基于PLC 的烏欖育苗養護系統的研究*

陳俊欽

（羅定職業技術學院，廣東 云浮 527200）

0 引言

廣東省清遠市連州鎮烏欖種植歷史悠久，境內有數量眾多的百年烏欖樹。但烏欖育苗工作煩瑣重要，不僅嚴重依賴節氣開展育苗，而且烏欖幼苗對種育環境要求甚高，過高或過低的溫度、劇烈變化的濕度、過強的光照、蟲害等都會導致幼苗出現燒葉、爛莖甚至毀苗的情況[1]，其生產效率和成本一度成為種植戶的“攔路虎”“心頭石”。雖然采用大棚育苗能起到一定的保護作用，但需要工作人員經常檢查棚內環境情況，相對于露天育苗來說，反而增加了人力成本。

烏欖育苗養護系統的研究意義主要表現在以下兩個方面：1）提高育苗生產效益。傳統的人工育苗存在工作方式不穩定、水肥管理效果差異較大、工作效率低等問題，嚴重影響烏欖幼苗的出苗、成苗。而基于PLC 的烏欖育苗養護系統可以實現統一工作方式、統一進行水肥施給管理和自動化作業，降低了生產成本，提高了農業生產效益[2]。2）解決部分“三農”問題。隨著人口老齡化和鄉村空心化的發展趨勢，缺少勞動力的問題日益凸顯，智能化、簡約化耕作方式和設備的出現，可有效解決農村勞動力不足的問題，提高農業生產效率。

因此，本文在PLC 控制設備的基礎上，介紹了一種烏欖育苗養護系統的設計方案，此系統可有效改善育苗環境，提高幼苗成活率，實現降本增效，可推廣應用到其他樹種育苗工作中，應用前景廣闊。

1 育苗養護系統的整體設計及運行原理

1.1 育苗養護系統整體設計

結合烏欖育苗所需要的環境，利用PID 自整定方式，通過溫濕度、卷膜位置檢測來驅動加熱、噴水、卷膜裝置實現系統恒溫恒濕及通風功能，保證基本育苗環境的維持[3]；架設在棚頂的輸送水管及噴淋裝置能更均勻地施肥、施藥；利用伺服驅動電機和繼電泵機加壓能實現對水肥藥的有效輸送。本文基于PLC的育苗養護系統整體架構設計如圖1所示。

圖1 育苗養護系統整體架構設計

1.2 養護系統運行原理

本系統設計的育苗大棚體積為長15 m×寬6 m×高2.5 m，棚骨架采用外徑6 cm、內徑4.5 cm 的鍍鋅鋼管焊接而成，于棚頂架設3 條12 m 的藥水兩用輸送水管，每條輸送水管設置噴淋頭12 個，滴灌軟管9條，置于苗塊上，可實現水、藥、肥的均勻灌溉。棚外設置容積500 L 的混肥攪拌桶3 個，攪拌電機1 個，輔泵機2 個、主泵機1 個，浮子式液位傳感器3 個，輸送管道和電磁閥若干，保證水肥藥的輸送。

卷膜裝置和加熱裝置則置于棚外控制室內，利用滑輪組和減速箱為卷膜提供動力并保障卷膜的順滑性；通過功率可調裝置來控制電熱絲進行發熱，使用軸流風機及管道將熱量送進棚內。配電站及控制站設在混凝土房內，保證了防腐、防干擾。

日常育苗養護活動中，用戶通過設置自動加藥、保溫保濕、自動灌溉施肥等模式進行無人值班管理。當用戶需要進行手動操作時，可到操作房通過人機交互界面或上位機對PLC進行控制參數的設置。

