水产自动投喂系统设计

学科分类号0807本科毕业设计题目（中文）水产自动投喂系统的设计（英文）THEDESIGNOFFEEDSYSTEMAUTOMATICINAQUATICPRODUCTS姓名张云涛学号2011180203院（系）工程与设计学院专业、年级机械设计制造及自动化、2011级指导教师尹碧菊二一五年五月湖南师范大学本科毕业设计诚信声明本人郑重声明所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除设计中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本设计的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本科毕业设计作者签名二一五年五月六日湖南师范大学本科毕业设计任务书毕业设计题目水产自动投喂系统的设计作者姓名张云涛所属院、专业、年级工设院机械设计制造及自动化2011级指导教师姓名、职称尹碧菊、讲师预计字数15000字开题日期201516选题的目的和意义随着我国养鱼业的迅速发展，养鱼机械已成为淡水养鱼不可缺少的设备。以往采用人工抛料的饲养方法，存在投放面积小、喂料不均匀、劳动强度大和效率低的缺点，常常浪费鱼饲料及污染养鱼水质，影响鱼类的生长发育。鱼塘自动投饵机集定点、定时和定量投饵技术于一体，具有投饵面广、增加单位养鱼面积、投饵均匀、避免大小鱼争食、提高饲料利用率、降低饲料对水质的污染和增加鱼产量等特点，减轻了养鱼工作人员的劳动强度，有效提高工作效率和经济效益。目前，采用投饵机代替人工投饵已被普遍认可。市场上的投饵机主要有两类一是采用以定时电路为控制核心的单次间歇式投饵机，该机每次投饵都需重新设置，且定时不准确，缺少无料停机功能，不适合大面积鱼塘使用；二是单片机控制的全自动投饵机能够满足不同用户的需求，但大多因软硬件设计缺陷存在着工作不稳定、电机故障率高、无料停机可靠性较差和维修维护难等问题。为此，详细分析了广州通能公司的TN201型投饵机系统存在的问题，在保证机械化喂饲程序更加合理、准确与可靠的前提下，应用新技术开发并研制一种适合现代渔业生产的新产品，解决投饵机推广应用的关键技术问题。该投饵机能根据养殖面积、鱼种以及不同生长期对饲料的需求，精确地定时、定量投饵，做到科学喂鱼。这对于增加鱼的单位面积产量、提高饲料利用率、减少因饲料溶解和沉积腐化对养殖水域环境的污染具有重要的意义。主要研究内容投饵机的主要任务是定时、定量且均匀地抛洒各种鱼饲料。本程控自动投饵机根据鱼的种类、生长期、养殖密度以及水温、气候、时期等不同的养殖条件，由PLC及电子辅助装置精确控制送料、抛料的时间与数量。应达到的技术指标或要求1、抛洒膨化料、硬颗粒料机软颗粒料等抛料面积大且均匀，可喂养不同种类的鱼。2、定时开机，能够方便工作人员在半夜或在天气较冷的晚上实现定时喂养，即做到科学喂鱼，又节省了劳动力。3、投饵和间歇时间的长短可调，投一阵，停一阵，给鱼吃完每一次抛出的饲料提供充足的时间，减少饲料沉底溶化而造成的浪费和水质污染。4、定时停机与无料停机，既可以通过控制工作时间来控制投饵量，也可以直接放置一定量的饲料，通过无料停机达到定量控制的目的。5、单次投饵量多少可调，工作人员可根据鱼的不同种类和不同生长期来调节单次抛投饲料的量。主要设计方法或技术路线1、熟悉课题所涉及的知识，查阅相关资料并收集。2、整理资料，针对课题的设计要求，全面合理地分析，提出各种方案。3、征求指导老师和同学的建议，讨论各种方案的可行性，确定一个最合理的方案。4、根据总体的设计思路，初步确定结构尺寸,用PROE绘制三维主要零件图，用PLC实现初步投喂系统控制程序。5、根据导师的指导，对设计进行完善和优化。完成本课题应具备的环境（软件、硬件）硬件PLC、计算机、计算器、所需的材料软件MICROSOFTWORD、PRO/E绘图软件。各阶段任务安排2014122520150105查找相关资料，写好开题报告。2015010820150202整合资料，确立总体设计方案。2015030720150420完成整体设计。2015042120150504在导师的指导下，修改并完善设计，定稿。2015050520150508准备毕业设计答辩。主要参考资料1李君略,俞龙,王卫星,刘华基于单片机的鱼用投饵机自动控制系统J农机化研究2006022王志勇,谌志新,江涛集中式自动投饵系统的研制J渔业现代化2011013王志勇,谌志新,江涛,郭根喜标准化池塘养殖自动投饵系统设计J农业机械学报2010084胡昱,郭根喜,黄小华,陶启友,张小明,古恒光基于PLC的深水网箱自动投饵系统J南方水产科学2011045张惠娣,汪昌固,王贤成基于无线通信和PLC的网箱自动投饵系统设计J控制工程2014046汪昌固网箱智能投喂系统开发及关键技术研究D太原科技大学20147田应平,杨兴,周路,张龙涛工厂化水产养殖自动投饵系统的设计J贵州农业科学2010058FERNANDODVONBORSTEL,JAIMESUREZ,EDGARDELAROSA,JOAQUNGUTIRREZ,2013,“FEEDINGANDWATERMONITORINGROBOTINAQUACULTUREGREENHOUSE”,INDUSTRIALROBOTANINTERNATIONALJOURNAL,VOL40ISS1PP1019指导教师意见指