溫室二氧化碳氣肥環境調控系統設計

單慧勇　林宇浩　于鎵　楊延榮　趙輝　衛勇

摘要：為改善棚室蔬菜生產中二氧化碳匱乏問題，設計溫室二氧化碳氣肥環境調控系統。設計氣肥發生器，利用碳酸氫銨加熱產生二氧化碳的原理，制備二氧化碳氣肥;采用負壓反應腔和二級過濾凈化系統提高系統的安全性;采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱PLC）作為主控制器，實現氣肥發生器工作循環的自動控制;PLC通過無線數傳電臺與傳感器采集裝置通信，在PLC中集成模糊控制算法，實現溫室內二氧化碳的智能調控;采用監視與控制通用系統（monitor and control generated system，簡稱MCGS）觸摸屏作為人機交互裝置，MCGS觸摸屏通過RS232總線與PLC通信交換數據，實現系統狀態與測試數據的實時顯示、存儲及歷史信息統計。結果表明，系統運行穩定可靠，操作界面簡潔方便，更好地實現了對溫室二氧化碳氣體環境的實時監控。

關鍵詞：二氧化碳;氣肥環境調控系統;溫室;PLC;氣肥發生器

中圖分類號： TP273? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0204-05

溫室大棚種植由于處于密閉環境和種植密度等原因，極易產生二氧化碳（CO2）不足的問題，作為植物光合作用的重要原料，二氧化碳匱乏將直接影響作物光合作用，降低對太陽光的利用率，影響作物長勢與抗病害能力，因此溫室大棚生產中施用二氧化碳氣體肥料已成為一項重要的增產措施。現有的二氧化碳氣體肥料的制備有高壓鋼瓶、酸鹽反應、燃燒型、微生物發酵法等多種方法[1-3]，但均由于多種原因未在生產中得到廣泛應用。特別是傳統酸鹽反應型，雖有價格便宜的優點，但控制困難，難以精確調控，針對此種情況，筆者設計了電加熱型氣肥發生器[4]，采用碳酸氫銨作為反應原料，價格便宜，使用方便。同時系統采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱PLC）作為主控制器，運用組態技術、無線通信技術等實現產氣輸氣的自動化，完成對溫室大棚生產過程中二氧化碳氣肥的補充，并且可進行遠程監控，提高瓜果蔬菜的質量和產量，實現溫室的智能化生產，減輕工人的作業強度，也對實現我國溫室內設備的規模化和科學化管理有一定的促進作用。

1 系統總體方案

設計溫室二氧化碳氣肥調控系統的原理是利用加熱碳酸氫銨制取二氧化碳，以PLC為主控制器，結合溫濕度、二氧化碳等多種多路環境傳感器實時采集環境數據，采用無線傳輸方式，通過RS485總線將數據傳給PLC，由觸摸屏將數據實時顯示出來，并繪出歷史曲線等。同時PLC根據作物生產要求，利用模糊控制算法對溫室環境系統進行智能調控。

溫室二氧化碳氣肥環境調控系統總體結構如圖1所示，分為上位機與下位機2個部分，下位機為PLC控制器，主要完成對二氧化碳反應器、過濾裝置、環境采集裝置以及輸氣裝置的控制;采用集可視、操作于一體的觸摸屏作為PLC的人機接口和上位機，與PLC進行通信，實時地顯示采集數據、儲存及進行歷史信息統計，并對系統工作參數如注水時間、排水時間、延時輸氣時間、延時排水時間、反應時間進行設置，通過下位機PLC編寫對各個子系統工作狀態進行調控的程序，實現對系統整體的智能調控，最終實現溫室中氣肥發生器的正常運行和室內二氧化碳的補償和平衡。

