工程化循环水养殖系统中工业自动化和物联网技术运用概述

文/贺春玉 景福涛 孙雪雁

为推进生态渔业创新发展，国家相关部委出台了一系列政策。2020年1月2日，中央一号文件《中共中央、国务院关于抓好“三农”领域重点工作确保如期实现全面小康的意见》强调，要加快物联网、大数据、区块链、人工智能、第五代移动通信网络等现代信息技术在农业领域的应用。2020年2月12日，农业农村部《关于落实党中央、国务院2020年农业农村重点工作部署的实施意见》强调，要开展水产健康养殖示范创建，重点发展池塘工程化、工厂化循环水养殖，稳步发展稻渔综合种养和大水面生态渔业，还强调要实施数字农业农村规划，加快物联网、人工智能、区块链等技术集成应用。

传统渔业养殖主要靠天、靠经验，不仅水域资源没有得到充分利用，而且效益较低，有些还造成了一定程度的面源污染。究其原因，主要在于养殖成本高，养殖设施陈旧，养殖观念落后，环保意识淡薄。因此，在多年的水质监测、自动投喂、信息化和物联网技术的基础上，作者团队研发出一种基于工业自动化和物联网技术的工程化循环水养殖系统，以期促进我国生态渔业养殖方式的转变，推动产业绿色发展，让渔业成为有奔头的产业，让渔民成为有吸引力的职业，让养殖水域成为生态良好的安居乐业的美丽家园。

一、设计原则

采用先进的工业自动化和物联网技术，与先进的5G、区块链等创新理念相互渗透、紧密交融，实现渔业养殖行业的生态环保、高产高效。

水域布局图

整体布局图

二、设计原理

把水域分为养殖区和净化区。在养殖区，建设面积占比2%～5%的水槽，水槽两端有拦鱼网，鱼放在水槽内集中“圈养”。水槽里安装推水和曝气设备，确保槽内的水体富含溶氧，并有一定的流速。在水槽末端安装底部漏斗型集污装置。既能最大限度的收集残饵、粪便，也能满足水体的合理流速。在水槽中安装水质监测设备，实时监测溶氧、pH、温度等水质参数。净化区安装推水设备，实现养殖区和净化区水体的微循环。净化区放养适量的花白鲢，水面种植水培植物和沉水植物，进行水质自然降解。利用PLC、物联网等技术手段，实现养殖设备和养殖管理达到无缝衔接，实现全智能操控目的。

三、系统设计内容

系统由硬件和软件组成。硬件包括：槽体、推水增氧设备、底增氧曝气设备、集排污设备、水质监测设备。软件系统包括：自动化控制系统。

（一）槽体

槽体长24m，宽5m，深2.2m。采用热镀锌框架，3mm厚环保玻璃钢面板。槽体分三段设计，前段为设备区，安装推水增氧设备。中段为养殖区，安装底部曝气设备和水质监测设备。后段为集污区，安装半封闭的漏斗型集污槽。

（二）推水增氧子系统

1.系统概述

通过气提方式增加了水的流动性。流动的水体环境能够带来鱼类生长所需的溶解氧，促进鱼的游动，提高鱼肉品质。同时，将槽内的残饵、粪便及其他悬浮物推送到槽体末端的集污区。

2.设计原理

风机通过管道将空气输送至曝气格栅，空气在水体中以微小气泡形式迅速上升并在导流板的作用下形成水平推力，使槽体内的静水向槽体尾部线性流动。

3.动力配置

每槽采用2.2kW双段漩涡风机（最大气量260m3/h）。配套曝气格栅、导流板及其组件。能够确保水流流速不低于3cm/s。

4.控制设计

分为本地控制、上位机远程控制、PLC站自动控制三种模式，且优先级：本地控制＞上位机远程控制＞PLC站自动控制。

（三）底部增氧子系统

1.系统概述

能促进水体的旋转和上下流动，增加水中溶解氧的含量，保证了水生动物的健康生长，提高了水产品的成活率和品质。

2.设计原理

槽体结构图

水质监测

风机通过管道，将空气输送至曝气盘，以极其细小的气泡形式，由槽体底部缓慢上升至水面，达到增氧效果。气泡表面积大、悬浮稳定性好、渗透性强，可有效提高水体溶氧含量。

3.动力设计

采用3kW漩涡风机（最大气量280m3/h），配套纳米曝气管及其组件。能够确保溶氧提升率不小于1.5mg/L。

4.控制设计

分为本地控制、上位机远程控制、PLC站自动控制三种模式，且优先级：本地控制＞上位机远程控制＞PLC站自动控制。

（四）水质监测子系统

传感器采用在线荧光法的原装进口产品。测量范围（溶解氧）：0至20ppm（0至20mg/L）。测量精度（溶解氧）：低于（5±0.1）ppm。存储温度：–20°C至70°C（–4°F至158°F）。

其优势在于：无需校准，荧光帽正常使用寿命长达三年，使用3D校准技术，无漂移更精准。维护简单，无需更换膜片，无需补充电解质溶液。更坚固，壳体采用新材料和超声双重密封，提高了耐用性。

