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上海水产大学硕士学位论文 工厂化水产养殖水体参数在线自动监控系统研究 摘要 本课题来源于科技部社会公益研究专项基金。 工厂化水产养殖是一种集现代工程技术、水处理技术和生物技术为一体的高 技术养殖方式，其主要特点是养殖密度高、排放污染少、节约资源，代表了未来 水产养殖的发展方向。实现工厂化养殖关键是建立水体循环处理系统，包括去除 水体中的固体物、悬浮物、有害溶解物和气体，水体的消毒灭菌，以及控制水质参 数，达到水体循环使用的目的。工厂化水产养殖水体参数在线自动监控系统的重 要作用就是有效控制温度、p h 、氨氮、c o d 、c b d 、d o 等水质参数，使水体环境满 足高密度水产养殖的要求。因此开展工厂化水产养殖水体参数在线自动监控系统 研究具有重要的现实意义。 p i - i 值和溶解氧( d 0 ) 都是养殖水体的重要参数。养殖水体中的p h 值受到多 方因素的制约：淡水鱼类养殖要求p h 值的范围应该控制在6 8 8 5 之间；微生物 转化水体中的氨氮要求p h ，7 ；较低的p h 值可有效地降低水体中有毒非离子氨的 含量。因为养殖鱼类的呼吸消化和微生物处理氨氮都是产酸耗碱的过程，使得p h 值在养殖过程中处于不断下降的状态，所以在封闭循环养殖系统中，正确设计p h 值监测和控制方法，使p h 值同时满足上述三个方面的要求是非常重要的。d o 是 鱼类赖以生存的重要物质，由于工厂化水产养殖密度高，需要对养殖水体进行增 氧才能保证鱼类生理活动和微生物呼吸需要，工厂化水产养殖要求水体d o 保持 在水体饱和溶解氧6 0 以上或是5 m g - l - 1 以上。因此，对水体的d o 进行监测和 控制是也非常必要的。 国内在工厂化水产养殖水体参数自动监控系统的研究中，对p h 值控制问题重 视不够，尚无p h 自动监控系统；在对水体增氧的设计中，还没有增加溶解氧的系 统设计方法，难于实现溶解氧的有效控制。本课题的研究目的是开发一种水产养 殖水质参数在线自动监控系统，对温度、d o 、p h 进行在线监测，并对p h 、d o 进行自动控制，使水体的p h 值在7 0 5 范围内，d o 保持在5 m g l - 1 以上，并将 水体参数和控制参数在上位机中实时显示出来。 本课题最主要的创新性在于工厂化水产养殖中p h 值自动控制的研究。通过对 典型的中和过程中p h 变化规律和工厂化水产养殖中p h 变化过程的分析，在参考 i 上海水产大学硕士学位论文 工业和环保领域p h 自动控制工程实践的基础上，提出在工厂化水产养殖中p h 变 化过程可以看成是线性，从而确定了自动控制解决方案：p l c 以占空比控制方式 电磁阀，采用常规p i d 控制算法计算电磁阀开关时间，从而控制向养殖水体中添 加n a o h 和n a h c 0 3 的量，达到控制p h 的目的。同时探讨了n a o h 和n a h c 0 3 的浓度对本系统的影响。 在水体增氧和溶解氧控制方面，通过对工厂化水产养殖过程的溶解氧消耗因 素的分析，确定了鱼类消化呼吸和鱼类排泄物的生物转化为主要耗氧因子，并根 据鱼类耗氧公式和氨氮转化反应方程，提出增氧系统的计算方法，在此基础上设 计了溶解氧控制系统，达到了提高效率，降低成本的目的。 在自动监控工程设计方面，以西门子公司的$ 7 - 2 0 0 系列p l c 为核心组建适合 工厂化水产养殖的自动监控系统。下位机使用西门子p l c 自带的软件进行编程， 上位机中用北京亚控公司组态王6 5 软件设计一个监控工程，用图表等方式显示下 位机送来的数据，并具有设置下位机的控制参数，记录、打印数据等功能。 实验研究的结果表明，课题建立的自动监控系统，将现场设备情况、控制参 数、水体参数整合在一起，实时显示出来，有利于工作人员对养殖过程的了解和 管理；对p h 值进行的自动控制设计，方法简单，控制可靠，具有一定的创新性； 提出的溶解氧补给设计方法和建立的自动控制系统，对溶解氧实现了有效补给和 控制，减少了增氧机运行时间，降低了能源消耗。本系统运行稳定，成本低廉， 完全适合工厂化水产养殖，有较高的实用价值。 关键词：工厂化水产养殖，p h ，溶解氧，自动监控 上海水产大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho f 肠t e rp a r a m e t e r so n l i n ea u t o m a t i c m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mo ni n d u s t r i a la q u a c u l t u r e a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hb e l o n g st os o c i a lc o