塑料大棚自動化改造系統(tǒng)設計

黃海龍

（邵陽縣農(nóng)機推廣站，湖南 邵陽 422100）

隨著農(nóng)機補貼政策的實施、國家對農(nóng)業(yè)投入的增長，邵陽縣農(nóng)業(yè)機械化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化事業(yè)得到了較大的發(fā)展，設施農(nóng)業(yè)設備塑料大棚的普及率大幅提高，一定程度上滿足了早稻育秧及蔬菜生產(chǎn)等的需要。但邵陽縣發(fā)展的塑料大棚，絕大部分為無自動控制系統(tǒng)的鍍鋅薄壁鋼管組裝式單體大棚，依靠人力操作，人工值守。在日常工作中因受到人工值守及大棚管理水平的制約，大棚沒有完全發(fā)揮應有的作用，甚至因為疏忽而造成損失，經(jīng)濟效益不高。

1 塑料大棚內(nèi)部環(huán)境模型和環(huán)境控制目標

大棚因有塑料薄膜覆蓋，形成了相對封閉與露地不同的特殊小氣候。進行大棚栽培，必須掌握大棚內(nèi)環(huán)境的特點，并采取相應的調(diào)控措施，滿足作物生長發(fā)育的條件，從而獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。邵陽縣的塑料大棚主要用于早稻育秧、春季蔬菜的提早栽培、秋季蔬菜的延后栽培和耐寒半耐寒蔬菜的越冬栽培、耐熱蔬菜的夏季栽培。這就要求根據(jù)不同作物的生長模型制定不同的環(huán)境控制方案，以便盡量滿足作物生長發(fā)育所需環(huán)境，取得最大的經(jīng)濟效益。很多學者對各地塑料大棚內(nèi)部環(huán)境進行了大量的研究，采用不同的方法構建了各具特色的塑料大棚內(nèi)部環(huán)境模型。

如劉可群等對武漢城郊冬春季棚內(nèi)外氣溫、地溫進行了逐時對比觀測試驗，結果表明，在晴好天氣下大棚最高氣溫比棚外大氣最高氣溫高20℃度左右，1、2、3月大棚最高氣溫分別可達 32℃、39℃、45℃，夜間溫度比棚外大氣高0.8～3.5℃度，棚內(nèi)溫度日較差在晴好天氣下高達30到35攝氏度，氣溫變化劇烈，一天內(nèi)可能既要防范高溫熱害，又要防御低溫危害。

孟翠麗等選用冬季（2012年12月至2013年2月，2013年12月至2014年2月）三種結構溫室內(nèi)逐時的氣溫資料，對比分析不同結構溫室在典型天氣條件下氣溫的日變化特征，晴天大棚內(nèi)的氣溫主要受太陽輻射的影響，日出之前溫度都呈緩慢下降的趨勢，單棚在7∶00左右出現(xiàn)最低溫-0.411℃，日出后隨著太陽輻射的增加，棚內(nèi)氣溫急速升高，連棚室內(nèi)的日最高氣溫17.369℃出現(xiàn)在14∶00，單棚室內(nèi)的日最高氣溫28.863℃出現(xiàn)在13∶00，PVC溫室室內(nèi)的日最高氣溫18.976℃出現(xiàn)在14∶00；隨后溫度呈下降趨勢，單棚的溫度日較差值達到了29.27℃（圖1）。多云和陰天棚內(nèi)氣溫變化比較溫和，分別如圖2、圖3所示。

圖1 晴天棚內(nèi)氣溫日變化特征

圖2 多云天氣棚內(nèi)氣溫日變化特征

圖3 陰天棚內(nèi)氣溫日變化特征

根據(jù)以上研究，在塑料大棚這樣一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)，棚內(nèi)外熱交換只有輻射和傳導，沒有對流，起到了一定的保溫作用，晴天白天陽光輻射的大量增強，自然引起棚內(nèi)氣溫快速上升。應該在棚內(nèi)溫度上升到作物生長適溫時通風換氣，并控制通風量，使棚內(nèi)溫度保持在作物生長適溫范圍內(nèi)，隨著下午光照的減弱和棚外溫度的降低，再逐漸關閉通風口。另外晚上也會出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，在溫暖的天氣可以加以利用提高溫差，改善作物品質(zhì)，但在氣溫較低時，也需要通風換氣，以免產(chǎn)生凍傷。在氣溫過高時，通風換氣已無法把溫度降下來，還可采用噴淋的降溫方法。

