基于PLC系統(tǒng)的二氧化碳施肥系統(tǒng)研究

王 實

(黑龍江職業(yè)學(xué)院，哈爾濱15080)

0 引言

工業(yè)革命以來，大氣中CO2濃度一直在不斷升高。各發(fā)達國家都致力于提高CO2在農(nóng)業(yè)方面的利用率。CO2施肥在設(shè)施栽培中開始應(yīng)用，隨著對其生理機制研究的不斷深入和大面積CO2施肥增產(chǎn)效益的獲得，CO2施肥技術(shù)在發(fā)達國家設(shè)施生產(chǎn)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。挪威CO2施肥的面積占溫室總面積的75%，荷蘭70年代末CO2施肥面積已達到溫室面積的90%以上，而我國由于資源、經(jīng)濟和技術(shù)等方面的原因，設(shè)施栽培中CO2施肥幾乎處于空白，由此帶來的產(chǎn)量損失全國在上億公斤，所以重視和發(fā)展設(shè)施栽培CO2施肥是大幅度提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段。系統(tǒng)將應(yīng)用于我國東北的糧食大省黑龍江，由于地處我國的東北部冬季高寒，外部的溫度、濕度等因為對系統(tǒng)影像較大，系統(tǒng)在實現(xiàn)二氧化碳施肥共能的前提下，考慮如何減弱其他影像因素。

1 系統(tǒng)的設(shè)計要求

根據(jù)具體應(yīng)用，文中系統(tǒng)可以實現(xiàn)手動控制、時間控制、濃度控制和室內(nèi)溫度控制四種控制方式。

1)手動控制：利用人機控制面板來控制、調(diào)節(jié)CO2施放，來達到環(huán)境需要。在CO2施放的試驗階段和具體釋放時間不確定的情況下以及外部環(huán)境因素影響下時使用?？刂泼姘逶O(shè)有啟動和停止兩個按鈕來實現(xiàn)人工控制。文中系統(tǒng)還可以實現(xiàn)遠程控制，通過遙控裝置來實現(xiàn)手動控制。

2)時間控制：由于每天溫室大棚內(nèi)所需CO2濃度不同，本系統(tǒng)可以通過預(yù)先設(shè)定來各時間段內(nèi)CO2施放的濃度，并通過傳感器控制達到所需的CO2濃度停止。

3)濃度控制：根據(jù)每天溫室大棚所需在特定的時間段的CO2濃度要求，設(shè)定所需的CO2濃度濃度，同時可設(shè)定每天任意時段施放時間。在特定的時間里對溫室大棚進行CO2濃度控制。

4)室內(nèi)溫度控制：因為我國南北方溫差較大，而且黑龍江省又是我國產(chǎn)糧大省，黑龍江省冬季夜晚溫度極低，外界環(huán)境對系統(tǒng)工作狀態(tài)有很大影響，系統(tǒng)通過溫度傳感器控制加熱系統(tǒng)的啟動和停止，從來保證溫室大棚內(nèi)的溫度。

2 系統(tǒng)控制單元的選取及實現(xiàn)

2.1 控制單元的選取

目前在國內(nèi)市場上有從美國、德國、日本等國引進的多種系列PLC，國內(nèi)也有許多廠家組裝、開發(fā)數(shù)十種PLC，故PLC系列標準不一，功能參差不齊，價格懸殊。因為本系統(tǒng)應(yīng)用于北方寒冷氣候，所以首要注意的是PLC的可靠性，其次考慮PLC的性價比和負載能力。文中介紹以CO2施放裝置作為控制對象，據(jù)對多種因素的分析比較及監(jiān)控系統(tǒng)輸入、輸出點數(shù)的要求，選用西門子(SIMENS)公司S7-200 CPU221型PLC，此模塊是6路輸入4路輸出，同時因為有濃度和溫度的模擬量采集，還要選取EM231擴展模塊。

2.2 系統(tǒng)硬件配置及I/O接線

文中控制系統(tǒng)由西門子 S7-200 PLC、EM231模擬量擴展模塊、電磁閥、施肥警示燈、氣體的加熱裝置和人機界面——西門子TD200C文本顯示器組成，I/O分配見表一，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

表1 I/O分配表

圖1 CO2施肥自動控制系統(tǒng)說明

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)主要功能是對CO2施放系統(tǒng)依據(jù)時間和當前濃度進行自動起停控制，顯示時間、濃度等運行參數(shù)，實現(xiàn)對CO2施放系統(tǒng)的智能控制。為了增加程序的可讀性和減少程序代碼，PLC程序采用主程序調(diào)用功能模塊的程序結(jié)構(gòu)。PLC程序由一個主程序和七個功能塊子程序構(gòu)成。程序流程圖如圖二所示。

圖2

3 結(jié)論

基于PLC系統(tǒng)的二氧化碳施肥系統(tǒng)簡單實用，采用PLC作為主控單元就是考慮它出眾的穩(wěn)定性，通過模擬量擴展模塊EM231，與棚內(nèi)CO2傳感器及溫度傳感器配合，采集溫室大棚CO2成分氣體的濃度和溫室內(nèi)部溫度。用以控制CO2施放電磁閥、施放警示燈、CO2氣體的加熱控制以及大棚內(nèi)的加熱系統(tǒng)。同時通過人機界面——西門子TD400C文本顯示器實現(xiàn)人機數(shù)據(jù)交換，進行控制參數(shù)的設(shè)置與修改及顯示。從而來完成在東北高寒地區(qū)，完成在冬日內(nèi)的二氧化碳施肥任務(wù)。程序設(shè)計主要實現(xiàn)四種控制功能：手動控制、時間控制、CO2氣體的濃度控制以及溫室大棚內(nèi)的溫度控制。為適應(yīng)溫室大棚內(nèi)濕度高的特點，CO2傳感器選擇的是防水型設(shè)計，其芯片系采用遠紅外非擴散進口芯片，具有精確、穩(wěn)定、可靠和10年以上的高使用壽命。系統(tǒng)其它主要部件均采用施耐德和歐姆龍進口元器件，以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，該系統(tǒng)已投入應(yīng)用羨并獲得良好效果。

［1］ S7-200可編程序控制器操作手冊.

［2］ 西門子TD400C用戶手冊.

［3］ 可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用［M］.清華大學(xué)出版社.

［4］ 魯金戈.淺談PLC應(yīng)用及使用中的注意問題.

［5］ 劉晉浩，魏占國.PLC在模擬立體倉庫堆垛機裝置控制上的應(yīng)用［J］.森林工程，2007，23(5)：33-35.

［6］ 廖常初.PLC編程及應(yīng)用機械工業(yè)出版社2008.

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