系統總體過程如下：上電后，系統自動通過各種傳感器檢測溫室內的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環境參數，在啟動氣肥環境調控系統后，PLC控制器依據內置的模糊決策算法動態判定當前溫室內適宜的二氧化碳濃度水平，控制二氧化碳發生器和氣泵的工作狀態，進行溫室中二氧化碳氣肥環境的自動智能控制。通過人機接口，可以實現相應的參數設定和信息查看，如作物類型設定、控制模式設定、歷史數據信息查看、傳感器參數設定等各種操作。

2 系統硬件設計與選型

2.1 PLC選型

分析系統中所需PLC的I/O點數為5路輸入量、7路輸出量。考慮系統I/O點數、經濟性、存儲器容量等方面的指標，選擇國產信捷PLC，型號為XC2-16R-E，工作電壓為DC 24 V，具有8路輸入、8路輸出，輸出為繼電器輸出，2路通信接口，分別為RS232、RS485。

2.2 現場觸摸屏選型

選擇具有可視化和按鍵功能且性能穩定的監視與控制通用系統（monitor and control generated system，簡稱MCGS）觸摸屏作為顯示設備，型號為TPC1062K。該觸摸屏是一款以低功耗中央處理器（central processing unit，簡稱CPU）為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，預裝了MCGS

嵌入式組態軟件，具備強大的圖像顯示和數據處理功能。

2.3 傳感器的選型

2.3.1 溫濕度光照傳感器 考慮實用性和價格等因素，選用精訊科技JXBS-3001高靈敏度壁掛式光照溫濕度三合一傳感器，采用直流供電9～24 V DC，光照度量程為0～65 535 lx，精度為±7%;溫度測量范圍為-20～60 ℃，精度為±0.5 ℃;濕度測量范圍為0～80% RH（相對濕度），精度為±3% RH;輸出信號通過RS485輸出（采用標準Modbus協議）。

2.3.2 溫濕度二氧化碳傳感器 采用JXBS-3001-二氧化碳-RS高靈敏度壁掛式二氧化碳傳感器，此傳感器為三合一的傳感器，具有監測溫度、濕度、二氧化碳濃度的功能，信號穩定、精度高。二氧化碳測量范圍為0～5 000 μmol/mol，精度為±（50 μmol/mol+3%讀數，25 ℃）;溫度測量范圍為-25～85 ℃，精度為±0.5 ℃;濕度測量范圍為0～100% RH，精度為±3% RH;輸出信號通過RS485輸出（采用標準Modbus協議）。

2.4 二氧化碳氣肥發生器的設計

2.4.1 產氣原理 考慮系統使用的安全性和可靠性，采用加熱碳酸氫銨的方法制取二氧化碳。將碳酸氫銨在反應裝置中進行加熱，使其分解并釋放出氨氣和二氧化碳，經水過濾后氨氣溶于水中形成氮肥，二氧化碳釋放到溫室大棚中作為氣肥使用，其基本反應關系如下：

NH4 HCO3=ΔNH3↑+H2O+CO2↑

NH3+H2O=NH3·H2O

2.4.2 氣肥發生器的結構 傳統電加熱型氣肥發生器的反應器處于正壓狀態時，會造成密封困難，容易發生氨氣的泄漏;同時采用單級清水吸收過濾氨氣，在反應一段時間后，由于吸收器內的水溫升高，導致氨氣的吸收效果變差。

針對該種情況，筆者對傳統電加熱氣肥發生器進行改進設計，其結構示意如圖2所示[4]。改進后的氣肥發生器核心結構組件包括電加熱反應器、二級過濾器、負壓與氣動排水系統以及PLC控制系統（圖中未畫出）。電加熱反應器中的碳酸氫銨加熱分解后產生二氧化碳和氨氣的混合氣體，經二級過濾器凈化吸收氨氣后，由氣泵抽出并輸出純凈的二氧化碳氣體。裝置整體處于密封狀態，適當選擇氣泵的參數，氣泵的抽吸使得反應器、過濾器均處于負壓狀態，大大地提高了反應器的密封效果，避免了反應氣體的泄漏。在反應器電加熱部分設置溫控傳感器監測反應器狀態，當傳感器溫度直線上升并超過設定閾值時，即可判斷反應器中原料消耗完畢。配合外部自動換水與氣肥環境調控系統，可以實現系統的全自動工作。考慮設備使用環境，設備主體采用不銹鋼材料，加工完成的氣肥發生器系統如圖3所示。