m m o n w e a ls p e c i a lr e s e a r c hf u n do fs c i e n c e m i n s t r y i n d u s t r i a l r e c i r c u l a f i n ga q u a c u l t u r e i sa na d v a n c e dm o d a lo fa q u a c u l t u r et h a t i n t e g r a t e sw i t he n g i n e e r i n g b i o l o g ya n dt e c h n o l o g yo fw a t e r - d i s p o s a l f o ri 堪c u l t u r e d d e n s i t yi st w e n t yt i m e st h a nt r a d i t i o na c q u a c u l m r e ，t h ei n d u s t r i a la q u a c u l t u r ec a ns a v e t h en a t u r er e s o u r c ea n dr e d u c e st h ep o l l u t i o n , i tr e p r e s e n t st h ef u t u r eo fa q u a c u l t u r e o n eo fi m p o r t a n tk e yf o rt h er e c i r c u l a t i n ga q u a c u l t u r ei sw a t e rd i s p o s a ls y s t e mt h a t r e m o v e ss o l i d ，s u s p e n d e do b j e c t , t o x i cd i s s o l v e do b j e c ta n dg a sa n dc o n t r o l st h e p a r a m e t e r s o fw a t e rw i t h i ns u i t a b l e r a n g e t h ei m p o r t a n tf u n c t i o n o fi n d u s t r i a l a q u a c u l t u r ew a t e rp a r a m e t e r sa u t om o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mi st oc o n t r o lw a t e r p a r a m e t e r se f f e c t i v e l y , l i k ed o ，p h , b c d ，c o d ，t e m p e r a t u r ea n ds oo n i ti se s s e n t i a l r e q u e s tf o rr e c i r c t t l a t i n ga q u a c u l t u r et 0b u i l da l li n d u s t r i a lr e c i r c u l a t i n ga q u a c u l t u r e m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mt oa c h i e v ea b o v et a s k s t h ep hi na q u a c u l t u r ew a t e ri sc o n s t r a i n e db ym a n yf a c t o r s ：f r e s h w a t e rf i s h g e n e r a l l yc a nt o l e r a t eap hr a n g ef r o m6 5 t o8 5 i nt h er e c i r c u l a t i n ga q u a c u l t u r e s y s t e mt h en i u i f l y i n gp r o c e s st h a tt r a n s f o r m st o x i ca m m o n i ai n t on i t r a t e - n i t r o g e n r e q u i r e st h a tt h ev a l v eo fp hi sa b o v e7 m e a n w h i l er e d u c i n gt h ev a l v eo fp hs h o u l d r e d u c et h ec o n t e n to ft o x i cu n - i o n i z e da m m o n i a b u tt h ea c t i o no