是一种可循环利用的现代农业设施，其通过动力系统将含有鱼类粪便的水输送到蔬菜的根部，菜根在汲取养分的同时对水质进行净化，从而实现养鱼不换水、种菜不施肥的共生模式。传统的鱼菜混养多采用人工观测方式为主，存在智能化程度低、过于依懒技术人员的经验判断、耗费时间、出错率较高等问题[1]，导致鱼菜共生系统的养殖效率低下。现阶段的鱼菜共生系统大多停留在理论和试验阶段，且整体结构相对偏大，实际应用具有一定的难度。因此，开发一套简单适用的水质净化循环鱼菜共生系统具有重要意义。

目前，已有部分学者对鱼菜共生系统的控制方式进行研究，赵立军[2]等人采用潮汐式水循环过滤方式设计一种自动补光、喂食系统，使动植物在无人状态下正常生存，且减少了水资源浪费。马子超[2]等人采用Zigbee无线传感器网络设计一种水质监测系统，对鱼菜共生系统的PH值、温度值等环境参数进行远程监测控制。郑广智[3]等人以西门子S7-1500PLC为主控制器结合物联网ITO技术设计一套鱼菜共生系统，具有低能耗、无污染、高产出的特点。但针对家用鱼菜共生系统实例研究尚不多见，且存在噪音高、故障率高、占地面积大等问题。为进一步探索鱼菜共生系统的高效养殖方式，保证鱼类和蔬菜稳定生长，本文结合物联网技术设计一种基于PLC控制的家用鱼菜共生系统，系统采用PLC为主控制器，对鱼菜共生系统的温度、湿度等环境参数进行调节，以达到养殖系统的微型化、智能化、提高产能的目的。

1 总体设计方案

鱼菜共生系统采用PLC作为核心控制器，各执行器件为电磁阀、继电器、电机等，整个鱼菜共生系统的运行方式由上位机进行实时监控，并通过PLC采集系统内部的各环境参数，上位机带有云控制功能，系统的各环境参数和运行状况可通过物联网云平台进行实时监控，在手机终端可对设备的各执行器件进行远程启、停操作[4]。鱼菜共生系统的总体架构图如图1所示。

图1 鱼菜共生系统总体架构图

在鱼菜共生系统中鱼类的粪便和饲料残留以及鱼菜共生系统的换水都会直接影响到系统内各参数的变化，从而影响鱼类及蔬菜的生长。影响鱼菜共生系统的主要环境参数包括水温、电导率、pH值等，因此，在鱼菜共生系统中对水温、电导率、pH值参数进行实时监测并适当调控很有必要。系统的整体控制方案主要包括以下几个功能：

1)针对鱼菜共生系统内部的水温、电导率、pH值进行实时监测并记录历史数据。

2)用户根据不同的鱼、菜种类进行环境参数设置。

3)系统可根据设定的温度参数范围进行智能升/降温。

4)根据水质各参数的监测数据，预测水中的溶解氧含量，并根据设定的参数自动开启或关闭增氧泵。

5)定时控制水泵进行水质净化循环，设定喂鱼间隔周期。

6)通过人机界面进行现场控制，也可通过手机终端进行远程控制。

根据控制要求，结合PLC的输入输出控制特点，设计鱼菜共生系统控制结构图如图2所示。

图2 鱼菜共生系统控制结构图

2 水质净化及硝化细菌分解

水质净化效果决定着鱼类和蔬菜的生长质量，是鱼菜共生系统的关键环节。本系统设计的水质净化主要分为两种：①蔬菜吸收水体中氨的形式；②硝化细菌对鱼类粪便分解处理的形式。硝化细菌可以消除水体中排泄物及残余食饵，同时防止水体内营养过剩，调节系统中水体环境的pH值，分解有机质。氨氮再氨氧化细菌体内经过一系列酶的作用，转变为亚硝酸盐，亚硝酸盐再经过亚硝酸盐氧化细菌的作用最终成为硝酸盐，二者的反应式分别如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

水质净化处理系统设置三层，第一层采用毛刷对鱼类排泄物及大颗粒残余食饵进行过滤；第二层再次采用毛刷进行二次过滤，以处理第一层溢出、未过滤到位的残余物；第三层设置硝化细菌培养层，采用硝化细菌室的模式设置硝化细菌箱，使循环系统内的硝化细菌得以繁殖[5]。

