于 鎵，楊延榮，趙 輝，單慧勇，郭俊旺，衛(wèi) 勇

（1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津市 300384；2.天津龍川潔凈室運(yùn)行管理有限公司，天津市 300384）

0 引言

由于日光溫室自身環(huán)境特點及種植密度等原因，造成溫室內(nèi)二氧化碳濃度嚴(yán)重不足，降低作物光合作用速率，導(dǎo)致干物質(zhì)積累量減少，從而影響植物長勢與抗病能力，因此，適量補(bǔ)施氣肥已成為現(xiàn)代化溫室生產(chǎn)中一項重要手段[1，2]。針對現(xiàn)有利用加熱方式制取二氧化碳的裝置工作時均處于正壓狀態(tài)，容易造成氣體泄露；水溫隨著反應(yīng)的進(jìn)行而升高，導(dǎo)致氨氣溶解度下降；設(shè)備應(yīng)用在高溫、高濕、多灰塵的環(huán)境中等問題[2-4]，設(shè)計了一種電加熱負(fù)壓二氧化碳?xì)夥拾l(fā)生器控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，通過Modbus協(xié)議RS485接口通訊。上位機(jī)利用巨控遠(yuǎn)程模塊搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲，并可對系統(tǒng)的反應(yīng)時間、溫控傳感器閾值、延時輸氣時間、換水時間、氣泵運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。在下位機(jī)PLC控制下可以完成碳酸氫銨加熱、混合氣體過濾、設(shè)備換水、二氧化碳輸氣等工作過程自動化控制，用戶只需添加碳酸氫銨即可。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計與選型

2.1 PLC選型與電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需求選擇信捷PLC，具體型號為XC2-16RT-C。其工作電壓DC24V，輸入輸出均為8路，具有RS232、RS485通訊接口各一路。

PLC控制電路如圖2所示，PLC輸入端接收無源開關(guān)器件信號；輸出采用組COM方式，Y0為晶體管輸出，利用脈寬調(diào)制控制固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)反應(yīng)速率，Y5、Y6由于多個設(shè)備并聯(lián)在一起，為防止電流過大，采用中間繼電器控制；A和B為RS485接口。

圖2 電氣控制系統(tǒng)電路圖

2.2 遠(yuǎn)程模塊選型

GRM500系列物聯(lián)網(wǎng)模塊是廣州巨控科技開發(fā)的專用于PLC遠(yuǎn)程維護(hù)和監(jiān)控的通訊模塊。用戶無需編程，只需根據(jù)Modbus協(xié)議將PLC內(nèi)部軟元件映射到與之相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部寄存器中即可，模塊采用非透傳的GPRS方式完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，用戶通過訪問廠家云服務(wù)器即可完成遠(yuǎn)程監(jiān)控，并可實現(xiàn)PLC的遠(yuǎn)程更新，符合系統(tǒng)需求。

2.3 發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及工藝流程設(shè)計

發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括：電加熱裝置、兩級過濾器、負(fù)壓和換水系統(tǒng)。碳酸氫銨在電加熱反應(yīng)器中受熱分解產(chǎn)生氨氣和二氧化碳的混合氣體，在負(fù)壓狀態(tài)下，混合氣體經(jīng)氣路進(jìn)入兩級氣體過濾器，氨氣被過濾器中水吸收形成氮肥，剩余的二氧化碳?xì)怏w被氣泵抽出釋放到溫室中[5-7]。

選擇適當(dāng)?shù)臍獗脜?shù)及氣路管道直徑，保證發(fā)生器在整個工作過程中均處于負(fù)壓密封狀態(tài)，有效的避免了反應(yīng)氣體的泄露問題；設(shè)計兩級過濾器既使混合氣體的氣路盡可能多接觸水，充分溶解氨氣，又在注水和排水過程中利用虹吸原理保證整個裝置氣密性，實驗測試氣體出口處氨氣濃度始終保持在1 ppm以下；反應(yīng)器中安裝可調(diào)式溫度控制傳感器以檢測反應(yīng)器內(nèi)溫度，判定碳酸氫銨消耗完畢；設(shè)備選擇耐腐蝕性不銹鋼材質(zhì)，符合溫室內(nèi)應(yīng)用需求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制要求

