工厂化养殖循环水控制系统设计.docx

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工厂化养殖循环水控制系统设计

工厂化养殖循环水控制系统设计

摘要

在经济飞速发展的当今社会，水产品由于其营养价值丰富受到越来越多的人们的欢迎。

早期的水产养殖是以自然环境破坏为前提的养殖，养殖的方法大多数都是温室流水养殖和半封闭循环水养殖的形式，在这个养殖的过程中因为养殖的技术和条件的不成熟，比起完全意义上的工厂化养殖使用了更多的能源和水资源，造成了大量的资源浪费。

工厂化养殖在目前的水产品养殖生产中，是一种当前来看最为标准化的养殖模式，并且在实际的使用过程中达到了节约能源，节约用水，产量可观等优势，越来越收到人们的广泛认可。

其中循环水的使用更是节省了大量的水资源，节约成本的同时，也响应了当前节约用水的号召。

本文分析了工厂化养殖在国内外的发展现状，展望了工厂化养殖的发展趋势，分析了利用可编程控制器对工厂化循环水设备进行控制的目的和意义，从工厂化养殖循环水系统的结构、发展历程等方面对工厂化养殖进行了简单的描述，并介绍了控制系统设计方案，在硬件方面，主要从传感器，可编程控制器，变频调速器，过滤设备，消毒设备等硬件设施进行设计，最后对控制系统的软件进行设计，并分析其中的关键环节。

关键词：

工厂化养殖，循环水，控制系统，PLC

Abstract

Withtheimprovementoflivingstandards,people'sdemandforaquaticproductsisincreasing.Theoriginalfactoryaquaculturetechnologyandlowdegreeofautomation,theprocessconsumesalotofenergyandwaterresources,isattheexpenseoftheenvironmentofculture,itsformtogreenhousewateraquacultureandsemiclosedrecirculatingaquaculture.Asakindofstandardizedaquaculturemodeofaquaticproductsbreedingenvironment,factoryfarminghasreceivedmoreandmorerecognitionbecauseofitsenergysaving,watersavingandhighyield.Theuseofrecycledwateristosavealotofwaterresources,costsavingsandrespondtothecurrentcallforwaterconservation.

Thispaperanalyzesthecurrentdevelopmentoffactoryfarmingathomeandabroad,thepurposeandsignificanceoftheprogrammablelogiccontrolandutilizationofrecirculatingwatersystemfromtheplantstructure,classificationandcontrolrequirementsoffactoryfarmingtodoasimpleoverview,introducestheprogrammablecontrollerprinciple,developmenttrendandapplicationfields,designthesystem'scontrolscheme,thehardwaredesignofthemainI/Odistribution,thesoftwaredesignofthesystem

Keywords:

industrialaquaculture,circulationwater,controlsystem,PLC

第一章绪论

1.1利用PLC设计工厂化养殖循环水控制系统的目的

为了克服以前继电器-接触器控制系统体积大、反应慢、触点不足、能耗高、噪音大、线路复杂等缺点，由PLC构成的控制系统很有效的解决接触器-继电器的这些缺点，使工厂化养殖循环水控制系统工作的时候更加安全、稳定。

1.2利用PLC设计工厂化养殖循环水控制系统的意义

当今社会，随着电子科技技术的突飞猛进的发展，同时，这种前沿的先进的电子科技技术也被应用与我们生活中的产品里，大大挺高的产品的性能。

在人们对水产品需求日益提高的今天，PLC这种先进的技术自然不会被人们忽略，它也被广泛应用于工厂化养殖循环水的控制当中。

考虑到工厂化养殖循环水控制的安全性、可靠性、操作简便等因素，本设计采用了PLC电子技术，对循环水进行控制。

1.3国内外研究现状

1、国内

我国的水产养殖已经经过了近百年的发展，尽管科技含量和自动化程度与发达国家相比还有很大的差距，但是在我国的经济产业，特别是农业经济中占有相当重要的地位，在我国的国民经济中占有举足轻重的地位。