导教师签名开题报告会纪要时间地点姓名职务（职称）姓名职务（职称）姓名职务（职称）与会人员会议记录摘要会议主持人签名记录人签名年月日指导小组意见负责人签名年月日学院意见负责人签名年月日湖南师范大学工程与设计学院指导教师指导毕业设计情况登记表论文（设计）题目水产自动投喂系统的设计学生姓名张云涛所属专业、年级自动化专业2011级指导教师姓名尹碧菊职称教师学历指导时间指导地点指导内容学生签名备注二、湖南师范大学本科毕业设计评审表毕业设计题目水产自动投喂系统的设计作者姓名张云涛所属院、专业、年级工设院、自动化、2011级指导教师姓名、职称尹碧菊讲师字数11000定稿日期201558中文摘要随着我国水产养殖业的快速发展，大型标准化的池塘养殖也越来越多，因此在管理方面的工作量和复杂度也增加了许多。目前，国内的大型水产养殖场投饵的自动化与智能化的普及率不高，仍然主要采用人工投饵的方式进行养殖。但是与自动投饵相比，人工投饵存在着投饵量难以控制、人工劳动强度大、投喂饲料不均匀以及对生态坏境产生不良影响等缺点。为了提高国内水产养殖投饵智能化、自动化和工业化的普及率，所以有必要设计并研发出一种符合大型标准化养殖投饵管理要求的自动投饵系统。关键词（35个）PLC、自动化、继电接触器、定时英文摘要WITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFAQUACULTUREINOURCOUNTRY,LARGESCALESTANDARDIZEDAQUACULTUREISALSOINCREASING,SOTHEMANAGEMENTWORKLOADANDCOMPLEXITYALSOINCREASEDALOTATPRESENT,THELARGESCALEAQUACULTUREFIELDPOPULARIZATIONOFAUTOMATIONANDINTELLIGENTFEEDINGRATEISNOTHIGHINCHINA,STILLMAINLYUSESTHEARTIFICIALBAITWAYFORBREEDINGBUTCOMPAREDWITHAUTOMATICFEEDING,ARTIFICIALFEEDINGISDIFFICULTTOCONTROLTHEFEEDINGAMOUNT,INTENSITYOFLABOR,FEEDUNEVENANDHAVEADVERSEEFFECTSONECOLOGICALENVIRONMENTETCINORDERTOIMPROVETHEPOPULARITYOFDOMESTICAQUACULTURE,INDUSTRIALAUTOMATIONANDINTELLIGENTFEEDINGRATE,SOITISNECESSARYTODESIGNANDDEVELOPWITHALARGESTANDARDOFCAGEAQUACULTUREMANAGEMENTAUTOMATICFEEDINGSYSTEM关键词（35个）PLC、AUTOMATION、RELAY、TIMING毕业设计指导教师评定成绩（本页由指导教师手写）评审基元评审要素评审内涵满分实评分目的明确符合要求选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和综合训练的基本要求9选题质选题恰当题目规模适当5题目难易度适中5量28联系实际题目与生产、科研、实验室建设等实际相结合，具有一定的实际价值9综合运用知识能力能将所学专业知识和机能用与毕业设计中；设计内容有适当的深度、广度和难度5应用文献资料能力能独立查阅相关文献资料，能对本设计所涉及的有关研究状况及成果归纳、总结和恰当运用5实验（设计）能力能运用本学科常用的研究方法，选择合理可行的方案，能对实际问题进行分析，进行实验（设计），具有较强的动手能力5计算能力原始数据搜集得当；能进行本专业要求的计算，理论依据正确，数据处理方法和处理结果正确5计算机应用能力能根据设计题目要求编程上机或使用专业应用软件完成设计任务5能力水平30分析能力能对设计项目进行技术经济分析或对实验结果进行综合分析5插图或图纸质量能用计算机绘图，且绘制图纸表格符合标准5说明书撰写水平设计说明书齐全；概念清楚，内容正确，条理分明，语言流畅，结构严谨；篇幅达到学校要求12规范化程度设计的格式、图纸、数据、用语、量和单位、各种资料引用和运用规范化，符合标准；设计栏目齐全合理5成果的实用性与科学性较好地完成设计选题的目的要求，成果富有一定的理论深度和实际运用价值5设计质量32创见性具有创新意识，设计具有一定的创新性5外文资料翻译10外文应用能力能搜集、阅读、翻译、归纳、综述一定量的本专业外文资料与外文摘要，并能加以运用，体现一定的外语水平，译文汉字数1500200010总成绩评定等级指导教师评审意见指导教师签名说明评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，总成绩90100分记为优秀，8089分记为良好，7079分记为中等，6069分记为及格，60分以下记为不及格。若译文成绩为零，则不计总成绩，评定等级记为不及格。