水產(chǎn)養(yǎng)殖多點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與傳感器清潔裝置設(shè)計(jì)

單慧勇，田云臣，張仲雄，全鵬坤，朱銀龍，華旭峰

(1 天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院,天津 300384；2 天津農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,天津 300384)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，為保證生產(chǎn)安全，需對(duì)溶氧(DO)、pH、水溫等多項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[1-3]。由于監(jiān)測(cè)傳感器長(zhǎng)期浸泡在水中，水中的污染物、微生物、藻類(lèi)等容易附著在傳感器表面，嚴(yán)重影響傳感器的監(jiān)測(cè)精度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作。在實(shí)際生產(chǎn)中，主要依靠人工定期清潔傳感器，污染嚴(yán)重時(shí)，一周就需要對(duì)傳感器清潔一次，工作量很大。由于頻繁拆裝、清潔，也存在很大的安全生產(chǎn)隱患。

近年來(lái)，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)得到廣泛應(yīng)用，水質(zhì)傳感器的自動(dòng)清潔問(wèn)題日益引起人們重視，出現(xiàn)了射流清潔、超聲波清潔、毛刷清潔等多種技術(shù)方法[4-11]。由于各種原因，這些技術(shù)都未在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣應(yīng)用。由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器目前價(jià)格較高，面對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多的情況，需要考慮使用一組傳感器實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，以降低系統(tǒng)成本[12-14]。

本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與傳感器自動(dòng)清潔維護(hù)的解決方案，借助搭載在三軸移動(dòng)平臺(tái)上的一組傳感器和多水槽系統(tǒng)，可以完成多點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)及傳感器的自動(dòng)清潔。該設(shè)計(jì)方案提高了傳感器的使用效率，降低了使用成本，目前已申報(bào)了專(zhuān)利[16]，并開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

1　系統(tǒng)總體控制方案

傳感器分時(shí)復(fù)用方案采用多水槽水質(zhì)采樣箱和三軸移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)，使用采樣泵將多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水抽取引入到對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)水槽中，結(jié)合三軸移動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，同時(shí)設(shè)置專(zhuān)用清潔水槽配合清潔毛刷對(duì)傳感器自動(dòng)清潔維護(hù)。與原來(lái)單水槽水路切換的方案相比，縮短了水路系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間[11]，也更便于通過(guò)軟件標(biāo)定校準(zhǔn)采樣輸送產(chǎn)生的系統(tǒng)性誤差，從而提高了監(jiān)測(cè)精度[ 15-18]。

系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)主控制器，總體控制方案如圖1所示：對(duì)傳感器清潔裝置、傳感器(pH、溶氧、氨氮等)、水槽等進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制；MCGS觸摸屏、遠(yuǎn)程通訊模塊、PLC通訊，分別通過(guò)通訊協(xié)議關(guān)聯(lián)PLC中的軟元件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件設(shè)計(jì)與選擇

2.1　硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

裝置硬件大體上可以分為三軸移動(dòng)平臺(tái)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、傳感器清潔維護(hù)系統(tǒng)、電氣控制箱、顯示及控制系統(tǒng)5個(gè)部分(圖2)。三軸移動(dòng)平臺(tái)是核心，可以通過(guò)一組傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。三軸移動(dòng)平臺(tái)為三維空間結(jié)構(gòu)，X軸、Y軸在同一平面主要用來(lái)定位，Z軸掛有傳感器可進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，三軸都由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上有進(jìn)水口、出水口、溢流閥。進(jìn)水口和出水口都位于水槽底部，進(jìn)出水口接有水泵維持水槽液面平衡。顯示控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、傳感器組件、驅(qū)動(dòng)板、電源組成。通過(guò)顯示屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，反映養(yǎng)殖水體狀況。電氣控制箱布置在箱體側(cè)面，方便查看維修。