反應器工作過程如下：注水狀態時，控制器控制進水閥S1打開，B2氣泵打開，出水閥S2關閉，BQ1排水平衡氣閥、BQ2反應排氣閥關閉，BQ抽氣閥開啟，反應器內空氣經BQ抽氣閥被氣泵抽出，使反應器內氣壓低于大氣壓值，水通過注水口進入過濾器，依次注入二級過濾器和一級過濾器，二級過濾器液位由溢流管控制，在一級過濾器中設置液位開關控制注水量;反應時，BQ2反應排氣閥和B2氣泵打開，BQ抽氣閥、BQ1排水平衡氣閥關閉，反應器中產生的氣體通過管道流入過濾器中，先經過下層的一級過濾、上層的二級過濾濾除其中的氨氣，CO2經BQ2反應排氣閥和B2氣泵輸入溫室中，實測在設計條件下，反應終了時出口氨氣濃度仍在 1 μmol/mol 以下，大大提高了氨氣的凈化效果;系統在反應結束后，BQ1排水平衡閥開啟，出水閥S2開啟，BQ抽氣閥關閉，一級過濾器中的水先排出，形成負壓，二級過濾器與大氣聯通，在虹吸作用下，二級過濾器中的水經排水管注入一級過濾器，由出水閥S2排出。

3 系統軟件設計

軟件設計包括上位機觸摸屏的組態設計和下位機PLC的程序設計。

3.1 PLC主程序設計

PLC主程序流程如圖4所示。PLC上電，系統初始化后可進行系統設置，選擇是否設置新的參數，以及工作方式的設置等。工作方式分為手動、自動模式，手動模式中人直接控制系統的各部分運行，單獨執行相關的設備;自動模式中系統根據傳感器采集的參數與系統的設定值進行對比，自動調節溫室中的環境，當自動、手動模式遇到設備故障時，系統停止運行并報警。

為方便控制，系統設計了2個控制按鍵，分別為系統起停按鍵K1和反應器起停按鍵K2。上電，系統初始化完成，進入待機狀態，人工添加原料后，按下系統起停按鍵K1，系統進入注水狀態。注水結束后，再次進入待機狀態。閉合反應器起停按鍵K2，進入反應狀態。手動模式下此時將直接反應供氣，自動模式下，由內置控制程序控制反應器是否工作。

3.2 系統子程序設計

3.2.1 系統上電初始化 系統初始化流程如圖5所示，系統上電后，初始化，進行系統自檢，包括外部數據采集系統、反應器溫控開關系統（圖中未示出）、液位開關（高液位YK2和低液位YK1）、反應器控制按鍵的狀態等。若溫控開關斷開，則控制蜂鳴報警器F1（圖中未示出）蜂鳴報警，此時系統起停按鍵K1、反應器起停按鍵K2不起作用，待溫控開關復位后，報警停止，進入上電待機狀態。為提高系統安全性，系統設計為上電自檢通過后，若高液位YK2、低液位YK1中有1個閉合，啟動排水程序。

3.2.2 過濾器注水 圖6為系統注水流程。注水狀態時，控制器控制進水閥門S1打開，出水閥S2關閉，BQ抽氣閥開啟，BQ1排水平衡氣閥、BQ2反應排氣閥關閉，B2氣泵工作，過濾器處于負壓狀態，清水在過濾器負壓與外部水壓共同作用下注入到過濾器中，隨著過濾器中液位的上升，液位開關低液位YK1和高液位YK2先后打開，在高液位YK2打開后，過濾器中的液位達到設計液位，控制器控制進水閥S1關閉，注水過程結束。如果在注水期間出現液位報警或者溫度報警情況，系統立即停止注水，進入報警狀態。在注水時考慮液位開關的浮動干擾，設置注水去抖動延時時間T0，以保證灌水能夠達到預定液位。