系統(tǒng)上電，用戶向加熱裝置中加入適量碳酸氫銨，按下啟動按鈕，進(jìn)水閥門、氣泵、抽氣閥門打開，開始向兩級氣體過濾器內(nèi)注水，待低液位和高液位依次閉合，進(jìn)水閥門、抽氣閥門、氣泵關(guān)閉注水完成；此時反應(yīng)按鈕未按下，系統(tǒng)待機(jī)，待機(jī)指示燈亮起，若反應(yīng)按鈕按下，加熱裝置啟動，反應(yīng)排氣閥、氣泵打開；反應(yīng)一定時間或溫度傳感器斷開，加熱裝置關(guān)閉；延時一段時間后氣泵、反應(yīng)排氣閥關(guān)閉，出水閥、排水平衡氣閥打開，開始排水，待高液位和低液位依次斷開，排水結(jié)束；此時若溫度傳感器未斷開，循環(huán)工作，若溫度傳感器斷開，蜂鳴器響，反應(yīng)完成。系統(tǒng)在工作過程中，出現(xiàn)故障，蜂鳴器響提示用戶。

3.2 PLC程序設(shè)計

PLC程序設(shè)計采用經(jīng)典順序控制，按照發(fā)生器的工藝流程，將系統(tǒng)工作步采用信捷PLC中狀態(tài)寄存器S編號，然后編寫系統(tǒng)順序功能圖如圖4所示，圖中標(biāo)出每一個工作步的轉(zhuǎn)換條件和輸出，配合STL指令編寫梯形圖。

圖4 順序功能圖

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控組態(tài)界面設(shè)計

組態(tài)界面是整個系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，所以直觀性、便捷性、人性化是組態(tài)界面設(shè)計的關(guān)鍵，為了最大程度簡化操作過程，采取“全面、直觀、選項少、界面少”的理念設(shè)計組態(tài)界面。

圖5為設(shè)備狀態(tài)界面，用戶可以操作并直觀了解設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。前兩行為輸入輸出設(shè)備，其相對應(yīng)設(shè)備圖標(biāo)變?yōu)榫G色并閃爍；第三行為設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行到此狀態(tài)時，對應(yīng)圖標(biāo)閃爍；第四行為設(shè)備報警提示，當(dāng)出現(xiàn)故障時，對應(yīng)圖標(biāo)變?yōu)榧t色并閃爍，便于及時排除故障；最后一行為設(shè)備操作按鈕，當(dāng)按下時變?yōu)榫G色。

圖5 設(shè)備狀態(tài)界面

圖6為自動控制參數(shù)設(shè)置界面，用戶可以設(shè)置自動控制中的必要參數(shù)。第一列三個數(shù)據(jù)分別是當(dāng)前二氧化碳濃度及二氧化碳濃度上下限設(shè)定，其它兩列為設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，用戶可以針對不同的環(huán)境，對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，從而保證設(shè)備運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

圖7為歷史數(shù)據(jù)查看界面，主要對二氧化碳濃度及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，可以通過相應(yīng)按鈕實現(xiàn)任意時刻歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

4 結(jié)語

基于PLC技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及組態(tài)技術(shù)，設(shè)計全自動電加熱負(fù)壓二氧化碳?xì)夥拾l(fā)生器控制系統(tǒng)。采用PLC實現(xiàn)工作過程自動化，巨控模塊完成遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)計電加熱負(fù)壓發(fā)生器保障設(shè)備的可靠性與安全性。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫室內(nèi)二氧化碳的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)補(bǔ)施，保障了溫室內(nèi)作物光合作用對二氧化碳的需求，從而實現(xiàn)溫室的智能化生產(chǎn)，減輕了農(nóng)戶的勞動強(qiáng)度。