圖2　PLC控制系統(tǒng)流程圖

2.2　三軸移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

三軸移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示。三軸移動(dòng)系統(tǒng)中X、Y軸通過(guò)TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)42步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X、Y平面的精確定位，而Z軸是通過(guò)推桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)Z軸的上下移動(dòng)，在X、Y、Z軸方向設(shè)置有兩組限位開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)三軸移動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)位和保護(hù)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、限位開(kāi)關(guān)都連接到PLC控制器的I/O接口模塊，由PLC控制三軸移動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)集成傳感器組件實(shí)現(xiàn)傳感器組件在不同水槽之間的切換，從而最終實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集與清潔維護(hù)狀態(tài)的切換，X軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3　系統(tǒng)三軸移動(dòng)平臺(tái)示意圖

步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)決定了用戶的實(shí)現(xiàn)需求，所以步進(jìn)電機(jī)的選型從這兩方面出發(fā)，其中，有些指標(biāo)在電機(jī)出廠前已經(jīng)設(shè)定，有些是根據(jù)用戶實(shí)際控制要求進(jìn)行設(shè)定。下面將根據(jù)實(shí)際要求，確定步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型。1)相數(shù)：表示產(chǎn)生不同對(duì)極(N、S)磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)(m)，這里采用常用的兩相四線步進(jìn)電機(jī)。2)步距角：表示電機(jī)驅(qū)動(dòng)板每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移用θ表示，和電機(jī)工作時(shí)的實(shí)際步距角可能會(huì)有出入，用戶為了編程的方便，可以借助驅(qū)動(dòng)板的機(jī)械細(xì)分進(jìn)行步距角的調(diào)整，通常步進(jìn)電機(jī)步距角β按下式計(jì)算。

β=360°/(Z×M×K)

(1)

式中：β―步進(jìn)電機(jī)的步距角；Z―轉(zhuǎn)子齒數(shù)；M―步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)；K―控制系數(shù)，拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)。選用步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)。

圖4　X軸結(jié)構(gòu)示意圖

2.3　清水循環(huán)系統(tǒng)

清水循環(huán)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5　清水循環(huán)系統(tǒng)示意圖

清水槽外部設(shè)計(jì)有專(zhuān)門(mén)的清水循環(huán)系統(tǒng)，包括清水循環(huán)水泵、清水儲(chǔ)水箱凈水系統(tǒng)。采用過(guò)濾精度為0.001～0.02 μm的超純過(guò)濾系統(tǒng)，可去除水中的藻類(lèi)等雜質(zhì)，保證用于浸泡的清水系統(tǒng)潔凈度，減少對(duì)傳感器的污染。當(dāng)傳感器完成水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)，傳感器組件自動(dòng)返回到清水箱中進(jìn)行傳感器清洗，在清水水槽的適當(dāng)位置設(shè)置有海綿擦拭裝置，控制器控制X軸、Y軸驅(qū)動(dòng)傳感器組件以適當(dāng)?shù)乃俣纫苿?dòng)，實(shí)現(xiàn)傳感器的柔性擦拭，延長(zhǎng)傳感器的使用壽命、提高測(cè)試精度。

2.4　關(guān)鍵組件選擇

2.4.1PLC控制器

采用國(guó)產(chǎn)普中PLC，型號(hào)PZ-36MT-3AD-3PG。該P(yáng)LC工作電壓為DC 24 V，具有18路輸入、18路輸出，輸出為大功率晶體管輸出，適合控制系統(tǒng)中的電感性負(fù)載電磁閥；通訊接口有RS232、RS485、SPI_MS，程序空間為256 K，內(nèi)部繼電器M有5 200點(diǎn)，計(jì)時(shí)器C有200點(diǎn)，滿足系統(tǒng)需求。對(duì)于該系統(tǒng)PLC的I/O口分配如下表1所示。

表1　PLC的I/O分配表

2.4.2溶氧傳感器

從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等多方面考慮，選用北京博海致遠(yuǎn)科技有限公司的DO—8100型溶氧傳感器。其電極為50 μm抗污染特氟隆膜，具有模擬量信號(hào)輸出，通過(guò)串口RS485協(xié)議將測(cè)量參數(shù)返回，具有響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2.4.3pH傳感器

pH傳感器采用北京博海致遠(yuǎn)科技有限公司的pH—210型pH /ORP測(cè)試儀，該測(cè)試儀接觸面使用了新型設(shè)計(jì)的玻璃球泡，能夠防止內(nèi)緩沖液中干擾氣泡的生成；探頭采用pH—210型，具有長(zhǎng)距離的參比擴(kuò)散途徑，延長(zhǎng)了電極在惡劣環(huán)境下的使用壽命，能夠有效地降低成本。

