工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的自動(dòng)控制技術(shù).doc

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中的自動(dòng)控制技術(shù)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖是集機(jī)、電、化、儀、生物工程和水處理技術(shù)為一體，建立起一個(gè)水體循環(huán)的封閉養(yǎng)殖工廠，在人工控制條件下進(jìn)行高密度、工業(yè)化養(yǎng)殖生產(chǎn)。其生產(chǎn)過程通過一系列生物、物理和化學(xué)手段，對(duì)養(yǎng)殖水體和生態(tài)條件進(jìn)行處理、監(jiān)測和控制，創(chuàng)造出最適宜養(yǎng)殖生物生長的水體環(huán)境，達(dá)到最快的生產(chǎn)速度，從而使單位體積水體產(chǎn)量獲得極大的提高。該養(yǎng)殖方式特點(diǎn)是養(yǎng)殖密度高，有利于節(jié)約用地；養(yǎng)殖水體循環(huán)使用，降低了水資源的損耗，減少了污染；因此，工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖符合“資源節(jié)約、環(huán)境友好型”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有廣闊的發(fā)展前景。自動(dòng)控制技術(shù)是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的重要方面。應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)，可以對(duì)養(yǎng)殖水體和微生態(tài)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行最佳調(diào)節(jié)和控制，最大限度的發(fā)揮工廠化養(yǎng)殖的效能，達(dá)到精準(zhǔn)控制養(yǎng)殖生產(chǎn)過程的目的。養(yǎng)殖過程的影響因子很多，并且有些參數(shù)相互影響，變量較多，多因子全過程控制比較困難，影響較大的主要參數(shù)包括溶解O、pH值、溫度、濁度、氨氮、鹽度、堿度、傳導(dǎo)率等。自動(dòng)控制技術(shù)主要是研究這些參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制方法，為工廠化養(yǎng)殖的自動(dòng)化和精準(zhǔn)化提供技術(shù)支持。 自動(dòng)控制技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的工業(yè)化發(fā)展。建立設(shè)備配套性能完好、技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的自動(dòng)控制系統(tǒng),能夠確保養(yǎng)殖系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性、安全性和適應(yīng)性，為養(yǎng)殖生產(chǎn)提供可靠的水質(zhì)和生態(tài)條件。1. 工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)組成1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)過程的影響因子很多，各種參數(shù)相互之間的影響比較大，控制規(guī)律和系統(tǒng)組成復(fù)雜。把多種復(fù)雜的多因子控制系統(tǒng)，分解為單因子的調(diào)節(jié)與控制，就變成了簡化的控制系統(tǒng)，如圖1所示。上位機(jī)可編程邏輯控制器PLC傳 感 器模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（A/D）執(zhí)行元件 圖1 單因子自動(dòng)控制系統(tǒng)組成 Fig.1 Automatic control system for one factor 單因子控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、可編程邏輯控制器PLC、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（A/D）、傳感器和執(zhí)行原件組成。其中傳感器把控制參數(shù)的現(xiàn)場變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，上傳到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊把電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸入到可編程邏輯控制器PLC上，PLC根據(jù)傳感器測得數(shù)據(jù)，由控制邏輯方法計(jì)算出需要控制的參量，控制執(zhí)行元件的動(dòng)作，達(dá)到參數(shù)控制的目的。上位機(jī)一般指臺(tái)式計(jì)算機(jī)，PLC將傳感器的數(shù)據(jù)以及一些控制參數(shù)送至上位機(jī)中，由上位機(jī)中運(yùn)行的監(jiān)控工程顯示出來，同時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行歷史記錄，制作報(bào)表、曲線，便于觀察和查詢。此外，監(jiān)控工程還根據(jù)需要修改控制參數(shù)，將修改好的參數(shù)送至下位機(jī)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分是可編程控制器(PLC)， 因其高可靠性和較高的性價(jià)比在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。PLC具有輸入?yún)?shù)和輸出參量多、單一PLC可有多大十幾個(gè)甚至幾十個(gè)輸入、輸出數(shù)值量，可把解O、pH值、溫度、濁度、氨氮、鹽度、堿度、傳導(dǎo)率等多個(gè)傳感器同時(shí)探測的數(shù)值傳入單一PLC，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)控制，簡化了控制結(jié)構(gòu)、減少過程變量。