鱼菜共生系统的种植模式可分为3类：基质栽培、深水栽培、浮筏栽培。深水栽培的植物根系完全淹没在水中，对鱼菜共生系统中的硝化细菌生长具有一定的抑制作用，因此本设计采用基质栽培和浮筏栽培两种模式[6]。相关研究表明氨利用率低会严重阻碍鱼菜共生系统的推广[6]，三种种植模式中基质栽培对鱼菜共生系统中氨的利用率较高，因此本设计将以基质栽培为主，设计少量的浮筏栽培箱延缓水体循环时间，降低水体流速，促进微生物吸收转化氨氮。

3 硬件选型

鱼菜共生系统硬件部分主要由养鱼水箱、养菜水箱、净化池、控制柜等组成，其中养鱼水箱由2个组成，中间通过连通器完成水的流通，净化水箱放于置物架上方，位置高于养鱼水箱，两者之间通过动力泵提供动力完成水的流通，在沉淀过滤箱内完成沉淀后再进行过滤分离流入硝化细菌箱，硝化细菌箱内的水在完成细菌分解后再次流入水培植物箱，并通过蔬菜根系的净化后再次流入养鱼水箱，完成鱼菜共生系统的水循环工作。除上述循环系统外还设有土培植物箱，对沉淀过滤箱的沉淀物加以利用，完成蔬菜的土壤培育。为保证鱼菜共生系统长时间稳定运行，养鱼水箱、养菜水箱与净化池均采用PE材质塑料箱，具有较强的耐腐蚀性。鱼菜共生系统循环流程如图3所示。

图3 鱼菜共生系统循环流程

控制柜主要有主控制器、人机界面、继电器、空气开关、接线端子、电源模块等组成。根据控制要求，主控制器采用Haiwell T32S2R型PLC，支持以太网及5个RS232/RS485通讯口同时工作，pH值检测数据将通过RS485通讯方式与主控制器进行数据交换，温、湿度检测通过模拟量扩展模块Haiwell S04XA实现，根据控制要求，本系统采用2个Haiwell S04XA模拟量扩展模块。由Haiwell T32S2R和Haiwell S04XA组成的控制模块具备16个数字量输入和16个数字量输出通道，4个模拟量输入和4个模拟量输出通道。

主控制器的上位机采用Haiwell C7S-GW型物联云搭建人机界面，其与PLC主控制器之间采用RS485通信进行数据交换，并可通过HTTP协议获取设备运行状况，对设备进行远程控制。Haiwell C7S-GW型物联云支持远端上传下载程序功能，降低设备的组装成本，缩小安装空间。

4 软件设计

鱼菜共生系统的软件部分主要有PLC程序及人机交互界面两部分组成。Haiwell T32S2R型PLC采用HaiwellHappy编程软件进行梯形图编程，支持梯形图程序的运行监控。人机界面部分采用Haiwell Cloud SCADA软件完成，软件具有各种空间功能，可满足鱼菜共生系统的运行监控功能，并支持手机端远程同步操作。

PLC通过模拟量扩展模块读取温度、湿度的检测数据，再经过计算转换为实际的工程值，可根据预先设定的工程范围值进行比较并自动调控。在手动控制模式下，可直接通过上位机或远程终端开启鱼食自动投喂以及加热、水循环、净化等模式，并可通过数值显示区对系统环境参数进行监测。手动模式虽然可实时操作，但为免误操作导致鱼菜共生系统不稳定运行，对实际的操作设置也开启了上下线报警功能。在自动模式下，PLC程序可根据预先设定的鱼食投喂时间、投喂量进行定时操作，对蔬菜土培部分定时定量完成浇水工作，并可根据设定的温湿度参数、pH值参数进行自动调控。

上位机部分主要完成人机界面的搭建及远程终端的控制调试工作。人机界面是人与计算机交换信息的接口，通过人机交互界面可以直观的展示鱼菜共生系统的各环境参数，并根据实际的运行情况进行修改，以及手动、自动运行的切换。本设计的人机界面如图4所示。

图4 人机界面

5 结语

鱼菜共生系统有着较为广泛的应用前景，本文采用PLC作为主控制器，完成对鱼菜共生系统硬件设备的选型及软件设计工作，并搭建上位机，完成人机交互界面的设计，构建一套小型鱼菜共生系统装置。本设计具有低成本、高性能、较强的实用性等特点，对促进生态循环、节约水资源有着积极地意义，同时可实现远程终端控制功能，节约人力成本，具有一定的应用开发价值。