基于易控的工業化循環水養殖系統

張業韡， 吳 凡， 陳 翔， 楊宇紅

(1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

基于易控的工業化循環水養殖系統

張業韡1,2， 吳 凡2， 陳 翔2， 楊宇紅1

(1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

隨著可用水資源的減少，工業化循環水養殖是現代漁業的發展趨勢。為了提高工業化循環水養殖的自動化程度，以及將其與物聯網更好的結合起來，設計了基于易控的工業化循環水養殖系統。系統采用封閉式循環水養殖工藝，選用微濾機、流化床、低壓純氧混合裝置等國內先進的循環水養殖裝備構建硬件系統，使用西門子S7-300 PLC和其它智能儀表設備等構建控制系統，通過易控軟件作為人機交互平臺將各要素進行整合。該系統實現了工業化循環水養殖系統的養殖過程智能控制、養殖水質精準調控和養殖控制物聯網化，具備自動化程度高、運行穩定、擴展性強的優點。該系統易于推廣，并為將來的福利養殖系統提供了理論依據和基礎數據。

循環水養殖；易控(INSPEC)；物聯網；自動控制

工業化循環水養殖是一種結合了水產養殖技術、水處理技術等的生產方式，是現代漁業發展的必然趨勢[1]；物聯網是具有全面感知、可靠傳輸、智能處理特征的連接物理世界的網絡。物聯網技術與工業化循環水養殖相結合，是實現漁業生產集約化、自動化、智能化和信息化的必然趨勢[2-5]。目前，國內工業化循環水養殖自動控制應用很少，大多數養殖場主要使用簡單的控制系統進行養殖池溶氧控制和水質參數采樣，有些養殖場直接采購國外的成套專用設備。國內水產養殖自動控制的相關研究內容主要為水質傳感器網絡研究和養殖水質的簡單調控[6-9]，其通用設備比較少，不可直接應用到循環水養殖系統的控制中[10]，需要采用相關的軟件來實現工業化循環水養殖的全部控制功能。

易控(INSPEC)是全球首款完全基于.NET平臺的組態軟件，它結合了最新IT技術、通信技術、控制技術以及大量用戶使用經驗，它是一款面向設備制造、工廠自動化控制、過程自動化控制等并基于分布式網絡架構設計的大型綜合自動化軟件。其擁有超越組態的多語言和C#用戶編程功能、分布式網絡架構、WEB門戶、構建重大系統冗余功能等，非常適合用于工業化循環水養殖控制系統的構建。

1 系統構成

循環水養殖系統由硬件設備和控制系統兩部分構成。硬件設備包括水處理設備(如微濾機、流化床等)、循環水泵、控溫設備、水質監測設備等。養殖系統工藝流程(圖1)。

圖1 循環水養殖系統工藝流程

從魚池流出的養殖污水通過微濾機的物理過濾，并在微濾機池內進行溫度調節、pH調節，然后通過循環水泵進入流化床進行生物過濾，通過流化床的水經過低壓溶氧裝置增氧和臭氧紫外殺菌裝置殺菌，自流入魚池。

控制系統包括人機界面、總控制柜、分布控制柜、PLC、儀器儀表等(圖2)，用于控制系統的正常運行。

圖2 電氣控制系統結構

控制系統基于集散控制系統(DCS)：在人機界面中安裝易控軟件，人機界面選擇工控機或工業級觸摸屏，以保證控制系統的穩定；人機界面的電源采用UPS不間斷電源，確保在系統運行過程中不會因為意外斷電而導致控制系統停止，引起事故。在總控制柜內安裝西門子S7-300 PLC主站(CPU模塊)，負責運行系統的自動控制程序和易控軟件及子站的通信，主站和人機界面使用以太網口進行通信。在分布控制柜中安裝西門子ET200模塊作為子站，安裝有I/O模塊和數字量、模擬量輸入/輸出模塊，用于接收并執行主站的命令，并將采集到的數據傳回主站；主站和子站直接采用PROFIBUS現場總線進行通信[11]。水質傳感器、變頻器和其他智能儀器設備等，通過RS-485總線和MODBUS通信協議與人機界面進行通信，實現數據交互。根據現場的實際工況，PROFIBUS總線和RS-485總線可以選擇有線或無線的方式進行搭建?？刂葡到y主要實現以下功能：硬件IO通信、人機界面、養殖系統自動控制、數據存儲/查詢、異常報警、安全區/用戶管理和WEB訪問等。

2 易控的控制系統

2.1 硬件IO通信

工程中的硬件IO通信(又稱“設備通信”)是易控工程與所連接的下位設備(如PLC、模塊、儀表、變頻器等各種硬件設備)通過各種不同方法進行通信，實現數據讀寫的功能。易控的IO通信具有以下特點：支持各種硬件連接方式(如串口、以太網、各種現場總線接口卡的通信電纜連接方式)；支持和各種軟件的通信，間接實現和硬件設備的通信；可以同時與不同種類的硬件和軟件進行通信。通過IO通信，可以更直接地控制養殖設備，獲取設備運行狀態和養殖水質數據等。