从中国目前水产养殖的情况来看，由于水处理的投入成本较高，真正实现无人化完全自动控制的养殖工厂的比例很低。

同发达国家先进技术设备的循环水养殖系统所使用的工艺以及实际生产中获得的产量相比，存在着很大的差距，各项相关工厂化养殖的技术的研究和使用均处于初级阶段。

江西省水产科学研究所在1976年曾进行过工厂化养鱼试验，建立一个养鱼车间，采取机械提水增氧，排污，进行高密度流水养鱼但由于缺乏经验和必须的监测手段，没有取得明显的效果。

南昌市水产养殖场利用南昌发电厂排出的冷却水，进行温排水养鱼，培育罗非鱼越冬取得了明显的效果，另外崇仁县也在高密度流水养鱼方面进行了一些有益的尝试，取得了一些经验。

直至21世纪初期，我国的工厂化养殖还只是仅仅实现了对养殖水水质的检测上，在1998年，华东理工大学进行了一种对水体质量参数的在线监测系统的设计和制造，其检测的水体质量包括三个因素，分别为温度，溶解氧和PH值。

但是这项系统仅仅能够检测水质参数，却不能控制调节水体使其达到合适的范围。

能够对水体各项参数进行在线控制的系统的数量更是相当有限，只是对单个或者两个参数进行控制，在2011年，上海海洋大学设计了一种通过可编程控制器对养殖水体进行在线控制的设备，但也只是对水温和水位两个参数进行控制。

所以此前我国的工厂化养殖所使用的控制系统在技术的使用上还远远不能够达到实际投入使用的需要，一方面是控制参数不能覆盖所有养殖需要控制是指参数，另一方面是自动化程度低，距离实现完全的工厂化、无人化还有很长的路。

直到2012年，上海海事大学设计了以西门子公司生产的S7-200可编程控制器为核心的循环水养殖控制系统，该系统能够对水产养殖所必需的水质参数进行检测并在线控制水体使其达到养殖水体水质参数的正常范围，该系统能够监测和控制的具体水质参数包括溶解氧、pH值、氨氮、硫酸氢和水温等，使能够进行在线控制的水体参数开始变得较为全面。

在投入使用的情况上，从全国统计来看，工厂化养殖循环水设备投入少，且收到的效果未达到预期。

随着国家对科学技术的重视和对科研人员的支持，我国的工厂化养殖发展到今天已经有了跨越式的发展，尽管与发达国家先进的工厂化养殖的技术和工艺相比还是有一定的差距，但相信通过我国科技工作者的不懈努力与顽强拼搏的工匠精神，我国的工厂化养殖一定能在世界上起到引领的作用。

2、国外

在经济的全球化的影响下和世界经济的发展的推动下，工厂化养殖也在全球不断的进步和发展。

特别是已经进入工业化国家，工厂化循环水养殖已经成为一个新型的、发展迅速技术复杂的产业。

通过采用现代的水处理技术与生物工程，大量引用前沿技术，工厂化循环水养殖已广泛用于各种水生生物的养殖。

在法国，循环水工艺用于大菱鲆苗种孵化和育成，并且用于鲑鱼的封闭循环水养殖也开始进行实践。

1.4本文研究的主要内容

1）对工厂化养殖的发展状况做了简单的介绍，说明了利用可编程控制器对工厂化养殖循环水控制系统设计的意义和目的；

2）对工厂化养殖循环水控制系统的结构、发展历程和发展趋势进行介绍；

3）介绍了控制系统的设计方案；

4）介绍了控制系统的硬件设计方法；

5）介绍了控制系统的软件设计；

6）对本设计研究的内容进行总结。

第二章工厂化养殖的概述

2.1工厂化养殖的发展历程

第一阶段为准工业化养鱼。

该阶段从20世纪60年代开始，当时的活鱼生产开始以重复一种固定的模式开始大批量的生产，这便是最早的工厂化养殖的雏形，当时的这种固定模式中采用了控制水体的温度和氧气两个参数，养殖密度比传统的养殖方法大，由于增大了养殖密度且成活率与传统养殖无二，所以单位面积产量显著提高。