張勝亮的研究不但揭示了和以上研究相一致的溫度變化規(guī)律，而且發(fā)現(xiàn)無論是空氣的相對濕度還是絕對濕度，棚內(nèi)全天都高于棚外，棚內(nèi)相對濕度常在90%以上，絕對濕度比棚外平均高27毫巴，接近高出一倍，晴天白天絕對濕度迅速增高，并記錄到了從早上到午后絕對濕度由25毫巴猛增到95毫巴，同時棚外增加還不到一倍。黎明峰等的試驗結果表明，在閉膜的條件下，不同天氣，棚內(nèi)相對濕度的日變化規(guī)律基本一致，在午后氣溫最高時，相對濕度達到最低值，晴天約為85%，陰天約為96%，一天絕大部分時段均接近或達到飽和狀態(tài)。另外，棚內(nèi)外相對濕度變化幅度，晴天大（大棚內(nèi)外濕度差值在12%到46%），陰天?。ù笈飪?nèi)外濕度差值在12%到 20%）（圖 4）。

圖4 2002年12月不同天氣下試驗地（武漢）塑料大棚內(nèi)（----）與大棚外（—）相對濕度日變化

梁稱福的研究表明，無論是溫室內(nèi)上、中、下各層，還是室外的相對濕度，在晴天早晨8∶00之前均維持在一個較高的水平，8∶00以后逐漸下降，直至11∶00左右達到低谷時期，并維持到14∶00（室外低谷時期持續(xù)到16∶00左右），而后相對濕度又繼續(xù)上升，到19∶00左右，又進入一個較為平穩(wěn)時期，直至第二天早晨8∶00；陰天溫室內(nèi)上、中、下各層及室外的相對濕度也是在8∶00之后逐漸下降，但下降的幅度遠比晴天小，在 13∶00 左右到達低谷，至 16∶00-17∶00 以后又逐漸回升，20∶00左右進入平穩(wěn)時期；雨天溫室內(nèi)外相對濕度變化極小，均平穩(wěn)維持在一個較高水平，在14∶00-18∶00之間，室外相對濕度明顯低于室內(nèi)各層。而晴天室內(nèi)各層的絕對濕度從7：00開始上升，到9∶00達到相對高位，維持高位到14∶00開始下降，到18∶00左右開始進入平穩(wěn)期；陰天室內(nèi)各層的絕對濕度，從早晨8∶00 開始上升，在 14∶00-17∶00 之間達到高峰，呈單波峰形態(tài)，到18∶00左右開始進入相對平穩(wěn)期；雨天室內(nèi)各層的絕對濕度，從早晨8∶00開始加速上升，在13∶00-14∶00 之間達到峰值，呈單波峰形態(tài)，到 22∶00左右開始進入平穩(wěn)期；晴天、陰天和雨天室外絕對濕度均維持在一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)（20hpa左右）；分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 晴天塑料溫室內(nèi)外同一天相對濕度和絕對濕度日變化

圖6 陰天塑料溫室內(nèi)外同一天相對濕度和絕對濕度日變化

圖7 雨天塑料溫室內(nèi)外同一天相對濕度和絕對濕度日變化

根據(jù)以上研究，在塑料大棚這樣一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)，空氣流動小,且土壤蒸發(fā)、植株蒸騰的水汽滯留在棚內(nèi)易形成高濕，溫室內(nèi)的濕度環(huán)境與室外的濕度環(huán)境相差很大。當空氣相對濕度大于90%時，直接影響作物的蒸騰速度，阻礙植物根系對礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，使光合速率降低，可能產(chǎn)生病蟲害或加速病害發(fā)生。為了降低濕度，必須擇機通風換氣，根據(jù)以上研究，選擇在16∶00左右通風換氣，這時溫室內(nèi)外絕對濕度差較大，能夠排除更多的水汽，降低入夜后大棚內(nèi)的相對濕度，減少水汽凝結的現(xiàn)象發(fā)生，同時這時溫室內(nèi)外溫差小，熱量損失少。但棚內(nèi)相對濕度小于40%時，易引起白粉病和生理障礙的發(fā)生，作物水分損失多，氣孔關閉，光合速率明顯降低，這時應通過噴淋加濕。