三、湖南师范大学本科毕业设计答辩记录表毕业设计题目水产自动投喂系统的设计作者姓名张云涛所属院、专业、年级工设院、2011级、自动化指导教师姓名、职称尹碧菊讲师答辩会纪要时间地点姓名职务（职称）姓名职务（职称）姓名职务（职称）答辩小组成员（记录人手写）答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录会议主持人签名记录人签名年月日答辩小组意见评语评定等级负责人（签名）年月日学院意见评语毕业设计学院最终评定等级负责人（签名）学院（公章）年月日学校意见评语评定等级负责人（签名）年月日目录摘要1ABSTRACT2第1章绪论311课题研究背景312课题研究的目的和意义413PLC应用于水产养殖投饵514国内外研究现状5141国外研究与应用现状5142国内研究与应用现状615本文的主要研究内容7第2章自动投喂系统总体结构及工作原理921自动投喂系统总体结构922自动投喂系统工作原理1023PLC控制系统结构1124PLC的类型和功能1225PLC控制系统工作流程1326电动机的功能和类型1427自动投喂系统电路原理15第3章程序设计1831程序设计要求1832程序设计的流程1833程序语言编程19331时钟读写和电机启动19332系统风压的控制22333供料控制23334投饵量的控制24335分配器切换控制25总结27参考文献28致谢301水产自动投喂系统的设计机械设计制造及其自动化2011级张云涛摘要随着我国水产养殖业的快速发展，大型标准化的池塘养殖也越来越多，因此在管理方面的工作量和复杂度也增加了许多。目前，国内的大型水产养殖场投饵的自动化与智能化的普及率不高，仍然主要采用人工投饵的方式进行养殖。但是与自动投饵相比，人工投饵存在着投饵量难以控制、人工劳动强度大、投喂饲料不均匀以及对生态坏境产生不良影响等缺点。为了提高国内水产养殖投饵智能化、自动化和工业化的普及率，所以有必要设计并研发出一种符合大型标准化养殖投饵管理要求的自动投饵系统。虽然目前的以单片机为控制核心的自动投饵机可以满足不同客户的各种需求，但也存在着工作时稳定度比较低、电动机发生故障的几率较高、无料时电机停止的可靠性不高和维修维护成本高等问题。应此该系统采用PLC控制系统为核心控制系统，通过控制继电接触器的接通与断开，从而控制各个设备的启动与停止，实现准时、准量、间断性的精确投饵。关键词PLC、自动化、继电接触器、定时2ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFAQUACULTUREINOURCOUNTRY,LARGESCALESTANDARDIZEDAQUACULTUREISALSOINCREASING,SOTHEMANAGEMENTWORKLOADANDCOMPLEXITYALSOINCREASEDALOTATPRESENT,THELARGESCALEAQUACULTUREFIELDPOPULARIZATIONOFAUTOMATIONANDINTELLIGENTFEEDINGRATEISNOTHIGHINCHINA,STILLMAINLYUSESTHEARTIFICIALBAITWAYFORBREEDINGBUTCOMPAREDWITHAUTOMATICFEEDING,ARTIFICIALFEEDINGISDIFFICULTTOCONTROLTHEFEEDINGAMOUNT,INTENSITYOFLABOR,FEEDUNEVENANDHAVEADVERSEEFFECTSONECOLOGICALENVIRONMENTETCINORDERTOIMPROVETHEPOPULARITYOFDOMESTICAQUACULTURE,INDUSTRIALAUTOMATIONANDINTELLIGENTFEEDINGRATE,SOITISNECESSARYTODESIGNANDDEVELOPWITHALARGESTANDARDOFCAGEAQUACULTUREMANAGEMENTAUTOMATICFEEDINGSYSTEMALTHOUGHTHESINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHECONTROLCOREOFTHEAUTOMATICFEEDINGMACHINECANMEETTHEDIFFERENTNEEDSOFCUSTOMERS,BUTALSOHASTHEWORKSTABILITYWHENRELATIVELYLOWRELIABILITY,STOPTHEMOTORMOTORFAILURERISK,NOSTOCKISNOTHIGHANDTHEHIGHCOSTOFREPAIRANDMAINTENANCETOASKQUESTIONSTHISSYSTEMADOPTSPLCCONTROLSYSTEMASTHECOREOFTHECONTROLSYSTEM,THECONTROLONTHERELAYCONTACTORANDDISCONNECT,ANDSTOPTOCONTROLALLTHEEQUIPMENTSTART,IMPLEMENTATIONTIME,VOLUME,PRECISIONOFINTERMITTENTFEEDINGKEYWORDPLC、AUTOMATION、RELAY、TIMING3第一章绪论11课题研究背景随着我国水产养殖业的快速发展，大型标准化的池塘养殖也越来越多，因此在管理方面的工作量和复杂度也增加了许多,应此装配自动投饵等养鱼机械设备已成为水产养殖必不可少的要求。以往的小型个体水产养殖户主要采用人工抛投饲料的饲养方法，如果在大型标准化的池塘养殖中仍然采用人工投喂的饲养方法，则会产生人工投放饲料的面积太小、人工劳动强度大、天气对人工投饵的影响大、投料不均匀以及投喂效率低等问题。