基于PLC和触摸屏的深海网箱自动投饵远程控制系统*

徐长春，郑 楠，孙 巍，李成栋，张元良，周庆贵

(1.江苏海洋大学 a.海洋工程学院；b.机械工程学院，江苏 连云港 222005；2.连云港中复连众复合材料集团有限公司，江苏 连云港 222006)

0 引言

随着我国深海网箱的快速发展，深海网箱养殖已经向-20 m以下的深海水域拓展，网箱养殖水体也在逐步扩大，深海网箱养殖正在向大型化、深水化及规模化方向发展[1-2]。目前，美国、挪威等国的深海网箱养殖已经普遍实现了自动投饵[3-4]，养殖规模得到大规模提高。然而我国深水网箱养殖现阶段主要还是采用人工投饵模式，人工投饵存在劳动强度大、喂料不均匀、投饵量难控制以及适应环境能力差等缺点[5-8],而且如果饵料浪费又会导致水域环境恶化、鱼类生长不均匀、发病率高等问题。因此，开展深水网箱养殖自动投饵料技术与装备研究，对解决深水网箱集约化养殖技术难题、提升养殖效率有重大意义[9]。目前，HPDE(高密度聚乙烯)圆形深海网箱由于具有良好的抗风浪能力，因此在深海网箱养殖领域得到广泛的应用[10-11]。本文以HPDE圆形深海网箱为基底，设计了一种基于PLC和触摸屏的深海网箱自动投饵远程控制系统。

1 总体设计

本文所设计的深海网箱自动投饵远程控制系统的总体网络结构如图1所示，主要由远程PC机、远程控制网关、PLC、触摸屏和投饵装置组成。PLC和触摸屏实现投饵装置的可视化自动控制[12]，远程控制网关内置SIM卡，通过4G/5G网络实现远程PC机对PLC及控制系统的控制和调试[13]；同时，基于手机APP实现触摸屏人机界面的映射，养殖人员通过手机APP就可以完成网箱养殖的远程投饵操作[14]。

图1 系统总体网络结构图

2 硬件设计

2.1 投饵装置设计

自动投饵装置的整体布局如图2所示。在HPDE(高密度聚乙烯)圆形深海网箱上方架设轨道，在网箱需要投饵的位置设置对应的接近开关，投饵装置通过伺服电机带动在轨道上运行，当投饵装置沿着轨道运行到相应的接近开关点位时，PLC接收信号，实现投饵系统的多点位精准投饵。

1—HPDE(高密度聚乙烯)圆形网箱养殖区域；2—投饵装置；3—轨道。

自动投饵装置结构示意如图3所示。

1—箱体外壳；2—挡料板；3—抛料机构；4—步进电机；5—固定装置；6—饵料仓；7—下料机构；8—行走机构。

图3中，下料机构配有步进电机，通过发送不同的脉冲信号调节电机的运行转速和运行时间，从而控制饵料的定量下料；抛料机构选用步进电机旋转叶片式的抛料投饵方式[15]，步进电机旋转带动叶片旋转实现饵料的均匀抛撒，从而实现投饵系统定时、定量精确投饵。

2.2 饵料箱容量设计

由于养殖规模不同，所需要的饵料箱的容量也不相同[16]。本文以深度15 m，直径10 m的HDPE(高密度聚乙烯)圆形深海网箱为例，该网箱可一次性养殖20 000条大黄鱼。参考人工养殖大黄鱼的经验，大黄鱼苗规格多为100 g/条，根据中国水产行业养殖标准和养殖者相关经验，当投饵率为5%时，经济收益最大，此时大黄鱼的成活率能达到85%[17-19]，所以幼鱼阶段每日需投放饵料大约200 kg。成鱼阶段随着大黄鱼体质量增加，投饵量也要有所增加，成年大黄鱼规格可以达到600 g/条，此时每日大概需要饵料510 kg。设计7天为一个加料周期，以每日最大饵料计算，鉴于所投放饵料易吸潮、易氧化的特点，饵料箱容量需要达到3 570 kg，再考虑到鱼群数量的不确定性，最后饵料箱容量取整按4 000 kg设计。养殖人员每隔一个周期往饵料箱添加饵料即可，避免了传统人工养殖投饵人员每天需要多次往返的问题，极大地降低了劳动强度，也保障了养殖人员的安全。