魏珉等的研究表明，日光溫室CO2濃度日變化曲線通常呈不規(guī)則“U”型，有時呈不規(guī)則的“W”型，早晨揭苫之前最高，揭苫后隨作物光合消耗逐漸減小，12∶00-14∶00 最低，而后緩慢上升，呈不規(guī)則“U”型，“U”型變化通常發(fā)生于不放風或放風時間較長且夜間CO2積累濃度較高條件下。有時一天中CO2濃度出現(xiàn)2次低谷，第1次于上午放風之前，第2次于下午閉風后的15∶00-16∶30，呈不規(guī)則的“W”型，“W”型變化發(fā)生于群體葉面積系數(shù)較大，光合旺盛而上午放風較晩、下午閉風較早的晴天（如圖8）。圖8也說明了天氣和作物群體的大小，對溫室CO2濃度的影響。幼苗期，溫室內(nèi)夜間二氧化碳積累濃度較高，幼苗光合作用消耗少，通風時CO2大量外逸，直至與外界濃度接近。結果期，番茄群體葉面積系數(shù)較大，光合作用旺盛，晴天上午揭苫后約1.4h即呈現(xiàn)CO2虧缺，最低濃度達100μl/L，馬成芝等的研究也得到了相一致的結果。

圖8 天氣和生育時期對日光溫室番茄群體CO2濃度變化的影響

根據(jù)以上研究，密閉大棚內(nèi)外空氣交換受到限制，在蔬菜枝繁葉茂的情況下，棚內(nèi)空氣中的二氧化碳濃度變化劇烈，早上日出之前由于作物呼吸和土壤釋放，棚內(nèi)二氧化碳濃度比棚外濃度高2～3倍，日出2個小時后，隨著光合作用的吸收，二氧化碳濃度可降至不到大氣二氧化碳濃度的1/3，可至光合速率大幅下降甚至到達補償點使光合作用停止，因此必須進行通風換氣，及時補充棚內(nèi)二氧化碳。在低溫季節(jié)，大棚經(jīng)常密閉保溫，很容易積累有毒氣體，如氨氣、二氧化氮、二氧化硫、乙烯等造成危害，因此低溫季節(jié)也要適當通風，以便排除有害氣體。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)的功能及技術、經(jīng)濟要求

根據(jù)以上的分析，對溫度的控制，在白天要求隨著氣溫的上升和光照的加強，自動打開和不斷增大通風口面積，隨著氣溫的下降和光照的減弱，不斷減小通風口面積，直至關閉，力求把溫度平穩(wěn)控制在作物生長適溫的范圍內(nèi)，防止忽上突下。在通風口全部打開的情況下，如溫度仍然超過作物生長適溫上限，將自動通過噴淋的方式降溫，單次噴淋時長和間隔時間，應通過現(xiàn)場調(diào)試確定，首次噴淋后，自動啟動以后每次噴淋的條件必須同時滿足“溫度超過作物生長適溫上限”和“達到間隔時間”，實現(xiàn)即節(jié)水省電又達到降溫的目的，在溫度較低的夜晚（棚外溫度低于作物夜間適溫），如出現(xiàn)棚內(nèi)氣溫低于棚外的逆溫現(xiàn)象，則要求自動完全打開通風口，在此過程中，如氣象條件發(fā)生改變，棚內(nèi)氣溫上升到等于或大于棚外氣溫，則自動關閉通風口。

根據(jù)以上分析，對濕度的控制，要求每天16：00自動完全打開通風口，通風時長應通過現(xiàn)場調(diào)試確定，以便達到較好的除濕效果，同時盡量減小熱量損失。棚內(nèi)相對濕度小于40%時，此時很可能是高溫干旱季節(jié)，這時應通過噴淋加濕，單次噴淋時長和間隔時間，應通過現(xiàn)場調(diào)試確定，首次噴淋后，自動啟動以后每次噴淋的條件必須同時滿足“濕度小于40%”和“達到間隔時間”。

根據(jù)以上分析，二氧化碳濃度的變化規(guī)律，晴天最快日出兩小時左右，棚內(nèi)二氧化碳濃度開始底于棚外濃度，而此時棚外溫度也上升了不少，與當季作物的生長適溫差距不大，此時光合作用對二氧化碳的濃度非常敏感，二氧化碳濃度是光合速率的主要控制因素，因此可在檢測到棚內(nèi)二氧化碳濃度低于棚外時，自動完全打開通風口。多云或陰天，棚外溫度上升得慢，棚內(nèi)二氧化碳也消耗得慢，如果棚內(nèi)二氧化碳濃度出現(xiàn)底于棚外濃度的情況，應該是中午或午后，氣溫較高，同理也須打開通風口。根據(jù)以上研究及對圖8曲線的分析，在15：00左右，二氧化碳濃度開始回升，閉棚狀態(tài)說明此時作物吸收二氧化碳速率已低于土壤釋放二氧化碳速率；打開通風口狀態(tài)說明此時作物吸收二氧化碳速率已低于土壤釋放二氧化碳速率與通風補償二氧化碳速率之和，當二氧化碳濃度上升到與大氣二氧化碳濃度一致時，通風補償二氧化碳速率為零，此時作物吸收二氧化碳速率等于土壤釋放二氧化碳速率，所以當檢測到棚內(nèi)二氧化碳濃度上升到與大氣二氧化碳濃度一致時，應自動關閉通風口。

