温室甲鱼养殖尾水处理控制系统的设计

摘要  为了使温室甲鱼养殖尾水达标排放，降低尾水对环境的污染，提高尾水循环利用率，依据国家对甲鱼水产养殖业尾水排放要求，收集资料并结合实地调查，制定了温室甲鱼养殖尾水处理方案。在常用的尾水处理方法（物理法、化学法、生物技术法）之上，以S7-200 PLC为控制核心，采用风光互补新能源作为电力来源，研究一套尾水水质监测和尾水自动处理的设备，形成节水节电、绿色环保健康的甲鱼养殖模式。该尾水处理系统已成功制作出实物模型并进行了实地试验，实现了尾水的自动处理，与传统的人工处理方式相比，水质合格率高达98%，极大提高了尾水的水质质量。该系统的研制开发为实现后续其他水产养殖尾水自动处理提供了理论依据和案例支撑，有较强的市场应用价值。

关键词  尾水处理;风光互补;PLC;传感器;触摸屏

中图分类号  S 949   文献标识码  A    文章编号  0517-6611（2022）15-0193-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2022.15.050

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Tail Water Treatment Control System for Turtle Culture in Greenhouse

WU Dan1，LUO  Bin2，JIN  Wen-xin1 et al

（1.Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry， Jurong，Jiangsu 212400;2.Special Equipment Safety Supervision Inspection of Jiangsu Province，Zhenjiang Branch， Zhenjiang，Jiangsu 212013）

Abstract  In order to make the greenhouse turtle culture tail water discharge up to standard， reduce the pollution of tail water to the environment and improve the tail water recycling efficiency， according to the national requirements for turtle aquaculture tail water discharge， data collection and field investigation， a greenhouse turtle culture tail water treatment plan was formulated.Based on the commonly used tail water treatment methods （such as physical method， chemical method and biotechnology method）， this paper took S7-200 PLC as the control core， used wind solar complementary new energy as the power source， studied a set of tail water quality monitoring and tail water automatic treatment equipment， and formd a water-saving， power-saving， green， environmental and healthy turtle breeding mode.The physical model of the tail water treatment system had been successfully made and field tests had been carried out to realize the automatic treatment of tail water.Compared with the traditional manual treatment method， the qualified rate of water quality was as high as 98%， which greatly improved the quality of tail water.The research and development of this system provided theoretical basis and case support for the automatic treatment of other aquaculture tail water， and had strong market application value.

Key words  Tail water treatment; Complementary scenery; PLC;Sensors; Touch screen

据统计，2019年全国甲鱼总产量是32.5万t，甲鱼养殖主要集中在江苏、浙江、湖北和广东省，分别占全国甲鱼养殖总产量的15.8%、24.0%、11.3%和18.9%[1]，江浙地区的甲鱼养殖规模大，产量高。

江浙地区的养殖户为了提高甲鱼养殖的经济效益，普遍采用温室养殖方式，这种养殖方式的优点很明显，第一是控制简单方便，第二是甲鱼在温室的生长速度快，所以这种养殖方法的效率相对于其他方式效率更高。甲鱼的养殖周期需要9～10个月，在整个周期中，甲鱼的饲料、粪便等全部聚集在养殖池中，造成养殖水体严重污染，为了保证甲鱼的生长，养殖户需要定期向外界排放尾水，换入新水。因此，大量的污染尾水未经彻底处理就排入外河。温室甲鱼养殖尾水中COD、氨氮和亚硝酸盐等污染物浓度很高，如果未经处理直接排入河流，不仅造成了水资源的严重浪费，更重要的是严重污染了水环境[2-4]。

如何改善江浙地区甲鱼养殖业的污染状况，对我国甲鱼养殖业的健康发展具有重要意义。近年来，养殖尾水污染问题也得到了政府充分的重视，出台了一系列规定，且随着江浙地区环保力度的持续加强，关于养殖尾水排放问题有了严格的规定[5-7]。

但养殖户目前还是多采用人工进行尾水处理，劳动强度大，处理标准由自己主观意识决定，从而造成处理效果不理想，且增加了甲鱼养殖的人工成本。因此，急需一套养殖尾水去除率高、操作管理简单、适合推广应用的温室甲鱼养殖尾水处理设备。

笔者所研究的温室甲鱼养殖尾水处理控制系统针对甲鱼养殖的尾水特点，以先进的自动化控制技术，设计了专门用于甲鱼尾水处理的控制设备，使控制系统不仅能够满足甲鱼养殖尾水处理的要求，而且成本低廉，从而达到较高的经济效益。因此，该项目具有广阔的产业化前景。