但是没有对养殖置换出来的废水进行处理和利用，因此该方法虽然节省了土地，但是用水量也显著提高。

第二阶段为工业化养鱼。

该阶段始从20世纪70年代开始，该阶段的养殖模式采用了大量的机械设备对养殖水体进行调控，其涉及到的水质参数涵盖了物理因素，化学因素，甚至还将生物的净化作用投入到水体处理中，在养殖产量大大提高的同时，由于养殖置换出来的废水可以经过水体处理后循环使用，养殖用水量也呈现出断崖式的降低。

第三阶段为现代化养鱼。

该阶段始于20世纪90年代，在该阶段，发达国家将当时世界的领先技术如生物技术、纳米技术、自动控制技术等引入工厂化养殖系统中，通过软件对工厂化养殖设备进行控制，自动化和无人化程度大大提高，单位产量大大增加，养殖置换出来的废水经处理后循环利用，节省了90%的养殖水的使用，接近了养殖废水的零排放，大大节省了水资源的使用，基本实现了管理和养殖的自动化和无人化，进入了“知识经济”范畴。

2.2工厂化养殖循环水控制系统的基本结构

工厂化养殖循环水控制系统是一个比较复杂的设备，包含机械部分和电气部分，两者密不可分，相辅相成，机械部分没有电气部分的控制就是一堆废铁，而电气的功能没有机械部分的执行就无法完成工作，所以两者否是不可或缺的，它们需要密切配合才能发挥出整个系统的功能，工厂化养殖系统的水处理设备下面通常由以下部分构成：

（一）生物反应器自循环部分

作为循环水养殖的关键部分，利用生物反应器中的各种细菌，通过细菌本身所具有的分解功能和氧化功能等将水中残留的氨氮、亚硝酸盐等不适宜水产生物生长的化学物质通过化学反应生成不溶物或难溶物的形式，然后通过不同的过滤的方式清除各种颗粒直径大小不同的废物，以达到净化水质的目的。

（二）应急处理模块部分

该部分是养殖池水质超过高低安全范围的急救系统。

主要是对水产养殖中的影响水产养殖物生长的关键水质参数进行检测。

当养殖池水质超过安全范围时，该部分系统能够通过应急措施对循环水进行处理。

（三）水循环及过滤部分

该部分是利用可编程控制器控制各循环水净化设备对养殖池中置换的废水进行处理，对处理后的养殖水体经检测达到养殖标准后送回养殖池进行循环利用。

对养殖废水的处理过程基本实现无人化、自动化的操作，为了防止循环水泵由于故障停止工作而导致整个处理系统不能工作，该过程使用两台水泵互为备用。

（四）水质监测及设备控制部分

该部分是将传感器检测的过滤净化后的养殖水的水质参数，如溶氧量、氨氮含量、pH值、亚硝酸盐等参数通过模数转换模块转换后传给PLC，经PLC进行PID数据处理后，控制与各参数的相关设备，如增氧机对氧气含量的控制等，对养殖水体进行实时的检测和控制，保证养殖环境的稳定可靠。

（五）恒温温控部分

该部分是温度传感器，将实时水温采集并经过模数转换读入PLC，设计所需水体温度的PID算法，通过PLC进行PID数据处理，从而控制与温度处理相关设备的工作和停止，最终实现水温的恒定。

2.3工厂化养殖的水质标准

对于水产养殖来说，水温在18—35℃为正常温度，25—32℃为最适宜生长温度。

溶氧量为（5～8）mg/L以上，pH值总体为6.5～9，由于物种不同，具体PH也有所差异，鱼类为PH7.5~8.5，虾类为PH7.6~8，蟹类为PH7.8~8.6，低于6.5肥效不能正常发挥优势，氨氮、硫化氢化学物质在弱酸性条件下会发生化学反应，使毒性增大，在化学反应时会消耗水中的氧气，造成水产养殖生物缺氧浮头。