塑料大棚內(nèi)氣溫、濕度及二氧化碳濃度在被調(diào)控時相互彼此關聯(lián)，變化比較復雜，當調(diào)控某一環(huán)境要素時常把其它環(huán)境要素變到一個不太適宜的水平上，因此需要根據(jù)作物的生長模型通盤考慮，以便取得最好的經(jīng)濟效益。以上對大棚內(nèi)氣溫、濕度及二氧化碳濃度的控制，都是通過控制打開或關閉同一通風口實現(xiàn)，根據(jù)以上分析，為了實現(xiàn)控制目標，根據(jù)控制需要三個參數(shù)應該都能單獨驅動打開通風口。對噴淋的控制，溫度和濕度參數(shù)應該都能單獨驅動打開和關閉。

農(nóng)業(yè)塑料大棚的環(huán)境控制，直接決定大棚作物的生長狀態(tài)，決定大棚的經(jīng)濟效益實現(xiàn)，一個不可靠、穩(wěn)定性差的控制系統(tǒng)，不能很好實現(xiàn)作物生長的環(huán)境需要，甚至給作物帶來滅頂之災，造成巨大損失，所以農(nóng)業(yè)塑料大棚的環(huán)境控制系統(tǒng)，雖然不需要工業(yè)控制系統(tǒng)的高速度，但穩(wěn)定性、可靠性、精度應和工業(yè)控制系統(tǒng)標準一致。根據(jù)前面分析，大棚的環(huán)境控制系統(tǒng)應具有模擬量、開關量的處理能力。作為大棚控制的自動化改造，系統(tǒng)還應具有良好的擴展性，以備將來升級改造，另外，系統(tǒng)也應該易于實現(xiàn)，投資節(jié)省。

2.2 總體方案

根據(jù)上一節(jié)對系統(tǒng)的功能及技術、經(jīng)濟要求的論述，選取可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）為塑料大棚控制系統(tǒng)的控制中心，加上傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行部件等組成整個控制系統(tǒng)。

PLC是專為工業(yè)生產(chǎn)自動控制而設計的一種電子裝置，是集計算機技術，自動控制技術和通信技術為一體的自動控制裝置，其性能優(yōu)越并被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。它具有高可靠性、高穩(wěn)定度、價格便宜等特點。傳感器系統(tǒng)由溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、濕度傳感器等組成。因大棚內(nèi)溫濕度和二氧化碳濃度水平分布差值小，為節(jié)省投資，只在大棚中心離地高度1.5m處安裝一個溫濕度傳感器、一個二氧化碳濃度傳感器，在大棚外安裝一個與棚內(nèi)同型號的溫濕度傳感器（以便與棚內(nèi)進行精確的比較，濕度功能暫時不用）。執(zhí)行部件包括交流接觸器、卷膜機、水泵等，為了便于對流通風，在大棚雙側各安裝一臺卷膜機。

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 元器件選用

根據(jù)系統(tǒng)總體方案的論述，選擇FX2N-16MR-001型PLC搭配FX2N-4AD模擬信號輸入模塊，即能完全滿足功能及技術、經(jīng)濟要求。FX2N-16MR-001具有八個輸入點，八個輸出點，內(nèi)置時鐘功能，可進行時間控制，有四則運算、邏輯運算、PID（比例-積分-微分）運算等運算指令，有接點比較指令。FX2N-4AD模擬信號輸入模塊具有四個輸入通道，輸入通道接收模擬信號（溫度、濕度、二氧化碳濃度傳感器輸出的電信號），并將其轉換成數(shù)字信號，以便于PLC處理。它的最大分辨率是12位。

溫濕度傳感器選用世炬科技有限公司的電流型溫濕度傳感器SH11A，額定電壓：12～30V DC；測量范圍：溫度：-10～50℃，濕度：0～100%RH；測量精度：溫度：±0.5℃，濕度：±3%RH；輸出范圍：濕度：4～20mA 對應 0～100%RH，溫度：4～20mA 對應-10～50℃。

二氧化碳傳感器選用仁科測控技術有限公司的RS-CO2-NO1-2，此款產(chǎn)品廣泛適用于室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測、、農(nóng)業(yè)大棚、花卉培養(yǎng)等需要二氧化碳監(jiān)測的場合。采用高靈敏度的氣體探測頭，信號穩(wěn)定，精度高。額定電壓為10～30VDC，精度為±（40PPM+3%F?S）（25℃），量程為 0～5000PPM，電流輸出范圍為4～20mA。