3.2.3 反應輸氣狀態 采用電加熱分解碳酸氫銨的方式制取二氧化碳。當反應開始時，控制器控制進水閥S1關閉，出水閥S2關閉，電加熱系統開始工作，反應器中原料受熱分解產生二氧化碳與氨氣的混合氣體，BQ2反應排氣閥開啟，BQ1排水平衡氣閥、BQ抽氣閥關閉，反應器中產生的混合氣體經管道輸送到過濾器中過濾后，得到純凈的二氧化碳氣體，經BQ2反應排氣閥進入B2氣泵加壓后，通過排氣口和相應管路輸送到溫室當中;在反應輸氣中出現液位報警情況時，系統立即停止反應，進入報警狀態。圖7所示為反應輸氣流程示意。電加熱反應器內的原料反應完成后，在電加熱系統的作用下，電加熱反應器內溫度急劇升高，控制器通過反應器溫控開關系統檢測電加熱反應器內的溫度，當電加熱反應器內的溫度急劇升高到預定值時，判斷為原料反應完成，電加熱系統、B2氣泵和BQ2反應排氣閥均關閉。系統自動進入排水流程，排水完成后，缺料指示燈亮起。

3.2.4 暫停反應延時輸氣狀態 反應過程中，反應器起停按鍵控制反應器暫停或PLC自動控制反應器暫停時，由于余熱的影響，仍加熱剩余的碳酸氫銨，此時通過設置暫停反應輸氣，延時狀態繼續輸氣，保證系統正常工作。主控制器PLC控制電加熱系統停止工作，電加熱反應器內的原料在余熱作用下分解產生二氧化碳、氨氣和水的混合氣體，電加熱反應器內產生的混合氣體仍經管道輸送到過濾器內，使水對混合氣體中的氨氣進行吸收，再經BQ2反應排氣閥進入排氣氣泵B2加壓后，通過管道輸送到溫室中。同樣，由于排氣氣泵的抽氣作用，電加熱反應器與水凈化器均處于負壓狀態，避免了內部氣體的泄漏。

3.2.5 排水狀態 系統反應結束后，電加熱系統停止工作，進入自動排水狀態，關閉進水閥S1，開啟出水閥S2，BQ抽氣閥、BQ2反應排氣閥關閉，BQ1排水平衡氣閥開啟，外部空氣經BQ1進入二級過濾器，一級過濾器的水在重力作用下由出水閥S2排出，形成負壓狀態，二級過濾器中的水在虹吸作用下排入一級過濾器，液位開關高液位YK2、低液位YK1先后復位，在液位開關YK1復位后排水結束，排水過程完成。由于液位開關的浮動，在排水結束時須設置排水去抖動時間T2，保證過濾器中的水可以排凈。若在系統設置的最大排水時間內未完成排水，則進入排水超時報警。排水狀態流程如圖8所示。

系統設置也可通過觸摸屏停止反應，強制排水。

3.2.6 報警狀態 系統報警邏輯由2個部分組成，一部分為溫控報警，一部分為水位報警。溫控報警由溫度傳感器觸發，當設備缺料或者無料干燒時溫度會急劇升高，觸發溫度傳感器對應程序的常閉開關閉合，系統停止加熱進行缺料報警，同時進行延時輸氣，觸摸屏上面顯示缺料報警。水位報警則是通過上液位和下液位傳感器實現的，若下液位沒有觸發上液位就已經觸發，說明在2個傳感器中存在硬件故障，須要及時檢查液位傳感器。在系統反應過程中設置的參數如果不合理也會報警。注水時間和排水時間設置過短，機器沒有注滿水或者沒有能夠排除所有的水，系統報警，觸摸屏上顯示注水超時或者排水超時。