2.4.4現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏

控制系統(tǒng)選用了型號(hào)為T(mén)PC1062K型MCGS觸摸屏[4]，該觸摸屏替代了傳統(tǒng)的多控制按鍵，具有強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能，不僅具有可視化功能和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，還能夠?qū)崟r(shí)顯示傳感器采集到的水質(zhì)信息，便于人們及時(shí)對(duì)水環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)整，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1　軟件總體設(shè)計(jì)

軟件總體設(shè)計(jì)包括PLC及其他外部設(shè)備功能程序的設(shè)計(jì)、MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)等。軟件總體設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6　軟件總體設(shè)計(jì)圖

3.2　程序設(shè)計(jì)

3.2.1PLC主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通電后，傳感器組件搭載在三軸移動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行位置初始化，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置為實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池1、養(yǎng)殖池2、養(yǎng)殖池3自動(dòng)循環(huán)監(jiān)測(cè)模式，完成監(jiān)測(cè)任務(wù)后，進(jìn)行傳感器的清潔維護(hù)，傳感器運(yùn)動(dòng)到清水槽的擦拭位置，首先完成傳感器表面的藻類(lèi)和難于清洗的附著物的柔性擦拭工作，然后再控制傳感器組件在清水槽中進(jìn)行來(lái)回沖洗，完成清洗工作后，通過(guò)清水槽中的校準(zhǔn)傳感器與監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，如果監(jiān)測(cè)傳感器與校準(zhǔn)傳感器的偏差太大，會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，提醒養(yǎng)殖人員要更換新的監(jiān)測(cè)傳感器。PLC程序采用梯形圖設(shè)計(jì)，由于程序較長(zhǎng)，這里給出主程序設(shè)計(jì)的流程圖(圖7)。

PLC通電，系統(tǒng)初始化后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，若是，設(shè)置則選擇參數(shù)設(shè)置，若否，則選擇工作方式。工作方式分為手動(dòng)和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式選擇傳感器采集模式或傳感器清洗模式，自動(dòng)模式為系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)手動(dòng)模式與自動(dòng)模式遇到液位超限、設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即停止運(yùn)行并報(bào)警。

圖7　PLC主程序運(yùn)行流程圖

3.2.2三軸移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

由PLC控制移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)傳感器分時(shí)復(fù)用。三軸移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖8所示。

圖8　三軸移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

這部分程序設(shè)計(jì)主要是依據(jù)系統(tǒng)設(shè)置完成對(duì)安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的傳感器組件X、Y、Z坐標(biāo)軸的控制循環(huán)，實(shí)現(xiàn)傳感器的分時(shí)復(fù)用。其中參數(shù)設(shè)置包括移動(dòng)速度、移動(dòng)模式等，功能運(yùn)行是指進(jìn)入數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)或傳感器清潔模式。如前所述，X、Y、Z三軸均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，程序設(shè)計(jì)中采用帶加減速功能的脈沖輸出指令控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各軸的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

3.2.3水質(zhì)監(jiān)測(cè)與傳感器清潔系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)通電后，系統(tǒng)開(kāi)始初始化，進(jìn)行觸摸屏和PLC之間通訊測(cè)試；測(cè)試成功后可進(jìn)行工作狀態(tài)參數(shù)設(shè)置，其中包括有多個(gè)水槽自動(dòng)循環(huán)監(jiān)測(cè)、單個(gè)水槽監(jiān)測(cè)、擦拭次數(shù)、監(jiān)測(cè)時(shí)間等參數(shù)設(shè)定；按下啟動(dòng)按鈕后，對(duì)應(yīng)進(jìn)水水泵打開(kāi)，當(dāng)液面到達(dá)監(jiān)測(cè)液位后打開(kāi)出水水泵，此時(shí)傳感器組件到達(dá)設(shè)定好的監(jiān)測(cè)位置時(shí)，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)；采集完成后，移動(dòng)平臺(tái)控制傳感器運(yùn)動(dòng)到清水水槽進(jìn)行傳感器的清潔維護(hù)。在清潔維護(hù)時(shí)，首先對(duì)傳感器進(jìn)行柔性擦拭，當(dāng)達(dá)到擦拭次數(shù)后再進(jìn)行清水往復(fù)清洗，達(dá)到預(yù)定清洗次數(shù)后，監(jiān)測(cè)傳感器與校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)二者的差值超過(guò)設(shè)定偏差值時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信息。系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖9。