3.2 硬件系統(tǒng)電路

根據(jù)上一節(jié)選擇的主要元器件及控制要求，設計了電氣控制系統(tǒng)，如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)的主電路如上圖所示，卷膜機需通過電機正反轉和停止來完成通風窗口的開啟、調(diào)節(jié)開度與關閉，因此設計了正反轉控制電路，因大棚雙側通風口結構相同，采用的卷膜機型號相同，設計上也要求兩臺卷膜機動作步調(diào)一致，為節(jié)約成本，兩臺卷膜機共用一套正反轉控制電路。水泵電機只需要單向控制電路，如上圖所示。圖中QS為電源總開關；FU1、FU2為熔斷保護器，分別對各個線路實施短路和過載保護；KM1～KM3為交流接觸器的主觸頭，用其實現(xiàn)卷膜機電機的正反轉及啟停、水泵電機的啟?？刂?；FR1～FR3為熱繼電器，對電機起過載保護作用。

圖10 系統(tǒng)控制電路及與PLC連接圖

系統(tǒng)的控制電路以及與PLC的連接如上圖，S為手動和自動轉換開關；SB1為開通風窗口按鈕，SB2為關通風窗口按鈕，SB1、SB2以點動的方式控制通風窗口大??；SB3為開啟水泵按鈕，SB4為關閉水泵按鈕；KM1、KM2常閉觸頭為交流接觸器的輔助觸頭；SQ1、SQ2和SQ3、SQ4分別是大棚兩側通風窗口卷膜機上、下極限位置限位開關；線圈KM1、KM2、KM3分別是交流接觸器KM1、KM2、KM3的線圈，如圖設計實現(xiàn)了卷膜機電機在硬件層面的正反轉互鎖及極限位置的關停，有利于系統(tǒng)的安全運行；FU3為熔斷器；FR4為熱繼電器。另外還設計了帶有蜂鳴器和LED發(fā)光管的聲光報警電路，R1、R2、R3為LED的限流電阻，D1、D2、D3 為 LED 發(fā)光管，D1、D2、D3 燈亮分別表示溫度過低、溫度過高、濕度過高。

圖11 傳感器模擬量輸入接線圖

根據(jù)《FX系列特殊功能模塊用戶手冊》對FX2N-4AD接線的要求：①模擬輸入通過雙絞屏蔽電纜來接收，電纜應遠離電源線，或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的電線；②如果輸入有電壓波動，或者外部接線中有電氣干擾，可以接一個平滑電容器（0.1uF到0.47uF，25V）；③如果使用電流輸入，請互連V+和I+端子；④如果存在過多的電氣干擾，請連接FG的外殼地端和FX2N-4AD的接地端；⑤連接FX2N-4AD的接地端與主單元的接地端，可行的話，在主單元使用三級接地；以及本控制系統(tǒng)的需要，繪制傳感器模擬量輸入接線圖，如圖11所示。通道一接棚外溫度傳感器，通道二接棚內(nèi)溫度傳感器，通道三接棚內(nèi)濕度傳感器，通道四接棚內(nèi)二氧化碳濃度傳感器。

4 控制程序編制

略

5 總結

本設計主要是為解決塑料大棚依靠人工管理而產(chǎn)生的諸多問題。邵陽縣的塑料大棚主要用于早稻育秧、春季蔬菜的提早栽培、秋季蔬菜的延后栽培和耐寒半耐寒蔬菜的越冬栽培、耐熱蔬菜的夏季栽培。因此本設計采用了溫室大棚的最簡結構，沒有添置加溫和降溫設備等，按照自動控制的最基本需求設計了一套適合大棚的自動控制系統(tǒng)，并通過采用PLC系統(tǒng)的技術路線低成本的實現(xiàn)了此次設計，達到了控制目標，滿足了作物生長對環(huán)境的需求，是一項即先進又實用的改造。

由于本控制系統(tǒng)的良好擴展性，將來有必要時只需花費很少的投資就可以擴充其它功能，并改造成有遠程監(jiān)控功能的系統(tǒng)。多棟塑料大棚近距離排列時，可以選擇輸出輸入點數(shù)較多的PLC，由一套系統(tǒng)集中控制，進一步降低投資。系統(tǒng)主電路為三相交流設計，若為單向交流系統(tǒng)，稍加改動即可，單向交流電機和直流電機的反轉控制也簡單可行。