一般控制水中的非离子形态的氨的含量不超过每升水体0.02毫克，亚硝酸离子的含量不超过每升水体0.2mg，氯离子及氯化物的含量不超过每升水体0.02毫克。

2.4工厂化养殖的发展趋势

工厂化循环水养殖的发展主要体现在以下这些方面：

1、工厂化养殖的经济性

运用经济学手段，对工厂化养殖进行经济性分析，通过分析的结果建立数学模型，寻找最佳的养殖密度。

2、建立最为经济的工厂化养殖模式

从我国目前的工厂化养殖的实际情况、对水产品需求量的大小、水产养殖的发展趋势以及国家对水产品养殖的支持和政策，将圣塔净化技术运用到循环水处理中，建立高效、经济的工厂化养殖模式，降低甚至完全免去养殖废水的对外排放。

3、探索高效的使用海水的工厂化养殖

采用目前国内外尖端的水处理工艺和设备，开发低成本，低投入，实用性强，回报高的海水养殖废水处理的技术和模式，满足不同养殖生物、不同养殖条件、不同养殖规模的需求。

4、开发由我国自行研究的工厂化养殖的关键技术

此举是为了提高我们的自主产权水平和意识，更新目前的自动控制技术，开发自动化程度程度更高的控制系统和控制设备，打破由发达国家建立的技术垄断，降低国内各个养殖规模的养殖户的成本，使大大小小的养殖户都能使用上工厂化养殖设备和技术。

2.5本章小结

本章从工厂化养殖的定义、工厂化养殖循环水控制系统的基本结构、工厂化养殖的水质标准、工厂化养殖的发展历程、工厂化养殖的发展趋势等方面对电梯做了详细的介绍。

尤其是对工厂化养殖循环水控制系统的结构做了详细的介绍，对工厂化养殖循环水控制系统进行了剖析，使复杂的工厂化养殖循环水控制系统清晰的呈现出来。

如今的工厂化养殖已顺应的水产品养殖发展的潮流，使水产品质量得到提高。

第三章控制系统的方案设计

3.1控制系统设计的步骤

1、要多方面剖析工厂化养殖循环水控制系统的制造工艺和控制要求；

2、确定I/O设备。

依据控制系统功能的需要，明确系统所需的I/O设备。

3、根据I/O的点数对设备进行选型，同时合理配置I/O点，并做出I/O表。

4、做出循环水控制的梯形图，这是本次毕业设计的核心部分。

5、将编写好的程序输出到可编程控制器中进行软件调试，找出漏洞以及不合理的地方，及时修改和改进，保证系统程序的质量。

3.2控制系统设计的方案

在电气自控的总体设计上，应该在条件允许的情况下，提高整个系统的自动化程度，尽可能接近甚至达到完全意义上的脱离人力。

这样对于中小型的工厂化养殖的成本来说有很重要的经济意义。

因为，尽管工厂化养殖的规模较小，如果没有自动化程度相对较高的控制系统和设备，任然需要大量的人力劳动。

而针对目前人力成本相对较高的今天提高工厂化养殖设备的自动化程度还是很有必要的。

本设计主要是针对工厂化养殖中各养殖池、沉淀池等水位的控制。

养殖池的出水口的出水量是随着用水量的变化而变化的，而注水口的流量大小可以通过水泵来调节，可以通过变频器来控制水泵的转速来实现控制注水量的变化。

养殖池的水位通过水位传感器来检测，并将检测到的信号传回PLC。

通常来说，设定养殖池水位的高度为养殖池满程的80%，用模拟量输入模块和模拟量输出模块来完成整个养殖池系统的闭环连接。

利用PLC编程进行PID运算控制，从而控制变频器调节水泵的转动速度达到改变注水量的目的，从而实现对水位高度的控制。

3.3控制系统的原理图

控制系统的原理图如图1所示

图1控制系统的原理图

3.4控制系统的工艺流程图

控制系统的工艺流程图如图2所示

图2控制系统的工艺流程图

3.5本章小结

本章通过控制系统设计的步骤、控制系统的方案以及控制系统的原理图三个方面系统的介绍了控制系统的方案设计。

通过简单明了的控制系统原理图，将整个系统的各个部分分成了几个部分，接着对系统的各个部分进行了深入的分析，使得接下来的硬件部分设计和软件部分设计的工作有了清晰明确的方向，也便于对实际操作中出现的问题有一个很好的梳理。