3.3　MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)

組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)分為建立相應(yīng)的系統(tǒng)框圖窗口、畫(huà)面編輯、動(dòng)畫(huà)連接等。通過(guò)上述步驟建立監(jiān)控操作窗口。在主界面中主要完成整個(gè)裝置的控制，包括觸摸屏與PLC的通訊測(cè)試，裝置的啟動(dòng)、停止、復(fù)位，各個(gè)養(yǎng)殖池塘的動(dòng)畫(huà)顯示及對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)的顯示，對(duì)應(yīng)養(yǎng)殖池塘的具體詳情窗口查詢；在界面中按下啟動(dòng)按鈕，裝置開(kāi)始工作，通過(guò)組態(tài)軟件中的各種構(gòu)件，設(shè)計(jì)出現(xiàn)場(chǎng)模擬運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，讓養(yǎng)殖人員直接看到裝置的運(yùn)行狀態(tài)和采集到的數(shù)據(jù)，方便管理。

每個(gè)養(yǎng)殖池塘都設(shè)有對(duì)應(yīng)的具體詳情查看窗口，界面中設(shè)有該養(yǎng)殖池塘的監(jiān)測(cè)啟動(dòng)、停止、復(fù)位按鈕，現(xiàn)場(chǎng)工作模擬包括傳感器、水泵的工作狀態(tài)顯示，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)溶氧、溫度、pH顯示，對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)置包括：清洗次數(shù)設(shè)置、擦拭次數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)時(shí)間設(shè)置、傳感器監(jiān)測(cè)深度設(shè)置。對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)查詢包括監(jiān)測(cè)指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)查詢和發(fā)生報(bào)警信息的查詢。從這個(gè)界面中可以有效地對(duì)養(yǎng)殖池塘進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。

圖9　水質(zhì)監(jiān)測(cè)與傳感器清潔系統(tǒng)流程圖

4　結(jié)果與分析

對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試，選擇的取水點(diǎn)分別為管道輸送距離5 m、10 m和30 m處，采用2.4節(jié)中所述傳感器，啟動(dòng)水泵5 min，待系統(tǒng)穩(wěn)定后開(kāi)始取樣。對(duì)布置在池塘原位和測(cè)試水槽中的傳感器監(jiān)測(cè)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，在30 m取樣范圍內(nèi)，pH、溶氧和水溫的最大相對(duì)偏差均小于3%，隨著輸送距離的增加，取樣偏差略有增加。布置在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器由于環(huán)境差異，在15 d之后的數(shù)據(jù)已經(jīng)不具備參考價(jià)值，而浸泡在清水箱中的傳感器無(wú)明顯變化。試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性，后續(xù)將對(duì)該裝置性能開(kāi)展進(jìn)一步詳細(xì)測(cè)試。

5　結(jié)論

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖中存在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高、缺乏對(duì)傳感器的自動(dòng)清潔維護(hù)等問(wèn)題，提出了采用一組水質(zhì)傳感器組件完成多點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)的設(shè)想，并設(shè)計(jì)出了具有多點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與傳感器清潔功能的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置。水泵將池塘中需要監(jiān)測(cè)的水質(zhì)引至裝置中對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)水槽，利用三軸移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)傳感器組件的移動(dòng)，完成一組傳感器對(duì)多點(diǎn)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。為解決傳感器的清潔維護(hù)工作，裝置設(shè)有清水槽，利用海綿柔性擦拭和水流來(lái)回沖洗相結(jié)合的清洗方式，初步測(cè)試結(jié)果表明可有效緩解傳感器上藻類(lèi)及微生物的附著問(wèn)題。通過(guò)校準(zhǔn)傳感器及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)傳感器的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。采用MCGS組態(tài)軟件對(duì)觸摸屏進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)整個(gè)裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化控制。

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