2.2 人機界面

人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口。易控通過專業級的圖形處理能力、獨創的復合動畫功能，逼真呈現工業現場，通過實時數據庫模擬反映工業現場的運行狀態。操作人員可以從人機界面上直觀地了解到循環水系統中的設備運行情況、水質數據等并直接操作系統中的設備，可以直接點擊人機界面上的圖標來控制對應的設備，也可以修改系統中的控制參數(圖3)。

圖3 基于易控的工業化循環水養殖系統人機界面

2.3 養殖系統自動控制

養殖系統自動控制是工業化水產養殖的重要技術，可以控制養殖裝置的自動運行，優化養殖水體環境的一些重要參數，最大限度地發揮工業化養殖的效能，達到精準控制養殖生產過程的目的[12]。相對于其他組態軟件，通過易控可以更容易地實現工業化循環水養殖系統所有設備的自動控制。

2.3.1 主要設備控制

微濾機在循環水養殖中常用于截留養殖水體中的固體顆粒，是實現固液分離的凈化裝置。在過濾過程中，篩網因被堵塞而影響過濾效果，因此需要在PLC中編寫反沖洗控制程序。該程序通過定時器和液位開關信號啟動反沖洗水泵，配合微濾機轉鼓的轉動使微濾機篩網得到及時清潔。由于主要控制程序是在PLC中，組態軟件和PLC的通訊中斷并不會對微濾機的自動控制產生影響，可以保障系統的正常運行。另外，由于PLC和易控之間進行IO通信，因此可以在人機界面中修改定時器的設置。

流化床生物濾器是近年來研發出的新型生物過濾器，其選用的填料比表面積巨大，并具有良好的親水性及生物相容性，在實際應用中已顯現出了極佳的水處理性能[13]。流化床生物濾器在不同的養殖工況下有不同的流量要求，因此使用易控軟件與變頻器進行MODBUS通信，通過變頻器來控制循環水泵的工作頻率，從而控制進入流化床的水流量，使流化床處于最佳的水處理效果。

2.3.2 水質調控

養殖水質參數是水產養殖生產過程中非常重要的影響因素。循環水養殖系統不同于其他養殖系統的重要區別之一就是養殖水質參數的可控性。使用易控的工程程序功能可以進行水質調控。該功能采用開放C++高級語言作為編程語言在工程中編寫用戶程序代碼，它具有可視化編程和智能感知等編程技術，可實現對工程各種資源的靈活控制，改變工程執行流程、使用第三方程序代碼和編寫特殊功能。在微濾機池中設置在線式水質傳感器，采集并儲存系統中的溶氧、溫度、pH、氧化還原電位(ORP)、鹽度、臭氧、氨氮等測量值。通過不同的工程程序來分析這些數值的變化，自動運行調控設備，將重要的水質參數維持在合適的范圍內。

通過分析溶氧傳感器測得養殖系統中的溶氧值，氣體流量計測得進入低壓純氧混合裝置的純氧流量，使用新型的雙重PID算法調節純氧電動閥的開度，通過控制進入裝置的純氧流量來控制養殖系統中的溶氧。pH調控采用結合PID和TCP算法的新型控制算法，通過調節計量泵的流量向養殖水體持續加堿，將水體中的pH維持在一個穩定的數值[14]。使用PID算法調節臭氧電動閥的開度來控制進入紫外殺菌器中的臭氧量，通過紫外催化反應區將臭氧與紫外聯用，對養殖水體進行消毒滅菌處理[15]。

2.3.3 其他控制

使用工程程序還可以實現以下控制功能：魚池排污使用定時方式，在每天特定時間啟動魚池底部的排污電動閥實現魚池排污；通過微濾機池中的水位傳感器判斷由于排污和蒸發導致的系統中水體的損失，并且根據程序的判斷來啟動補水電動閥進行補水。飼料投喂使用軌道式自動投飼系統，投飼設備通過軌道在魚池上方移動，根據控制流程編寫工程程序進行控制，可以實現定時、定點、定量的投喂策略[16]。易控能完全滿足工業化循環水養殖系統中所有可控設備的控制功能。