此外，因为人工投喂经常浪费鱼饲料，使得大量的饲料残渣沉淀在池塘水底，长久下去会污染养鱼的生态环境，从而严重影响池塘中鱼类的生长发育和健康状况，使得养殖厂的生产效益下降。因此为大型标准化池塘设计出一种集定时、定点、定量和间歇式投饵技术于一体的自动投喂系统，符合我国目前水产养殖业快速发展的需求。因为鱼塘自动投饵剂具有投饵范围广、大幅地增加池塘的单位养鱼量、投料均匀、避免了大鱼与小鱼争夺饲料、降低饲料的浪费率、将投喂的饲料对环境的影响降到最低和提高鱼的成活率等特点，并且减少了人工劳动成本，将养殖场相关养殖人员从繁重的体力劳动中解放出来，有效地提高养殖人员的工作效率和养殖场的经济效益。目前，国内养殖场已普遍认可采用自动投饵系统来代替人工投饵的观念。目前在市场上已经存在的投饵系统有两个类别一类是单次间歇式投饵系统，该系统已定时电路为控制核心，因此该机每次进行投饵时都需要重新设置相关时间等数据，而且定时、定点、定量不精准，没有饲料缺少时自动停机的功能，所以无法符合大型标准化池塘养殖的技术要求；另一类是以单片机控制系统为核心的全自动投饵系统，虽然该系统能够符合各种用户的不同技术要求，但是单片机的许多软件和硬件设计存在着缺陷，因而会产生系统运作稳定率低、各个电机发生故障的几率高、缺少饲料时自动停止投喂的可靠性不高和维修维护成本高等问题1。因此采用PLC控制系统为核心的自动投喂系统，通过控制继电4接触器的接通与断开，从而控制各个设备的启动与停止，实现准时、准量、间歇性的精确投饵。该系统不但可以满足不同用户的技术要求，而且系统工作时稳定性高，软硬件设计良好，可靠性极高，运行时的维修维护花费低，因此该自动投喂系统符合市场的需求。12课题研究的目的和意义本文研究的水产自动投喂系统应用空气压缩传送物料的原理来进行投饵，该原理通过供气压缩系统空气流与饲料混合，然后通过分配器将混合气体分配给不同的输料管道，从而输送到各个指定地点。自动投饵系统在PLC控制下与计算机连接，可以对大型标准化池塘中的多个小池塘进行定时定点定量的间歇性投饵，并在分配器设备的配合下可以自动切换到通向不同养殖池的输料管道，从而实现大型标准化池塘自动化、智能化投喂饲料。此套自动投喂系统以PLC控制系统为控制核心，通过PLC控制各个继电接触器的闭合来控制各个电机或阀门的启动和停止，并将各个设备以PLC为核心联合成一个相互协作的系统。在PLC控制系统中通过缜密的逻辑来设计一套良好的系统工作电路与控制电路，并应用STEP7MICROWIN编程软件来编制梯形图运行PLC控制系统和监控其他软件，从而达到精确的自动投饵目的，而且通过PLC与计算机的连接使得自动控制能够实现远程人性化的操控。本文研究的自动投喂系统通过分析大型标准化池塘自动投饵的运作过程，设计出一套与之相符的系统软硬件方案，该系统被设计为可以应用于大型标准化池塘养殖场，可以精确地实现投喂饲料作业时的定时、定点、定量和间歇性投饵。大型标准化池塘养殖场越来越多，人工投饵由于存在着诸多缺点，所以并不适用于工业化、智能化的现代养殖。而以PLC控制系统为核心的水产自动投喂系统适用于不同的养殖种类和养殖条件的饲料投喂场合，可以满足现在养殖业日趋规模化、现代化、智能化、自动化和工业化发展的需求，研发这套自动投喂系统是十分符合市场经济需求的3。513PLC应用于水产养殖投饵PLC控制系统即可编程逻辑控制器PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER是一种由数字运行并计算操作的电子系统，是被专门设计来应用于工业环境中的。它采用某一种可以进行编写程序的存储器，用来这种存储器来存储PLC内部的程序，并执行程序中的各种逻辑运算，按程序设定的顺序一步一步地进行控制，精确地计算和定时等操作指令，而且通过数字或模拟式I/O控制不同种类的机械和电气生产过程。美国在1960年代发明了可编程逻辑控制器（PLC），并用PLC控制装置代替了以往的继电器控制装置，此后PLC在世界各地得到了快速发展和广泛的应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着其它高科技技术的快速发展和不同用户的需求的增加，例如计算机信息技术、信号接受处理技术、控制编程技术。PLC不仅有开关量处理的功能，此外还拥有了模拟/数字量处理和运动控制等功能。如今的PLC功能越来越齐全，不再只有逻辑控制功能，还拥有其他领域的功能，比如运动控制、过程控制等。虽然随着PLC的功能不断扩展，PLC控制系统在汽车业、冶金业、化工业、机械业、电力能源业、等各行各业中的地位越来越重要，但是PLC控制系统很少应用在大型标准化池塘或网箱等水产养殖工程领域。目前，中国大型标准化池塘胡网箱等水产养殖业的数量和规模不断增加，但是以PLC控制系统为核心的水产自动投喂系统技术与机械设备的投入与研发远远不够。基于PLC的水产自动投喂系统对于水产养殖业迫切需要的智能化和工业化是一个合理而又新颖的创新。14国内外研究现状141国外研究与应用现状目前，国外研发自动投喂系统一直所追求的方向有两种一是6大型中央调控投喂系统,这类自动投喂系统的核心是拥有一个能在同一时间内对不同大型养殖池塘或深水网箱进行投喂饲料作业的中央投喂系统,可以实现大投饵量、大容量、高精度、高稳定性等目标2二是研发出可以进行自动投饵作业的机器人，这种自动投饵机器人专门应用于一系列小型养殖池汤或浅水网箱,追求的是高投饵精度。