工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的設(shè)備及檢測儀表相對(duì)集中,參數(shù)控制相對(duì)獨(dú)立，PLC特別適用于這樣的系統(tǒng)特性,能夠完成養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中的工業(yè)控制與狀態(tài)監(jiān)測。所以,工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水系統(tǒng)的自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)一般都采用以計(jì)算機(jī)和PLC為基礎(chǔ)的二級(jí)監(jiān)控集散模式。1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括中心控制類和現(xiàn)場控制類。中心監(jiān)控類主要實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測的運(yùn)行管理功能,中控室計(jì)算機(jī)所具有的友好人機(jī)界面(控制系統(tǒng)的顯示監(jiān)視系統(tǒng)) 通過對(duì)PLC 的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)全養(yǎng)殖場整個(gè)生產(chǎn)過程中所有設(shè)備的監(jiān)測和控制。界面具有開放性、靈活性、高可靠性和易于操作性:模塊和接口界面設(shè)計(jì)都采用國際標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用軟件由標(biāo)準(zhǔn)和專用的軟件模塊和功能模塊組成。現(xiàn)場監(jiān)控是指各養(yǎng)殖車間設(shè)有多個(gè)PLC 控制子站,根據(jù)每個(gè)車間養(yǎng)殖品種的不同要求，設(shè)定自身的優(yōu)化程序,實(shí)現(xiàn)本車間內(nèi)的設(shè)備調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制功能。中心控制室PLC 可通過現(xiàn)場PLC 站直接控制車間有關(guān)設(shè)備。如果中心控制室PLC發(fā)生故障,不會(huì)影響?zhàn)B殖場場內(nèi)車間PLC 站的控制功能,如果PLC 網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)PLC 站發(fā)生故障,值班操作員可通過就地控制開關(guān)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。1.3 工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則在設(shè)計(jì)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)過程中，要認(rèn)真考慮控制參數(shù)的可控性和實(shí)現(xiàn)控制的可能性，有些受多因子影響的參數(shù)，就要從控制方法的角度考慮控制技術(shù)的創(chuàng)新性。自動(dòng)控制設(shè)計(jì)的基本思想是:準(zhǔn)確性與經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合；生產(chǎn)過程控制功能和危險(xiǎn)分散在PLC控制子站，控制安全的監(jiān)督和管理集中到控制中心。1.3.1 自動(dòng)控制的準(zhǔn)確性原則自動(dòng)控制系統(tǒng)要完成準(zhǔn)確控制的功能，要確定控制的方法和控制的精度范圍。首先根據(jù)特性曲線、數(shù)學(xué)模型、有關(guān)規(guī)定、測定值等對(duì)各處理單元的工藝控制過程和參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析和準(zhǔn)確表達(dá)；其次是根據(jù)主要干擾的頻率和振幅確定相應(yīng)工藝過程控制任務(wù),協(xié)調(diào)工藝各單元之間的關(guān)系,確立整體工藝控制過程,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制目標(biāo)。1.3.2 控制系統(tǒng)的安全性原則 安全可靠的實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)是設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系的根本要求。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,由于需要控制的設(shè)備和元件很多,邏輯關(guān)系復(fù)雜,各種設(shè)備和單元都有可能發(fā)生故障或出現(xiàn)誤動(dòng)作,這都會(huì)造成一定的損失。工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出于安全生產(chǎn)的考慮,一般采用三級(jí)控制層:就地手動(dòng)、現(xiàn)場監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。就地手動(dòng)是指通過設(shè)備旁的轉(zhuǎn)換開關(guān)手動(dòng)控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉；現(xiàn)場監(jiān)控是指由現(xiàn)場PLC執(zhí)行控制設(shè)備的任務(wù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控是指由養(yǎng)殖場控制中心通過控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)端的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。