fb r e a t h i n ga n d d i g e s t i n go ff i s ha n dt h en i t r i f y i n gp r o c a 塔sw i l lr e d u c et h ep ho fc u l t u r ew a t e r , s oi t s n e c e s s a r yt om o n i t o ra n dc o n t r o lt h ev a l u eo fp hi nt h ei n d u s t r i a l i z e dc u l t u r ew a t e r d o i st h eb a s i cs u b s t a n c ef o rf i s h p h y s i o l o g i c a la c t i o no ff i s ha n dd i s p o s i n gc u l t u r e dw a t e r b o t hc o n s u m ed i s s o l v e do x y g e n d oc o n c e n t r a t i o n ss h o u l db em a i n t a i n e da b o v e6 0 p e r c e n to fs a t u r a t i o no ra b o v e5 m g l 1f o ro p t i m u mf i s hg r o w t h 。c o n t i n u a l l ys u p p l y i n g a d e q u a t ea m o u n t so fd i s s o l v e do x y g e nt of i s ha n db a c t e r i ab i o f i l t e ri nr e c i r c u l a t i n g s y s t e mi se s s e n t i a lt oi t sp r o p e ro p e r a t i o n t h o u g ht h ep ha u t oc o n t r o ls y s t e mi su s e dw i d e l yi ni n d u s t r ya n de n v i r o n m e n tf i e l d t h e r ei sn oa ne f f e c t i v ep hc o n t r o ls y s t e ma p p l i e di ni n d u s t r i a l i z e da q u a c u l t u r e a n d i i i 上海水产大学硕士学位论文 t h e r ea l s od o e s n th a v eas c i e n t i f i cd e s i g nm e t h o df o rs u p p l y i n gd i s s o l v e do x y g e ns o t h a td i s s o l v e do x y g e uc a l lu o tb ec o n t r o l l e de f f e c f i v e l y t h em i s s i o no ft h i sp a p e ri st o d e v e l o pa l la u t o m a t i cm o n i t o ra n dc o u t r o ls y s t e mo fw a t e rp a r a m e t e r st oi n s p e c tt h e t e m p e r a t u r e , d oa n dp h ，a n dt h e nc o n t r o lt h ep ha n dd o t h i ss y s t e ms h o u l dk e e p t h e p hr a n g eo f w a t e rf r o m 7t o7 5 a n dd os h o u l db em a i n t a i n e da b o v e5 m g0 1 t h et a s k o ft h es y s t e ma l s oi n c l u d e sd i s p l a y i n gt h ew a t e rp a r a m e t e r sa n dc o n t r o lp a r a m e t e r so i l a b o v e - p o s i t i o no p e r a t o r f n s to fa l lt h r o u g ha n a l y z i n gt h em o d e lo fp hi nc l a s s i cn e u w a l i z a t i o np r o c e s sa n d t h er u l eo fp hc