單慧勇，田云臣，張仲雄，全鵬坤，朱銀龍，華旭峰

(1 天津農(nóng)學院工程技術(shù)學院,天津 300384；2 天津農(nóng)學院計算機與信息工程學院,天津 300384)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，為保證生產(chǎn)安全，需對溶氧(DO)、pH、水溫等多項水質(zhì)參數(shù)進行實時在線監(jiān)測[1-3]。由于監(jiān)測傳感器長期浸泡在水中，水中的污染物、微生物、藻類等容易附著在傳感器表面，嚴重影響傳感器的監(jiān)測精度，嚴重時甚至會導致設備產(chǎn)生誤動作。在實際生產(chǎn)中，主要依靠人工定期清潔傳感器，污染嚴重時，一周就需要對傳感器清潔一次，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，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)測得到廣泛應用，水質(zhì)傳感器的自動清潔問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)實踐中推廣應用。由于水質(zhì)監(jiān)測傳感器目前價格較高，面對水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測點較多的情況，需要考慮使用一組傳感器實現(xiàn)多點水質(zhì)監(jiān)測，以降低系統(tǒng)成本[12-14]。

本文提出了一種可實現(xiàn)多點水質(zhì)監(jiān)測與傳感器自動清潔維護的解決方案，借助搭載在三軸移動平臺上的一組傳感器和多水槽系統(tǒng)，可以完成多點水質(zhì)監(jiān)測及傳感器的自動清潔。該設計方案提高了傳感器的使用效率，降低了使用成本，目前已申報了專利[16]，并開發(fā)了系統(tǒng)樣機進行測試。

1　系統(tǒng)總體控制方案

傳感器分時復用方案采用多水槽水質(zhì)采樣箱和三軸移動平臺系統(tǒng)，使用采樣泵將多個監(jiān)測點位的水抽取引入到對應監(jiān)測水槽中，結(jié)合三軸移動系統(tǒng)實現(xiàn)多點水質(zhì)監(jiān)測，同時設置專用清潔水槽配合清潔毛刷對傳感器自動清潔維護。與原來單水槽水路切換的方案相比，縮短了水路系統(tǒng)穩(wěn)定的時間[11]，也更便于通過軟件標定校準采樣輸送產(chǎn)生的系統(tǒng)性誤差，從而提高了監(jiān)測精度[ 15-18]。

系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場主控制器，總體控制方案如圖1所示：對傳感器清潔裝置、傳感器(pH、溶氧、氨氮等)、水槽等進行監(jiān)測控制；MCGS觸摸屏、遠程通訊模塊、PLC通訊，分別通過通訊協(xié)議關聯(lián)PLC中的軟元件，實現(xiàn)現(xiàn)場與遠程監(jiān)控。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件設計與選擇

2.1　硬件系統(tǒng)總體設計

裝置硬件大體上可以分為三軸移動平臺、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、傳感器清潔維護系統(tǒng)、電氣控制箱、顯示及控制系統(tǒng)5個部分(圖2)。三軸移動平臺是核心，可以通過一組傳感器實現(xiàn)對多點水質(zhì)的監(jiān)測。三軸移動平臺為三維空間結(jié)構(gòu)，X軸、Y軸在同一平面主要用來定位，Z軸掛有傳感器可進行上下運動，三軸都由步進電機進行控制。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)上有進水口、出水口、溢流閥。進水口和出水口都位于水槽底部，進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)動板、電源組成。通過顯示屏顯示實時數(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　三軸移動平臺運動設計

三軸移動平臺運動示意圖如圖3所示。三軸移動系統(tǒng)中X、Y軸通過TB6560步進電機驅(qū)動板驅(qū)動42步進電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)X、Y平面的精確定位，而Z軸是通過推桿電機實現(xiàn)Z軸的上下移動，在X、Y、Z軸方向設置有兩組限位開關，實現(xiàn)三軸移動系統(tǒng)的復位和保護。步進電機驅(qū)動器、推桿電機驅(qū)動器、限位開關都連接到PLC控制器的I/O接口模塊，由PLC控制三軸移動系統(tǒng)帶動集成傳感器組件實現(xiàn)傳感器組件在不同水槽之間的切換，從而最終實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集與清潔維護狀態(tài)的切換，X軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3　系統(tǒng)三軸移動平臺示意圖