3.3 上位機觸摸屏的組態設計

觸摸屏作為PLC的上位機，可以中斷PLC的進程，更改PLC的工作狀態，設置各種初始參數。系統進入待機狀態時可以通過觸摸屏更改注水時間、排水時間、加熱時間等參數。系統的功能框圖如圖9所示。

在組態軟件開發環境中根據系統結構要求建立相應的監控窗口，進行畫面編輯、關聯變量、動畫連接、建立腳本等操作。設計系統環境參數設定界面如圖10所示。

4 系統控制算法設計

溫室系統是一個非線性、時變、大滯后的復雜系統[5-6]，若采用傳統控制方法或現代控制理論很難實現對系統的精準控制，模糊控制[7]不須要建立被控對象，而是根據實際的輸入輸出，把專家的知識和現場操作工人的操作經驗總結成一系列的控制規則，利用模糊邏輯推理和軟件程序對系統進行實時、準確控制，而且模糊控制具有強魯棒性和高穩定性。

模糊決策控制系統的核心是模糊控制器，而模糊控制器由模糊化控制、模糊決策模塊和清晰化模塊3個部分組成（圖11）。結合溫室內二氧化碳濃度的變化規律，應用模糊控制理論，建立多輸入單輸出的溫室二氧化碳施肥模糊決策系統，在氣肥調控的過程中，實時監測環境參數，實現氣肥環境的動態決策調控[8]，詳細算法將另文撰述。

5 系統測試

圖12為日光溫室番茄施用CO2前、后棚室內的CO2濃度變化趨勢，其中靠下的曲線為未增施CO2棚室內的CO2變化趨勢。施用CO2前，在08：00之后隨著太陽光照的逐漸加強，對照溫室的CO2濃度呈迅速下降趨勢，但是下降的速度稍慢一些，11：00左右通風后棚室二氧化碳的濃度水平在 300 μL/L 左右，此后即使采用通風措施也不能提高棚室內的二氧化碳濃度，該濃度水平一直維持到16：30之后才開始上升，說明此時僅靠通風所補充的CO2已不能滿足作物光合作用的需要，亟需其他方式補充CO2。采用氣肥補施系統后，在棚室內CO2濃度下降到接近大氣濃度時系統即開始工作，同時隨著光照度的增加，可控制棚室內CO2濃度水平相應提高，且維持在600 μL/L以上，在16：00左右之后呈下降趨勢，至17：30左右與未增施前基本持平。

6 小結

以農業生產中易獲得的碳酸氫銨為反應原料，不使用硫酸和碳酸氫銨反應，應用電加熱的方式獲取二氧化碳，提高了設備使用的安全性和設備的推廣適用性。

設備主體采用不銹鋼材料加工，并設計氣壓自動換水系統，既提高了設備的自動化程度，又避免了系統薄弱器件與腐蝕性液體的直接接觸，延長了設備的使用壽命。

采用特殊結構設計，利用氣泵抽氣和輸送，使得反應器內維持負壓狀態，克服了反應器密封的難題，并能實現氣體的帶壓輸送，輸送距離遠、效率高，而且減少了氣體泄漏的可能性，同時進一步提高了設備使用的安全性。

過濾器設計采用二級凈化技術，反應產生的氣體先后流經二級過濾器，大大提高了反應副產品氨氣的吸收效果，過濾器出口處氨氣濃度實測在1 μmol/mol以下。

系統以PLC作為主控制器，通過無線網絡監測溫室內環境參數，模糊決策算法確定適宜氣肥濃度調控目標，最終實現包括反應器狀態、加熱功率、輸氣、延時、注水、排水等多個狀態的切換控制以及狀態實時監測報警，自動化程度高，便于與其他系統集成。

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