h a n g i n gi nt h er e c i r c u l a t i n ga q u a c u l t u r ep r o c e s s ，t h e nb a s eo nt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e s o fp hc o n t r o li ni n d u s t r ya n de n v i r o n m e n tf i e l d ，t h i sp a p e r t h o u g h t t h a t t h e p r o c e s s o f p h c h a n g e i nr e c i r c u i a t i n g a q u a c u l t u r es h o u l d b er e g a r d e da s l i n e a r s ot h i sp a p e ru s e dr e g u l a rp i da r i t h m e t i ct oc o n t r o le l e c t r o m a g n e t i cv a l v ew i t h t h em e t h o do fo c c u p i e d - s p a c er a t i ot oa d dc h e m i c a ln e u t r a l i z a t i o ns o l u t i o n , w h i c hw a s m i x e db ys o d i u mh y d r o x i d ea n ds o d i u mb i c a r b o n a t e s e c o n d ，t h i sp a p e rc o n f i r m e dt h a tt h ep h y s i o l o g i c a la c t i o no ff i s ha n dt r a n s f o r m i n g t h ef i s he x c r e m e n tb o t ha r ep r i m a r yf a c t o rw h i c hc o n s u m e sd oi nr e c i r c u l a t i n g a q u a c u l t u r e a c c o r d i n gt o t h ef o r m u l ao fb r e a t ho ff i s ha n de q u a t i o no fr e m o v i n g a m m o n i a - n i t i o g e n , t h i sp a p e rd e s i g n e dac a l c u l a t i o nm e t h o dt oc h o o s et h ep o w e ro fa i r p u m pt h a ti n j e c t e do x y g e nt ow a t e r , a n dt h e nc o n t r o l l e dt h ea i rp u m pt or e d u c et h e c o n s u m p t i o no fe l e c t r i c i t y p l cp r o d u c e db ys i e m e n sw a su s e da sb e l o w - p o s i t i o no p e r a t o r , a n di t st h ec o r e i n s t r u m e n t o ft h es y s t e m am o n i t o rp r o g r a mi sd e s i g n e db yas o f t w a r ec a l l e d k i n g v i e w 6 5 ，d i s p l a y e dt h ed a t af r o mp l cw i t hc u r v ea n dt a b l eo nc o m p u t e r t h e m o n i t o rp r o g r a ma l s oc o u l ds e tc o n t r o lp a r a m e t e ra n dr e c o r da n dp r i n td a 饥 a sar e s u l lt h i sw a t e rp a r a m e t e ra u t o m a t i cm o n i t o ra n dc o u t r o ls y s t e mc o u l ds h o w t h es t a t u so fl o c a t ee q u i p m e n t , c o n t r o lp a r a m e t e r sa n dw a t e rp a r a