第四章控制系统的硬件设计

4.1可编程控制系统与继电控制比较

4.1.1继电器控制的优点和缺点

（1）、继电器控制电梯的优点

不需要高级技术人员，一般的技工和技术人员都能掌握；而且所用的电气原件都是常见的，价格便宜，也便于更换。

（2）、继电器控制电梯的缺点

采用继电器控制的触点比较多，由于触点容易烧坏，会有接触不良的情况发生，所以电路的故障也会接二连三的发生；再者继电控制很难实现较复杂的控制功能，因此系统的拓展性比较差，技术水平也很难得到提升；触点的反应缓慢、电磁惯性大和机械性使系统的控制精度难以得到保证；继电器控制电梯的噪音大、能耗高，工作不稳定、系统体积大大，不满足要求

4.1.2可编程控制器控制的优点

采用PLC控制电梯的优点可总结为以下4个方面：

1、可靠性高

可编程逻辑控制器内部的硬件有滤波作用和光电隔离抗干扰能力的电路，使得内部的存储单元、外部设备、和接口电路都得到很好的保护，可靠性比较高。

通过软件的方法对变频调速器和水泵进行控制，使系统的无人化成都提高。

2、维护、操作方便

可编程逻辑控制器用到的电子元件比较少，减少了接线数，降低错误率，便于设计，维护起来也大大方便了；PLC可使用计算器也可以用手持编程器录入调试，简便易行。

3、拓展性、灵活性强

PLC的编写程序语言众多，编写指令的方法灵活多变，利于开发人员的操作。

需要增加点数时，可以增加相应的模块，通过更改程序可以进行功能的拓展。

4、运行效率高、通讯功能强

伴随总线技术和网络技术的引入，使得工厂化养殖的通信能力大大增强。

实现了群控制、远程监控等功能。

因为有了上述的优点，PLC控制的效率也就大大的提高了。

4.2PLC设备选型

4.2.1PLC选型原则

使用PLC组成工厂化养殖循环水控制系统时，首先应该面对的是PLC的选型问题。

在选择可编程控制器时，应该把可靠性和环境适应性放在首位，除此之外还应根据具体的应用场合选择合适的可编程控制器。

关于可编程控制器的选型，其基本原则可以从以下几个方面考虑：

1.明确被控对象的要求。

2.根据控制对象的不同来确定功能的选择。

具体包括：

替代继电器，数据传递，数学运算，矩阵功能，诊断功能，高级功能和串行接口。

3.输入/输出模块的选择。

输入/输出模块是可编程控制器与被控对象间的数据接口，输入/输出模块选择的合适与否会直接影响到控制系统的控制性能。

4.存储器的类型及其容量的选择。

在进行小规模控制时，考虑到小型可编程控制器作为单机在使用时，由于操作使用便捷、程序特定，通常选用用EPROM或EPROM加RAM。

在中等规模或者大规模的PLC中，由于其工艺比较复杂，使用场合差别较大，程序实际使用时修改的地方较多等特点，一般选用带有后备电池的CMOSRAM存储器，以便在关机时保存当前修改后的信息。

