基于PLC循环水养殖温控系统的设计

第11卷第20期20l年7月科学技术与工程Vol 11 No 20 July 2011671-1815(2011)20-4734-0nce lechnologyngneerInC2011 Sci Tech. Engng农业科学基于PLC循环水养殖温控系统的设计吴燕翔胡咏梅刘雨青(上海海洋大学工程学院,上海201306)摘要针对目前国内水产养殖监控系统較落后的研究现状,设计了采用西门子7—200PLC的循环水养殖温控系统,采用PD控制算法,对养殖池的水位和温度进行实时监控,实现养殖池温度和水位的恒定控制。详细介绍了系统的整体控制方案工作原理,并给出了系统的软、硬件结构设计,有效地实现了系统的逻辑控制、安全控制、故障显示及故障处理。关健词 PLC PID算法循环水养殖系统水位温度中图法分类号S951.41TP273.1;文献标志码A近年来,国外水产养殖的技术发展较快,在水位进行实时监控,实现养殖池温度和水位的恒定体消毒、净化,池底排污,增氧及控温方面,几乎采控制。用了现代所有可以引用的先进技术,水产养殖已经达到相当高的自动化程度1。但我国渔业现代化1系统的工艺设计和整体控制方案起步较晩,现代化水产养殖应具备的高溶氧、控温水质净化技术还比较落后,而从国外直接引进现代1.1工艺设计化的养殖设备和控制系统价格高,运行成本高2本系统采用循环水养殖系统的工艺36,结合在国内无法推广普及。因此,研制一种适合于我国水处理技术,实现高密度养殖并节约水资源,与传的水产养殖监控系统具有十分重要的实际意义。统养殖模式相比,具有明显的优势,是一种环保型在水体循环的养殖系统中,需要监测或控制的水质节水型、高产值的养殖模式。主要由鱼类养殖池、参数很多,其中温度会影响许多其他的水质参数,调节池、循环水处理系统(包括微粒过滤机、沉淀所以温度是一个很重要的参数,也是本系统监测和池水处理生化反应器、泡沫分离—臭氧消毒装控制研究的重点。置、增氧装置)、锅炉热水供应系统等功能单元组基于PC在工业控制系统中的良好应用,本文成。该系统有60m2(1.2m×10m×5m)鱼池1将S7200C用于水产养殖控制系统中。整个系个,循环水处理系统1套,自来水作为综合系统的原统的工作原理为:从控制现场传感器送来的(4—水;放鱼前,系统运行2周,采用自然挂膜方法使生20)mA或(05)V的标准信号经过AD转换模块化反应器内的滤料形成净化功能选择体质健康送到现场控制单元(PC),经过PID运算后形成控无外伤的罗非鱼作为研究对象。工艺流程图如图1制信号,控制信号再经过D/A转换模块返送到现场所示。执行单元(调节阀或电磁阀),对养殖池的温度和水2011年3月22日收到上海市教育委员会科研创新项目(09YZ273)资助期吴燕翔,等:基于PC循环水养殖温控系统的设计4735输出水位调节阀1开度大小的信号输出臭氧发生器、泡沫分离器的启停的信号光输出水泵5、6的启停信号出增氧机的启停的信号警输出微粒过滤机的启停信号信输出水泵3、4的启停信号开度木小的信号输出锅炉、水泵2后停号养殖池锅炉控制器养殖池种故降输入信号器原水入口增氧机阀4调节阀阀7目循环泵泡沫分离器地面调节池阀养殖池淀污管道图1循环水养殖系统工艺流程图系统开始运行后,首先,增氧机的岀口电磁阀阀和原水进水口调节阀的开启程度,经调节后使得10、119、8开启,增氧机启动。其次,循环水处理系养殖池的温度和水位的实际值跟期望值一致。统启动,循环通道的电磁阀247、14、17、19开启,作面板显示面板循环水系统启动,此时有两条支路,一条是泵3开始启停个运行报警启动,将养殖用水从养殖池抽出,经微粒过滤机过滤后送到沉淀池;另一条支路是当系统运行了一段时间,水质净化到一定程度,不存在大颗粒的固体悬浮物时采用,由泵4启动,将养殖池的水直接泵给AD转换D/A转换沉淀池。由经验值可知,这两条支路4h切换一次。传感器然后泵5自动开启,泵6是备用泵,两泵同样4h切调节阀1匚调节阀12换一次,将养殖用水从沉淀池抽出送到生化反应器原水进热水管」进行生物过滤后送到调节池;调节池的水经臭氧消毒——泡沫分离后自动流回养殖池,完成一次水循环,同时另一次水循环开始。被控对象当养殖池的温度降低时,需要加入一定的热水升高温度,本系统的热水来源于锅炉,锅炉内有水图2系统整体方案图位传感器和温度传感器,从而保证锅炉内一直有-1.2系统的整体控制方案定水位的热水备用。