孵化間智能節(jié)水噴淋控制系統(tǒng)研究

仝浩遠(yuǎn) 李承輝 扈全勝 劉朋杰 張 賀 李 淼 劉 洋 黃德溫 豆根生 滕紅麗*

（ 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州450002）

豆芽白嫩清爽，清香營養(yǎng)，是男女老少皆宜的四季蔬菜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國豆芽市場每天的需求量達(dá)2.5 萬噸，占所有蔬菜產(chǎn)品市場的2.5%～3%，已成為產(chǎn)值達(dá)150 億元人民幣的大產(chǎn)業(yè)[1-2]。在豆芽的孵化中，每天需要大量淋水，在水資源日益緊張的今天，如何有效利用水資源，節(jié)約水資源，對實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。本文以某企業(yè)豆芽孵化間為研究對象，研究如何通過孵化間的自動(dòng)化噴淋控制，節(jié)約噴淋用水，達(dá)到節(jié)約水資源，降低生產(chǎn)成本，減少豆芽培育過程中人為參與因素，提高豆芽生產(chǎn)的食品安全性。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以孵化桶內(nèi)溫度作為淋水的控制條件，當(dāng)孵化桶內(nèi)的溫度高于設(shè)定的上限溫度時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)，開始給豆芽補(bǔ)水降溫。當(dāng)孵化桶內(nèi)的溫度降低到設(shè)定的下限溫度時(shí)，淋水關(guān)閉。這樣可以更精確的控制孵化桶內(nèi)溫度，使豆芽的生長環(huán)境保持在一個(gè)較為適宜的溫度，更加利于豆芽生長。控制系統(tǒng)如圖1 所示，每個(gè)孵化間放置溫度傳感器，測量孵化桶內(nèi)溫度。在移動(dòng)噴淋桿上安裝一雨水傳感器，測量噴淋出水量，當(dāng)噴淋水量過小時(shí)該傳感器輸出一信號做系統(tǒng)噴淋水不足報(bào)警信號。噴淋桿支架的兩端各設(shè)置一限位開關(guān)，限制移動(dòng)噴淋桿行程。這些信號都反饋給控制器，作為控制器的控制決策輸入信號。控制器輸出一組控制信號送入變頻器，變頻器根據(jù)這組信號控制電機(jī)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，進(jìn)而控制電機(jī)帶動(dòng)的噴淋桿的移動(dòng)速度和方向。控制器還輸出一組控制信號到接觸器和熱過載繼電器，控制噴淋給水水泵的啟停。控制器通過以太網(wǎng)接口連接本地觸摸屏，對孵化間運(yùn)行情況和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。控制器還可以通過以太網(wǎng)接口接入數(shù)據(jù)總站、工程師站、顯示墻等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制、孵化間運(yùn)行數(shù)據(jù)的傳遞、存儲(chǔ)，成為工廠信息化管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣，對控制器的抗干擾能力要求較高，系統(tǒng)控制器選擇PLC。與單片機(jī)等控制器相比，PLC 具有較高的可靠性和抗干擾能。此外，PLC 還有較好的自我診斷功能，當(dāng)電源或者硬、軟件發(fā)生故障時(shí)，PLC 會(huì)立即采用有效措施，防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。另外，PLC 安裝簡單、維修方便，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。系統(tǒng)采用PT100 鉑熱電阻溫度傳感器。PT100 具有較高的測量精度和性能比較穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。為提高控制精度，每個(gè)孵化間在不同區(qū)域設(shè)置3 個(gè)溫度傳感器及配套變送器。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)用一臺(tái)PLC 控制1 個(gè)孵化間，需要8 點(diǎn)數(shù)字量輸入、8 點(diǎn)數(shù)字量輸出、1 點(diǎn)模擬量輸入。根據(jù)系統(tǒng)IO 點(diǎn)數(shù)，選擇西門子S7-1200 系列CPU 1214（14DI/10DO/2AI），觸摸屏選用具有以太網(wǎng)接口的威綸通8 寸觸摸屏MT8071IE。

變頻器使用三晶 ATV13 系列小功率變頻器ATV13-2SR75GH。該變頻器輸出功率0.75kW，使用單相220V輸入，三相交流輸出驅(qū)動(dòng)噴淋桿電機(jī)。PLC 數(shù)字量輸出點(diǎn)接變頻器多功能數(shù)字輸入輔助端子M1～M4，控制噴淋電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。變頻器可編程繼電器輸出常開端子對TA-TB 接入PLC數(shù)字量輸入端，作噴淋桿電機(jī)故障報(bào)警信號。噴淋桿控制部分電氣接線圖如圖2 所示。