某些欧美国家目前已经研发出来一种中央集中调控配合气力输送的自动投喂系统，并在各种大型养殖池或深水网箱中使用，效果十分显著。此套系统是通过中央控制储料仓的下料设备来放饲料，然后控制风机产生空气流混合饲料，通过喷射器到主输送管道，再通过分配阀分配到各自的输料管道，从而将饲料送达各个养殖池或网箱。一家芬兰公司专门为陆基淡水养殖场,尤其是有30多个养殖池的养殖场，研发出了与之相适应的机器人自动投饵系统，该系统有精确投喂小量饲料的优点。这套系统通过计算机控制系统控制26个小型机器人,在各个养殖池的上方的安装了轨道从而将养殖池连接起来，这些投饵机器人就可以沿着轨道移动到在各个养殖池的上方进行投饵作业。该自动投喂系统实现了智能化操作自动投饵,而且可以对各个养殖池设置适合池中鱼类生长的投饵程序，使得不同养殖池中养殖的不同鱼类得到合理的投喂。总得来说，国外的一些养殖业大国已经不再使用人工投饵方式来养殖了，而是在各种大型养殖场中大量地使用了自动投饵设备，可以精确地控制养殖场中饲料的输送和投喂过程。国外深水网箱养殖方式一般是在海上工作平台上安装自动投喂系统，然后由海上工作平台布置不同的输料管道到各网箱实现智能投饵作业。只要在投饵机的PLC控制系统或连接PLC控制系统的计算机上设置好相关的投喂参数就可自动又精确地工作,在整个操作过程中实现了投喂自动化。142国内研究与应用现状目前,国内深水网箱养殖的自动化程度不高，普遍靠人力来搬运7和投喂饲料，经济效益和环境保护较低。虽然国内一些小型养殖场已经使用了小型初始的自动投饵机，但是这种自动投饵机的性能不适合大型标准化池塘或深水网箱养殖中的大容量、高强度、高密度养殖等特殊养殖要求。1990年代初大连水产学院曾研制成功出一种养虾的机械式投饵装置。该装置是由柴油动力机驱动水泵,从水泵产生的高压水将饲料从储料仓中冲入输料管道再从喷嘴直接喷于养殖池中,达到对养虾池进行机械投喂作业的目的。但该装置机械构造简单,投喂能力不高,无自动控制系统，所以无法自动投饵。虞宗敢初步设计出了自动投饵机中气力输送系统部位的组成和布局，通过应用已经成熟的气力输送工艺技术输送饵料来取代人工投喂饲料。该气力输送投喂系统输送和投喂饲料的最远距离为60M,投喂饲料的效率为600KG/H。该系统由中央控制系统、供料储料设备和输送饲料设备构成,实现了机械投喂饲料的自动化10。宋协法和路士森经过多年的努力终于研发出了一款适用于深水网箱养殖等其它大容量、高强度、高密度养殖特殊要求类型养殖场的自动投喂系统11。该自动投饵机的驱动力由汽油机和水泵提供,通过汽油机带动水泵产生高压水流，高压水流混合投喂饲料后经过输料管道到达深水网箱的中心，高压混合水流就会在网箱上空进行抛洒从而完成投喂饲料的任务。该汽油机的额定功率可达5KW,抛洒投喂饵料的最高速度可达到300KG/H。随着国内水产养殖业的飞速发展,“十一五”规划中已经显著地加强了对于水产自动投喂系统的研究和投资力度,目前已经有多家大学或科技研发部门和水产养殖企业进行合作，共同研发出一款适用于大型标准化池塘或深水网箱养殖场的水产自动投喂系统和相关配套设备,相信国内水产自动投喂系统在不久的将来会有很大的突破。15本文的主要研究内容本文主要是研究和设计出一套以PLC为中央控制系统，通过编写程序接受传感器信号和控制继电器从而实现机械设备自动化的水8产自动投喂系统。文中会详细介绍该系统的总体机械和电气结构、控制系统的工作原理、PLC控制系统中的所选的硬件类型及编写程序的方式。在系统研发中应用梯形图编程语言系统监控、检测和运行软硬件，从而实现投喂饲料过程中的无人自动调控、精确计量和人性化远程操作。在确保自动化投喂程序更加合理、精准与可靠的前提下，应用PLC等新技术研发一种适合现代大型标准化渔业生产的新产品，解决自动投喂系统在市场推广和用户应用中所面临的核心技术问题。该投饵机能根据养殖场的投喂面积、养殖的鱼种以及鱼类在不同生长期对饲料的需求量，精确地定时、定点、定量投饵，实现科学智能化喂鱼。此外该投饵剂能提高饲料利用率、增加鱼的单位面积产量、减少因饲料溶解和沉积腐化对养殖水域环境的污染，从而提高养殖场的经济效益并实现环境友好型发展。9第二章自动投喂系统总体结构及工作原理21自动投喂系统总体结构该自动投喂系统总体是由控制、供料、供气、输送等4套子系统组成（图21）。其供气系统由罗茨风机、加速室和电动阀门构成。罗茨风机产生低压空气流，在电动阀开通后经加速室作用，形成低压高速空气流。供料系统主要由提升机、气动三通、储料仓、料位仪和气动阀门构成。提升机传送饲料到储料仓，通过气动阀门的开启来施放饲料。输料系统主要由螺旋输送机、分配器（图22）、出料分和输送管道构成。螺旋输送机将饲料集中在一起，而分配器是将饲料分开配送到不同的出料口管道。控制系统由控制柜构成。控制柜中就安装有以PLC为控制核心的系统控制设备，并与计算机或触摸屏进行连接实现远程人性化调控。1提升机2气动三通3储料仓4料位仪5控制柜6罗茨风机7气动阀门8电动阀门9螺旋输送机10加速室11分配器12出料口图21自动投饵系统总体机构图10图22分配器结构图22自动投喂系统工作原理水产自动投喂系统是一种与水产养殖场相配套的高效益技术。