圖4 軌道式自動投飼系統控制流程

2.4 數據儲存/查詢

易控的數據儲存/查詢系統主要包括歷史數據記錄和事件記錄。歷史數據直接反映了工程運行的狀況。在工業化循環水養殖系統中，可以通過變化記錄功能來記錄設備的運行參數變化情況，通過定時記錄來記錄系統的溫度、溶氧、pH、ORP、鹽度、臭氧、氨氮等水質參數。事件記錄是記錄工程運行過程中重要的操作和運行人員的登陸和注銷，其主要目的是記錄操作員的操作過程。其中的時間追溯是易控軟件特有的一項功能，通過再現整個控制過程，輔助事故的定位，從而獲知事故的發生原因?？梢酝ㄟ^易控將歷史數據和事件記錄存儲到關系型數據庫SQL SERVER或SQL EXPRESS中，并通過報表和日志查看器來查詢并導出這些記錄。相對于其他組態軟件，可以通過網絡直接讀取易控數據庫內的數據，并進行云儲存和大數據分析。

2.5 異常報警

在工業化循環水系統中，當出現設備停機等嚴重工況，或養殖水質狀況發生變化以至于影響魚類的正常生長時，需要以各種手段及時向系統運行人員、維護人員、主管技術人員等發出警示信息，避免可能出現的事故或危險，保證系統的正常、安全、可靠的運行。易控區別于其他組態軟件的是其優化了報警功能。針對不同的報警變量，可以設置不同的報警區進行分組管理，并且設置不同的報警級別。比如：設備停機可以設置最高的報警級別立即報警；而水質狀況變化可以設置多個報警區和報警組，如設定溶氧的安全值在6～7 mg/L，在5.5～6 mg/L設置低級別報警區不需要立即報警，可以延時30 min報警，而且只通知運行人員，其間如通過系統自動調控回到安全值則不進行報警，在5.5 mg/L以下設置高級別報警區，一旦溶氧值達到此范圍立即報警，而且同時通知所有人員。易控的報警方式多樣，可以選擇聲音、電話、手機短信、電子郵件等，未來還將加入微信等通知方式，全方位的報警可以更快地應對各種事故。

2.6 安全區/用戶管理

安全區是易控工程中有關操作控制安全的一種邏輯劃分單位。同一個安全區的安全控制要求是相同的，不同的安全區有不同的安全要求，當配置好安全區后，只有具有此安全區權限的用戶才能進行操作。易控的用戶分為一般用戶和系統管理員，一般用戶具有對指定安全區的操作權限，而系統管理員除此權限外，還可以在工程運行期間增加、刪除和修改用戶。例如可以將設備運行控制的安全區劃分給用戶1，將水質控制的安全區劃分給用戶2，將數據設定安全區劃分給系統管理員，通過工程的“用戶”和“安全區”的配合使用，避免工程中出現誤操作、越權操作和系統被非法篡改，保證工程運行和操作安全。

2.7 WEB訪問

易控的WEB功能采用B/S結構，客戶可以隨時隨地通過互聯網實現遠程監控，實時了解現場的運行情況，以及遠程調試、診斷。易控允許通過Web Server將易控運行工程中的畫面以網頁的形式發布到互聯網上，客戶端不需要安裝任何易控軟件，通過IE瀏覽器就可以訪問Web Server發布工程的畫面，實現遠程監控。通過易控WEB功能實現的遠程監控，不僅能夠實現對養殖數據的瀏覽，同樣可以對養殖設備進行控制。

3 結論

與國內常用的其他組態軟件(如MCGS、組態王等)相比，易控功能更適用于工業化循環水養殖系統；同時，與其他特定養殖系統的專用軟件相比，易控也可以輕松實現其所有功能，并且更易于二次開發。基于易控的工業化循環水控制系統在系統控制方面使用PLC編程和工程程序相結合的方法，并輔以各種傳感器和執行機構，實現了工業化循環水養殖的自動化控制。在實際運行過程中，人機界面友好，系統運行穩定可靠、易于擴充、調整靈活。配合視頻監視系統實現完全的遠程自動控制，從而節省大量的人力成本。工業化循環水養殖自動控制系統將來的發展方向是結合正在發展的水產養殖機器視覺技術，可以代替操作人員對現場視頻進行判斷，實現無人系統。

雖然易控軟件具有WEB功能，但由于軟件功能的局限性，可實現的物聯網功能不完全。未來我們將在應用層對易控軟件數據庫內的所有數據進行云存儲和大數據分析，以實現養殖過程智能化決策和控制。

□

[1] 戚翠戰,韓世成,曹廣斌,等.應用于冷水魚工廠化循環水養殖的自動化系統[J].廣東農業科學,2014,41(13):182-185.

[2] 李道亮.物聯網與智慧農業[J].農業工程,2012(1):l-7.

[3] 楊金明,余情,朱紅飛,等.基于物聯網技術的水產養殖智能管理系統設計[J].湖北農業科學,2016,55(16):4276-4279.

[4] 陳浩成,袁永明,馬曉飛,等.基于物聯網的水產養殖水質監控集成技術[J].現代農業科技,2013,18:324-326.

