Микроконтроллеры в рециркуляционных системах

Аквакультура в замкнутых системах дает новые экономические возможности. В этих условиях ведение интенсивной культуры нуждается в поступлении достаточного количества кислорода и питательных веществ, автоматическом контроле температуры, удаления загрязнений. Хорошая практика позволяет поддерживать плотность посадки до 120 граммов рыбы на литр воды. С другой стороны, поломка любого компонента может вызвать катастрофические потери за короткий промежуток времени, поэтому система должна быть надежной и проходить постоянный мониторинг. Точные измерения и контроль необходимы для успешного ведения интенсивной культуры в УЗВ.

Узел контроля ключевых параметров системы является важным компонентом. Развитие технологий управления и микрокомпьютеров предлагает революционные решения в области контроля многих сельскохозяйственных и биологических производственных систем. Аквакультура должна быть энергетически эффективной, так как производство может быть оптимизировано под различную потребляемую мощность.

Параметры системы

Наиболее важные параметры системы, которые проходят мониторинг, связаны с качеством воды, так как они непосредственно влияют на здоровье животных, потребление корма, скорость роста и емкость системы. К ним относятся температура, pH, концентрация растворенного кислорода (DO), аммония, нитритов, нитратов, взвешенных частиц, соленость, щелочность, биохимическое потребление кислорода (BOD) и скорость водного потока. Также следует отслеживать уровень воды, состояние электропитания, использовать пожарные и антивандальные сигнализации.

Вследствие высокой стоимости и/или ненадежности датчиков и оборудования, большинство автоматизированных систем не пытаются отслеживать все озвученные параметры. В непрерывном режиме рекомендуется проводить мониторинг температуры, DO, pH и скорости водного потока, потому что они могут быстро меняться и несут катастрофические последствия при выходе за допустимый уровень. Другие параметры изменяются медленно и обычно остаются в допустимом диапазоне, если водный поток сохраняется. Например, концентрация аммония обычно не создает проблем, если биологический фильтр имеет адекватный для данной нагрузки размер. В этом случае скорость водного потока имеет решающее значение и нуждается в непрерывном мониторинге, тогда как концентрацию аммония можно регистрировать периодически. В таблице 1 представлены стандарты качества воды для аквакультуры.

Таблица 1. Параметры воды в аквакультуре. Значения в миллиграмм/литр, если не указано другое (U.S. Environmental Protection Agency 1979-80)

Щелочность (экв.CaCO3)10-100Азот (N)<110% общее давление газа
<103% как газообразный азот
Алюминий (Al)<0.02Нитрат (NO3) 0 — 3.0
Мышьяк (As)<0.05Нитрит (NO2) 0.1 в мягкой воде
Барий (Ba) 5Никель (Ni)<0.1

Кадмий

Щелочность <100 млн-1

Щелочность >100 млн-1

0.0005

0.005

Полихлорированные дифенилы (PCB) 0.002
Кальций (Ca) 4 — 160pH 6.5 — 8.0
Углекислый газ (CO2) 0 — 10Калий (K)<5.0
Хлор (Cl)<0.003Соленость<5%
Хром (Cr) 0.03Селен (Se)<0.01

Медь

Щелочность <100 млн-1

Щелочность >100 млн-1

0.006

0.03

Серебро (Ag)<0.003
Растворенный кислород (DO) 5 до насыщенияНатрий (Na) 75
Общая жесткость 10 — 400Сульфат (SO4)<50
Цианид водорода (HCN)<0.005Сера (S)<1.0
Сероводород (H2S)<0.003Общие твердые частицы (TDS)<400
Железо (Fe)<0.1Общие взвешенные частицы(TSS)<80
Свинец (Pb)<0.02Уран (U)<0.1
Магний (Mg)<15Ванадий (V)<0.1
Марганец (Mn)<0.01Цинк (Zn)<0.005
Ртуть (Hg)<0.2Цирконий (Z)<0.01

С целью максимизации продуктивности следует непрерывно следить за температурой воды. Диапазон её колебаний зависит от культивируемого вида. Некоторые гидробионты требуют перепадов температуры для размножения. Однако для некоторых видов колебания температуры могут быть губительны, и, в большинстве случаев, целью является поддержание относительно постоянной температуры. Работа с большими объемами воды облегчает поддержание стабильной температуры, потому что вода обладает теплоемкостью и сопротивляется быстрым перепадам температуры.

