基于DCS控制的工廠化水產養殖系統的研究

摘" 要：針對傳統水質監測效率低、人力成本高、實時性差的問題，設計了以集散控制系統（Distributed Control System，DCS）為核心的工廠化水產養殖系統。該系統通過傳感器將實時水體和餌料含量信息，由A/D轉換器轉換成數字信號后送入PID（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制器，根據PID控制策略與算法，將其與設定的值實時比較并生成控制信號，調整調節模塊，實現實時監測與控制。基于LoRa的無線通信模塊將結果送到終端，用戶便可以通過手機App查看或修改參數設置，同時可以操控水泵進行換水和實現自動投餌，實現準確、有效的養殖環境檢測系統。

關鍵詞：DCS系統 ""水產養殖" "PID控制 ""自動化

中圖分類號：TP273.3

Research onDesign of Factory Aquaculture System Based on DCS Control

ZHAO Wenyu" MA Zhanjun^*" JI Zhenwu

School of Information Science and Engineering， Dalian Ocean University， Dalian， Liaoning Province， 116023 China

Abstract： In response to the problems of low efficiency， high labor costs， and poor real-time performance in traditional water quality monitoring， this paper proposes the design of a factory based aquaculture system with Distributed Control System （DCS） as the core has been designed. The system uses sensors to convert real-time water and bait content information into digital signals through an A/D converter， which are then sent to a Proportional Integral Derivative （PID） controller. Based on the PID control strategy and algorithm， it compares it with the set values in real time and generates control signals to adjust the adjustment module， achieving real-time monitoring and control. The LoRa based wireless communication module can send the results to the terminal， and users can view or modify parameter settings through the mobile app. At the same time， they can control the water pump to change water and achieve automatic feeding， realizing an accurate and effective aquaculture environment detection system.

Key Wwords： DCS system; Aquaculture; PID control; Automation

傳統的水質監測依賴于人工經驗判斷，雖然該監測操作簡單，但存在水質采樣不足、實時性較差、耗時費力的缺點，無法實現高效、精準的監測與控制。隨著互聯網、通信技術、計算機科學技術的不斷發展，采用集散控制系統（Distributed Control System，DCS）系統、傳感器技術實現實時監測、調節控制顯得尤為重要。針對上述問題，本文提出建立以DCS系統為核心的水產養殖系統。該系統以PID控制器作為主控制器，利用溫度傳感器、光照傳感器、pH值傳感器和超聲波傳感器實時獲取水質、飼料含量信息，并將其數據傳入PID控制器中；基于模糊PID控制算法的DCS系統，便會實時控制執行器（水泵、閥門等）；基于LoRa的無線通信模塊將結果送到終端，用戶便可以通過手機App實時查看，真正實現了實時監測與控制。

1 "DCS系統的應用

DCS控制系統主要采用了模糊PID控制算法，實現數據采集、過程控制和操作管理。在DCS系統通過溫度、pH值、TDS（Total Dissolved solids，TDS）等傳感器，將溫度大小、pH值、溶解氧含量等物理量數據，經過ADC（Analog-to-Digital Converter，ADC）轉換成電信號，再傳入控制器中。控制器則處理這些數據，根據控制策略與算法，將其與設定的值實時比較，并生成控制信號，控制執行器（如水泵、供氧機等），進而實現了自動化控制^[2]。

除此之外，還需要無線通信以及工業網絡之間進行通信，進而實現數據在傳感器、控制器和工作臺之間的傳輸與交互。工作臺的員工通過無線通信可以在線查看實時數據、歷史數據，甚至還可以手動輸入報警信號或修改設定值。DCS系統真正實現了高效與高擴展性的統一^[3]。

2 "系統的總體設計

根據傳感器、無線通信技術和 DCS系統，規劃出以下系統流程（如圖1所示）。分為水質檢測模塊與自動投餌模塊。初始化后，首先數據采集。傳感器采集的數據先進行 A/D轉換后，成為數字量進入PID控制器。根據PID控制策略與算法，將其與設定的值實時比較，并生成控制信號，調整調節模塊。利用無線通信技術，工作人員也可以通過手機、電腦查找實時數據、歷史數據；同時，也可以通過手機或電腦調節光源、溫度、水量或啟動投餌模塊^[4]。

3 ""硬件系統

3.1 ""溫度檢測系統

溫度是水產養殖的重要影響因素，過高或過低的溫度關系著魚類的生長繁殖。通過DCS系統，可以實現 24 h全方位監測養殖水域水溫，當溫度高于或低于設定范圍后，系統就會自動打開控溫裝備，直到水溫正常，持續實時監控。

本系統采用 DS18B20溫度傳感器。它采用單總線接口，具有高精度和廣泛的工作溫度范圍的特點。DS18B20具有高度精確的溫度測量能力，可以精準測量-55°～+125 ℃的溫度。單總線接口的方式，使多個傳感器可以通過單一數據線進行通信。這種簡化的連接方案降低了電路復雜性和布線成本。

3.2 "光照檢測系統

光照的長短、強弱決定魚類的生長繁殖和產品質量等各種問題。自動化養殖系統可以通過智能照明系統來自動計算養殖時魚類需要的光照長短，并決定是否需要開關燈光。

本系統采用ISL29004傳感器，既可以監測可見光，也可以監測紅外光。傳感器包含的抑制濾波器可以消除人為光閃，降低光閃爍現象對可見光光照度檢測結果的影響，因此，其在水域監測系統中有顯著優勢。

