基于PLC系統(tǒng)的二氧化碳施肥系統(tǒng)研究

王 實(shí)

(黑龍江職業(yè)學(xué)院，哈爾濱15080)

0 引言

工業(yè)革命以來，大氣中CO2濃度一直在不斷升高。各發(fā)達(dá)國(guó)家都致力于提高CO2在農(nóng)業(yè)方面的利用率。CO2施肥在設(shè)施栽培中開始應(yīng)用，隨著對(duì)其生理機(jī)制研究的不斷深入和大面積CO2施肥增產(chǎn)效益的獲得，CO2施肥技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)施生產(chǎn)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。挪威CO2施肥的面積占溫室總面積的75%，荷蘭70年代末CO2施肥面積已達(dá)到溫室面積的90%以上，而我國(guó)由于資源、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面的原因，設(shè)施栽培中CO2施肥幾乎處于空白，由此帶來的產(chǎn)量損失全國(guó)在上億公斤，所以重視和發(fā)展設(shè)施栽培CO2施肥是大幅度提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段。系統(tǒng)將應(yīng)用于我國(guó)東北的糧食大省黑龍江，由于地處我國(guó)的東北部冬季高寒，外部的溫度、濕度等因?yàn)閷?duì)系統(tǒng)影像較大，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)二氧化碳施肥共能的前提下，考慮如何減弱其他影像因素。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)具體應(yīng)用，文中系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、時(shí)間控制、濃度控制和室內(nèi)溫度控制四種控制方式。

1)手動(dòng)控制：利用人機(jī)控制面板來控制、調(diào)節(jié)CO2施放，來達(dá)到環(huán)境需要。在CO2施放的試驗(yàn)階段和具體釋放時(shí)間不確定的情況下以及外部環(huán)境因素影響下時(shí)使用。控制面板設(shè)有啟動(dòng)和停止兩個(gè)按鈕來實(shí)現(xiàn)人工控制。文中系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，通過遙控裝置來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

2)時(shí)間控制：由于每天溫室大棚內(nèi)所需CO2濃度不同，本系統(tǒng)可以通過預(yù)先設(shè)定來各時(shí)間段內(nèi)CO2施放的濃度，并通過傳感器控制達(dá)到所需的CO2濃度停止。

3)濃度控制：根據(jù)每天溫室大棚所需在特定的時(shí)間段的CO2濃度要求，設(shè)定所需的CO2濃度濃度，同時(shí)可設(shè)定每天任意時(shí)段施放時(shí)間。在特定的時(shí)間里對(duì)溫室大棚進(jìn)行CO2濃度控制。

4)室內(nèi)溫度控制：因?yàn)槲覈?guó)南北方溫差較大，而且黑龍江省又是我國(guó)產(chǎn)糧大省，黑龍江省冬季夜晚溫度極低，外界環(huán)境對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)有很大影響，系統(tǒng)通過溫度傳感器控制加熱系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，從來保證溫室大棚內(nèi)的溫度。

2 系統(tǒng)控制單元的選取及實(shí)現(xiàn)

2.1 控制單元的選取

目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上有從美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)引進(jìn)的多種系列PLC，國(guó)內(nèi)也有許多廠家組裝、開發(fā)數(shù)十種PLC，故PLC系列標(biāo)準(zhǔn)不一，功能參差不齊，價(jià)格懸殊。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)應(yīng)用于北方寒冷氣候，所以首要注意的是PLC的可靠性，其次考慮PLC的性價(jià)比和負(fù)載能力。文中介紹以CO2施放裝置作為控制對(duì)象，據(jù)對(duì)多種因素的分析比較及監(jiān)控系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的要求，選用西門子(SIMENS)公司S7-200 CPU221型PLC，此模塊是6路輸入4路輸出，同時(shí)因?yàn)橛袧舛群蜏囟鹊哪M量采集，還要選取EM231擴(kuò)展模塊。

2.2 系統(tǒng)硬件配置及I/O接線

文中控制系統(tǒng)由西門子 S7-200 PLC、EM231模擬量擴(kuò)展模塊、電磁閥、施肥警示燈、氣體的加熱裝置和人機(jī)界面——西門子TD200C文本顯示器組成，I/O分配見表一，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

表1 I/O分配表

圖1 CO2施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)說明

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要功能是對(duì)CO2施放系統(tǒng)依據(jù)時(shí)間和當(dāng)前濃度進(jìn)行自動(dòng)起?？刂?，顯示時(shí)間、濃度等運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2施放系統(tǒng)的智能控制。為了增加程序的可讀性和減少程序代碼，PLC程序采用主程序調(diào)用功能模塊的程序結(jié)構(gòu)。PLC程序由一個(gè)主程序和七個(gè)功能塊子程序構(gòu)成。程序流程圖如圖二所示。

圖2

3 結(jié)論

基于PLC系統(tǒng)的二氧化碳施肥系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，采用PLC作為主控單元就是考慮它出眾的穩(wěn)定性，通過模擬量擴(kuò)展模塊EM231，與棚內(nèi)CO2傳感器及溫度傳感器配合，采集溫室大棚CO2成分氣體的濃度和溫室內(nèi)部溫度。用以控制CO2施放電磁閥、施放警示燈、CO2氣體的加熱控制以及大棚內(nèi)的加熱系統(tǒng)。同時(shí)通過人機(jī)界面——西門子TD400C文本顯示器實(shí)現(xiàn)人機(jī)數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)置與修改及顯示。從而來完成在東北高寒地區(qū)，完成在冬日內(nèi)的二氧化碳施肥任務(wù)。程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)四種控制功能：手動(dòng)控制、時(shí)間控制、CO2氣體的濃度控制以及溫室大棚內(nèi)的溫度控制。為適應(yīng)溫室大棚內(nèi)濕度高的特點(diǎn)，CO2傳感器選擇的是防水型設(shè)計(jì)，其芯片系采用遠(yuǎn)紅外非擴(kuò)散進(jìn)口芯片，具有精確、穩(wěn)定、可靠和10年以上的高使用壽命。系統(tǒng)其它主要部件均采用施耐德和歐姆龍進(jìn)口元器件，以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，該系統(tǒng)已投入應(yīng)用羨并獲得良好效果。

［1］ S7-200可編程序控制器操作手冊(cè).

［2］ 西門子TD400C用戶手冊(cè).

［3］ 可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用［M］.清華大學(xué)出版社.

［4］ 魯金戈.淺談PLC應(yīng)用及使用中的注意問題.

［5］ 劉晉浩，魏占國(guó).PLC在模擬立體倉庫堆垛機(jī)裝置控制上的應(yīng)用［J］.森林工程，2007，23(5)：33-35.

［6］ 廖常初.PLC編程及應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社2008.

［7］ 孫燕良，張厚江，翟艷鳳，等.基于PLC氣動(dòng)機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)［J］.森林工程，2011，27(3)：45-50.