水泵啟停控制回路主要由施耐德LC1D12M7C 型接觸器和熱過載繼電器FR 的控制端子組成，如圖3 所示。PLC 數(shù)字量輸出端DQ 輸出1，繼電器線圈得電，繼電器常開端子對5、9 閉合，接觸器輔助控制端子A1-A2 動(dòng)作，接觸器輸出三相交流電給水泵，水泵啟動(dòng)。PLC 數(shù)字量輸出端DQ 輸出0，繼電器線圈失電，繼電器常開端子對5、9 斷開，接觸器斷開，水泵停止工作。若水泵電機(jī)過載，電流超出熱繼電器FR 的整定電流，F(xiàn)R 常閉觸點(diǎn)95-96 斷開，分?jǐn)嗫刂齐娐罚猛Ｖ构ぷ鳌Ｋ秒姍C(jī)過載時(shí)，熱繼電器FR 的一對常開觸點(diǎn)閉合，輸出一路信號送入PLC 數(shù)字量輸入端，作為水泵故障報(bào)警信號。

圖2 變頻器電氣接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括PLC 控制軟件和觸摸屏監(jiān)控軟件。觸摸屏監(jiān)控軟件設(shè)置孵化間運(yùn)行狀態(tài)，孵化間運(yùn)行方式，噴淋控制溫度上、下限和監(jiān)視孵化間設(shè)備運(yùn)行及孵化桶內(nèi)溫度。PLC 控制軟件根據(jù)工程師站、觸摸屏設(shè)置參數(shù)和現(xiàn)場條件控制孵化間運(yùn)行。孵化間運(yùn)行分手動(dòng)/自動(dòng)兩種運(yùn)行方式，手動(dòng)運(yùn)行用于設(shè)備調(diào)試，自動(dòng)運(yùn)行控制孵化間噴淋給水。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，因孵化桶內(nèi)第一、二天溫度低，設(shè)定的噴淋上限溫度較高時(shí)，達(dá)不到噴淋啟動(dòng)條件，因此設(shè)置一定時(shí)噴淋方式。PLC 上電后首先讀取孵化桶內(nèi)溫度，進(jìn)行溫度處理，然后根據(jù)手動(dòng)/自動(dòng)切換開關(guān)進(jìn)入手動(dòng)程序或自動(dòng)控制程序。手動(dòng)程序調(diào)試水泵、噴淋桿運(yùn)行速度和方向。自動(dòng)控制程序計(jì)算孵化間運(yùn)行時(shí)長T，若孵化間運(yùn)行時(shí)長T大于設(shè)定的定時(shí)噴淋時(shí)長T定，則采用溫度控制噴淋方式，否則采用定時(shí)噴淋方式，最后調(diào)用故障診斷程序，對各種故障情況進(jìn)行處理。

圖3 水泵啟停控制回路

溫控噴淋時(shí)，將溫度傳感器采集到的孵化桶內(nèi)的溫度進(jìn)行處理后作為孵化桶內(nèi)實(shí)際溫度，該溫度與設(shè)定的上限、下限溫度作比較。如果實(shí)際溫度大于上限溫度，則由PLC 發(fā)出啟動(dòng)淋水信號：啟動(dòng)水泵和噴淋桿電機(jī)，噴淋桿在兩個(gè)限位開關(guān)之間往返運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行淋水。當(dāng)實(shí)際溫度小于設(shè)定下限溫度時(shí)，PLC 發(fā)出停止淋水信號：停止水泵運(yùn)行；噴淋桿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，噴淋桿運(yùn)行到起始位置后噴淋桿電機(jī)停轉(zhuǎn)，一次溫控噴淋結(jié)束。

定時(shí)噴淋時(shí)，在觸摸屏上設(shè)定一噴淋間隔時(shí)長，定時(shí)時(shí)間到，啟動(dòng)水泵和噴淋桿電機(jī)，噴淋桿運(yùn)行兩個(gè)周期后停止噴淋。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)孵化間存在水資源浪費(fèi)問題，設(shè)計(jì)了有效的孵化間智能節(jié)水噴淋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)將孵化桶溫度作為噴淋給水的重要依據(jù)，使用PLC 作為控制核心，充分的將軟件和硬件有機(jī)的結(jié)合在了一起，使豆芽孵化過程的給水控制更加精確、及時(shí)、合理，大大的減少了水資源的浪費(fèi)。