输送方式采用罗茨风机产生低压高速空气流气力传输技术，将空气流与饲料混合后一同输送分配器中，在分配器中在切换到输送各个养殖池的管道实现高精度和高效率的投饵，从而达到节约人力成本、增加饲料利用率、保护水产养殖环境提和高养殖生产效率的目的。此系统以PLC控制器为系统核心，并与远程计算机联网，使自动投饵系统可以以每日、每个时间点的不同投饵要求，实现远程人性化操作和系统自动启动，并对多个养殖池自动地进行定时、定量精确投喂饲料行为。控制柜内安装的PLC控制器是控制提升机、气动阀门、螺旋输送机、罗茨风机、电动阀门和分配器运行的关键。系统中的PLC控制器主要使各个被控制的机械和电气设备实现以下一些功能气动阀门的自动闭合料位仪检测饲料有无来控制投喂行为的停止和提升机的运行罗茨风机在电动阀门的调控下，可以在系统没有载荷的情况下实现启停，并且在系统所设定的时间点智能化地实现自动启动和停止，从而确保输料管道内的空气压力不超出管道所能承受的安全压力值气动阀门在各个规定的时间点启动或停止，将储料仓内的饲料释放螺旋输送机管道内当料位仪检测储料仓内饲料量是最低值时即无料状态，提升机在PLC的控制下不断地向储料仓输送饲料直到饲料量到达最大值，这样就可以确保储料仓内的饲料量一直维持在合适的水平在分配器中通过步进电机控制S11型滑动管与不同出料口接头，使得气力输送饲料过程能够自动转换到不同输料管道，最终将饵料通输送到需要投喂饲料的养殖池。23PLC控制系统结构该水产自动投喂系统的选择将PLC控制器作为中央控制系统的核心，其控制任务如下控制电机和阀门的启闭。控制整个投饵机的运作过程。收集系统电源设备的状态量和模拟量等信息。计算系统中所要设定和显示的各种参数。与计算机或触摸屏通信。为确保系统的可靠性，系统选用标准配置的工业控制计算机，该机内部装有光电隔离型8路输入/输出适配卡和D/A板卡。PLC控制系统的结构框图如（图23）所示，PLC通过接口与上位工控机、计算机和触摸屏通信，不但可以采用计算机实现远程调控PLC控制器，还可以通过触摸屏进行更为人性化的操作。该产品可以使用户通过计算机或触摸屏的操作界面方便、快捷而又直观地进行系统观察和调控、重要参数的设置和相关数据信息的浏览5。操作器工控机显示器触摸屏打印机PLC风机控制电路下料控制电路投饵控制电路排空阀料位仪提升机罗茨风机螺旋输送机步进电机图23控制系统结构框图1224PLC的类型和功能因为自动投喂系统的整个运行流程比较复杂，所需的基本功能也比较多，与之相对应的是PLC控制器中的I/O数量也要比较多，所以要满足以上功能的要求，选用西门子S7226型PLC是最适合不过的。依据自动投喂系统的相关控制和运行要求来设计系统中以PLC为控制核心的电路原理图24和PLC与各个继电器相对应的I/O（功能表见表21）。该控制系统的硬件由西门子S7226型PLC结合CHINTCJX19交流接触器、OMRONMY4NJ和MK2PI中间继电器以及标准型电感式接近开关等相关电器元件一一构成。提升机、螺旋输送机和分配器中的S型输料管等机械装备均由电动机提供动力。而控制对象中的电动机和阀门的启动与停止是由交流接触器和中间继电器来完成的。表21自动投喂系统PLC接口功能表输入口工位名称输入输出元件X0停止按钮SB1X1自动运行模式按钮SB2X2提升机启动按钮SB3X3螺旋输送机正转按钮SB4X4螺旋输送机反转按钮SB5X5罗茨风机启动按钮SB6X6电动阀门按钮SB7X7气动阀门按钮SB8X81位定位电感式接近开关SQ1X92位定位电感式接近开关SQ2X10分配器正转按钮SB9X11分配器反转按钮SB10X12加速室启动按钮SB11Y0警报模式指示红色指示灯Y1自动运行模式指示绿色指示灯Y2气动阀门开启指示绿色指示灯Y3提升机启动指示绿色指示灯Y4螺旋输送机启动指示绿色指示灯Y5罗茨风机启动指示绿色指示灯Y6电动阀门开启指示绿色指示灯Y7加速室开启指示绿色指示灯Y8分配器启动指示绿色指示灯13Y91位定位指示绿色指示灯Y102位定位指示绿色指示灯图24PLC控制电路原理图25PLC控制系统工作流程自动投喂系统中以PLC为控制核心的工作详细过程见图25。在启动基于PLC的控制系统后，首先检测投饵机中储料仓内的饲料量是否充足。只有系统通过检测后才可全面运行自动投饵系统。进入系统后，首先将同时进行2个运作开启罗茨风机和提升机。当料位仪检测到储料仓内饲料量为最小值时，料位控制仪产生信号给PLC控制器，PLC控制提升机将饵料运送至储料仓内，提升机传送饲料为不断式送料当储料仓内饲料量到达最大值时后则立即停止提升机供料。与此同时启动罗茨风机，达到清理输料管道内上次投喂时没有排空所留下来的饲料，并稳定输料管道内的空气流的目的。运行分配器，选择要进行投喂的养殖池或网箱，分配器的旋转管会旋转到指定投喂的养殖池或网箱的输料管道。启动气动阀门后下料流程就开始了，PLC控制器可以通过变频器来调节其下料速度。在螺旋输送机的运行下饲料被集中传送到相关供气设备中，通过分配器切换后经过输料管道到达设定的养殖池进行投喂。当PLC控制气动阀门下料流程运行了一定时间，就完成了一个设定的养殖池或网箱的投喂任务。继续重复以上所设定的投喂流程，当完成所有目标养殖池或网箱的投喂任务完成后，控制罗茨风机最14后再工作一段时间，将输料管道内残余的饵料清理排出后关闭自动投喂系统。15料仓有料气动阀门开启动螺旋输送机管道清空分配器选择池塘关闭罗茨风机系统停止结束初始化开始电动阀门开开启罗茨风机定时时间到继续投饵提升机供料否否是是是否图25PLC控制系统工作流程图26电动机的功能和类型在系统中总共有4台电动机分配器中的步进电机、为提升机提供动力的电动机、螺旋输送机和罗茨风机。