基于PLC的寒地水稻催芽溫濕度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

孫善惡等

摘 要：文章設(shè)計(jì)水稻催芽溫濕度控制系統(tǒng)以PLC為主控制器，用無(wú)線通信和有線兩種通信方式與現(xiàn)場(chǎng)控制單元、工業(yè)觸摸屏和上位機(jī)PC進(jìn)行時(shí)時(shí)的通信。該系統(tǒng)通過對(duì)電爐絲、排風(fēng)扇、水泵等控制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中的水溫、水位、催芽環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行立體監(jiān)測(cè)及精確控制，同時(shí)該系統(tǒng)具有故障自診斷功能及開放性優(yōu)點(diǎn)，也具有較高的穩(wěn)定性，能夠達(dá)到水稻催芽的“快、齊、勻、壯”的工藝要求和水稻催芽的工廠化生產(chǎn)需要。

關(guān)鍵詞：水稻催芽；PLC；無(wú)線通信

水稻是我國(guó)的主要糧食作物之一，全國(guó)常年水稻種植面積約占糧食作物的27%，水稻總產(chǎn)量約占糧食作物總產(chǎn)量的37%[1]。催芽是水稻育苗生產(chǎn)過程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，也是水稻生產(chǎn)過程中重要的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)培育壯秧起著決定性的作用[2]。在我國(guó)東北地區(qū)，對(duì)水稻芽種的需求量大，主要采用控制水稻芽種溫度方式完成催芽。水稻的催芽是一復(fù)雜過程，受溫度、濕度、二氧化碳、氧氣等環(huán)境因素共同作用的，因此單一控制水稻芽種的溫度，顯然并不能高效和保質(zhì)對(duì)水稻芽種進(jìn)行催芽[3]。因此，研究并設(shè)計(jì)水稻芽種催芽環(huán)境溫濕度的集散控制系統(tǒng)，以滿足水稻芽種催芽的工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的需要，并有效提高芽種出芽質(zhì)量。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

控制器PLC先采集現(xiàn)場(chǎng)的模擬量數(shù)值，然后根據(jù)相應(yīng)的系統(tǒng)控制程序和用戶設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)，最后控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備?？蓪⒖刂葡到y(tǒng)主要分為三大閉環(huán)控制回路：水溫、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度，因此系統(tǒng)可根據(jù)水稻催芽過程中的不同階段，將上面它們控制在相應(yīng)的范圍。另外，當(dāng)系統(tǒng)需要擴(kuò)展的時(shí)候，僅需要擴(kuò)展PLC及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[4-5]。整個(gè)生產(chǎn)流程不僅可以在現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)屏和上位機(jī)PC進(jìn)行監(jiān)控，也可用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與操作。使水稻催芽生產(chǎn)的各個(gè)階段都在系統(tǒng)的監(jiān)視與控制下進(jìn)行，提高生產(chǎn)的安全性。

2 硬件設(shè)計(jì)

水稻催芽控制系統(tǒng)中，硬件設(shè)計(jì)主要分為催芽箱的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的硬件選擇。

2.1 催芽箱設(shè)計(jì)

催芽箱的箱體結(jié)構(gòu)采用上、下兩部分的布局，中間采用金屬骨架隔開。其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：這樣箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于催芽箱下面存在著大量的適合水稻催芽溫度的水，增大了催芽箱內(nèi)的平均比熱容和熱能，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。（2）這樣的設(shè)計(jì)改變了原來兩個(gè)箱子之間熱水的循環(huán)系統(tǒng)，降低設(shè)備的成本同時(shí)，簡(jiǎn)化了控制流程。對(duì)于催芽過程的溫度控制采用分組電加熱方式，電加熱可以使本系統(tǒng)具有升溫速度快、能源利用率高、溫度容易控制等優(yōu)點(diǎn)。分組加熱還具有當(dāng)下部水箱的水溫不均勻時(shí)，能根據(jù)電加熱絲所處的溫度環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)加熱操作，因此能更好地維持水溫的均勻性。

