摘要：應(yīng)用PLC可編程邏輯控制器聯(lián)合自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建一種適用于池塘養(yǎng)殖的具有底污定向沉降、定時(shí)吸污、排污與沖洗循環(huán)工作等功能的底污自動(dòng)清理系統(tǒng)，以期能夠?yàn)槌靥琉B(yǎng)殖水質(zhì)控制、增產(chǎn)增效提供一定的技術(shù)支持。對(duì)養(yǎng)殖池塘底部進(jìn)行積污池硬化改造，配合變頻水車式增氧機(jī)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池塘底污定向沉降。選用養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動(dòng)抽取裝置作為積污池底污自動(dòng)抽取設(shè)備，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖底污的高效抽離。使用安裝有高密度濾網(wǎng)的高壓板式壓濾機(jī)作為養(yǎng)殖底污固液分離裝置，從而實(shí)現(xiàn)底泥固化轉(zhuǎn)移和尾水清潔回排。選用西門子S7-200作為系統(tǒng)智能控制器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)備的周期性定時(shí)控制，配合安全穩(wěn)定的電氣控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備的自動(dòng)控制。底污自動(dòng)清理系統(tǒng)能夠保證硬件設(shè)備協(xié)同工作、有效運(yùn)轉(zhuǎn)，在養(yǎng)殖試驗(yàn)中取得了優(yōu)異的應(yīng)用效果，有效實(shí)現(xiàn)了底污定向沉降。通過(guò)池塘養(yǎng)殖底污自動(dòng)清理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)了池塘養(yǎng)殖底污的定向沉降、底污清理固化轉(zhuǎn)移以及尾水清潔回排，能夠有效應(yīng)用于池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)，并為實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖自動(dòng)化與信息化提供技術(shù)支持。

　　關(guān)鍵詞：池塘養(yǎng)殖;底污;定向沉降;固液分離;自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　中圖分類號(hào)： S969;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

　　文章編號(hào)：1002-1302(2022)02-0198-08

　　收稿日期：2021-04-14

　　基金項(xiàng)目：中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(編號(hào)：2019JBFM07);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(編號(hào)：2020TD37);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)“特色淡水魚產(chǎn)業(yè)體系”(編號(hào)：CARS-46)

　　作者簡(jiǎn)介：馬曉飛(1989—)，男，山東陽(yáng)信人，碩士，助理研究員，主要從事漁業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：maxf@ffrc.cn。

　　通信作者：袁永明，研究員，主要從事漁業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)研究。E-mail：yuan@ffrc.cn。

　　池塘養(yǎng)殖底污主要是養(yǎng)殖過(guò)程中殘余的餌料、養(yǎng)殖生物排泄物以及殘骸在池塘內(nèi)沉積而產(chǎn)生的污染物，當(dāng)?shù)孜畚镔|(zhì)在養(yǎng)殖水體過(guò)量堆積和分解會(huì)抑制水體自凈能力，進(jìn)而導(dǎo)致水質(zhì)惡化、養(yǎng)殖生物病害、翻塘等嚴(yán)重后果。相關(guān)研究表明，養(yǎng)殖池塘中總氮和總磷等污染物主要通過(guò)餌料投喂等方式輸入，而大部分的氮磷物質(zhì)最終會(huì)在養(yǎng)殖池塘底部沉積[1-3]。除殘餌外，養(yǎng)殖生物的殘骸及排泄物的絕大部分也會(huì)沉積在底泥中，當(dāng)水體環(huán)境發(fā)生改變，底泥中的沉積物會(huì)分解釋放污染物質(zhì)，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。底污有機(jī)物質(zhì)的不完全分解會(huì)釋放大量對(duì)養(yǎng)殖生物有毒害作用的中間產(chǎn)物，如NH-3-N、NO-2-N、H2S等，會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖生物出現(xiàn)更多的病害。依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，養(yǎng)殖池塘的底泥沉積物在一個(gè)養(yǎng)殖周期內(nèi)的積累量最高可達(dá)1.85×105～1.99×105 kg/hm2，底泥厚度平均每年增加6～8 cm，其中精養(yǎng)池塘、高密度養(yǎng)殖塘以及有生活污水排入的池塘淤泥累積的速度更快。目前，養(yǎng)殖池塘底泥清理主要通過(guò)人工或機(jī)械清淤作業(yè)方式完成[4]，人工清淤費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率較低，而機(jī)械清淤成本較高且受池塘地形地貌、作業(yè)距離等條件影響較大，現(xiàn)有的機(jī)械清污方式只是簡(jiǎn)單地替代了最原始的人工清污過(guò)程，尚不能滿足現(xiàn)代化漁業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要。因此，開展池塘養(yǎng)殖底污自動(dòng)清理技術(shù)的相關(guān)研究并設(shè)計(jì)開發(fā)一種能夠有效控制水體污染物定向沉降、泥漿泵設(shè)備定時(shí)吸污并通過(guò)底污固液分離進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥壓濾轉(zhuǎn)移和尾水凈化回排的池塘養(yǎng)殖底污自動(dòng)清理系統(tǒng)，具有一定的必要性和迫切性。