1 系统方案设计

通过研究和分析甲鱼养殖尾水处理流程（图1），设计了以PLC为核心的尾水处理控制系统，自动检测和控制尾水中的溶氧、pH、氨氮、亚硝酸盐、COD（化学需氧量） 和水温等因子，使尾水重新成为“新水”给养殖池供水，且保证养殖环境处于最佳状态。同时根据我国水产行业标准《SC-T 9101—2007 淡水池塘养殖水排放要求》[8]可知淡水养殖尾水标准值（表1）。结合表1中要求，确定了如下的控制系统设计需求。

（1）当养殖户需要进行尾水处理时，打开养殖池出水口阀门，尾水进入沉淀池，经一段时间沉淀后，PLC自动打开沉淀池出水口阀门，将沉淀过的尾水流入水培蔬菜渠。

（2）沉淀池底部装有压力传感器，当沉淀池尾水流出后并且池底积泥达到一定数值时，利用PLC控制排污泵启动将沉淀池的污泥排放到附近稻田中。

（3）曝气池装有溶氧测定仪，曝气池底的增氧设施根据实际需求，开机增氧，直至达到所要求的溶氧量为止，此时PLC自动打开曝气池出水口阀门将水流入过滤坝。

（4）调配池中装有水质检测模块和温度控制模块，当达到要求时，PLC自动打开调配池阀门，将达标水经过水泵重新注入甲鱼养殖池塘，池塘内装有液位计，若达到最高水位，PLC关闭调配池阀门，打开调配池阀门，将达标水排入外部河道进入循环水管道。

根据设计需求，确定控制系统的整体设计方案，将整个控制系统分为尾水处理模块、水质监测、温度控制、组态监控、新能源供电模块五大模块。

（1）尾水处理模块。系统设计以S7-200 CPU 226 PLC 为核心的尾水处理控制系统，研究尾水水质监控、尾水自动处理、节水节能等关键技术，结合传统废水处理方法如物理化学法、生物技术法等，创制尾水处理配套新装备，提高尾水循环利用率，形成节水节能、绿色环保健康的甲鱼养殖模式。

（2）水质监测模块。利用组态监控软件，实时监测溶氧、pH、氨氮、亚硝酸盐、COD等环境因子，实现甲鱼养殖尾水水质信息的实时获取、水质的精准控制和自动化操作。基于PLC软件中的PID控制对曝气池中的溶氧量进行实时运算并控制，使其平稳达到实际需求。除溶氧测定仪装在曝气池中，其余测试仪器均安装在调配池中，若有一项指标不合格，均不会打开调配池阀门。保证水质的安全和甲鱼的质量，提高养殖效率、降低生产成本和劳动强度。

（3）温度控制模块。养殖全过程保证水温恒定在30℃左右，由温度传感器监测水温，若水温低于允许值，则PLC启动装在调配池内的加温设备进行加温。

（4）组态监控模块。利用触摸屏组态软件，实时监测风力发电量、光伏发电量、蓄电池电量，保证尾水处理系统供电充足;监测各设备运行情况，监测各阀门开合状态;监测各传感器实时数据等;也可直接在触摸屏上手动启动各设备和开关各阀门。

（5）新能源供电模块。考虑温室大棚一般在野外等供电不便的地方，可以在温室大棚屋顶安装光伏发电和风力发电装备，实现甲鱼养殖所需电力的自给自足。采用新能源供电一是可以脱离电网供电成为自给自足的独立式发用电系统，二是新能源发电系统属于一次性投资且技术较为成熟，这也成为甲鱼养殖降本的一种创新方式。该项目主要采用风光互补发电，系统主要由风力发电机、光伏组件、风力控制器、光伏控制器、蓄电池、逆变器和负载组成。

2 控制系统设计

2.1 风光互补发电系统设计

温室甲鱼养殖基地大多在空旷处，因此可以利用新能源供电作为主要的能量来源。风光互补发电系统具有不管是日间还是夜间，不管是晴天还是阴雨天，都能进行发电的优势，可以保证温室甲鱼养殖基地24 h都有电力供应[9-10]。

采用风光互补发电时，系统主要由风力发电机、光伏组件、风力控制器、光伏控制器、蓄电池、逆变器、负荷组成。由于风速的不确定性和太阳能的不稳定性，造成了发出的电能不是稳定持续的，所以必须加装风力控制器和光伏控制器，保证电能持续稳定，进而保证用电设备的安全（图2）。

2.2 PLC控制系统的硬件设计

PLC作为控制系统的核心部件，通过编程软件对PLC进行逻辑控制编程，实现对曝气机、排污泵等的通断控制。PLC通过模拟量输入模块读取传感器采集的信息，进行数据分析，同时PLC将传感器采集的数据通过触摸屏实时展现给用户。根据养殖水质要求，系统能实时监测水质pH、EC、温度、溶氧量、氨氮含量等数值，当传感器检测数值超出规定的标准范围，系统将给出及时的提示与动作。监测数值在规定范围内时，系统将根据预先编写的控制程序进行控制。PLC控制系统见图3。