通過設(shè)計(jì)三級(jí)控制保障措施，對(duì)各種故障進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測、顯示和報(bào)警,避免生產(chǎn)損失,是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)必須解決好的關(guān)鍵問題。1.3.3 控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性原則工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動(dòng)控制要求系統(tǒng)有較高的智能度和容錯(cuò)能力，降低建立自動(dòng)控制系統(tǒng)的成本。在控制過程中對(duì)參數(shù)變化范圍控制的越窄，建立系統(tǒng)所需要的設(shè)備、元件的對(duì)應(yīng)參數(shù)精度要求就越高，購買的成本越大。因此，對(duì)于生產(chǎn)過程的參數(shù)，要合理確定控制參數(shù)的精度，在滿足生產(chǎn)過程要求的前提下，盡量放寬控制精度等級(jí)。實(shí)現(xiàn)在達(dá)到控制目的的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本。2、工廠化養(yǎng)殖生產(chǎn)過程控制中的控制方法 應(yīng)用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)過程控制的方法主要是PID 控制(即比例積分微分控制)和PID增益控制，有些工程使用了模糊控制、以及應(yīng)用中正在進(jìn)一步發(fā)展的預(yù)測控制。2.1 PID控制在各種控制理論中，PID控制是最常用的一種控制算法。圖2為常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成。PID控制是一種線性控制，根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)= r(t)- c(t) （2-1） 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合過程控制量，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為 （2-6）式中： e(t)偏差Kp比例系數(shù)TI積分時(shí)間常數(shù)TD微分時(shí)間常數(shù)比 例積 分微 分被 控 對(duì) 象e(t)r(t)u(t)c(t)圖2：常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理圖Fag.2：General PID control system PID控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)作用可以簡單的概括如下：比例環(huán)節(jié)是成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。提高Kp能提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，但如果Kp取值過大，會(huì)引起系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能；積分環(huán)節(jié)主要用于消除系統(tǒng)靜差，提高無差度。它對(duì)誤差進(jìn)行積分，對(duì)系統(tǒng)控制有一定的滯后作用。TI越大，積分作用越強(qiáng)，但積分作用過強(qiáng)會(huì)造成系統(tǒng)超調(diào)增大，甚至引起振蕩；微分環(huán)節(jié)是反映偏差信號(hào)的變化趨勢，并在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常規(guī)的PID控制中的比例作用實(shí)際上是一種線性放大或縮小的作用，通常是一個(gè)固定數(shù)值，很難滿足被控對(duì)象非線性的特性。PID增益控制就是為了達(dá)到系統(tǒng)的控制要求，獲得好的控制效果，對(duì)控制回路的比例增益進(jìn)行非線性補(bǔ)償。通過變量增益算法，對(duì)PID控制器進(jìn)行線性補(bǔ)償改造，也稱非線性變增益PID控制器，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制目的。2.2 模糊控制模糊控制理論是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，是最近發(fā)展很快的一種控制理論，主要用于解決如pH值之類的大滯后、時(shí)變、非線性的過程控制，其要點(diǎn)不是要求掌握受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)人工控制規(guī)則，組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)。圖2-4：模糊控制原理框圖Fig.2-4:the frame of fuzzy control theory 模糊控制的基本原理如圖2-4所示，虛線框表示的就是模糊系統(tǒng)，也稱為模糊控制器。真實(shí)輸入值通常是誤差信號(hào)e，模糊控制器首先將具體數(shù)值的e進(jìn)行模糊化成模糊量，該模糊量可用在知識(shí)庫中的模糊集表示。隨后模糊控制根據(jù)知識(shí)庫中的模糊算子、模糊規(guī)則和運(yùn)算法則進(jìn)行推理運(yùn)算，得出一個(gè)用于輸出控制的模糊集。由于現(xiàn)實(shí)控制需要的是一個(gè)確定的數(shù)值，所以對(duì)輸出控制模糊集進(jìn)行反模糊化處理后得到一個(gè)真實(shí)的輸出值用于系統(tǒng)控制。2.3 預(yù)測控制預(yù)測控制具有對(duì)模型要求低、控制綜合質(zhì)量好、在線計(jì)算方便等特點(diǎn),是一種優(yōu)化控制新算法。針對(duì)一些純滯后、大慣性參量,設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測控制器,通過對(duì)階躍響應(yīng)系統(tǒng)的處理,有效地將動(dòng)態(tài)矩陣控制算法應(yīng)用于純滯后、大慣性的生產(chǎn)過程的參量。