m e t e r ss ot h ew o r k e r k n e wt h es i t u a t i o no fa q u a c u l t u r ef a c t o r yv e r yw e l l t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mt h a t c o n l t o lp ha u t o m a t i c a l l yw a si n n o v a t e d t h es y s t e ma l s or e d u c e da n dd e c r e a s ee n e r g y c o n s u m p t i o no fa i rp u m p s ot h es y s t e m , w h i c ho p e r a t e ds t a b l ya n dw a sc o s tl o w , w a s c o m p l e t e l ys u i t a b l e 缸i n d u s t r i a lr e c i r c u l a t i n ga q u a c u l t u r ea n d h a dh i 咖p r a c t i c a l i t y k e yw o r d si n d u s t r i a la q u a c u l t u r e , p h ，d i s s o l v e do x y g e n ，a u t om o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e m 押 上海水产大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 上海水产大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海水产大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口 ，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口 学位论文作者签名： 日期：年月日 指导教师躲诺弓姒 日期：卿年；月侈日 上海水产大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 目的和意义 工厂化水产养殖是在品种高密度放养的基础上集机、电、化、仪、自动化、 生物工程技术和水处理技术为一体的养殖方式，主要内容是建立水体循环的封闭 养殖工厂，通过一系列的生物、化学和物理手段对养殖水体进行监测和控制，创 造出最适宜养殖品种生长的水体环境，使养殖品种在最佳环境下达到最快生产速 度，从而使单位体积水体产量获得极大的提高。该养殖方式异于传统养殖方式的 特点是养殖密度高，有利于节约用地；养殖水体循环，大大降低了水资源的损耗， 减少了污染，符合我国提出的。可持续发展”的总体战略，有巨大的发展前景。 实现工厂化养殖关键就是要建立起水体循环使用的水产养殖系统，其中监测 和控制是实现养殖系统正常运转和管理的关键部分，包括控制水体温度、浊度， p h 、氨氮、c o d 、b 0 1 3 、d o 等具有重要意义的水质参数。在这些参数中，有些 是通过生物方法进行控制的，比如用生物滤器通过硝化反应转化氨氮，此类参数 可以监测，但无法对其进行准确的控制。另一些参数，比如温度、口h 、d o ，需 要在线监测并可以及时自动调整以保证养殖水体满足鱼类生长要求。因此建立养 殖水体多参数自动监控系统在线监测养殖水体参数并自动控制相关参数，是实现 工厂化水产养殖的基本要求，充分发挥工厂化水产养殖优势的必要条件。 p h 值是养殖水体的一项重要参数，也是可以对其进行自动控制的水体参数之 一。水体p h 值受到多方因素的制约：根据颁布的g b l l 6 0 1 8 9 中的规定，对于淡 水鱼类而言，水体p h 应该在6 5 8 5 之间；p h 值影响水体中其他物质的组成， 水产养殖过程中，蛋白质消化的副产物是氨氮，每1 0 0 磅的饲料能产生大概2 2 磅的氨氮”j ，其中非离子态氨氮对鱼类毒性极大，当p h = 7 时，绝大部分的总氨 氮是处以离子状态的，当p h = 8 7 5 时，3 0 的总氨氮处于非离子态【1 1 ，所以水体 p h 值应该保持在7 左右，最大程度上降低非离子态氨氮的含量；p t - i 值还影响微 生物处理氨氮的效率，因为水体中氨氮的累积会对养殖品种生长产生不利影响， 所以在水产养殖中通常使用微生物转化氨氮，即建立一个生物活性滤池，在生物 滤池中形成的生物膜上进行硝化反应，能使水中的有毒物质氨氮( n h 3 - n ) 转化 为毒性较低的硝酸盐( n o s - n ) 并从水体中排放出来，达到去除氨氮的目的。硝 化过程中主要依靠的是硝化细菌，硝化细菌数量关系到去除氨氮的效果。