集成傳感器射流清潔的水產養殖環境監測系統設計

單慧勇 劉中一 田云臣

摘要：在水產養殖監控系統中，水質在線監測傳感器長時間在水中工作容易附著各種雜質，影響水質因子數據采集的準確性。設計了集成傳感器射流清潔功能的水產養殖環境監測系統，采用可編程邏輯控制器（PLC）作為下位機主控制器，設計內部集成傳感器射流清洗系統的不銹鋼水質采樣箱，由PLC完成水質參數的數據采集及測試水泵、清洗水泵等設備的實時協調控制；上位機選用監視與控制通用系統（MCGS）觸摸屏，實現系統狀態的實時監控。

關鍵詞：水產養殖監控；傳感器清洗裝置；PLC

中圖分類號： TP274+.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0429-02

影響水產養殖環境的水環境因子主要包括溶解氧、氨氮、硫化物、pH值（酸堿度）等，目前我國市面上成套的水產養殖設備多數是以PC機或單片機作為核心處理控制器，完成對水位、溶解氧、溫度、pH值等水環境因子的監測控制[1-3]。水質監控設備經長時間使用后，水中的污雜物、微生物附著在傳感器探頭上，導致采集到的水質因子數據偏離實際，設備產生誤動作。常見的水產養殖監控設備中，設計者很少考慮傳感器自動維護保養，目前多采用人工定期清潔維護方法。筆者設計出水產養殖環境監測系統，采用工業生產控制中常用的PLC作為核心處理控制器，實現水質傳感器采樣及傳感器定期自動清潔，以期延長傳感器使用壽命。

1 系統總體設計方案

本系統分為上位機與下位機2個部分，下位機采用可編程邏輯控制器（PLC）控制，主要完成對采樣泵、增氧泵、傳感器清潔裝置及其他設備的控制以及水環境因子數據采集，通過PLC的A/D模塊對傳感器輸出的模擬量進行采集，并且由PLC控制傳感器清潔裝置、增氧泵、水泵等裝置啟停。系統中上位機包括監視與控制通用系統（MCGS）觸摸屏、遠程監控終端，觸摸屏作為現場人機接口，控制系統狀態，實現傳感器數據的采集顯示、儲存、歷史信息統計等，遠程通訊模塊將現場系統狀態數據傳輸到遠程監控終端，實現現場的遠程監控（圖1）。

2 系統硬件設計

2.1 電氣控制柜設計

系統電氣控制柜（簡稱電控柜）為具有短路保護、漏電保護、過載保護、欠壓保護等電氣保護功能的電氣裝置。電控柜采用功能分區域方式設計布置，便于維護元器件。系統主機選用三菱FX2N-48MR-001及FX2N-4AD擴展模塊。該型號PLC共有48點輸入輸出，輸入類型為直流24 V輸入，輸出類型為繼電器輸出型，FX2N-4AD擴展模塊具有4組模擬量信號采集輸入端，可同時采集4路模擬量。觸摸屏選用TPC1062K（北京昆侖通態自動化科技有限公司）。

2.2 傳感器選型

考慮到實用性與價格等多方面因素，本系統選用DO-8100型溶解氧測試儀及PH-210型PH/ORP測試儀，這2個儀表具有4～20 mA模擬量信號輸出，也可通過RS 485讀取數據。

2.3 傳感器清潔裝置設計

2.3.1 清潔系統方案 水質采樣箱采用不銹鋼材質，采樣箱內部集成傳感器射流清潔系統，采用射流方式清潔傳感器探頭可避免毛刷或其他方式清洗時夾帶雜物對傳感器探頭造成損壞。