濕度的控制方法采用排風(fēng)扇抽濕的方法，在催芽箱的上部放有帶孔的管道，當(dāng)外部的排風(fēng)扇開始工作時(shí)，會(huì)將催芽箱多余的濕度排出。在相對(duì)封閉的環(huán)境中，濕度較大的地方往往存在于其頂部，在催芽箱的正常工作時(shí)，環(huán)境中濕度往往只是增大，所以采取在催芽箱的頂部對(duì)其單一進(jìn)行排濕操作。

2.2 控制系統(tǒng)硬件選擇

核心控制器選擇為三菱FX2N系列PLC，是小形化，高速度，高性能。因?yàn)榧訜崮Ｊ讲捎镁w管的輸出模式，所以FX2N選擇為晶體管輸出的型號(hào)。在模擬量采集上，由于系統(tǒng)采集的模擬量的點(diǎn)數(shù)較多，模擬量的實(shí)時(shí)性要求并不太高，都采用FX2N的模擬量模塊成本較大，所以采用模擬量采集模塊采集擬量，其可以獨(dú)立采集模擬量，并可以將其通過MODBUS通信協(xié)議方式將其傳輸給上位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)屏。觸摸屏選擇深圳顯控科技有限公司的SA-5.7F人機(jī)界面，通過觸摸屏的兩個(gè)COM口，分別實(shí)現(xiàn)采集模擬量采集與PLC通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

催芽系統(tǒng)中PLC的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。當(dāng)啟動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)候，系統(tǒng)先檢測(cè)下部水箱的水位，只有當(dāng)水位達(dá)到一定的高度之后才允許進(jìn)行之后的操作。在催芽過程中當(dāng)水位低于某一個(gè)值之后將會(huì)停止一切操作，進(jìn)行補(bǔ)水操作，水位是優(yōu)先級(jí)最高的一個(gè)操作。

當(dāng)空氣中的溫度低于催芽的溫度時(shí)，會(huì)啟動(dòng)弱噴淋系統(tǒng)。在催芽的過程中，只要催芽箱的溫度超過溫度上限，進(jìn)水閥會(huì)打開，下部水箱中會(huì)注入大量涼水將水箱的熱水中和到相對(duì)正常催芽較低的溫度，之后啟動(dòng)強(qiáng)噴淋系統(tǒng)，這時(shí)候溫度相對(duì)較低的水噴到芽種上，及時(shí)對(duì)芽種進(jìn)行降溫保護(hù)。當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)到濕度大于規(guī)定值的時(shí)候，啟動(dòng)排風(fēng)扇將多余的濕度排出種箱。通過以上的控制可以使水稻種箱的環(huán)境維持在水稻催芽的合適環(huán)境中，促進(jìn)水稻芽種的催芽。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過分析現(xiàn)有水稻催芽主要方式，研究并設(shè)計(jì)寒地水稻催芽溫濕度控制系統(tǒng)，以期改善其生產(chǎn)方式中監(jiān)控各個(gè)環(huán)境因子方法，提高水稻芽種的生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)催芽所需的溫濕度環(huán)境，通過對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行準(zhǔn)確采集，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、全方位監(jiān)控。有效組合加熱系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)，可以使環(huán)境參數(shù)調(diào)整到最適合水稻催芽范圍內(nèi)，保證生產(chǎn)效率、質(zhì)量，為水稻催芽產(chǎn)業(yè)的工廠化生產(chǎn)提供一定技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]程式華.中國(guó)超級(jí)水稻育種[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]程式華，李建.現(xiàn)代中國(guó)水稻[M].北京：金盾出版社，2007.

[3]陳健，劉九慶.溫室環(huán)境工程技術(shù)[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[4]王建華.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].高等教育出版社，2009.

[5]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介：孫善惡（1993-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)在讀。

*通訊作者：石建飛，男，講師，哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)智能化控制技術(shù)的研究。