Все гидробионты нуждаются в кислороде. Его концентрация в воде (мг/л) именуется растворенным кислородом (DO) и зависит от температуры и биологического потребления системой. Растворенный кислород наиболее важный параметр в замкнутой системе, потому что он может быстро меняться. Его снижение ниже критического уровня приводит к гибели рыб. DO должен измеряться непрерывно и очень точно. На случай отключения основного источника кислорода необходимо иметь резервный. Если вместо оксигенации проводится аэрация, то можно измерять не концентрацию DO, а давление в воздуходувке. Однако, так как DO очень важный параметр, лучше измерять совместно давление и непосредственно концентрацию.

Аммоний является продуктом белкового обмена. В воде, он присутствует в двух формах, ионизированной (NH4+) и неионизированной (NH3). Неионизированный аммоний токсичен для большинства живых организмов, и его доля выше при высоких значениях pH и/или температуры. Токсичность неионизированного аммония опасна в концентрации от 0.05 мг/л. Нитрит является продуктом биологического окисления аммония. Большинство гидробионтов устойчиво к следовым значениям нитритов, но с возрастанием его уровня продуктивность падает. Нитрат, в общем, не токсичен для рыб, и активно используется растениями. Нитрит сложно контролировать в системе. Аммоний также сложно регистрировать датчиками. Однако, аммоний обычно не создает проблем, если биологический фильтр имеет адекватный размер, а водный поток силу. Кроме того, уровень аммония меняется медленно, делая периодические измерения достаточными.

Датчики и инструменты

Как правило, значения таких параметров, как температура, уровень растворенного кислорода, pH и скорость водного потока выводятся на монитор непосредственно, либо опосредованно через устройства, которые поддерживают эти показатели на стабильном уровне. В прошлом, мониторинг качества воды проводился сложным и дорогостоящим оборудованием. Однако сейчас, существуют новые технологии изготовления твердотельной электроники, которые снижают стоимость и повышают надежность датчиков и инструментов.

Жидкостные термомометры

Жидкостные стеклянные термометры являются наиболее дешевым и экономически выгодным прибором для измерения температуры. За счет расширения или снижения объема ртути или спирта в градуированной стеклянной колбе происходит регистрация температуры. Обычно такие термометры плавают в культуральном бассейне. Они точные, простые и дешевые, но хрупкие и не могут быть интегрированы в систему контроля. Их часто используют в качестве дополнения или для калибровки датчиков температуры.

Биметаллические и газовые термометры

Оба эти типа термометров являются механическими и могут передавать сигал на циферблат или участвовать в переключении электрического реле. Они простые, надежные и могут интегрироваться в систему контроля.

Термопара

Два соединенных провода из различных металлов генерируют электричество в зависимости от температуры окружающей среды. На основе металлов, входящих в состав термопары, выделяют 6 основных типов. Они могут работать в широком диапазоне температур, однако из-за очень низкого напряжения порождаемого постоянного тока, ранее, они могли использоваться только в совокупности с дорогим оборудованием. Прогресс в твердотельной электронике существенно снизил их стоимость и сделал их использование выгодным. Они очень удобны при измерении температуры в нескольких местах.

Термометры сопротивления и термисторы

Термометры сопротивления и термисторы работают по принципу изменения сопротивления в зависимости от изменения температуры. Это сопротивление можно измерить и откалибровать до шкалы температуры, которую получится вывести на циферблат. Хотя принцип работы термометров сопротивления и термопар совершенно отличается, с точки зрения пользования они очень похожи. Термопары обычно более гибкие в использовании и обладают более длительной стабильностью, чем термисторы. Однако температурная чувствительность термометров сопротивления и термисторов гораздо выше и, следовательно, требует требует простых электронных компонентов для работы.

Интегральные датчики температуры (IC temperature sensors)

Интегральные датчики температуры (IC temperature sensors) – представляют собой твердотельную интегральную схему, которая помещена в транзистор подобный корпус. Напряжение выходящего из неё тока пропорционально температуре схемы и напряжению постоянного тока питания. Эти датчики очень надежные, простые и могут быть включены в автоматизированную систему контроля. В отличие от термопар и термисторов, они полностью готовые датчики, не требующие подключения дополнительных устройств. Интегральные датчики температуры калибруются и стоят также как и термисторы с термопарами. Диапазон их рабочей температуры ограничен -85 — +125°С. Однако в аквакультуре этого диапазона достаточно.