各自的作用也不相同，因此需要选择合适的电机尤为重要。系统停止16因为分配器的功能是切换各个输料管道的接口，所以分配器中工作的电机必须有精确定位的特点。而步进驱动电机的工作特点是每次收到一个脉冲信号后，步进驱动电机就会按照系统已经设置好的某个方向旋转一个精确的角度，其旋转动作是精确地以依次以一个步距角的距离一段一段地转动。因此选用DCH30806型三相步进驱动电机非常符合本系统的要求。系统中提升机需要将饲料从地面输送到储料仓顶部，所以选择的电动机要具有输送量大，提升高度高，运行平稳可靠，寿命长等显著优点。HNE30型提升机的提升量是32M3/H，物料最大效率为75，符合快速供料的要求。螺旋输送机的作用是将从储料仓的两个下料口下来的饲料其中输送到供气设备中。系统选用的LS100型螺旋输送机，具有整机体积小、转速高、密封性好、安装维修方便、寿命长和确保快速均匀输送的优点。大部分饵料是颗粒状或粉状的，用罗茨风机将饵料远距离吹入养殖池是可行的。SSR50A型罗茨风机的风量为556M3MIN1，排出压力为49KPA，喷投饲料的最远距离能达25M。27自动投喂系统电路原理PLC控制系统的电路如图26所示采用的是逻辑设计法设计，系统电路主要由西门子S7226型PLC、接触器、中间继电器、熔断器、变频器和机械电气开关等电气元件构成。PLC控制系统电路接入电路中的电压源是380V的交流电流，通过内部的变压器设备进行降压处理后，才能获得系统中各个电气设备正常工作时所要的接入电源。系统电路中通过的电流类型有交流电和直流电。使用交流电的主要罗茨风机、螺旋输送机、提升机和加速室等。而PLC控制器所需的接入电源是25V直流电流，其它步进电动机所需的接入电源是2565V直流电流。电动阀门中电动机的控制电机正反转向的中间继电器是由2组继电器主触点组成，罗茨风机与熔断器、继电器和断路器连接，气动阀门与变频器、螺旋输送机、继电器连接。17提升机电动机和螺旋输送机电动机是分别由中间接触继电器KM1和KM2这两组不同的触点来控制其接通与闭合的。分配器中步进电机M1的正反转向是由中间交流接触继电器KM3和KM4这两组不同的触点来控制的。罗茨风机的正反转向是由中间接触继电器KM5和KM6这两2组不同的触点来控制的。在PLC控制系统中使用变频器来控制螺旋输送电动机工作时的的旋转速度，从而控制投喂饲料的总流量。用户使用变频器一般都有10种不同的通用接线方法，例如数字面板控制和电压流域中的电流末端控制等其他方法。所以在设置变频器的相关参数时，可以在变频器初始化阶段直接在变频器设置菜单中进行选择，变频器就会自动设置完成相关的参数等信息。变频器中内置有精确度较高的模拟量I/O接口，用户要选择变频器处于电压模式或电流模式时只要调控控制开关就完成了。在变频器连接图（图27）中L1、L2、L3三条电线就是380V交流电压电源的接入端，而U、V、W三条电线就是三相交流电源的输出端。“非远程控制”模式时，可以通过操控数字面板来控制电动机的启动、停止、旋转的方向以及旋转速度当变频器处于“远程控制”模式时，可以由与变频器中输入端口DI1相连接的由PLC提供的信号来控制螺旋输送电动机的启动和停止，还可以通过与变频器中输入端口DI2及DI3相连接的由PLC提供的信号来控制螺旋输送机旋转速度的升和降。图26自动投喂系统电路图18图27变频器控制原理图19第三章程序设计31程序设计要求自动投喂系统中程序主要由分为PLC控制程序和触摸屏调控程序这两类。在触摸屏控制程序中一共设定有7个子程序，其中有触摸屏信息显示运作、设定和修改相关重要参数、投饵总流量和时间点的调控、查看整个投喂系统中的运行状况、查询系统中的历史投喂数据和信息、编辑相关数据和远程控制自动投喂机。在触摸屏中投喂信息界面中会一一显示出各个养殖池的投喂计划和投喂任务已经完成的进度，当自动投喂系统开始进行设定的投喂任务时，在界面上点击相关图标就能显示出目前投饵任务的详细信息。在重要参数设定和修改界面中用户可以设定和修改系统中所有控制设备工的详细参数在系统状况观察界面中用户能够直观而又详细地了解到正在运行的系统中各个设备间的工作状况，还可以在此界面中通过手动来操控投喂系统内各个设备的工作状况。在系统内的历史投喂数据和信息编辑界面中，用户可以查询系统内一切已经完成了的投喂任务过程中详细信息，比如有投喂时间、投喂的总饲料量和投喂饲料的类型。在设置自动投喂系统中的重要参数的PLC控制程序时，选定投喂计划中的所需投喂时间点、养殖池和其他重要的投喂详细参数，用户在程序中增添自己所设置的投喂任务，自动投喂系统就会精确准时地在用户设置好的时间点自动完成系统中的投喂任务。32程序设计的流程依据研究中已经设计好的自动投喂系统的控制流程和合理的逻辑控制技术，在STEP7MICROWIN软件平台上结合设计好的PLC电路编写相关的PLC程序控制梯形图或者直接写语句表。依据自动投喂系统中所有的控制功能来把整个PLC控制程序流程分配成不同类的功能子模块，在先编制完成所以不同功能子模块所需的程序后，依次把这些已经完成了的功能子模块程序嵌入到系20统的主要程序中在并配合其它的相关的辅助性程序，最终结束系统的整个编程。系统中的主要程序通常要运行的任务是转换手动和自动这两种投喂模式以及调节各个功能子模块的程序在嵌入主要程序过程中的先后顺序等。