步進電機的靜態(tài)指標和動態(tài)指標決定了用戶的實現(xiàn)需求，所以步進電機的選型從這兩方面出發(fā)，其中，有些指標在電機出廠前已經(jīng)設定，有些是根據(jù)用戶實際控制要求進行設定。下面將根據(jù)實際要求，確定步進電機的類型。1)相數(shù)：表示產(chǎn)生不同對極(N、S)磁場的激磁線圈對數(shù)(m)，這里采用常用的兩相四線步進電機。2)步距角：表示電機驅(qū)動板每發(fā)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)動的角位移用θ表示，和電機工作時的實際步距角可能會有出入，用戶為了編程的方便，可以借助驅(qū)動板的機械細分進行步距角的調(diào)整，通常步進電機步距角β按下式計算。

β=360°/(Z×M×K)

(1)

式中：β―步進電機的步距角；Z―轉(zhuǎn)子齒數(shù)；M―步進電動機的相數(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°的步進電機。

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

清水槽外部設計有專門的清水循環(huán)系統(tǒng)，包括清水循環(huán)水泵、清水儲水箱凈水系統(tǒng)。采用過濾精度為0.001～0.02 μm的超純過濾系統(tǒng)，可去除水中的藻類等雜質(zhì)，保證用于浸泡的清水系統(tǒng)潔凈度，減少對傳感器的污染。當傳感器完成水質(zhì)監(jiān)測任務，傳感器組件自動返回到清水箱中進行傳感器清洗，在清水水槽的適當位置設置有海綿擦拭裝置，控制器控制X軸、Y軸驅(qū)動傳感器組件以適當?shù)乃俣纫苿樱瑢崿F(xiàn)傳感器的柔性擦拭，延長傳感器的使用壽命、提高測試精度。

2.4　關鍵組件選擇

2.4.1PLC控制器

采用國產(chǎn)普中PLC，型號PZ-36MT-3AD-3PG。該PLC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，計時器C有200點，滿足系統(tǒng)需求。對于該系統(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、實用等多方面考慮，選用北京博海致遠科技有限公司的DO—8100型溶氧傳感器。其電極為50 μm抗污染特氟隆膜，具有模擬量信號輸出，通過串口RS485協(xié)議將測量參數(shù)返回，具有響應時間短、測量數(shù)據(jù)準確性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

2.4.3pH傳感器

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

2.4.4現(xiàn)場觸摸屏

控制系統(tǒng)選用了型號為TPC1062K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，還能夠?qū)崟r顯示傳感器采集到的水質(zhì)信息，便于人們及時對水環(huán)境因子進行調(diào)整，提高經(jīng)濟效益。

3　軟件設計

3.1　軟件總體設計

軟件總體設計包括PLC及其他外部設備功能程序的設計、MCGS組態(tài)設計等。軟件總體設計如圖6所示。

圖6　軟件總體設計圖

3.2　程序設計

3.2.1PLC主程序設計

系統(tǒng)通電后，傳感器組件搭載在三軸移動平臺上進行位置初始化，系統(tǒng)默認設置為實現(xiàn)養(yǎng)殖池1、養(yǎng)殖池2、養(yǎng)殖池3自動循環(huán)監(jiān)測模式，完成監(jiān)測任務后，進行傳感器的清潔維護，傳感器運動到清水槽的擦拭位置，首先完成傳感器表面的藻類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行來回沖洗，完成清洗工作后，通過清水槽中的校準傳感器與監(jiān)測傳感器進行參數(shù)對比，如果監(jiān)測傳感器與校準傳感器的偏差太大，會發(fā)出報警信息，提醒養(yǎng)殖人員要更換新的監(jiān)測傳感器。PLC程序采用梯形圖設計，由于程序較長，這里給出主程序設計的流程圖(圖7)。

PLC通電，系統(tǒng)初始化后進行系統(tǒng)設置，若是，設置則選擇參數(shù)設置，若否，則選擇工作方式。工作方式分為手動和自動模式，手動模式選擇傳感器采集模式或傳感器清洗模式，自動模式為系統(tǒng)自動運行。當手動模式與自動模式遇到液位超限、設備發(fā)生故障時，系統(tǒng)會立即停止運行并報警。

圖7　PLC主程序運行流程圖

3.2.2三軸移動平臺系統(tǒng)的程序設計

由PLC控制移動平臺實現(xiàn)傳感器分時復用。三軸移動平臺系統(tǒng)運行流程圖如圖8所示。

圖8　三軸移動平臺系統(tǒng)運行流程圖

這部分程序設計主要是依據(jù)系統(tǒng)設置完成對安裝在移動平臺上的傳感器組件X、Y、Z坐標軸的控制循環(huán)，實現(xiàn)傳感器的分時復用。其中參數(shù)設置包括移動速度、移動模式等，功能運行是指進入數(shù)據(jù)監(jiān)測或傳感器清潔模式。如前所述，X、Y、Z三軸均采用步進電機驅(qū)動，程序設計中采用帶加減速功能的脈沖輸出指令控制電機運動，實現(xiàn)各軸的平穩(wěn)運動。