最后,再根据养殖池的三个温本控制系统以PC为核心,利用传感器自动检4736科学技术与工程行转换,然后送给PC,PLC根据传感器检测的数EM232模拟量输出模块、1个EM223数字量输入输据,由控制算法计算出控制结果,经D/A转换后驱出模块。CPU226的LO点数是24/16,所以要扩展动执行件动作,自动调整温度和水位的值,使其与1个EM223数字量输入输出模块,它的LO点数是期望值一致。PIC并通过采集输入和输岀点的信号8/8,作用是提供附加的输入、输岀点,这样完全可以监控外围设备,并在显示面板上做相应的显示。这满足系统的要求。同时,选用1个EM231热电偶模样,PC就组成了现场监控单元,形成了循环水养殖块,专门用于温度的采样,1个EM231模拟量输人的控制系统。系统整体方案图如图2所示。模块,用于水位的采样,1个EM232模拟量输出模系统的控制参数有养殖池温度、养殖池水位、块,用于输岀调节阀的开度信号。由于本系统选用两条循环水处理系统的交替更换,具体通过控制温了EM23Ⅰ热电偶模块,所以选用热电偶传感器检测度调节阀开度、水位调节阀开度、电磁阀开关、锅炉温度,并选用浮球式水位传感器检测水位。启停、水泵启停、增氧机启停、微滤机启停、臭氧发2.2CPU226的LO地址分配生器启停、泡沫分离器启停等来实现。系统根据水循环水养殖温控系统的设计主要涉及了33个温传感器测得的养殖池内实际水温来控制温度调数字量输亼、23个数字量输岀,6个模拟量输入、2节阀的开度,水温控制值可以设定(例如:设定养殖个模拟量输出。CPU226的LO地址分配如表1池内温度为30℃,当温度低于30℃时,系统根据温所示。度差控制温度调节阀的开启程度,温度差较大时调2.3系统的软件设计节阀的开度大,温度差较小时调节阀开度小,以保本系统的程序设计由以下部分构成:主程序,持池内温度的平衡)。同理,系统根据养殖池内实初始化子程序6,养殖池温度PID参数初始化子程际水位来控制水位调节阀的开度。当水位差较大序3( PID CHO),养殖池水位PD参数初始化子程时,调节阀的开度大些;当水位差较小时,调节阀的序4(PID_CH1),循环及过滤生化系统子程序0,臭开度相应小些,自动调节水位。根据循环水养殖系氧杀毒一泡沫分离系统子程序1,锅炉热水供应系统的净化程度控制两条循环水处理系统的更换,更统子程序2,故障报警及显示子程序5,中断程序0换时间具体根据实际情况设定。本控制系统还具(ⅠN0),中断程序1(ⅠNT1)。本控制系统的控制有故障报警和显示功能,当养殖池内水位过低,水程序采用 STEP-Micro/win32软件以梯形图方式位过高,温度高,水泵、微滤机、泡沫分离器过载时编写。报警,PC发现问题后就立刻做出相应的保护动作主程序开始」避免事态扩大,停机处理,同时在显示面板上发出警告,数码管会显示故障代码,指出问题所在初始化、设定参数综上所述,PC将在该循环水养殖系统中起到对各功能的监控保护,系统故障诊断、逻辑控制等手动←自动?重要作用。水位低?停机及报警控制系统的设计调用各模块2.1系统的硬件设计子程序根据系统的要求,选取西门子PCS7—200结束期吴燕翔,等:基于PC循环水养殖温控系统的设计47372.3.1系统主程序表11O分配表系统的主程序如图3所示输入点功能输出点功能由图3可知,按下启动键后,首先检测养殖池水0.0总系统启动按钮Sl00.0水泵1启动K1位,如果水位低就停机,否则就正常运行。接下来0.1总系统停止按钮2水泵3启动K3依次调用循环水处理系统子程序,锅炉热水供应系0.2系统排污按钮3水泵4启动K4统子程序,温度控制子程序,水位控制子程序,程序10.31手动_0自动水泵5启动K5还具有故障处理报警显示功能。各子系统之间是10.4水泵1启动按钮s5水泵6启动K6相互独立的,除了低水位报警停止整个系统的运0.5水泵1停止按钮s600.5增氧机的启动K7行,其他报警不影响整个系统的运行。