Измерение pH

Измерение значений pH проводится химическим путем или с помощью электроники. В первом случае в образец вносится реагент и регистрируется изменение окраски воды. Электронный метод заключается в погружении электродов в воду и регистрацию разности потенциалов на выходе, которая коррелирует с pH. pH-метры распространены на рынке, имеют умеренную стоимость и могут быть интегрированы с системой контроля.

Измерение концентрации растворенного кислорода

Растворенный кислород (DO) измеряется химическим путем и с помощью электроники. Электронный метод предусматривает введение в воду специального зонда. Этот зонд состоит из золотых или платиновых элементов, которые пропускают кислород в раствор, где он реагирует со специальным веществом и генерирует напряжение. DO зонд можно интегрировать в систему контроля, однако этот датчик дорогой и сложен в обслуживании.

Среда и электроника

Долговечность работы системы контроля в аквакультуре во многом определяется средой, в которой эксплуатируются датчики. Коррозия датчиков в среде может быстро вывести их из строя. Зонд также может загрязниться бактериальными обрастаниями. Работа датчиков обеспечивается регулярным осмотром и калибровкой. Электронные компоненты должны изолироваться от мест высокой влажности.

Где возможно, компоненты системы должны работать в условиях низкого напряжения, а для компонентов под высоким напряжением должна необходимо предусмотреть заземление. Это защитит персонал и водных животных.

Автоматический контроль

Важным элементом систем контроля является обратная связь. Например, рассмотрим нагрев бассейна. Контроллер должен интерпретировать обратную связь следующим образом: температура воды поднялась выше заданного уровня – выключить нагрев; температур воды ниже заданного уровня – включить нагрев. Обычно термостаты работают по этому принципу; однако, обычное устройство «включения и отключения» вызывает большие колебания в системе.

Более предпочтительна система, которая обеспечивает количество теплоты по необходимости и минимизирует колебания. Это называется пропорциональный контроль. Он вычисляет степень, с которой происходит изменения параметра, и определяет отклонение измеряемого параметра от установочной точки. Данный тип системы обычно связывают с пропорционально-интегрально-дифференцирующим (PID) регулятором. Он используется уже в течение многих лет, однако дорог, поэтому применение ограничивается только сложными промышленными операциями. Стоимость PID продолжает падать, но для большинства сельскохозяйственных операций его использование может быть плохим выбором. Этот регулятор базируется на сложной математике и требует опыта в разработке, модификации и применения для конкретной операции.

Альтернативой традиционной теории систем контроля является, так называемая, «нечеткая логика». Её сила в ходе контроля базируется на способности манипулировать системами, которые являются сложными, нелинейными и, что более важно, не входят в какую-либо математическую модель. Более того, входными данными для нечеткого логического контроля является набор правил, написанных в виде лингвистических переменных.

Лингвистическая переменная — понятие теории нечетких множеств. Принимает значения фраз естественного языка и используется при описании объектов и явлений с помощью нечетких множеств. Лингвистическая переменная «Скорость» может принимать значения «Очень быстро», «Быстро», «Медленно», «Очень медленно», переменная «Направление» – «Север», «Юг», «Запад», «Восток» и т.д. Они в свою очередь являются нечеткими переменными и изменяются в некотором диапазона числовых значений. Например, переменная «Очень быстро», являющаяся одним из значений лингвистической переменной «Скорость», варьирует в диапазоне 90-120 км/ч, «Быстро» – 70-90 км/ч.

Таким образом, не требуется специальных навыков программирования, если используется генератор или компилятор контроля в условиях нечеткой логики. Эта экзотическая техника нашла применение в быту, от наведения автофокуса камерой, до управления портфелем акций. Она раскрывает большие возможности в аквакультуре, потому что базируется на таких простых условиях, как «если» и «тогда». Например, если существуют условия «А» и «Б», то запускаем «В». Такой подход существенно упрощает общение рыбоводов с инженерами и программистами. Эта новая технология контроля, микрокомпьютеры и язык программирования совершит революцию в управлении многими сельскохозяйственными и биологическими системами.