2.3 投饵效果试验

投饵是否均匀直接反映了系统投饵性能的好坏[20]，因此进行了样机投饵和人工投饵的参照对比试验。选取海绵布作为模拟投饵平面，设定投饵高度均为0.5 m，投饵时间5 s，预计平均出料30 g，采集各试验两次的投饵效果图。试验结果如图4所示，其中图4a和b为样机投饵的试验结果，出料质量分别为29.95，30.15 g；图4c和d为人工投饵的试验结果，出料质量分别为32.25，29.10 g。从试验结果可以看出，本试验设计的样机投饵相较于传统的人工投饵，投饵均匀度更高，投饵量控制更精确。

图4 样机投饵和人工投饵对比

2.4 PLC的选型及I/O口分配

考虑到深海网箱养殖现场恶劣的工作环境，以及PLC所需要的输入输出点的个数，选用了可靠性较高的S7-1200系列PLC，具体的输入输出接线如图5接线原理图所示。考虑到实际投饵的需求，设置了6个投料点位，每个点位均有一个接近开关；投饵装置行走系统和下料抛料系统需要用到伺服电机和步进电机的高速脉冲输出，所以选择CPU型号1215C DC/DC/DC(14个开关量输入，10个开关量输出，板载4个脉冲输出)，电源直流24 V供电，可以使用光伏板发电给其供电[21]。其次，为了实现能对箱体饵料的总质量以及投饵量进行实时的监测，增加模拟量扩展模块SM1234 AI和SM1234 TC。选用4～20 mA电流信号以及四线制接线的压力传感器和温度传感器。PLC通过信号线采集传感器的模拟量信号，在经过简单的转换和计算后，就可以得到当前的投饵量、饵料的剩余量以及当前水域海水温度等数据[22]。

图5 PLC接线原理图

3 软件设计

3.1 系统控制程序

根据系统功能和控制要求，设计了如图6所示的系统运动流程。本自动投饵系统整个梯形图程序基于TIA 15.1软件完成。当系统收到开始信号后，系统首先初始化，自检系统是否正常；若系统自检正常，则本设备正常启动，若系统自检不正常则系统会发出故障报警；设备正常启动后，系统会读取饵料质量检测传感器和环境检测传感器等相关参数，并实时地将这些参数在触摸屏和远程PC机的人机界面上显示出来，操作人员可以根据当前参数确定是否投饵或者进行其他相关操作；同时当饵料不足时，系统会自动报警提醒操作人员。当所有状况确认无误后，操作人员即可通过远程PC机上的人机界面发送自动投饵的操作信号，操作信号通过4G网络远程发送到触摸屏上，PLC通过PROFINET现场总线读取触摸屏上写入好的参数信号，向步进驱动器发送方向信号和脉冲信号，确定步进电机的转速和转动时间，实现深海网箱饵料的精确控制；投饵系统进入正常工作模式后，饵料质量检测传感器会检测剩余饵料的质量，并计算出当前投饵量，将其实时地显示在触摸屏界面中，同时当投饵量达到人机界面设定的指定数量后，投饵系统会自动停机，即整个投饵工序结束；如果系统某个部分在工作模式下发生故障，投饵系统会自动紧急停机，这样可以避免安全事故的发生。

图6 控制系统流程图

3.2 精确投饵系统

海洋环境的复杂多变导致不同养殖区域内大黄鱼的生长情况并不一样[23-24]，因此，想要精确地投饵，必须先要了解当前深海网箱养殖区域内大黄鱼的生长数据模型。查询相关文献得知，大黄鱼的体长和月龄呈二项式关系，体质量和体长呈幂指数关系[25-29]。通过前期调研了解到本区域内大黄鱼24月龄养殖的鱼体生长数据，如图7和图8所示，通过Origin绘图软件拟合出了本养殖网箱区域内大黄鱼体长L(cm)和月龄X(month)的函数关系,即