[5] 王丹.基于物聯網養殖系統的研究與應用[D].淮南:安徽理工大學,2012.

[6] ZHANG M F,LI D L,WANG L Z,et al.Design and development of water quality monitoring system based on wireless sensor network in aquaculture[C].Computer and Computing Technologies in Agriculture Iv-ifip TC 12 Conference,2010,347:629-641.

[7] SIMBEYE D S,ZHAO J M,YANG S F.Design and deployment of wireless sensor networks for aquaculture monitoring and control based on virtual instruments[J].Computers and Electronics in Agriculture,2014,102:31-42.

[8] 苗雷,湯濤林,劉世晶.基于MCGS的養殖水質在線監控系統的設計與實現[J].現代農業科技,2012,23:261-263.

[9] HUAN J,LIU X Q,CHONG Q F.Design of an aquaculture monitoring system based on android and GPRS[J].Applied Engineering in Agriculture,2014,30(4):681-687

[10]劉雨青,吳燕翔,吳曉棟.工廠化養殖循環水處理控制系統的設計[J].科學技術與工程,2012,12(7):1526-1530.

[11]陳江,曲衛冬.基于PLC與PROFIBUS總線的油氣管道監控系統設計與開發[J].科技創新與應用,2016(14):98-99.

[12]曹廣斌,蔣樹義,韓世成,等.工廠化水產養殖中的自動控制技術[J].水產學雜志,2011,24(1):60-64.

[13]張海耿,張宇雷,張業韡,等.循環水養殖系統中流化床水處理性能及硝化動力學分析[J].環境工程學報,2014,8(11):4743-4751.

[14]張業韡,張海,吳凡.工廠化循環水養殖系統中pH維持系統研究[J].漁業現代化,2013,40(6):1-5．

[15]管崇武,楊菁,單建軍,等.工廠化循環水養殖中臭氧/紫外線反應系統的水處理性能 [J].農業工程學報,2014,30(23):253-259.

[16]袁凱,莊保陸,倪琦,等.室內工廠化水產養殖自動投飼系統設計與試驗[J].農業工程學報,2013,29(3):169-176.

·文摘·

INAPRO復合養殖系統的動態建模

通過為使用創新性的雙循環復合養殖系統ASTAF-PRO生產尼羅羅非魚和蕃茄進行動態建模做實例，對使用建模技術分析復合養殖系統作了演示。對作為具有內部反饋和相互反饋特性的動態雙元系統的復合養殖系統進行管理和控制，動態模型是必需的。本研究展示了如何將針對作物和魚類生長、廢物產生與過濾、溫室環境與水培法等多樣的復合養殖系統進程及基于微分方程的動態模型整合進一個現實而復雜的復合養殖系統模式。在VBA Excel中完成了擬建模型，它可用于展示如何找到、控制并管理不同的ASTAF-PRO配置，增加對系統的了解，因而也增加了未來環境可持續復合養殖系統大規模生產的可能性。

(《Aquacultural Engineering》Vol.75)

Industrialized recirculating aquaculture system based on INSPEC

ZHANG Yewei1,2，WU Fan2，CHEN Xiang2，YANG Yuhong1

(1SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

With the reduction of available water resources,the development of industrialized recirculating aquaculture becomes the trend of modern fishery.In order to improve the automation degree of industrial recirculating aquaculture and to better combine it with the Internet of Things,an industrial recirculating aquaculture system based on INSPEC has been designed and introduced in this paper.The system adopts closed recirculating aquaculture technology,uses microfiltration machine,fluidized bed,low pressure oxygen mixing device and other domestic advanced circulating water aquaculture equipment to build the hardware system,constructs the control system using SIEMENS S7-300 PLC and other intelligent instruments,and uses INSPEC as a human-computer interaction platform and to integrate all the elements together.The system realizes the intelligent control of aquaculture process,precise control of aquaculture water quality,and networked control of aquaculture in industrialized recirculating aquaculture system,with the advantages such as higher degree of automation,stable operation,and strong expansion.While being easy to popularize,the system also provides theoretical and data basis for future welfare breeding system.

industrialized recirculating aquaculture;INSPEC;Internet of Things;automatic control

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.005

2016-10-18

2017-01-06

中國水產科學研究院基本科研業務費專項(2017HY-ZD0607)；現代農業產業技術體系專項(CARS-50)

張業韡(1982—)，男，碩士研究生，研究方向：工業化水產養殖、數字漁業。E-mail:zhangyewei@fmiri.ac.cn

楊宇紅(1968—)，女，副教授，碩導，研究方向：多媒體信息處理與通信、嵌入式系統設計技術研究。E-mail:yangyuhong@sjtu.edu.cn

S969.39

A

1007-9580(2017)01-021-05