2 系統硬件設計

2.1 硬件系統構成

系統硬件主要包括PLC、上位機以及其他執行設備和監控檢測設備等，硬件系統基本接線配置如圖2所示。

圖2 硬件系統基本接線配置

2.2 硬件設備選型

硬件設備選型包括PLC、傳感檢測元件、伺服驅動器、其他執行設備選型。

1）PLC 選型。為兼顧使用環境、節能和數據實時傳輸等要求，本系統選用西門子公司所生產的S7-1200 型PLC，模擬量輸入模塊選擇SM1231 AI8×16 bit，數字量輸入模塊選擇SM1221 DI8×24 V DC，供電模塊選擇PM1207，預留CB1241 485 通信模塊，以確保系統具有較高的數據處理、傳輸能力，為后續接入物聯網做好基礎準備工作[4]。

2）傳感檢測元件選型。根據系統數據采集需要，如棚內溫度數據、土壤濕度數據、卷膜位置狀態等，為精準獲取數據，盡可能地排除干擾，確認選擇探針式K 型熱電偶溫度傳感器、HR202 型濕度傳感器和LXW5-11G3/FL 行程開關。

3）伺服驅動器選型。大棚密封膜的卷膜運動是一個柔性的過程，在速度、力矩和位置的控制上要求十分精準，稍有用力過猛或速度過快都會造成密封膜撕壞的結果[5]。因此，系統選擇臺達公司生產的ASDA-A2-M 交流伺服系統，與之配搭使用的電機則選擇臺達MSJ-E 1.5 kW 1500 r/min 交流伺服電機。

4）其他執行設備選型。主泵機選擇凌霄公司生產的1.5 kW 30 m 施肥泵，輔泵機選擇凌霄0.75 kW 15 m 水泵；攪拌電機選擇凌霄1.5 kW 攪拌泵；通風裝置選擇SF2-2 120 W 1300 m3/h 軸流風機；電磁閥則選擇EV220 二位二通、二位三通電磁閥032U7120 DN20 來保證不同流量類型的液體輸送，以滿足灌溉、施肥等需要。

3 系統軟件設計

3.1 軟件設計方案

基于PLC 的烏欖育苗養護系統在軟件上主要設計了主程序、子程序以及中斷程序[6]。主程序主要負責系統功能初始化、系統數據信息掃描以及系統過程任務存取等功能性任務。子程序負責各項工作任務的實施，如通風、加熱、施肥、加藥、灌溉等。中斷程序則是負責實現系統急停、故障檢修、監控報警等安全功能。為方便操作，育苗養護系統在具體軟件設計中分為自動控制、手動控制、監控報警。

3.2 自動控制設計

系統根據育苗環境需求分為恒溫恒濕自動保持、自動施肥藥與灌溉等。

1）恒溫恒濕自動保持。系統在上電自檢和初始化后，會根據當前傳感器所測的溫度和濕度輸入數值信號，并與用戶在人機交互界面上所設定的溫度、濕度數值進行比較[7]。若當前溫度高于設定值，系統啟動軸流風機進行通風降溫，當超過1 h 溫度依然高于設定值時，卷膜控制裝置會將密封膜卷起降溫；若當前溫度低于設定值，則在保持密封膜落下的情況下啟動加熱裝置進行升溫。若當前濕度高于設定值，系統啟動軸流風機并卷起密封膜通風除濕，當超過1 h 濕度依然高于設定值時，則降下密封膜，啟動加熱裝置和軸流風機進行除濕；若當前濕度低于設定值，系統則控制主泵機、輔泵機、電磁閥，將水從桶內抽起并輸送到棚內進行噴淋以增加濕度，并降下密封膜保濕。

2）自動施肥藥與灌溉。在第一次使用系統時，用戶需要在人機交互界面的配方模塊上設置肥藥、灌溉用水配比和施給方式（滴灌或噴淋）、時間、次數等參數；設置完畢后，需要用戶確認保存，系統才會保存相應的配方，配方存儲到PLC 斷電保持存儲器中，即使停電或重新上電后，配方數據也不會消失。在此后的系統使用中，用戶只需在人機交互界面上選擇配方并確認即可。此外，系統會自動記錄5 天內的溫濕度數據和采用措施內容，并將以上數據形成變化曲線，存儲到系統存儲器中，操作人員可通過歷史數據進行回顧與分析[8]。

