基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宜雷，高菊玲*，胡程磊

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400；2.江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心，江蘇句容 212400）

0 引言

蘭花是蘭科類(lèi)植物的統(tǒng)稱(chēng)，品種繁多，其中蝶蘭、石斛、萬(wàn)代蘭等觀賞類(lèi)花卉較為常見(jiàn)，有些蘭科植物還具有很高的藥用價(jià)值[1]。蘭科植物生長(zhǎng)需要適宜的環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度，除此之外，還需要周期性的補(bǔ)充少量營(yíng)養(yǎng)液，以達(dá)到快速生長(zhǎng)的生產(chǎn)需求。補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液可采用氣霧栽培技術(shù)，氣霧栽培是一種新型的栽培方式，能讓蘭科植物充分吸收到養(yǎng)分，超聲波氣霧栽培的效果受多種因素的影響，其中頻率是一個(gè)重要的參數(shù)。氣霧栽培技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中已得到了廣泛應(yīng)用，特別是在無(wú)土栽培方面具有很大的潛力和發(fā)展空間。

現(xiàn)有的植物氣霧栽培控制系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化程度不高，難以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)及自動(dòng)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液的目的[2]。本文針對(duì)蘭科植物育苗過(guò)程中的控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以西門(mén)子1200 PLC作為控制器，控制對(duì)象主要為超聲波發(fā)生器、LED補(bǔ)光燈及空調(diào)壓縮機(jī)，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲波頻率使?fàn)I養(yǎng)液形成噴霧，吸附在蘭科植物根系以提供所需的水分和養(yǎng)分，同時(shí)還能自動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度和室內(nèi)溫度，更好地實(shí)現(xiàn)氣霧栽培的自動(dòng)化和精確化管理，提高栽培效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 控制系統(tǒng)組成及工作原理

超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)的控制要求主要包括：

1）系統(tǒng)可切換手動(dòng)/自動(dòng)控制方式；

2）在自動(dòng)控制方式下，系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)定的每日霧化時(shí)間段與植物生長(zhǎng)周期自動(dòng)調(diào)整超聲波霧化頻率，同時(shí)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，包括溫濕度與光照強(qiáng)度；

3）在手動(dòng)控制方式，通過(guò)人機(jī)界面可以控制超聲波發(fā)生器、LED補(bǔ)光燈及空調(diào)壓縮機(jī)，并通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)霧化頻率、光照強(qiáng)度與室內(nèi)溫濕度；

4）人機(jī)界面能夠正確顯示當(dāng)前超聲波霧化頻率及霧化時(shí)間段，以及光照強(qiáng)度、室內(nèi)溫濕度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息；

5）控制系統(tǒng)具有一定的報(bào)警功能，當(dāng)光照強(qiáng)度、溫濕度超過(guò)范圍值時(shí)，能夠發(fā)出報(bào)警指示燈，并能通過(guò)確認(rèn)按鈕進(jìn)行復(fù)位。

1.1 控制系統(tǒng)組成

該控制系統(tǒng)主要由PLC（含模擬量擴(kuò)展模塊）、溫濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳傳感器、按鈕及轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、觸摸屏、超聲波發(fā)生器、補(bǔ)光燈、空調(diào)壓縮機(jī)及報(bào)警指示燈等組成。傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并轉(zhuǎn)換為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)發(fā)送給PLC。PLC作為控制器，負(fù)責(zé)接收傳感器及按鈕開(kāi)關(guān)等信號(hào)，并根據(jù)設(shè)定值與邏輯控制關(guān)系發(fā)出控制命令，控制超聲波發(fā)生器、補(bǔ)光燈及空調(diào)壓縮機(jī)等運(yùn)行。PLC用模擬量輸出信號(hào)控制超聲波發(fā)生器，頻率在0.5 MHz至3 MHz之間?？照{(diào)壓縮機(jī)為變頻控制方式，PLC用模擬量輸出信號(hào)控制運(yùn)行頻率，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度。PLC用開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)控制補(bǔ)光燈、報(bào)警指示燈等設(shè)備。觸摸屏用以設(shè)定參數(shù)與實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等信息?；赑LC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)框圖

1.2 基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)的工作原理

根據(jù)蘭科植物的生長(zhǎng)特性制定適宜的環(huán)境參數(shù)及氣霧栽培參數(shù)，本文以生長(zhǎng)期的蝴蝶蘭為氣霧栽培對(duì)象，制定如表1的栽培參數(shù)。

表1 栽培參數(shù)

在氣霧栽培過(guò)程中，需要綜合考慮植物的生長(zhǎng)階段、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和種植環(huán)境，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