3.2.3水質(zhì)監(jiān)測與傳感器清潔系統(tǒng)程序設計

當系統(tǒng)通電后，系統(tǒng)開始初始化，進行觸摸屏和PLC之間通訊測試；測試成功后可進行工作狀態(tài)參數(shù)設置，其中包括有多個水槽自動循環(huán)監(jiān)測、單個水槽監(jiān)測、擦拭次數(shù)、監(jiān)測時間等參數(shù)設定；按下啟動按鈕后，對應進水水泵打開，當液面到達監(jiān)測液位后打開出水水泵，此時傳感器組件到達設定好的監(jiān)測位置時，開始采集數(shù)據(jù)；采集完成后，移動平臺控制傳感器運動到清水水槽進行傳感器的清潔維護。在清潔維護時，首先對傳感器進行柔性擦拭，當達到擦拭次數(shù)后再進行清水往復清洗，達到預定清洗次數(shù)后，監(jiān)測傳感器與校準傳感器進行對比，當二者的差值超過設定偏差值時，產(chǎn)生報警信息。系統(tǒng)流程圖見圖9。

3.3　MCGS組態(tài)設計

組態(tài)畫面設計分為建立相應的系統(tǒng)框圖窗口、畫面編輯、動畫連接等。通過上述步驟建立監(jiān)控操作窗口。在主界面中主要完成整個裝置的控制，包括觸摸屏與PLC的通訊測試，裝置的啟動、停止、復位，各個養(yǎng)殖池塘的動畫顯示及對應的監(jiān)測指標的顯示，對應養(yǎng)殖池塘的具體詳情窗口查詢；在界面中按下啟動按鈕，裝置開始工作，通過組態(tài)軟件中的各種構(gòu)件，設計出現(xiàn)場模擬運動場景，讓養(yǎng)殖人員直接看到裝置的運行狀態(tài)和采集到的數(shù)據(jù)，方便管理。

每個養(yǎng)殖池塘都設有對應的具體詳情查看窗口，界面中設有該養(yǎng)殖池塘的監(jiān)測啟動、停止、復位按鈕，現(xiàn)場工作模擬包括傳感器、水泵的工作狀態(tài)顯示，對應監(jiān)測指標溶氧、溫度、pH顯示，對應參數(shù)設置包括：清洗次數(shù)設置、擦拭次數(shù)設置、監(jiān)測時間設置、傳感器監(jiān)測深度設置。對應數(shù)據(jù)查詢包括監(jiān)測指標的歷史數(shù)據(jù)查詢和發(fā)生報警信息的查詢。從這個界面中可以有效地對養(yǎng)殖池塘進行監(jiān)測控制。

圖9　水質(zhì)監(jiān)測與傳感器清潔系統(tǒng)流程圖

4　結(jié)果與分析

對試驗裝置進行測試，選擇的取水點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，啟動水泵5 min，待系統(tǒng)穩(wěn)定后開始取樣。對布置在池塘原位和測試水槽中的傳感器監(jiān)測比對發(fā)現(xiàn)，在30 m取樣范圍內(nèi)，pH、溶氧和水溫的最大相對偏差均小于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)不具備參考價值，而浸泡在清水箱中的傳感器無明顯變化。試驗結(jié)果初步驗證了該設計方案的可行性，后續(xù)將對該裝置性能開展進一步詳細測試。

5　結(jié)論

針對目前國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖中存在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)成本高、缺乏對傳感器的自動清潔維護等問題，提出了采用一組水質(zhì)傳感器組件完成多點的水質(zhì)監(jiān)測的設想，并設計出了具有多點水質(zhì)監(jiān)測與傳感器清潔功能的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測裝置。水泵將池塘中需要監(jiān)測的水質(zhì)引至裝置中對應的監(jiān)測水槽，利用三軸移動平臺實現(xiàn)傳感器組件的移動，完成一組傳感器對多點水質(zhì)的監(jiān)測。為解決傳感器的清潔維護工作，裝置設有清水槽，利用海綿柔性擦拭和水流來回沖洗相結(jié)合的清洗方式，初步測試結(jié)果表明可有效緩解傳感器上藻類及微生物的附著問題。通過校準傳感器及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)測傳感器的監(jiān)測問題。采用MCGS組態(tài)軟件對觸摸屏進行開發(fā)，對整個裝置運行狀態(tài)進行監(jiān)測與控制，實現(xiàn)了整個檢測過程的自動化控制。

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