而各个功能模块的程序主要运行任务是螺旋输送机的驱动电机的启动和停止、提升机供料、罗茨风机和气动阀门的启停、分配器中各个输送管道的自动转换和自动投喂系统中的投喂程序模块。其它的辅助性程序通常要完成的任务是计算和记录系统在投喂时间段内投喂的次数，检测系统工作中的状态和出错警示程序等。33程序语言编程331时钟读写和电机启动因为西门子S7226型PLC自带系统时间，所以通过编程PLC程序就可以完成投饵时钟和日期的设置和读取。用户在计算机或触摸屏上设定投饵的时间，当到达指定时间点时PLC就会让指定点接通，从而开启投饵任务，控制投饵机完成一系列设定好的投饵工作。如图所示，PLC读取系统中的时间并于用户所设定的时间进行对比，当读取时间与设定时间相同时PLC启动控制电机的继电器，从而实现目标电机的启动。系统程序的梯形图如图31所示。（A）21BC22D（E）23（F）G图31读取系统时间的梯形图332系统风压的控制投喂系统中高速风流的压力的控制分别是由电动阀门的启动和加速室来完成的。电动阀门的工作电源是380V交流电源，工作功率为08KW，阀门输出的转矩可达到200NM。当系统检测到输送管道中的风压超出承受范围时，系统通过开启电动阀门和关闭加速室来降低输送管道中的风压当投饵机进行投饵作业时，系统会通过关闭电动阀门和启动加速室来防止管道中的压力泄漏。PLC控制器调控系统中电动阀门的程序语句表如下LDI05阀门限位OQ20阀开RQ21阀关24LDI04阀开限位OQ21阀关RQ20阀开LDM02投饵状态AQ03风机ANI05阀关限位ANQ20阀开SQ21阀关333供料控制输送饲料选用提升机来完成，储料仓中饲料量的有无通过料位以来检测。系统中选用的料位控制仪是阻旋式料位控制仪，并将其分配在储料仓的一上一下两个合适的方位，从而可以分别监测出储料仓中饲料的最大和最小存储量，并将料位控制仪所检测到的饲料容量信号通过与中间继电器的连线再与PLC连接。当储料仓中的饲料量低于最小存储量时料位控制仪就会给PLC控制器发送某种信号，PLC控制器接受到信号后再启动提升机给储料仓供料。当供料达到最大存储量时，料位仪再次发送不同的信号给PLC，PLC根据信号所提供的信息，停止提升机的运行8。系统的供料控制程序如下LDI03AI02ANM06SM05LDM05ANM82TONT45,VW1008LDM05AWT45,VW1008SQ22SQ2425NOTRQ22RQ24LDT45M81LDNI02RM05LDNM05AM06SQ23SQ25NOTRQ23RQ25334投饵量的控制自动投喂系统中每次、不同养殖池的投饵量是通过调节螺旋输送机的旋转速度来控制的，该速度参数是由螺旋输送机的性能决定。该自动投喂系统选用的螺旋输送机的型号为已经确定，其投喂饲料量的多少可以按下式计算G006VNYRKT/H公式中V是螺旋输送机输送饲料时的体积（L/R）N是螺旋输送机的旋转速度（R/MIN）；Y是螺旋输送机的输送效率当饲料是颗粒状时取Y09，是粉状时取Y0304；R是饲料容量（T/M）；K是修正系数（一般取K0708）。螺旋输送机转动的速度是由西门子系列变频器精确控制的。变频器中的接入电源是380V三相交流电，内部有精确度较高的模拟量I/O接口。PLC控制系统以改变变频器工作频率的方式，精确地调节螺旋输送机转动的速度，以此来精确地控制自动投喂系统的投喂量。系统的控制变频器的程序如下26LDI04ANT37TONT37，600LDT37LDSM01OI01OC21CTUC21,60LDC21LDSM01OI01CTUC22,10LDC22AT37LDSM01OI01CTUC23,30LDC23Q00335分配器切换控制由罗茨风机产生高压空气流混和饲料后经加速室加速进入分配器中，系统通过控制分配器中的步进电机，从而带动分配器中的支撑架上的S形输料管旋转，并精确地使S形输料管与其中一个出料口相连通，从而实现不同输料管道之间的相互转换。要实现输料管道与出料口实现无缝连接，从而确保饲料能全部输送出去并维持整个系统的气密性，S形输料管的转换旋转运动需要相当精确。应此该系统选取了DCH30806型步进驱动电机。PLC控制系统不仅能够以发送给步进驱动电机出的脉冲个数来控制电机的总旋转角度量，以此来实现精确定位的控制目的，还能够通过操控发送给27步进驱动电机的脉冲频率来调控其工作时的旋转速度和加速度实现调节电机速度的目的。步进驱动电机的最高旋转速度是200步/R，其步距角为2度。因此，PLC控制器每发一个脉冲信号给步进驱动电机，S型输料管就会旋转2度，从而使分配器可以拥有非常高的驱动对接精度。PLC控制器根据设定的投喂任务计算出应该发送给步进驱动电动的脉冲信号数量和脉冲频率，通过控制步进驱动电机的旋转次数和角度，从而达到控制分配器精确的定位的目的。PLC控制程序如下LDM03步进到位MOVWVW822,ACO口标位置LDM03步进到位AWVW822,VW820口标和当前位置I12,ACOLDM03步进到位IVW820,ACO当前位置LDM03步进到位ITBACO，VB800步进距离28总结本文研究基于PLC控制系统的水产自动投喂系统，主要从设计原理、机械结构、硬件选型、软件设计等方面展开了以下几点工作1论文首先分析了国内外水产自动投喂系统的研发进度，对现有的自动投喂系统从结构与控制上进行了优缺点的对比，例如将分别基于PLC控制器与基于单片机控制