圍繞栽培參數(shù)，控制系統(tǒng)不斷獲取傳感器的反饋信號(hào)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的變化情況。根據(jù)反饋信號(hào)，PLC發(fā)出相應(yīng)的命令來(lái)維持目標(biāo)環(huán)境參數(shù)。具體工作原理如下：

初始狀態(tài)，傳感器將環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入到PLC中，經(jīng)過(guò)PLC運(yùn)算后顯示在觸摸屏界面上，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度及二氧化碳濃度超過(guò)范圍值時(shí)，發(fā)出報(bào)警指示，溫度的范圍為17～28℃，濕度的范圍為58%～80% RH，光照強(qiáng)度的范圍為9 000～15 000 lux，二氧化碳濃度的范圍為950～1 500 ppm。

將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換至手動(dòng)控制方式，在觸摸屏手動(dòng)運(yùn)行界面上可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，通過(guò)按下界面上超聲波霧化啟動(dòng)、補(bǔ)光燈打開(kāi)及空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)等按鈕運(yùn)行相應(yīng)的設(shè)備，手動(dòng)調(diào)整氣霧栽培及環(huán)境參數(shù)。觸摸屏與PLC采用以太網(wǎng)通訊方式，觸摸屏將接收到的信號(hào)傳送至PLC，并將PLC采集到的數(shù)據(jù)顯示在手動(dòng)運(yùn)行界面上。

將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換至自動(dòng)控制方式，在觸摸屏自動(dòng)運(yùn)行界面上對(duì)栽培參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如沒(méi)有調(diào)整，則默認(rèn)按表1栽培參數(shù)進(jìn)行控制。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式，按時(shí)間段自動(dòng)進(jìn)行氣霧栽培控制，包括計(jì)算當(dāng)前溫濕度、光照及二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)與栽培參數(shù)之間的偏差，利用PID控制方式對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制。在自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，可以按下停止按鈕退出自動(dòng)運(yùn)行模式，如果出現(xiàn)事故，則立即按下緊急停止按鈕，封鎖PLC的所有輸出，保障設(shè)備安全。

2 基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以PLC作為控制器，除了編程方便靈活外，主要還由于其具備較高的抗干擾性、安全性與可靠性[3-4]。結(jié)合系統(tǒng)的控制要求，并考慮成本及通信便捷等因素，綜合選定了西門(mén)子1200系列PLC作為控制器，CPU具體型號(hào)選用1212 C，由于系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)較多，為此增加了擴(kuò)展模塊SM 1223、SM 1234。

在氣霧栽培控制系統(tǒng)中，溫濕度傳感器主要用于測(cè)量室內(nèi)空氣溫濕度，傳感器輸出模擬量信號(hào)接入PLC模擬量輸入通道，因被測(cè)量的溫度和濕度位置相近，本設(shè)計(jì)采用溫濕度一體式的壁掛式溫濕度傳感器，型號(hào)為米恩基傳感科技有限公司ME-WS-5W，溫度量程為-40～80℃，濕度量程為0～100% RH，輸出信號(hào)4～20 mA電流信號(hào)。光照強(qiáng)度傳感器是將光照度大小轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的一種傳感器，主要由末端傳感器（探頭）和變送器組成。末端傳感器將光照度大小轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，變送器則通過(guò)調(diào)理電路將該電信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)輸出。本設(shè)計(jì)中，光照強(qiáng)度傳感器輸出4～20 mA電流信號(hào)，選用建大仁科傳感器，量程范圍為0～65 535 lux。氣霧栽培控制系統(tǒng)用于相對(duì)封閉的環(huán)境，作物在室內(nèi)不斷地進(jìn)行著光合作用，因此，室內(nèi)的二氧化碳濃度與外界環(huán)境有明顯的差異。二氧化碳傳感器同樣選用建大仁科傳感器，量程范圍為0～5 000 ppm。

觸摸屏選用MCGS TP 7062 TI人機(jī)觸摸屏，直流24 V電源電壓供電，支持有線以太網(wǎng)方式通信，采用MCGSE組態(tài)環(huán)境軟件進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)功能強(qiáng)大且方便靈活，觸摸屏運(yùn)行穩(wěn)定可靠[5]。

2.2 系統(tǒng)I/O地址分配

在I/O地址分配過(guò)程中，開(kāi)關(guān)量輸入主要包括轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、按鈕及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)反饋等信號(hào)，模擬量輸入主要包括環(huán)境參數(shù)信號(hào)，如光照強(qiáng)度信號(hào)、溫度信號(hào)、濕度信號(hào)及二氧化碳濃度信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸出控制超聲波發(fā)生器、補(bǔ)光燈、空調(diào)壓縮機(jī)、加濕器、二氧化碳供給裝置及報(bào)警指示燈，除此之外，PLC模擬量輸出信號(hào)進(jìn)行控制氣霧栽培的超聲波頻率及空調(diào)溫度。基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)I/O地址分配表如表2所示。