系统有手动水泵2启动按钮s700.6微滤机启动KS模式和自动模式两种控制方式,当系统处于自动模1O.7水泵2停止按钮s800.7泡沫分离器启动K式时,只需按下操作面板上的系统启动按钮,PLC就1.0锅炉启动按钮89Q1.0臭氧发生器启动K05、6开启K12生化会自动执行设定的程序,达到控制目的;当系统处Il.1锅炉停止按钮s0Q1反应器排水电磁阀于手动模式时,只需按下操作面板上_1手动0自动按钮,并向PC发出控制输入(如,水泵启停、微滤112水泵3启动按钮ll.214、17、19开启K13循环通道电磁阀24、7机启停),然后PLC根据输人,操作外部设备(如继3开启K15沉淀Il.3水泵3停止按钮s12池的排水电磁阀电器),完成一系列预先设定好的动作,便于调试和通道电磁阀20、21、22排除故障。l4水泵4启动按钮s3Q1.42324开启K16臭氧2.3.2温度控制子程序消毒一泡沫分离PID_CHO,养殖池温度PID参数初始化子程I1.5水泵4停止按钮s14Q1.510、11、9、8开启K17序,首先根据养殖池温度PD算法回路表设初值,其增氧机的出口电磁阀次执行中断0进行定时采样,采样时间为0.1s,为1.6微滤机启动按钮s1501.6启动K18声光报警器(红灯)了使测得温度更加准确,在养殖池的不同位置放置了三个温度传感器,将定时采样的三个温度传感器1.7微滤机停止按钮sl6Q1.7启动K19正常运行指示灯绿灯的平均值作为实际采样值,并转换成PID的标准化12.0水泵5启动按钮s7EM223数值,然后执行PD运算,运算结果转化后进行模拟数字量模块故障输入、故障显示量输出,来控制锅炉热水出口调节阀12的开度,当12.1水泵5停止按钮s8EM231热电偶模块4个T型热电偶误差较大时,调节阀12的开度会适当增大,当误差12.2水泵6启动按钮s19M231较小时,调节阀12的开度会适当减小。采用PID算模拟量输入法对养殖池温度进行调节,使系统振荡和超调都很123水泵6停止按钮20EM232调节阀小且系统响应快,减小了水温的波动。PID_CH0中模拟量输出12.4增氧机启动按钮s21的PD的各参数均先根据经验值设定,因为S72.5增氧机停止按钮s22200PLC有PD自整定功能,所以系统运行后,根据12.6泡沫分离器启动实际情况,参数还可以再优化。按钮s2312.7泡沫分离器停止按钮s24473科学技术与工程中断0开始中断1开始PID CH0开始养殖池水位定时采样感器采样的平均值转SMQ0给养殖池温度PID算法换成0~1之间的实数匚PDcH开始回路表设初值将养殖池水位传感器5次采样的M0给养殖池水位PD算法[平均值转换成0之间的实数回路表设初值执行PID运算指令设置中断0预置存放养殖池水位釆样设置中断1和、采样计数器的和的寄存PID CHO结束将输出值转换成0~32000器清零之间的整数送至AQW0PID CH结束执行PID运算指令中断0结束图4温度PID的初始化程序和中断程序0的流程图将输出值转换成0~32000之间的整数送至AQW12.3.3水位控制子程序PID CH1,养殖池水位PD参数初始化子程中断1结束序,首先根据养殖池水位PD算法回路表设初值,其图5水位PD的初始化程序和中断程序1的流程图次执行中断1进行定时采样,采样时间为0.1s,为了使测得水位更加准确,将养殖池水位传感器5次参考文献采样的平均值作为实际采样值,并转换成PD的标1李秀辰,崔引安,雷衍之.水产养殖环境工程技术的研究展望.中准化数值,然后执行PID运算,运算结果转化后进行国农业大学学报,1998;(4):5962模拟量输出,来控制原水进口调节阀1的开度,当误2王治容,陈述平切实发展设施渔业促进水产养殖科技进步饲差较大时,调节阀1的开度会适当增大,当误差较小料广角,2002;(4):10—14时,调节阀1的开度会适当减小,从而保证养殖池水3谭洪新,刘艳红,朱学宝,等闭合循环水产养殖一植物水栽培综位的恒定。PID_CH1中的PID的各参数同样均先合生产系统的工艺设计及运行效果.水产学报,2004;28(6)689-694根据经验值设定,系统运行后,根据S7-200PLC的4张明华,杨菁,王秉心,等.工厂化海水养鱼循环系统的工艺流PID自整定的值,参数还可以再优化程研究,海洋水产研究,2004;25(4):65-705梁宁,潘伟斌.工厂化养殖循环水处理工艺探讨.水产科技情3结论报,2004;31(6):255-2586倪琦,胡伯成,宿墨.循环水繁育系统工艺研究和工程实践.