通过实 验证明，p h 值直接影响到硝化细菌和反硝化细菌数量 2 1 ，偏碱性的水质有利于硝 上海水产大学硕士学位论文 化菌群生长。当p h 值- 7 5 时【3 】，氨氮去除效果能够满足现有工厂化养殖所要求 的非离子氨o 0 5 r a g l 1 ，亚硝酸盐1m g l 1 ，硝酸盐一 2 0 0m g l - 1 水平h ； 当毋i 订时，硝化菌的活性大大降低：当p h ，7 ，水体p h 7 时会降低硝化细菌的活性，降低氨氮转化效率；p h 值对其他 水质参数有很大影响，氮氮在水体中有两种存在形式，即离子态和非离子态，当 p h = 7 时，绝大部分的总氨氮是处以离子状态的，p h = 8 7 5 时，3 0 的总氨氮( t o t a l a m m o n i a - n i t r o g e n ) 处于非离子态，而非离子态氨对鱼类毒性极大，需要严格控 制【4 】。综合考虑以上三个方面的制约，将p h 值控制在7 0 5 之间即可满足要求。 上海水产大学硕士学位论文 养殖过程中生物滤器中的硝化细菌不断转化氨氮以及鱼类和微生物呼吸产 生的二氧化碳使水体p h 值降低，当p h 值低于6 时，硝化细菌的活性很低，将不 再转化氨氮”】，此时由于硝化反应基本不再进行，所以基本不会对水体p h 值产生 影响，只有鱼类呼吸产生的微量的酸性物质才使p h 继续以非常缓慢的速度降低。 可以看出水产养殖中即使不加以调节养殖水体，p h 值也不会突然降低到6 以下。 经过以上分析，对照图2 1 可以看出，工厂化水产养殖水体p h 值作为被控对 象基本上都是在高增益的b d 区域内变化，并且最终需要达到的p h 值也在b d 区 域，那么可以把工厂化水产养殖水体p h 值控制系统作为一个线性系统，一个比 例增益就能满足控制要求，所以控制算法使用常规的数字p i d 控制算法即可。 2 1 4p h 值自动控制系统执行件选择 工业和环保领域的p h 值自动控制系统中，多使用流量泵或是调节阀作为执 行件向系统中添加酸碱溶液，可以保证在所要处理的废水流量和p h 值变化较大 的情况下有足够的调节能力。 对于工厂化水产养殖而言，生物滤器中的硝化细菌不断转化氨氮以及鱼类和 微生物呼吸导致p h 值降低，这个过程是渐进的、缓慢的，可能在一天时间内p h 值才缓慢降低1 个单位左右；循环养殖系统水体的流量是稳定的，这样就不需要 执行件快速大量地添加中和剂，因此选择可以电磁阀作为执行件，以占空比方式 控制电磁阀工作1 2 7 1 。 占空比工作方式工作原理如下：给电磁阀设置一个控制周期t l ，在控制周期 内，电磁阀打开的时间称为工作周期t 2 。连续控制时，整个控制过程被分为若干 个控制周期，每个控制周期t l 固定不变，通过改变工作周期t 2 来改变电磁阀开 关的时间长短，如图2 7 所示，从而改变添加的溶液量，达到控制目的。 、二 ， 一! 。 l ， l f l ： - 一 图2 - 7占空比工作原理示意图 f i 醇- 7 t h es k e t c hm a po f t h e o r yo f w o r k i n go n - o f f 1 2 上海水产大学硕士学位论文 2 2 溶解氧补给设计及自动控制研究 2 2 1工厂化水产养殖溶解氧补给介绍 国外规模化养鱼工厂采用纯氧与富氧进行溶解氧补给。通过气液接触式增氧 设备将含氧9 9 的液态纯氧注入养殖水体中，可使水体溶氧达到超饱和，大大增加 溶氧量。富氧即分子筛氧，含氧9 0 9 6 左右，有5 埃分子筛或膜分离获得，机械效率 高于机械增氧。丹麦和德国等设计出了使用液氧向鱼池和生物过滤器增氧的系统， 大大提高了单位面积的鱼产量。美国和瑞典等研制出了压力震荡吸收式制氧系统， 可生产含量8 5 - 9 5 的富氧用于鱼类养殖膳】。 我国工厂化水产养殖使用的增氧方式有两种：一是使用纯氧，富氧增氧。在 工厂化水产养殖中使用高效溶氧罐向养殖水体中加入9 0 的纯氧圆】或将液氧气化 后，充入水中增氧四】；二是曝气增氧，即使用气泵或是鼓风机，通过曝气头如曝 气器、曝气管、散气石等向水中充空气，达到增氧的效果田3 ”。目前我国的工厂 化水产养殖广泛采用的是第二种方法。 2 2 2 工厂化水产养殖溶解氧补给设计 1 、养殖鱼类的溶解氧需求 不同的养殖种类有不同的溶解氧需求，要根据养殖的具体情况确定。冷水性 鱼类生长快、摄食量大、代谢旺盛、溶解氧消耗比较多。本研究利用虹鳟鱼类作 为设计的标准，在正常养殖条件下，虹鳟鱼的体重与耗氧的关系方程d 2 为： o，=a101rw6(2-11) 式中：d ，鱼类呼吸耗氧量，m g k g 以h 一； w 个体鱼重量，g ； t 养殖水温，； a 、b 、a 为耗氧计算系数，取值范围为： 4 一1 0 时：a = 7 5 ：b = - 0 1 9 6 ：c = 0 0 5 5 ； 1 2 2 2 时：a = 2 9 ；b = - 0 1 4 2 ：e = 0 0 2 4 。 