表2 I/O地址分配表

2.3 系統(tǒng)控制流程圖

基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)的重要功能在于自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲波氣霧栽培頻率及環(huán)境參數(shù)，在自動(dòng)方式下按下啟動(dòng)按鈕，程序開(kāi)始執(zhí)行自動(dòng)控制流程，自動(dòng)控制流程簡(jiǎn)述如下：

1）控制系統(tǒng)自動(dòng)判斷是否處于自動(dòng)控制方式，如不在自動(dòng)方式，則將1寫(xiě)入報(bào)警變量MW 20地址中，觸摸屏界面彈出報(bào)警信息，流程退出。

2）判斷已設(shè)置的栽培參數(shù)是否合理，如果栽培參數(shù)設(shè)置不合理，超出預(yù)定范圍，則將2寫(xiě)入報(bào)警變量MW 20地址中，觸摸屏界面彈出報(bào)警信息，流程退出。

3）條件如已滿足，則執(zhí)行按時(shí)間段周期性自動(dòng)氣霧栽培、溫度自動(dòng)控制、濕度自動(dòng)控制、光照強(qiáng)度自動(dòng)控制及二氧化碳濃度自動(dòng)控制。

4）自動(dòng)控制啟動(dòng)時(shí)間20 s內(nèi)無(wú)環(huán)境參數(shù)超限報(bào)警，則自動(dòng)控制流程執(zhí)行成功，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

基于PLC的超聲波氣霧栽培自動(dòng)控制流程圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)控制流程圖

在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲波氣霧栽培頻率及環(huán)境參數(shù)，其中超聲波氣霧栽培自動(dòng)控制流程如圖3所示。

圖3 超聲波氣霧栽培自動(dòng)控制流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

系統(tǒng)調(diào)試前，先將觸摸屏、PLC 用以太網(wǎng)網(wǎng)線連接到同一交換機(jī)上，設(shè)備上電后進(jìn)入聯(lián)機(jī)調(diào)試。首先在觸摸屏界面上，觀察環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)及指示燈等顯示是否正常，確認(rèn)無(wú)誤后，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換至手動(dòng)控制方式，同時(shí)在“手動(dòng)控制界面”中，觀察轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是否處于“手動(dòng)”位置，然后測(cè)試各項(xiàng)控制功能等是否正常，依次啟動(dòng)超聲波發(fā)生器、空調(diào)壓縮機(jī)、補(bǔ)光燈、加濕器及二氧化碳供給裝置，觀察設(shè)備是否正常動(dòng)作，同時(shí)觸摸屏界面中的環(huán)境參數(shù)也應(yīng)隨之變化。

在“自動(dòng)控制界面”中完成系統(tǒng)自動(dòng)控制調(diào)試，先將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換至自動(dòng)控制方式，依次輸入栽培參數(shù)，確認(rèn)無(wú)誤后點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，觸摸屏出現(xiàn)二次確認(rèn)彈框，再次確認(rèn)后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制運(yùn)行，根據(jù)每日霧化時(shí)間段與植物栽培指標(biāo)自動(dòng)控制超聲波頻率、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境參數(shù)超過(guò)范圍值時(shí)，報(bào)警指示燈亮，通過(guò)控制箱復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位?；赑LC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)手動(dòng)、自動(dòng)控制觸摸屏界面如圖4、圖5所示。

圖4 手動(dòng)控制方式界面

圖5 自動(dòng)控制方式界面

4 結(jié)論

氣霧栽培控制系統(tǒng)能夠?yàn)橹参锾峁┳罴训纳L(zhǎng)條件，在各種環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)植物的快速生長(zhǎng)和高產(chǎn)量，具有節(jié)水和節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)農(nóng)業(yè)、城市農(nóng)業(yè)和垂直農(nóng)場(chǎng)等領(lǐng)域[6]。目前，氣霧栽培控制系統(tǒng)正朝著自動(dòng)化、智能化和精細(xì)化管理的方向發(fā)展。本文針對(duì)蘭科植物育苗設(shè)計(jì)出一種基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)了超聲波氣霧栽培功能，還可以對(duì)栽培環(huán)境進(jìn)行智能化管控，可以有效提高植物栽培水和養(yǎng)分的利用效率，減少病蟲(chóng)害發(fā)生，提高栽培的成活率。該系統(tǒng)以PLC作為控制器，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置符合開(kāi)發(fā)要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，但在傳感檢測(cè)和功能設(shè)計(jì)方面仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。