本文设计了循环水养殖系统,结合水处理技业现代化,2006;(2):12-15术,减少了日换水量,从而实现了高密度养殖并节约水资源,是一种环保型、节水型、高产值的养殖模式;整个系统软硬件搭配合理,维护方便,具有较高的性价比,在实验室模拟调试中运行稳定可靠,能够很好地完成本系统养殖池的水位和温度的恒定控制,是一种切实可行的控制方案,具有良好的推期吴燕翔,等:基于PC循环水养殖温控系统的设计4739The Design of Recirculating Aquaculture TemperatureControl System Based on PLCwU Yan-xiang, HU Yong-mei, LIU Yu-qingCollege of Engineering, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, P. R. China[ Abstract Since study on the domestic aquaculture monitoring system was backward at present, the SIMATICS7-200 CPU226 is used and adopted PID control algorithm to make real-time monitoring and controlling for thewater level and temperature of closed circulating aquaculture system, thus it realized constant water level and tem-perature control in the culture pond. The system overall control scheme and principle are introduced in detail,andthe system software and hardware structure design are given, the system has efficiently implemented system logiccontrol, safety control, fault display and fault treatmentI Key words PLC PID algorithmclosed circulatingaquaculturewater level(上接第4733页)Breast Cancer Diagnosis Using Machine Learning TechniqueLI Rong. sun YuanThe Institution of Information, Beijing Wuzi University, Beijing 101 149, P. R. ChinaAbstract] In order to improve the diagnosis accuracy, machine learning method was proposed to construct thebreast cancer diagnosis model. The parameters of cell feature are the inputs of model and the class of diagnosed cellis the output. Three machine learning methods are chosen as training algorithm, including BP neural networklearning vector quantity network and support vector machine. Simulation results show that three methods have highidentification ability( BP: 97. 28 %, LvQ: 98.06%0, SVM: 98. 45%)and can be applied to other medicine re-search as effective methodL Key words] neural network feature parameters support vector weight learning vector