5.控制系统的方式和结构的选择。

用PLC构成的控制系统的控制方式有以下三种：

集中控制、远程I／0控制和分布式控制。

6.技术支持。

在可编程控制器的选择时时，支持技术条件也是重要的因素之一。

技术支持的主要体现在：

编写程序的能力、对程序文本的处理、贮存程序的方式和通讯软件包。

通讯软件包常常与通讯硬件结合使用的，如调制解调器等。

4.2.2PLC机型的选择

为了保证工厂化养殖循环水控制系统稳定高效的运行，可编程控制器选用西门子公司生产的的S7-200CPU226系列产品。

现场PLC控制的主要设备是：

西门子公司生产的的S7-200CPU226系列的PLC可编程控制器。

PLC性能特点：

内部指令种类丰富全面、功能完善强大、控制可靠性高、对不同运行环境适应性好、结构精密紧凑、能够根据实际需要扩展存储量。

综上所述，S7-200CPU226系列的PLC可编程控制器的性价比高于其他机型。

4.3变频器的选择

由水泵工作原理可以看出，水泵流量与水泵转速成正比关系，水泵扬程与水泵（电机）转速的平方成正比，水泵轴功率等于水泵流量与水泵扬程的乘积，因此可以由上述关系推出水泵轴功率与水泵转速的三次方成正比。

将上述原理推写出水泵流量、水泵转速、水泵扬程、水泵轴功率之间的关系。

Q∝NH∝N2KW∝Q*H∝N3

在上述表达式中，Q表示水泵流量，H表示水泵扬程，N表示水泵转速，KW表示水泵轴功率。

因此，可以通过改变水泵的转速来改变水泵的功率。

水泵作为养殖循环水的输出环节，其输出水量的大小由可以通过变频调速器改变频率来进行控制，实现根据实际需要改变流量大小的恒电压控制。

变频调速器接受可编程控制器经过PID数据运算处理后的信号对水泵转速进行控制，水位传感器检测养殖箱水位的实时数据，把信号传给可编程控制器进行PID运算处理，可编程控制器通过处理水位的测量值调节变频器频率来控制水泵转速，实现了一个闭环控制系统。

在本系统中，选用西门子公司生产的MM440变频器，其优点如下：

1.节能环保。

正常工作情况下，可以比一般的变频器节电20%~40%，节约成本的同时，也为保护自然环境，绿色低碳发展作出了贡献。

2.占地面积小，投入少，工作效率高，减少成本。

3.系统配置方便灵活，自动化程度高，，可以减少人力的使用，功能齐全，可靠性高。

4.运行过程合理，可以通过其他控制器来控制的开始和停止，可以消除水锤效应，电机轴上平均扭矩和磨损降低，水泵的使用期限延长。

4.4水位传感器的选择及PID算法设计

4.4.1水位传感器的选择

水位传感器是一种通过水体对容器侧壁压力大小测量来计算水位的压力传感器。

本系统中采用的是静压投入式液位变送器（液位计），其工作原理为测得的液体静压与液体的高度成线性关系，所用传感器使用的材料采用国外生产的隔离型扩散硅或者陶瓷电容，压力传感器能够将压力信号转换为电信号，再经过温度补偿处理和线性修正处理，转化成通用的标准电信号（一般为电流4～20mA，电压1～5VDC）

静压投入式液位变送器的优点如下：

1.工作稳定性好，量程和零点长期稳定性平均可达到0．1％Fs／年。

在补偿温度0～70℃内工作时，温度飘移在0．1％Fs一下，在整个允许的温度范围内工作时，温度便宜低于0．3％Fs。

2.传感器内被具有反向保护电路和限流保护电路，安装时正负极反接时，不会损坏变送器，传感器工作异常时，工作电流会自动限制在35mA以内。

3.由于本传感器采用固态结构，内部无可动部件，使传感器可靠性提高，使用寿命增长。

4.结构简单、安装方便、经济耐用、性价比高。

4.4.2水位PID算法设计

工厂化养殖循环水控制系统在对模拟量采集和传送的基础上，还通过PLC对采样得到的模拟量进行PID处理，根据处理后得到的结果，对模拟量进行控制。

通过PID回路的输出变量M（t）与时间t可以归纳成如下的函数关系：

对于该函数关系的解释如下：

Kc：

PID回路的放大增益；

e：

PID回路的偏差；

Minitial：

PID回路输出的初始值。

由于目前的计算机只能对离散化的函数表达式进行处理，所以把上述表达式进行离散化处理，变为如下的离散化形式：

通过该函数表达式可以计算出Mn，即第n次采样后的经过PID数据处理后的输出值。

由上式可以看出Mn由三部分组成，