Микроконтроллеры

Промышленные системы автоматического контроля доступны уже на протяжении нескольких лет, однако стоят тысячи долларов. Кроме того, они с трудом адаптируются к операциям в аквакультуре, потому что обычно работают в неблагоприятных условиях и не отвечают требованиям к сельскохозяйственным системам контроля. С другой стороны, чипы микроконтроллеры сравнительно дешевые, обычно стоят меньше 100$. Они маленькие, работают в неблагоприятных условиях и поддаются упрощенной процедуре программирования. Эти особенности делают микроконтроллеры предпочтительным выбором для встроенного контроля, например, техники, автоматического контроля двигателя, экспозиции камеры, промышленной автоматизации.

Микроконтроллеры являются улучшенными микропроцессорами. Помимо микропроцессора, они обычно имеют несколько параллельных и последовательных портов, генераторы системного времени, программную память, таймеры, счетчики, логический прерыватель, аналогово-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь и даже подсистемы обработки цифрового сигнала на том же чипе. Таким образом, микроконтроллеры на одном чипе могут работать в качестве встроенного контроллера без включения других чипов. Лишь за последние несколько лет они развились до состояния, когда имея большое количество ходов и выходов, памяти и мощности, способны управлять сложной системой, такой как аквакультурное производство.

Вскоре станут доступными микроконтроллеры, которые будут программироваться в сотрудничестве с рыбоводом. Новое программное обеспечение позволит сотруднику сесть за компьютер и задать параметры, которые требуют контроля, тип используемого оборудования и точное поведение системы на возникающие ситуации. Как только выбор сделан, компьютер автоматически напишет программный код (A Visual Language for Microcontrollers, S. Yerlan, et al., Research Report 93-4, Industrial and Systems Engineering, University of Florida).

В качестве примера работы визуального программирования рассмотрим систему (Рис. 1), в которой температура, концентрация растворенного кислорода, pH, уровень воды, скорость водного потока отслеживаются и/или контролируются. Рыбовод может выбрать эти параметры и описать характер их контроля. Например, температура контролируется насосом для нагрева, который может повышать или снижать температуру. Уровень растворенного кислорода контролируется путем оксигенации воды, уровень воды – клапаном, соединенным с основной линией источником воды, скорость водного потока – работой насоса, pH – отслеживается, но не контролируется. Можно выбрать верхний и нижний предел каждого параметра и частоту регистрации. Как только все входы настроены, программное обеспечение проведет симуляцию работы системы, а затем напишет код и вставит его в микропроцессор. После этого, микроконтроллер можно поместить в систему контроля, куда вмонтированы датчики и откуда поступают сигналы на управляющие устройства (клапана, насосы и т.д.).

Рисунок 1. Микроконтроллеры в УЗВ
Рисунок 1. Микроконтроллеры в УЗВ

Потенциал энергосбережения

С возрастанием надежности и эффективности датчиков, регистрирующих параметры аквакультурного хозяйства, происходит оптимизация производства и число используемых микроконтроллеров. Оптимизированная система эффективна с точки зрения затрат энергии и средств. На сегодня, большинство компонентов системы обладают завышенной мощностью, потому что не используется точное измерение параметров. Например, оборудование для аэрации обычно выдает намного больше воздуха и потребляет больше электричества, чем нужно. Это связано с тем, что концентрация кислорода не измеряется напрямую. В отсутствие мониторинга концентрации аммония, биологические фильтры часто слишком большие и работают в условиях повышенной скорости водного потока и электропотребления.

Микроконтроллеры позволяют регистрировать в реальном времени большой объем информации, повышая эффективность хозяйства. Точный контроль минимизирует стресс водных организмов и снижает время достижения ими коммерческого размера. Кроме того, он снижает потребление энергии, трудозатраты и расход вода на единицу произведенного гидробионта. Например, если система полностью автоматизирована, включая мониторинг кормления, роста рыбы и использования энергии, можно провести эксперименты для определения влияния повышения температуры воды на скорость роста рыб. Иными словами, рыбовод может непрерывно оттачивать эффективность операций, регистрируя показатели в различных режимах работы.

Микроконтроллеры также могут использоваться для активации других устройств, таких как вспомогательное электроснабжение, когда основное пропало, сигнализацию, отправку сообщений на телефон. С практической точки зрения, система мониторинга и оповещений позволит управляющему выполнять нормальную ежедневную рутину, уезжать от производственных мощностей, оставаясь информированным о делах на ферме.
——
P. Fowler, D. Baird, R. Bucklin, S. Yerlan, C. Watson & F. Chapman. Microcontrollers in Recirculating Aquaculture Systems. Florida Cooperative Extension Service. EES-326. 1994

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *