1、工厂化水产养殖中的水体参数监测和控制工厂化水产养殖主要内容是建立一个水体循环的封闭养殖工厂, 通过一系列的生物和物理手段对养殖水体进行监测和控制, 创造出最适宜鱼类生长的水体环境。实现工厂化养殖关键是水体循环处理和控制系统, 即控制水体温度, 浊度,PH , 氨氮,COD ,BOD ,DO 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,PH ,DO , 浊度, 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。对这些参数自动控制对工厂化水产养殖很重
2、要, 可以充分体现工厂化水产养殖的优势。1、温度控制不同鱼类适合有着不同的生长的温度, 在最佳的温度下, 鱼类生长得快, 饲料转化效率高, 体质强壮, 抵抗鱼病能力强。生物滤器的效率也与温度有关系, 过低的温度会影响氨氮转化效率, 在冷水性鱼类的养殖过程就要考虑温度的影响, 但在温水养殖中, 温度不是影响氨氮的主要因素。用于控制温度的设备有浸人式电热器, 气体或电力加热单元, 热交换器, 冷却器或是热泵。国内比较常用的是浸人式电热器, 也有的工程是通过往养殖池中加热水调整的。如果使用的是浸入式电热器就是通过调整加热时间来保持温度如果是加热水, 就要通过控制加热水的电磁阀开关时间的长短来达到调整
3、温度的目的。2、溶解氧控制2.1 溶氧控制意义工厂化水产养殖水体中需要有大量的氧气, 鱼类的生理活动需要氧气, 每吨鱼每天消耗 3kg 氧, 生物滤器转化氨氮需要氧, 如果每吨鱼每天排出 1kg 氨氮, 要消耗 4.75kg 氧；每天直接间接消耗 7.57kg 以上的氧 , 所以持续不断的为鱼类和生物滤器提供充足的溶解氧（DO）是水体循环处理系统正常运行的必要条件。国外研究表明为了鱼类最快地生长, DO 参数应该保持在水体 DO 饱和度 60%以上或是高于 5ppm。当 DO 在 2ppm 以下, 硝化细菌就无效了。2.2 控制溶氧的方法及其原理控制溶氧其实就是控制向养殖水体中增氧的过程。在水
4、产养殖中采用的增氧方式种类繁多, 根据其增氧的原理, 可以大致分成三类：物理方法、化学方法和生物方法。物理方法主要使用机械增氧即用机械装置提高氧气向水体中溶解的速率, 增加水体中溶解氧。化学方法是将一些化学物质投人养殖水体中, 依靠这些物质分解或与水发生反应来增加溶氧量。生物方法是通过向鱼池中增加水生植物, 通过这些水生植物的生命活动,使水中溶解氧增加的一种方法。目前国内外都普遍采用物理增氧方法。物理增氧方式主要有一下三类：机械式增氧纯氧和富氧增氧超级氧化增氧。机械式增氧利用机械动力增加水体与空气的接触面积和接触时间, 使两者充分接触, 促使空气中氧气充分溶人水中。2.3 不同增氧方式的使用情
5、况国外成规模的养鱼工厂采用纯氧与富氧增氧。通过气液接触式增氧设备将含氧 99%的液态纯氧注人养殖水体中, 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 90%左右, 有 5 埃分子筛或膜分离获得, 机械效率高于机械增氧。纯氧、富氧与机械增氧比较, 优点很多：省电；养殖密度提高 3-4 倍；鱼体生长快；降低生产成本；净化水体等优点。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,可生产含量为 85%-95%的富氧用于鱼类养殖。台湾在工业化养鱼中, 机械式增氧和纯氧、富氧增氧均有使用。例如朝清水
6、产养殖有限公司的养鱼工厂使用液态氧增氧, 中兴大学“ 鱼博士”生物科技股份有限公司设计的“ 鱼博士自动养虾生物科技工场” A 型模式由也运用液态氧的氧气锥自动增氧。台湾的池塘中普遍使用水车增氧机和涌水式增氧机。部分业者采用液态氧与水车增氧机在池塘中并用, 有较好效果。由于机械式增氧机结构简单, 维护方便, 成本低廉, 普遍适用于池塘养殖, 因此在国内得到广泛的应用。例如广东拥有渔业机械 11501 台, 其中机械式增氧机 6216 台。整个佛山市目前大约有 10 台增氧机。国内的工厂化养殖多使用充气泵增氧, 即用充气泵向水体中充空气。比如浦东陆基水产养殖基地和黑龙江水产所设施渔业试验工厂。综上
7、所述, 由于国内现阶段池塘养殖方式较为广泛, 工厂化养鱼工场规模大多较小,所以主要使用机械式增氧机。国外和台湾养鱼工厂规模大, 养殖密度高, 对增氧系统要求高, 普遍采用纯氧、富氧增氧。虽然机械式增氧机目前基本上能满足国内要求, 但是考虑到大规模正规的养鱼工厂是发展趋势, 纯氧、富氧增氧技术在国内的运用是必然。2.4 溶氧自动控制我国工厂化养殖密度不高, 通常使用的是充气式增氧。在工厂化水产养殖过程中,溶氧在不同的时间是变化的, 比如说喂食以后, 鱼类消化食物会使溶氧量迅速降低, 这时期朱明瑞等工厂化水产养殖中的水体参数监测和控制就要控制充气泵加大充气量, 保证溶氧量。在溶解氧需求减少时, 就
8、要减少充气量, 以减少充气时间, 降低能源消耗。因此, 溶解氧自动监测和增氧的适时控制是非常必要的。溶氧自动控制过程如下由放置在水中的溶氧传感器检测水体溶氧, 将数据送至下位机, 如 PLC。然后在下位机种通过一定的控制算法计算出控制结果, 输出给变频器。变频器根据接受到的控制结果改变电流频率, 从而控制充气泵电机转速升高降低, 改变充气量多少, 满足溶氧量的要求。控制算法可以选择传统的 PID 算法或是新近发展的模糊控制算法, 也可以两者结合成为 PID 模糊控制算法：用模糊控制整定 PID 的三个参数,然后用 PID 计算出最终的控制结果。运用自动控制系统可以使同一套设备满足不同溶氧的要求
9、, 并且能降低充气泵, 达到节省成本的效果。国内已经应用了溶氧自动控制系统, 如刘星桥等开发的工厂化水产养殖多环境因子智能监控系统。3、PH 控制3.1 PH 控制意义水产养殖过程中, 蛋白质消化的副产物是氨氮, 每 100 磅的饲料能产生大概 2.2 磅的氨氮。氨氮以两种形态存在与水中, 一种是离子态（NH4+）, 一种是非离子态（NH3） 。非离子态氨氮对鱼类毒性极大, 必须将其转化或是清除。 微生物处理去除养殖水体中的氨氮是比较常用的一种经济、有效的方法, 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转化为毒性较低的硝酸盐并从水体中排放出来,
10、 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, PH 值直接影响到硝化细菌和反硝化细菌的数量, 偏碱性的水质有利于硝化菌群生长。PH 值在 7.5 时, 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0.05mg/L, 亚硝酸盐1mg/L, 硝酸盐200mg/L 水平。3.2 控制现状国外很早就注意到 PH 值对水体中氨氮的形式和硝化过程的影响。有研究表明, 水体 PH7 时会降低硝化细菌的活性；PH=7 时,绝大部分的总氨氮(total ammonia)是处以离子状态的,PH=8.75 时,30%的总氨氮处于非离子态, 而非离子态
11、氨对鱼类毒性极大。国内绝大部分用微生物处理去除养殖水体中氨氮的研究中对 PH 值的影响没有给予足够重视和仔细研究, 有的文章提到生物膜去除氨氮的过程中要将 PH 值控制在 7 左右, 但没有说明控制 PH 值的具体原因；有的文章只是提及 PH 值下降, 影响鱼类生存, 但没提及过没为什么会有影响和怎么控制。总的来说, 我国在工厂水产化养殖中对 PH 值认识不足, 很少加以控制。3.3 PH 自动控制的实现自动控制的目标是保持值 PH 一直在 7-8 之间。工业领域和环保领域广泛采用 PH 自动控制系统, 使用的是变频器调节水泵加中和剂或是使用调节阀添加中和剂。对于工厂化水产养殖而言 PH 值变
12、化范围不大, 变化速度也比较缓慢, 所以不需要使用变频器或调节阀之类昂贵的执行件, 应该使用电磁阀, 用占空比方式控制电磁阀便能满足要求。占空比控制即规定电磁阀有一个控制周期 T, 在控制周期 T 时间内, 电磁阀打开的时间称为 T1,T1T 。控制周期 T 是不变的, 通过改变每个控制周期 T1 中的长短来控制电磁阀开关的时间, 以便改变中和剂用量, 达到控制 PH 值的效果。PH 自动控制系统是周期采样控制, 运行原理如下：设采样周期为 T2, 每隔T2 时间,由传感器将检测到的水体 PH 值数据送至下位机, 在下位机中根据特定的控制算法计算出控制结果, 此结果就是 T1, 电磁阀开 T1