采樣箱在結構設計上采用雙層結構，第1層為支架、導管、清洗器件安裝層，用來安放傳感器旋轉清潔噴頭及液位開關支架；第2層為傳感器安裝板，用來安裝傳感器（圖2）。噴頭布局為正三角形，即傳感器位于正三角形中心，既節約空間又能保證清潔效果。為提高清洗力，采用多個噴頭循環工作的方案。圖2中A、B、C為液位開關，液位開關A為傳感器清洗上限水位及水環境因子開始采集狀態標志位；液位開關B為水環境因子采集時液位控制標志位及清洗時清洗液位超限標志位；液位開關C為清洗液位超限報警標志，當開關C動作時，表明采樣箱液位過高，系統報警。采樣箱外部水路設置有測試進水口，測試進水口與多個采樣點的采樣水泵通過電磁閥連接，各清洗噴頭進水口、采樣箱排水口分別由電磁閥進行控制，結合PLC實現采樣箱工作狀態的切換控制。

2.3.2 清洗力計算

水射流作用于物體表面，其原有速度、方向均發生改變，即動量發生變化，這種動量的變化是由于水射流與物體間的相互作用引起的，依據動量定理，可以得到噴頭清洗時的理論射流打擊力公式如下[4]：

F=0.745×q×psin。（1）

式中：F為理論最大射流打擊力，N；q為射流體積流量，L/min；p為工作壓強，MPa；為射流清洗角度。

清洗器件由噴頭、導管組成，噴頭產生射流的沖洗流量與噴嘴的直徑及噴嘴個數有關，噴頭流量一定時，噴頭數量越多，產生壓強越小。噴嘴出口直徑設計時往往須要使設計的噴嘴達到泵的額定流量與額定壓力，噴嘴直徑與系統壓力、流量的關系如公式（2）所示[5]：

d=0.69qμp。（2）

式中：d為當量噴嘴直徑，mm；q為射流體積流量，L/min；p為射流壓力，MPa； μ為噴嘴流量系數，一般可取0.9。

本系統選擇高壓大功率洗車泵，額定功率130 W，吸程 3～5 m，額定出口壓力0.5 MPa，額定流量15 L/min，最大出口壓力控制在1.3 MPa，不計沿程壓力損失。由上述分析可知，當選擇有效直徑3.2 mm的單噴嘴時，泵近似工作在額定狀態，此時理論最大射流清洗力8 N左右。考慮到管路損失、射流靶距等因素，實際產生的清洗力將減小，但由于采用定時清潔的方案，提高了清潔頻率，傳感器表面附著較少，所需清潔力較小。實驗室測試結果表明，本系統可以減少傳感器表面附著，維持傳感器清潔。

3 系統軟件設計

本系統在軟件編程上分為上位機程序與下位機程序2個部分，下位機程序主要為三菱PLC程序，上位機程序為MCGS觸摸屏程序及遠程組態監控系統設計，PLC與MCGS觸摸屏通過PLC的編程口通訊，遠程通用分組無線服務技術（GPRS）通訊模塊與PLC通過485通訊，2種通訊模式中PLC均作為下位從機，上位機組態監控程序的設計將另文撰述。 PLC主程序流程如圖3所示。

4 結論

本研究設計了集成傳感器射流清潔系統的水產養殖環境監測系統，該系統可以實現傳感器自動定期清潔，且采用采樣箱結合水泵進行水質采樣，可以實現多個采樣點測試。采用PLC對系統進行控制，結合上位機組態監控系統，實現了自動增氧、清洗、測試的自動工作循環、手動清洗、手動水質測試以及歷史數據顯示、查詢等功能。

參考文獻：

[1]肖 忠，陳 怡，莫洪林. 魚塘溶解氧自動監控系統的設計與研究[J]. 農機化研究，2009，31（5）：142-145.

[2]陳 剛，朱啟兵，楊慧中. 水產養殖在線監控系統的設計[J]. 計算機與應用化學，2013（10）：1139-1142.

[3]袁 琦，儲春華，翁紹捷. 基于AT89C51水產養殖環境參數自動監測系統設計與實現[J]. 農業網絡信息，2012（4）：13-16，20.

[4]劉庭成，范曉紅. 高壓水射流清洗機射流打擊力的研究分析[J]. 清洗世界，2008，24（12）：26-29.

[5]武占芳，劉麗偉，魯傳林，等. 高壓水射流清洗鋼板系統參數分析與研究[J]. 冶金設備，2009（3）：60-64，49.