鱼类的耗氧还和养殖过程的投饵量有关系，有资料表明，虹鳟鱼在规范养殖 的条件下，每k g 饲料需要2 5 0 9 溶解氧，也可根据投饵量计算其溶解氧需求： o = 1 0 ，4 2 x k x b w ( 2 1 2 ) 上海水产大学硕士学位论文 式中：d ，鱼类呼吸耗氧量，g k g 1 h - 1 ； k 投饵系数，鱼体重的； b w _ - 鱼体重量。 2 、生物硝化处理溶解氧需求 在循环养殖程中，鱼类的排泄和残饵需要进行处理，氨氦的处理一般选用生 物硝化的办法，生物硝化反应是亚硝化细菌把氨氮氧化为亚硝酸盐、硝化细菌再 把亚硝酸盐转化为硝酸盐的过程，其基本反应为： 5 5 n 也+ + 7 6 0 2 + 1 0 9 h c 0 。- 一c “o 烈+ 5 4 n 0 2 - + 5 7 h z 0 + l o 0 3 4 0 0 n 0 2 - + n i l + + 4 w o a + c 0 3 - + 1 9 5 0 。一c 丑扣拼+ 3 + 4 0 0 n 0 3 从以上反应式可得，转化l 克氨氮所需的溶解氧约为4 3 克。有关研究表明， 在养殖鱼类的代谢过程中，饲料中的蛋白质有4 0 转化成了氨氮排泄物例。由此， 生物硝化处理所需溶解氧计算为： o n = 7 1 7 x a ) x k ( 2 1 3 ) 式中：0 _ 鱼类排泄生物处理的耗氧量，g k g 1 h ； k 投饵系数，鱼体重的； 。o 饲料蛋白含量。 3 、养殖过程中溶解氧需求 嚷= d ，+ 吼 ( 2 1 4 ) 皖为正常投饵条件下，养殖l k g 鱼类所需要的溶解氧，单位g k s 1 h 1 。 4 、增氧系统的设计 增氧系统的设计主要涉及养殖过程的溶解总需求、系统的增氧方式和增氧效 率。系统的溶解氧总需求可计算为： o z = k x 夥1 0 0 0 ( 2 1 5 ) 式中： d ：系统总溶解氧补充量，k g h ； w r 养殖鱼类重量，k g ； k 安全系数，一般为1 2 - 1 8 。 系统采用的增氧方式不同，增氧速度和效率有很大的差别。在利用空气进行气 泡充气的工艺中，增氧效率较低，一般为0 4 5 5 1 3 ( 标准状况下) 【3 习；在利 用纯氧增氧的方式中，增氧效率根据不同的混合方式，其效率在氧气利用率的 上海水产大学硕士学位论文 4 0 - 7 0 之间。 在空气增氧的条件下，增氧量计算为： o z = 玑n 式中： n 为增氧效率，k g k w h ； n 为空气机的功率，k w 。 在纯氧增氧的情况下，增氧量计算为： o z = 1 4 3 x r ox q o 其中：纯氧的利用率，4 0 一7 0 9 6 可根据试验确定； q o 纯氧的流量，3 h ； 1 4 3 氧气在标准条件下的密度，k g m 一 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 2 2 3 工厂化水产养殖溶解氧控制研究 工厂化水产养殖要求水体溶解氧一般应高于5m g l 1 或是水体饱和溶解氧的 6 0 以上，如果使用增氧机不断向水体中充入空气来满足溶解氧的要求，对增氧机 控制要求低，比较容易实现，控制的目的主要是为了节约能耗。如果使用某个功 率的增氧机连续满功率运转时，水体的溶解氧远高于要求，此时就可以对增氧机 相应的控制，在保证水体溶解氧要求的基础上能减少电能消耗，节约成本。对增 氧机实现控制可以有如下的两种方法： 间歇运行原理，即设定一个最低值，比如是5 m g l 1 或是6 0 ，水体溶解氧 高于此最低值时，增氧机停机；反之，增氧机开机运行一段固定的时间。该控制 方法是通过控制增氧机运行时间来达到控制目的。规定增氧机开机以后要运行一 段固定的时间是避免增氧机频繁开机。 变频调速原理，即通过变频器降低增氧机运行功率。变频器是把工频电源 ( 5 0 h z 或6 0 h z ) 变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备o “蚓。 传感器检测出水体溶解氧值，送至下位机，下位机按照控制算法计算出结果送入 变频器，由变频器根据下位机送来的数据改变频率，以改变增氧机转速。增氧机 转速改变了，向水体充入的气体流量就改变，从而达到控制水体溶解氧水平的效 果。所使用的控制算法可以是p i d 算法或模糊控制算法。使用变频器调速控制一 大优点是控制过程中只是降低功率，增氧机始终是运转的，这样就避免了增氧机 反复启停可能导致的电机使用寿命降低，故障率增加等缺点。 本课题对增氧机节能降耗潜力进行初步探讨，所以选择间歇运行原理来控制。 l s 上海水产大学硕士学位论文 2 3 监控工程设计研究 2 3 1 监控工程的作用 工厂化养殖中有许多水体参数，如温度、d o 、c 0 2 、p h 、浊度、氨氮等十几 个参数，实际养殖中通常监测3 5 个参数，每个参数均由各自的传感器及其配套 的变送器负责检测，一般的变送器只能显示数据，不能对数据进行保存、查询， 这样不利于了解参数的变化规律和运行情况；拥有保存查询功能的变送器价格高 出普通变送器很多，如果每个参数的监测都使用带有数据保存查询功能的变送器 成本会增加许多。