图7 养殖区域内大黄鱼体长与月龄关系

图8 养殖区域内大黄鱼体质量与体长关系

L=-0.017 3X2+1.510 9X+3.174 5，

(R2=0.987 5)，

以Keys氏公式W=aLb拟合出了鱼体质量W(g)和体长L(cm)的函数关系,即

W=0.011 7L3.169 6，(R2=0.993 8)。

受海洋气候条件等多方面因素的影响，深海网箱投饵系统很难建立精确的数学模型。为了建立较为精确的数学模型，这里运用模糊控制技术，创建了月龄、水温和投饵率、投饵时间、投饵时刻、投饵率补偿系数之间的模糊控制器，将用户平时的养殖经验转化为模糊控制规则[30-31]，如图9所示。最后根据“投饵量=体质量×投饵率×投饵率补偿系数”得到精准的投饵量，解决了投饵量难控制以及适应环境能力差的问题，实现了本深海网箱养殖区域内的科学投饵，提高了饵料利用率，降低了养殖成本。

图9 投饵系统模糊控制器设计

3.3 远程网关连接

目前西门子SIMATIC S7-1200系列PLC已经被广泛采用，基于该PLC的物联网技术也已经很成熟。本系统选用深圳市智联物联科技有限公司研发的ZP3721S远程控制网关。该网关具备2个以太网口和1路串口，插入SIM卡即可实现远程4G/5G通讯。

S7-1200 PLC通过PROFINET现场总线和远程网关相连，在TIA Portal V15.1设备组态中设置PLC的相关网络参数(IP地址、子网掩码)。路由器地址是ZP3721S远程控制网关默认地址192.168.1.1，子网掩码设置为255.255.255.0，PLC的IP地址设置成192.168.1.2。远程PC机登录和网关配套的Superlink软件，实现PC端和PLC远程控制网关连接，此时设备维护人员通过远程PC机上的TIA Portal V15.1软件就可以实现PLC程序的上传和下载，从而完成对系统的远程维护和投饵系统参数的修改。同时，该网关也可以通过PROFINET现场总线和触摸屏相连，通过手机APP就可以实现触摸屏人机界面的映射，养殖技术人员通过手机APP就可以实现深海网箱的远程投饵操作以及对饵料投放情况的实时监测。

3.4 人机界面设计

为满足养殖技术人员可视化操作的要求，选择同样可以基于TIA Portal V15.1软件设计的TP700 Comfort触摸屏，触摸屏与S7-1200通过PROFINET现场总线相连，组态了友好的触摸屏人机交互界面。当养殖技术人员在深海网箱周围作业时，可以通过触摸屏上的人机界面实现对自动投饵控制系统的现场操作；而当工作人员在陆地时，也可以通过手机APP实现对自动投饵控制系统的远程控制[30]。根据控制要求，人机界面共设定了工作模式、运行画面、参数设置、系统配置等4个主要界面。

系统运行界面如图10所示。界面左边功能区可以实现4个主要交互界面的切换，在工作模式下可以启动自动投饵系统，同时操作人员也可以根据实际情况更改日投饵量和投饵速率。当系统投饵时，PLC接收质量传感器检测的数据，经过简单的处理和计算，人机界面会实时反馈出当前投饵量和饵料剩余总量，方便操作人员定期添加饵料。

图10 系统运行界面

系统设置界面如图11所示。在系统设置界面下，参数设置画面中可以修改投饵装置在轨道上的运行速度和回原点速度，实现配方的导入导出、投饵点位的选择、配方编辑、配方下载、密码修改等。

图11 系统设置界面

4 结语

本文基于西门子S7-1200 PLC和触摸屏搭建了一套深海网箱自动投饵控制系统，同时根据当地深海网箱养殖大黄鱼不同的生成情况，拟合了其体质量和体长与月龄之间的函数关系，设计了满足投饵条件的模糊控制器；最后通过远程控制网关实现了该控制系统的现场和远程两种控制模式，很好地实现了对深海网箱养殖投饵时间、投饵量、投饵速率以及投饵点位的固态和动态控制，解决了深海网箱水产养殖距离陆地远、难控制的问题。同时相比于传统的人工投饵，本控制系统极大地提高了深海网箱养殖时的饵料利用率，降低了养殖成本。