（五）集排污子系统

1.系统概述

通过泵和管路，将鱼槽内的污物收集并排放到塘外指定区域，降低了水质污染。

2.设计原理

采用顶部虹吸法。每槽尾部设计有排污V型槽和蜂窝底管。排污时，启动自吸泵，将污水排放到沉淀净化区。

3.动力设计

集排污系统

自动化控制系统

每条槽配置一台2.2kW自吸泵，流量20m3/h，扬程15m，吸程8m；配套玻璃钢防护罩。

4.控制设计

每台泵的控制模式分为本地控制、上位机远程控制、PLC站自动控制三种模式，且优先级：本地控制＞上位机远程控制＞PLC站自动控制。

（六）自动化控制子系统

采用精准的仪器设备，融和先进的控制技术和信息技术，通过实时采集现场设备参数，进行程序化预警和控制，从而实现集远程、本地控制管理于一体的自动化控制平台。

1.操作终端设计内容

（1）上位机监控设计

采用分布式子站以及工业以太网等先进的网络通讯技术，实时动态显示现场设备状态及检测分析仪表的参数，并对设备远程下达各种指令。上位机监控系统主要的功能和特点有：

报警功能：现场设备、仪表参数出现故障或变量超出预警值时，屏幕会弹出报警画面或故障设备参数，并伴有警示报警，提示操作人员予以处理。

显示变量趋势图：能同时显示多个模拟量数值的趋势，并具有历史数据回顾和储存功能，方便考查和数据分析。

设备的远程启停：有权限的操作人员根据在线检测的设备运行、故障等状态，可远程实现设备的启停以及变频控制。

事件记录及故障报警记录：操作员操作记录、工艺参数或设备状态改变及报警信息可实现自动记录。

（2）触摸屏监控设计

在控制柜上设置触摸屏，实现简单数据显示和远程控制。提供本地和远程的控制模式。

2.自动化控制系统的架构

（1）通讯网络结构设计

采用三层网络结构：信息层、控制层和现场设备层。三层网络是完全开放的、成熟的、先进的总线技术，能够与企业级网络和信息系统完全集成。

上位机操作站与PLC主站CPU之间采用工业以太网进行通讯，保障信息传输的可靠性。

（2）网络系统介绍

信息层网络：信息层网络是基于100M/10mbps以太网的开放网络技术，拥有广泛的厂商支持。能够在同一介质链路上同时支持数据采集、编程上/下载，I/O控制等功能。

控制层网络：由现场控制系统站、I/O站、现场操作员站、就地和中央控制站HMI构成。提供实时I/O控制、数据采集和编程下载等功能。控制层网络也采用工业以太网。

设备层：用于连接底层现场设备，减少现场接线，提高系统信息化和智能诊断水平，符合开放网络要求，易于安装、实施和维护。

通讯软件：提供完善的、成熟的软件套件进行网络浏览、网络诊断、通讯组态、软件驱动和数据通讯服务，以及使用基于网络架构的数据库事务处理软件。

（3）PLC控制器介绍

主控CPU单元采用德国西门子公司系列产品，PLC主站与各控制子站采用分布式工业以太网总线通讯，上位机与PLC过程控制层之间采用以太网方式通信，控制室对现场数据进行显示和过程控制。

子站I/O模块通过工业以太网与CPU控制器进行实时通讯，它主要功能是：采集现场I/O信号，通过通讯模块将现场数字量或模拟量信号传送到控制站，同时将中央控制器发送来的控制信号送至现场。

3.系统其它设计

（1）供电设计

控制柜均由220V的在线式UPS不间断电源统一供电。UPS采用工业级品牌产品，带旁路供电功能，保证系统的可靠性。采用免维护电池。

（2）系统可靠性设计

系统适应现场湿度、温度、电网、噪声、震动等因素的变化，工艺常数操作方便，运行稳定、可靠。

（3）系统抗干扰设计

采取的抗干扰措施有：隔离；屏蔽；绞线；通过电源线引入的干扰可用滤波电路抑制；设置雷击保护等。

4.自动化控制系统的优点

（1）实现风机、投饲机、吸污泵、传感器、发电机等设备的全自动关联动作，实现养殖过程的精准控制。

（2）具有冗余备份和报警机制。提高了系统稳定性，避免了因超限、断电、设备故障等原因造成损失。

四、系统设计优势

基于工业自动化和物联网技术的工程化循环水养殖系统使用寿命长，正常使用，可以运行15年以上。养殖产量高，单槽120m2的水面，养殖产量可达4万斤以上。人工成本低，可实现一人管多槽，甚至可以无人值守。饲料利用率高，精准投喂，投喂量可计可控。起捕率高，可以实现100%起捕。生态环保，零抗生素零用药，避免了污染，提升了鱼肉品质。集污效果好，采用自吸泵和半封闭的底部漏斗结构，残饲和粪便的收集、抽取快速彻底，集污率在55%以上，有效减少氮、磷、COD排放。