而且显示不同参数情况的变送器无论是集中放在一起还是分散 放置，都不利于工作人员观察记录。除了水体参数之外，养殖工厂还有其他一些 设备的情况需要随时掌握，比如阀门，增氧机，水泵等。 监控工程的作用就是将所有需要监测的参数，设备的工作情况收集起来，在 上位机中用曲线，表格，图形等各种可视化的手段集中显示出来，这样工作人员 可以一目了然的看到想要了解的参数数值、设备状态，并且还将所需数据保存起 来，工作人员可随时调用任何时刻的数据，增加对参数变化规律了解f 捌。工作人 员还可以使用监控工程方便地修改下位机中的控制参数，以达到控制现场情况的 目的。功能齐全的监控工程可以帮助工作人员全面、准确、及时掌握和控制整个 养殖现场的情况，提高工作效率，规范养殖过程，提升养殖和管理水平，充分体 现工厂化水产养殖的先进性。 2 3 2 监控工程的功能 一通讯功能从下位机中接收数据，向下位机写入数据称为通讯，这是监 控工程最基本的功能。上位机和下位机连接起来以后，上位机本身并不能 获取下位机的数据，也不能向下位机中写入数据，只有通过监控工程的通 讯功能才可以获取下位机的数据并改变下位机的数据。 一监测功能监测功能即把收集到的数据显示出来，并保存入历史数据库， 以供随时查询和统计使用。参数数值有多种显示方式，可以直接显示，也 可以制作曲线，报表等方式显示。设备的状态如阀门的打开关闭，电动机 的运行停止等，可以通过制作的动画直观的反映出来。 一控制功能改变阀门，增氧机等设备运行状态；改变下位机中的控制参 数，如p i d 算法中的比例系数、积分系数、微分系数，上下限数值等。下 位机是按照编好的程序运行，改动几个关键的参数就能调整控制状况，但 上海水产大学硕士学位论文 从下位机中修改参数比较麻烦，需要特定的编程软件，有时可能还需要停 机。监控工程的控制功能可以抛开特定的软件，不停机，直接修改参数， 十分便于控制现场情况。 以上介绍的是监控工程最基本，最重要，最常用的三项功能，监控工程还能有 许多其他功能，如报警功能，智能决策等，用户可以根据需要自己添加。 2 3 3 监控工程的设计 监控工程的设计本着方便用户的原则，设计成人机交互的画面形式，即大量 采用曲线，表格，下拉式菜单，弹出式窗口，按钮等直观的可视化图表，最大程 度方便用户掌握整个养殖现场情况，操作运行设备，设置控制参数。 1 、使用v b ，v c + + 等高级语言设计监控工程【加。4 1 1 ，此类软件有友好的人机 界面以及丰富的数据处理和图表显示功能，有很多控件可以用于编程，比如使用 v b 6 0 通信控件m s c o 设计通讯功能【4 2 】。 2 、使用组态软件设计监控工程组态态软件运行于3 2 位w i n d o w s 平台上， 采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对工业控制系统中的各种资源( 设备、标 签量、画面等) 进行配置和编辑；提供多种数据驱动程序；使用脚本语言提供二 次开发的功能。组态软件的编辑窗口也是人机界面，提供很多控件和图表供设计 使用，比如实时曲线，历史曲线，报表，按钮等。设计人员将所需控件、图表调 出，然后与实际盼数据建立起一个连接，就完成显示，保存，控制等各种功能。 目前常用的组态软件有w o n d e r a r e 公司的i n t o u c h ，i n t e l l u t i o n 公司的f i x ， s i m e n s 公司的w i n c c ，g e 公司的c i m p l i c i t y 和北京亚控公司开发的组态王。 早期的监控工程由于需要监控的参数较少，所完成的任务简单，多使用1 7 b ， v c + + 等软件设计。随着对监控工程的要求提高和软件业的发展，出现了组态软件。 、b 软件可用的控件，图形较少，设计人员需要自己编写源文件生成图形表格等。 组态软件可以使设计人员像画图一样操作设计出图形，并提供大量的控件，只要 将其调用出来即可使用。使用组态软件开发监控工程可以提高设计效率，减少重 复的设计工作，缩短开发周期。 总的来说，对于小型分布式系统的设计而言，减少投资往往是重要的出发点， 因此v b ，v c + + 等高级语言适用于一些小规模的、比较简单的控制系统。专用的工 业组态软件适用于控制要求较为复杂的大中型系统，工程技术人员可以依靠其强 大的功能，建立起符合控制要求的控制画面，减少开发周期。在实际工程中，应 当根据控制任务的特点及现场实际状况来选择具体的控制方案。 1 7 上海水产大学硕士学位论文 第三章p h 在线自动监控系统设计 3 1 自动监控系统任务要求和控制指标 3 1 i 系统任务要求 一对养殖水体p h 值进行自动控制，并有手动模式备用。 对养殖水体溶解氧进行自动控制。 _ 实现温度，p h 值，溶解氧在线自动