13、 时间。当到下一个采样周期 T2 时, 就有新的 T1 计算出来控制电磁阀打开。在此系统中, 采样周期 T2 和占空比控制周期 T 必须相同。工厂化养殖中的 PH 控制是线性的, 所以使用常规 PID 控制算法即能满足要求。4、水质监控系统及组态设计4.1 水质监控系统工厂化养殖有许多需要关注的参数, 有些参数是相互关联的, 为了便于实时调控养殖水质, 需要将重要的参数检测出来, 加以整合后集中显示和控制, 这就是水质监控系统。水质监控系统就是采用电子非电量电测对水中的温度, PH 值, 溶氧量, 硬度 15 等个影响鱼类生长的主要水质参数进行适时的检测, 并在上位机的显示出来, 方便研究人员
14、或是养殖人员随时了解养殖情况, 并可以进行一些操作, 如开关阀门, 还要对一些参数进行控制, 根据数据比较计算的结果发出指令由自动控制系统进行纠正。水质参数的检测主要通过各种基于不同原理的水下传感器来实现。传感器将收集的数据经过一系列的处理送人下位机, 上位机从下位机中读取数据, 通过软件设计出来的组态工程完成记录, 显示, 比较, 报警等功能, 并根据监测的数据情况向下位机发出控制指令, 改变水质参数以达到养殖要求。水质监系统特点是自动化程度高, 能做到连续监控, 及时地保证养殖水体满足要求, 同时还能降低如增氧系统, 投饲系统等其他系统的能量损耗。这一技术是工业化养鱼与传统渔业重要区别,
15、能充分体现了工业化养鱼的先进性, 是高效率, 高科技的象征。4.2 水质监控系统使用情况国外工厂化养殖拥有完善的水质监控系统, 对养殖水体中温度、PH、氨氮、COD、BOD 等 12 项具有重要意义的水质参数进行在线检测, 根据确定的上下限值发出指令, 由自动控制系统进行校正, 如西门子公司研制过 5-12 个在线参数监控系统。国外的水质监控系统作为工厂化养鱼必不可少的组成部分, 功能齐全, 技术含量高, 使用的传感器种类齐全, 质量稳定, 测量参数多。我国水化学仪表和传感器比较落后, 对于水质自动监控系统中使用的传感器, 国产传感器除了在温度、PH 值、溶解氧方面质量较好外, 多数传感器性能
16、不稳定, 质量较差。工厂水产化养殖中对水质多半停留在检测的程度上, 监测2 到 5 种参数, 多使用监测仪定期采样检测, 在线监测系统很少, 在线控制系统就更少。我国国家级罗非鱼原种场广东罗非鱼良种渔场安装了水质自动监控系统, 对 PH 值, 溶氧量, 浊度, 温度进行测量监控。佛山市建立的一些育苗温室也有水质自动监控系统。98 年华东理工大学设计制造了三参数（温度, 溶解氧和 PH 值）在线监测系统。同期上海水产大学也进行了类似的研究, 这两项研究均只是监测, 并无控制。2004 年中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所研制成功养殖水体多参数在线监控系统, 根据需要可对 5-12 个水质参数监
17、测, 对其中的两个参数进行控制。4.2 水质监控系统的组态设计水质监控系统要完成数据采集, 显示, 控制等诸多功能, 其中数据采集, 自动控制主要由传感器和下位机, 执行件完成。系统中的上位机主要完成集中显示, 记录, 比较, 报警, 打印, 参数设置等功能。要完成这些功能, 就要通过一些软件设计出直观的界面, 比如设计表格和曲线显示数据；设置报警窗口显示报警情况。还要设计人性化的操作界面便于使用人员进行相关操作, 比如设计一些按钮用于实现记录, 打印数据功能并设置下位机中的参数。以上所有的软件设计过程可以称为组态设计。可以进行组态设计的软件很多, 比如 VB、VC 等都可以通过编写源代码实现组态设计, 但编程比较繁琐, 开发周期长。最近几年出现许多专门用于开发组态工程的软件, 比如力控, 组态王等, 这些软件提供大量的控件和图形用于界面设计, 大大缩短了开发周期, 设计出来的操作界面美观, 简洁。对不太熟悉编程语言的水产从业人员来说容易接受, 使用方便。
