基于PLC的多天多時段食用菌生育室控制系統開發

劉 杰，靳曉強

（1.河北科技工程職業技術大學電氣工程系，河北 邢臺 054000；2.海峽德越（北京）科技有限公司，北京 102200)

0 緒論

食用菌生長過程需要一定的環境條件。環境條件的適宜與否決定了食用菌生長發育的好壞、產量的高低、質量的優劣[1]。對于不同發育階段的食用菌，生產系統需要根據其生長需求隨時調整環境參數，主要包括溫度、濕度、光照、CO2濃度、酸堿度等內容[2]。

目前，多數食用菌生產控制系統已經實現了對生育室環境的實時控制，實現了一定程度的生產過程自動化[3-4]。目前存在的問題是食用菌在不同生長時期所需的最佳環境條件是不斷變化的[5]，這就需要操作人員根據需求頻繁地調整環境參數，增加了食用菌生產系統的操作難度和人力成本。基于此，筆者開發了一種多天多時段自動運行的控制系統，能夠有效提高食用菌生產系統的自動化程度，實現節省人工成本、提高企業經濟效益的目的。

1 系統控制邏輯

系統主要控制的變量有溫度、濕度和CO2濃度，為了實現這些變量的自動化控制，需要采用閉環控制的控制方式，具體則為先通過傳感器采集環境數據，然后系統根據采集數據自動調節環境設備啟停或者運行功率。對于光照和抑制風，則可采用時序控制的控制方式，設置補光系統和抑制風的啟停時間。

1.1 溫度控制

在控制系統中設置生育室所允許的上限溫度Tu和下限溫度Td，系統通過比較當前平均溫度T與所設置的溫度上下限，控制溫度控制設備的啟停。溫度控制流程如圖1所示。

圖1 生育室溫度控制流程

生育室溫度控制系統運行時需要先設定選擇制熱或是制冷。當外界溫度普遍高于食用菌適宜生長溫度時，則選擇制冷模式，實時溫度T超出溫度上限Tu時則打開空調制冷系統，進行制冷降溫，低于溫度下限Td時關閉制冷系統；當外界溫度普遍低于食用菌適宜生長溫度時，則選擇制熱模式，低于溫度下限Td則開啟制熱系統，加熱升溫，高于溫度上限Tu時關閉制熱系統。為了避免溫度過高或過低導致的菌菇減產，設置報警溫度上下限，超出上限或低于下限時系統報警，通知工作人員查看系統是否異常。

1.2 濕度控制

濕度控制同樣采用了閉環控制的控制方式。環境濕度由加濕系統和除濕系統聯合控制。濕度控制的流程如圖2所示。

圖2 生育室濕度控制流程

濕度控制設置有自動控制和時序控制兩種模式。自動模式下，在系統中設置濕度上下限，到達下限則開啟加濕系統，到達上限時關閉。當濕度超過濕度上限3個數值后，打開除濕系統，達到上限后關閉除濕系統。時序控制模式則為系統啟動一定時間后，停止工作一定時間，循環計時啟停，啟動時間和停止時間可以設置。需要注意的是，加濕系統是安裝在軌道小車上的，加濕系統開啟的同時，小車系統必須同步開啟。

1.3 CO2濃度控制

生育室配備了新風系統進行通風，用于調節環境的CO2濃度。在生育室3個位置布置了CO2傳感器，用于監控CO2濃度。在自動模式下，系統利用CO2平均濃度控制新風系統啟停。在系統中設置CO2濃度上下限，當生育室中CO2濃度高于所允許的CO2濃度上限時，打開新風系統通風，到達下限時關閉新風系統。在手動模式下，可以手動控制新風啟停。

1.4 光照控制

光照強度由環境光源的開啟與關閉進行調節。根據食用菌的生長需求，設置光源開啟與關閉的時間，實現對生育室中光照強度的控制。為了方便監控生育室中的光照強度，仍然設置了3個光強傳感器，對生育室中的光照強度實時監控。

2 硬件設計

控制系統結構如圖3所示，控制系統為觸摸屏結合PLC的結構。

觸摸屏采用的是昆侖通態公司的TPC1061Ti，作為人機界面實現狀態監控、參數設置、歷史曲線、報警查詢等功能。

PLC作為核心控制器，通過模擬量輸入接口對生育室現場數據進行采集，根據PLC程序所設定的控制邏輯，控制各個執行機構的輸出。現場傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器和光強傳感器，為了獲得更準確的環境信息，在生育室布置了6個溫度傳感器、3個濕度傳感器、3個CO2傳感器和3個光強傳感器。通過求解同類型傳感器數據的算術平均值，得到更可靠的環境數據。