3.3 手動控制設計

系統手動控制主要用于首次啟動時各執行裝置的手動功能調試和系統急停或故障后檢修排故的使用。手動控制具體包括液體輸送、升降溫度、升降濕度控制等。

在手動控制的執行過程中，具體順序為：第一，用戶需手動初始化系統功能；第二，根據控制活動要求，確認是否需要實施液體輸送、升降溫度、升降濕度操作。以上操作可以依次實施，也可按模塊逐步獨立實施。如果在實施過程中出現功能執行異常情況，系統將自動報警，用戶則根據異常情況進行故障檢修。

3.4 監控報警設計

監控報警子程序是保證系統安全穩定運行的重要抓手。當監控報警子程序被觸發時，系統會檢測當前運行模式，若此時為手動運行模式，卷膜極限位置檢測傳感器、溫濕度極限值傳感器擔負測量系統極限運行數據和信號的責任，一旦極限情況出現，系統便會自動發出報警信號，緊急制動并停止運行，同時在人機交互界面以及報警指示燈處發出故障報警指示，用戶根據故障情況排故即可；但若此時為自動運行模式，系統則會自動發出報警信息，通知用戶過來處理故障。

3.5 人機交互界面設計

基于PLC 的烏欖育苗養護系統人機交互界面設計有主界面、系統監控界面、系統參數設置界面、系統調試界面、系統日志界面、幫助界面等。

1）主界面。主界面主要有用戶歡迎頁面、賬戶登錄和信息顯示的功能。其中，信息顯示包括系統各分界面的選擇、系統運行模式選擇、當前狀態等。

2）系統監控界面。用戶可通過此界面直觀了解棚內溫濕度數值、正在執行操作的類型、各執行設備的工作狀態、密封膜的位置、已執行操作的次數等內容。

3）系統參數設置界面。用戶通過該界面對極限溫濕度數值、水肥配比、水藥配比、灌溉水量、加熱時間、通風時間、噴淋時間、施肥施藥時間、灌溉時間等參數進行設置并保存。

4）系統調試界面。用戶通過此界面，可單獨對軸流風機、加熱設備、各管道電磁閥、各泵機、攪拌機、伺服電機等執行設備進行單獨控制，方便操作人員在檢修故障后進行調試。

5）系統日志界面。該界面主要為用戶提供系統日常運行記錄、各類操作執行情況、5日內溫濕度變化曲線等信息[9]，方便用戶進行分析和后續操作設置。

6）幫助界面。用戶在操作中出現錯誤時，系統為保證安全會自動對用戶進行幫助提示，方便用戶正確使用育苗系統。

4 應用效果

基于PLC 的烏欖育苗養護系統設計完成后，將其應用于廣東省清遠市連州鎮烏欖種植育苗活動中，在同樣的育苗工作量（6 000 棵/季）內使用一個育苗季后，與以往人工育苗的效率和成本進行對比[10]，數據對比情況如表1所示。通過以上數據對比可知，與人工育苗的烏欖苗成活率相比，育苗系統的烏欖苗成活率顯著提升，生產成本降低33.33%，表明本系統的設計在育苗工作上有一定的成效。

表1 數據對比情況

5 結語

本文主要介紹了一種基于PLC的烏欖育苗養護系統設計方案，該系統主要包括硬件系統和軟件系統設計，并引入了人機交互界面設計，該養護系統能自動調節棚內溫濕度、自動進行水肥管理、自動調整棚內光照強度，在降本增效、提高幼苗成活率方面起到一定的作用。經測試和應用，確認本系統設計能基本滿足日常烏欖育苗養護系統的穩定可靠運行，可有效實現育苗工作的降本增效，具有一定的應用推廣價值。