多種多樣的預(yù)測算法可歸為兩大類，第一類為基于非參數(shù)模型的模型預(yù)測控制、比較有代表性的是模型算法控制(MAC)、動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)、模型預(yù)測啟發(fā)控制(MPHC)；另一類是基于參數(shù)化模型的預(yù)測控制如廣義預(yù)測控制(GPC)和廣義預(yù)測極點(diǎn)配置控制(GPP) 等。實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行結(jié)果表明:預(yù)測控制系統(tǒng)控制精度高、穩(wěn)定性及抗干擾能力強(qiáng),可有效地保證被控值的精度,在未來發(fā)展的工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程控制中具有很高的實(shí)用價(jià)值。3 工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)3.1 監(jiān)控工程的作用工廠化養(yǎng)殖中有許多水體參數(shù)，如溫度、DO、CO2、pH、濁度、氨氮等十幾個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)均由各自的傳感器及其配套的變送器負(fù)責(zé)檢測，一般的變送器只能顯示數(shù)據(jù)，不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、查詢，這樣不利于了解參數(shù)的變化規(guī)律和運(yùn)行情況；擁有保存查詢功能的變送器價(jià)格高出普通變送器很多，如果每個(gè)參數(shù)的監(jiān)測都使用帶有數(shù)據(jù)保存查詢功能的變送器成本會(huì)增加許多。而且顯示不同參數(shù)情況的變送器無論是集中放在一起還是分散放置，都不利于工作人員觀察記錄。除了水體參數(shù)之外，養(yǎng)殖工廠還有其他一些設(shè)備的情況需要隨時(shí)掌握，比如閥門，增氧機(jī)，水泵等。監(jiān)控工程的作用就是將所有需要監(jiān)測的參數(shù)，設(shè)備的工作情況收集起來，在上位機(jī)中用曲線，表格，圖形等各種可視化的手段集中顯示出來，這樣工作人員可以一目了然的看到想要了解的參數(shù)數(shù)值、設(shè)備狀態(tài)，并且還將所需數(shù)據(jù)保存起來，工作人員可隨時(shí)調(diào)用任何時(shí)刻的數(shù)據(jù)，增加對(duì)參數(shù)變化規(guī)律了解。工作人員還可以使用監(jiān)控工程方便地修改下位機(jī)中的控制參數(shù)，以達(dá)到控制現(xiàn)場情況的目的。功能齊全的監(jiān)控工程可以幫助工作人員全面、準(zhǔn)確、及時(shí)掌握和控制整個(gè)養(yǎng)殖現(xiàn)場的情況，提高工作效率，規(guī)范養(yǎng)殖過程，提升養(yǎng)殖和管理水平，充分體現(xiàn)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的先進(jìn)性。3.2 監(jiān)控工程的功能3.2.1通訊功能 從下位機(jī)中接收數(shù)據(jù)，向下位機(jī)寫入數(shù)據(jù)稱為通訊，這是監(jiān)控工程最基本的功能。上位機(jī)和下位機(jī)連接起來以后，上位機(jī)本身并不能獲取下位機(jī)的數(shù)據(jù)，也不能向下位機(jī)中寫入數(shù)據(jù)，只有通過監(jiān)控工程的通訊功能才可以獲取下位機(jī)的數(shù)據(jù)并改變下位機(jī)的數(shù)據(jù)。3.2.2監(jiān)測功能 監(jiān)測功能即把收集到的數(shù)據(jù)顯示出來，并保存入歷史數(shù)據(jù)庫，以供隨時(shí)查詢和統(tǒng)計(jì)使用。參數(shù)數(shù)值有多種顯示方式，可以直接顯示，也可以制作曲線，報(bào)表等方式顯示。設(shè)備的狀態(tài)如閥門的打開關(guān)閉，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行停止等，可以通過制作的動(dòng)畫直觀的反映出來。3.2.3控制功能 改變下位機(jī)中的控制參數(shù)，如PID算法中的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，上下限數(shù)值等。下位機(jī)是按照編好的程序運(yùn)行，改動(dòng)幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)就能調(diào)整控制狀況，但從下位機(jī)中修改參數(shù)比較麻煩，需要特定的編程軟件，有時(shí)可能還需要停機(jī)。監(jiān)控工程的控制功能可以拋開特定的軟件，不用停機(jī)，直接修改參數(shù)，十分便于控制現(xiàn)場情況。 以上介紹的是監(jiān)控工程最基本，最重要，最常用的三項(xiàng)功能，監(jiān)控工程還能有許多其他功能，如報(bào)警功能，智能決策等，用戶可以根據(jù)需要自己添加。3.3 監(jiān)控工程的設(shè)計(jì)方法監(jiān)控工程的設(shè)計(jì)本著方便用戶的原則，設(shè)計(jì)成人機(jī)交互的畫面形式，即大量采用曲線，表格，下拉式菜單，彈出式窗口，按鈕等直觀的可視化圖表，最大程度方便用戶掌握整個(gè)養(yǎng)殖現(xiàn)場情況，操作運(yùn)行設(shè)備，設(shè)置控制參數(shù)。3.3.1使用VB，VC+等高級(jí)語言設(shè)計(jì)監(jiān)控工程，此類軟件有友好的人機(jī)界面以及豐富的數(shù)據(jù)處理和圖表顯示功能，有很多控件可以用于編程，比如使用VB6.0通信控件MSComm設(shè)計(jì)通訊功能。3.3.2使用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控工程 組態(tài)軟件運(yùn)行于32位Windows平臺(tái)上，采用類似資源瀏覽器的窗口結(jié)構(gòu)，并且對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)