PLC則采用西門子公司的S7-200 SMART系列PLC。具體CPU和模塊如表1所示。CPU使用的是繼電器輸出的SR40，并擴展了3個模擬量模塊，共有16個模擬量輸入接口和2個模擬量輸出接口。模擬量輸入接口用于接入傳感器數據，模擬量輸出接口用于控制風機的運行頻率。

表1 PLC系統組成

3 系統軟件設計

3.1 觸摸屏界面設計

觸摸屏作為人機交互窗口，主要進行狀態監控，實時顯示現場數據，主要界面包括狀態顯示、參數設置、報警查詢等功能，如圖4所示。

圖4 觸摸屏界面設計

系統啟動后直接進入主界面，在主界面中主要顯示當前的環境信息和設備當前的運行狀態。并且作為其他頁面的入口，能夠實現各個界面的切換。

長時間不進行操作會進入屏保界面，顯示設備名稱等信息，進入主界面需要輸入屏保密碼，通過屏保密碼的設置能夠實現設備的權限管理。環境曲線界面則記錄環境變量的歷史變化曲線，記錄著設備的運行情況，可以查看系統運行是否穩定以及是否與設置參數一致。

當設備出現異常，如溫度過高或過低時，系統發出報警。報警通過報警燈和蜂鳴器顯示，能夠在報警界面查詢報警信息，及時排除設備故障，保證設備運行正常，維持環境變量在允許范圍內，從而保證食用菌健康生長。

為了能夠實現生育室控制系統多天多時段自動運行的功能，需要對參數設置界面分時段設置。生育室控制系統最長支持設置30天的運行參數，每天可以分為3個時段。需要設置的參數數據塊如圖5所示。可以根據需要設置每一天的分段情況，設置每一分段的運行小時數T1N、T2N、T3N，其中N表示系統運行天數，最多設置30天的分段情況。

圖5 設置參數數據結構

在具體每個分段需要設置隨時間變化的參數值，分別對應數據塊V1N、V2N和V3N，存儲第N天的3個時段的參數值。系統自動記錄入庫時間并根據入庫時間自動選擇相應時段的參數運行，便可實現系統的多天多時段自動運行。其中一個參數設置界面如圖6所示，可以在此界面設置第一天3個時段的時段長度和每個時段系統運行的目標參數。

圖6 參數設置界面

其中加濕運行參數可以分為4部分。系統默認以自動模式運行，當加濕運行模式為自動運行時，系統將檢測到的濕度值與濕度上限和下限進行比較，來開啟或停止加濕器。當加濕運行模式為時序模式時，加濕系統按照工作時間和停止時間間斷工作。在計趟模式下運行趟數設定指定的趟數，兩趟之間停機間隔時間為參數設置值的時間。可以根據運行方式只設置用到的參數。主要設置參數除了圖中的加濕運行參數、抑制風運行參數、補光設定參數等之外，還包括導軌小車運行參數、空調運行參數、循環風運行參數和新風運行參數。需要在菌菇入庫前完成參數設定。

3.2 PLC程序設計

編寫PLC程序實現傳感器參數的采集，計算得到環境變量平均值之后與設置值相比較，根據控制邏輯控制外部輸出設備運行，維持環境參數處于適宜范圍之內。同時，將PLC采集處理后的數據發送回觸摸屏，實時顯示環境變量數值。

實現設置參數的多天多時段自動切換，需要將觸摸屏傳入的參數在合適的時間調用。PLC程序實現參數自動切換流程如圖7所示。PLC使用計數器記錄食用菌入庫天數和小時數。系統首先判斷當前入庫天數，然后根據該天的分段情況，比較當天運行小時數T與時段信息，判斷當前所處時段i。當小時數T

圖7 參數自動切換流程

4 結語

本控制系統通過簡單有效的控制方式，實現了多天多時段生育室控制系統的開發，能夠有效節省人力成本，降低勞動強度，顯著提高了生育室控制系統的自動化程度。目前該系統已用于實際生產，控制效果理想。