　　基于上述原因，本研究設(shè)計(jì)與開發(fā)了適用于池塘養(yǎng)殖環(huán)境的底污自動(dòng)清理系統(tǒng)：系統(tǒng)終端控制器選用西門子S7-200系列PLC[5]，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)備的周期性定時(shí)控制，配合安全穩(wěn)定的電氣控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備的自動(dòng)控制;通過(guò)對(duì)養(yǎng)殖池塘底部進(jìn)行積污池硬化改造，系統(tǒng)智能控制變頻水車式增氧機(jī)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖殘餌、糞便等池塘底污向積污池定向沉降;系統(tǒng)定時(shí)控制養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動(dòng)抽取裝置作為積污池底污自動(dòng)抽取設(shè)備，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖底污的高效抽離;系統(tǒng)通過(guò)控制安裝有高密度濾網(wǎng)的高壓板式壓濾機(jī)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖底污固液分離，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)底泥固化轉(zhuǎn)移和尾水清潔回排。系統(tǒng)具有精準(zhǔn)控制、運(yùn)行可靠、可移植性高等特點(diǎn)，初步實(shí)現(xiàn)了池塘養(yǎng)殖底污的定向沉降、底污清理固化轉(zhuǎn)移以及尾水清潔回排，能夠有效應(yīng)用于池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)，并為實(shí)現(xiàn)池塘養(yǎng)殖自動(dòng)化與信息化提供技術(shù)支持。

　　1 系統(tǒng)需求與總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)需求及設(shè)計(jì)以羅非魚高密度池塘養(yǎng)殖為基礎(chǔ)，羅非魚高密度池塘養(yǎng)殖具有養(yǎng)殖密度高、飼料投喂量大等特點(diǎn)，結(jié)合試驗(yàn)觀察，羅非魚糞便排出初段具有膜性包被且漂浮于養(yǎng)殖水體[6-8]。羅非魚高密度池塘養(yǎng)殖底污積累量較大且羅非魚糞便的初段漂浮特性，適用于池塘養(yǎng)殖底污自動(dòng)清理系統(tǒng)的有效應(yīng)用。綜合養(yǎng)殖實(shí)際需求，開展池塘養(yǎng)殖底污自動(dòng)清理系統(tǒng)需求分析和總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要包括底污定向沉降控制模塊、底污抽取控制模塊、固液壓濾分離控制模塊、系統(tǒng)總控單元以及自動(dòng)化養(yǎng)殖設(shè)備等軟硬件功能模塊組成。系統(tǒng)涉及自動(dòng)化養(yǎng)殖設(shè)備主要包括變頻水車式增氧機(jī)、養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動(dòng)抽取裝置(CN201610321045.8)[9]、高壓板式壓濾機(jī)[10]等，養(yǎng)殖設(shè)備供電及控制線路接入系統(tǒng)總控制配電箱;系統(tǒng)終端控制器選用西門子S7-200系列PLC(S7-200 CPU224 XP AC/DC/RELAY)，該類型PLC控制器標(biāo)配有繼電器輸出10組、光電隔離型開關(guān)量輸入14組、2路支持 ModBus-RTU 協(xié)議的RS-485通信口并內(nèi)置萬(wàn)年歷及實(shí)時(shí)時(shí)鐘，滿足系統(tǒng)控制輸出、反饋信號(hào)輸入及通信需求，終端控制器通過(guò)DTU模塊同物聯(lián)服務(wù)器進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸[11]。終端控制器作為養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)控制中心，能夠有效協(xié)調(diào)系統(tǒng)軟硬件設(shè)備協(xié)同工作，通過(guò)多設(shè)備控制與反饋輸入?yún)f(xié)作保障底污定向沉降、底污抽取以及固液壓濾分離等各項(xiàng)控制和監(jiān)測(cè)反饋功能的實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，用戶通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)配置終端將系統(tǒng)運(yùn)行控制方案錄入系統(tǒng)終端控制器;系統(tǒng)使用過(guò)程中，終端控制器通過(guò)控制變頻水車式增氧機(jī)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖殘餌、糞便等池塘底污向積污池定向沉降，在沉降池廢棄物累積量達(dá)到設(shè)定閾值或定時(shí)器達(dá)到設(shè)定定時(shí)運(yùn)行周期時(shí)，控制器控制養(yǎng)殖池塘殘餌及糞便自動(dòng)抽取裝置運(yùn)行，通過(guò)吸污管吸污以及沖洗管對(duì)周圍積污的反沖洗實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖底污的高效抽離，系統(tǒng)通過(guò)控制安裝有高密度濾網(wǎng)的高壓板式壓濾機(jī)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖底污固液分離，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)底泥固化轉(zhuǎn)移和尾水清潔回排。系統(tǒng)控制流程見(jiàn)圖1。