3.3 "pH值檢測系統

如果水域中pH值過低，水體會呈現出酸性，而這會引起海洋生物病變，導致氧的利用率減少，造成水產品生病或者水中細菌繁殖迅速。通過安裝pH值測試探頭，可以借此來監測水中pH值含量：當水中的pH值超過設定值，將會控制自動開啟水口閥進行換水；pH值恢復到正常范圍后，再關閉水口閥門。

pH傳感器的工作原理為：氫離子玻璃電極與參比電極共組成原電池，在玻璃膜與溶液中的氫離子進行離子交換過程中，憑借兩電極間的電位差，可以檢測出溶液中的氫離子濃度大小，從而測溶液的pH值。

3.4 "飼料余量檢測模塊

超聲波傳感器主要利用了超聲波的特性。超聲波在液體、固體中的穿透本領很強，在遇到雜質或者分界面時會發生反射現象。利用這一個特性，在飼料余量不足時，超聲波傳感器就會在飼料分界面處產生明顯反射，根據超聲波傳感器發送超聲波與接收超聲波的時間差，便能分析得到飼料余量，進而把飼料余量不足的信號傳入PID控制器中，啟動自動投餌模塊。

3.5 "自動投餌模塊

在需要投餌的位置設置開關，通過電機的帶動投餌裝置會在軌道上運動，等到達指定的位置后，系統就接收到信號，實現多點的精準投餌。其中，投餌裝置中配有步進電機，其發送的不同脈沖信號可以控制電機的轉速與運行時間，進而實現魚餌的定量下料；拋料裝置選用旋轉葉片式步進電機，可以實現餌料均勻拋撒，進而實現定時定量科學投餌。

3.6 "無線通信系統

本系統中的無線通信部分采用LoRa遠距離無線電。這種基于擴頻技術的無線傳輸，其最大的優勢便是遠距離與低功耗的統一。LoRa無線電在有建筑物遮擋的情況下，其傳輸距離可達5 km，在空曠處可以傳輸15 km，比傳統的無線通信更加方便。除此之外，LoRa基于的擴頻技術具有前向糾錯的能力，在后期使用中更能降低成本。

4" 軟件部分

4.1 "A/D轉換系統

由于光傳感器、pH傳感器、超聲波傳感器都為信號傳感器，而且DCS系統都為二進制或數字信號組成，因此需要對此進行A/D轉換，轉成數字信號后，才能進行DCS系統處理。

A/D轉換包括以下4點。（1）采樣：將其連續的時間信號轉化為時間上離散的點。（2）保持：將那些離散的點的幅度保持不變，并維持到轉換過程結束。（3）量化：將采樣與保持后的電平歸到與之接近的離散電平之中。（4）編碼：經量化后的電平，以二進制的形式表示出來。

4.2 "顯示屏

由于OLED跟傳統的LED相比，具有自發光、不需背光、低耗能的特點，因此研究選用OLED12864作為顯示屏。

像素顯示原理：屏幕像素是以矩陣劃分的，水平方向分為8個頁面（page），垂直方向劃分為128個列（column）。每個page-column區域包含8個像素，由一個十六進制（8位）進行控制，每個位對應一個像素。十六進制（0和1）可映射出像素的滅與亮。

4.3 ""PID控制原理系統

圖2為水質的檢測控制圖，主要基于的是閉環負反饋自動控制原理，由傳感器、DCS的PID控制器、水泵等模塊組成的閉環系統，利用PID控制實現水質的檢測與自動投餌^[5]。

在基于PID控制算法的反饋調節控制中，傳感器（pH傳感器、T超聲波傳感器、溫度傳感器等）實時采集數據，并將溫度、pH和飼料余量等信息反饋給PID控制器中。PID控制器根據理想值與實際值間的差值，給出不同的控制信號，經過信號的轉換后傳給調節器，通過進出水、供氧機的運行等。通過不斷的循環，PID控制器便能夠實現對水質的實時檢測與精準控制。

PID控制有著三大優勢。（1）響應速度快：PID控制算法能夠通過實際值與理想值的差值，調整調節模塊，因此能夠在短時間內實現需求。（2）高精度控制：通過PID參數的合理調節，可以精確控制，提高系統的效率。（3）較強的魯棒性與適應性：能夠應對多種復雜的環境變化，比如pH變化、溫度撥動、調節模塊延時等情況，使系統控制更具穩定性^[6]。

5 ""結語與展望

5.1" 結語

本文研究以DCS控制系統為核心，各類傳感器對水體信息和餌料含量進行檢測，通過 A/D轉換，將轉換后的數字量傳送到系統中。系統采用PID控制方法實時控制調節模塊，實現了對水產養殖環境與自動投餌的控制。通過無線傳輸模塊將信息傳送到手機 App，實時查看水質各項參數信息，同時可以操控水泵進行換水和實現自動投餌，實現準確、有效的養殖環境檢測系統。

5.2" 展望

近年來，全國的水產養殖業發展勢頭較好。水產養殖的規模不斷擴大，結構調整取得了新進展，水產養殖業得到了快速發展。而且，隨著人口的不斷發展以及對食品安全和可持續發展的追求，智能化水產養殖系統技術逐漸成為水產養殖業的熱門話題。智能養殖技術的引入為養殖業帶來了全新的發展與挑戰，推動著傳統漁業向智慧漁業的方向轉型。養殖智能化的應用提高了養殖效率，實現了養殖業的可持續發展。隨著智能傳感技術、物聯網技術、大數據分析等的不斷涌現和技術的不斷創新，養殖智能化將為農村產業發展注入新的活力。

參考文獻

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