劉 杰，靳曉強(qiáng)

（1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣工程系，河北 邢臺(tái) 054000；2.海峽德越（北京）科技有限公司，北京 102200)

0 緒論

食用菌生長過程需要一定的環(huán)境條件。環(huán)境條件的適宜與否決定了食用菌生長發(fā)育的好壞、產(chǎn)量的高低、質(zhì)量的優(yōu)劣[1]。對(duì)于不同發(fā)育階段的食用菌，生產(chǎn)系統(tǒng)需要根據(jù)其生長需求隨時(shí)調(diào)整環(huán)境參數(shù)，主要包括溫度、濕度、光照、CO2濃度、酸堿度等內(nèi)容[2]。

目前，多數(shù)食用菌生產(chǎn)控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生育室環(huán)境的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了一定程度的生產(chǎn)過程自動(dòng)化[3-4]。目前存在的問題是食用菌在不同生長時(shí)期所需的最佳環(huán)境條件是不斷變化的[5]，這就需要操作人員根據(jù)需求頻繁地調(diào)整環(huán)境參數(shù)，增加了食用菌生產(chǎn)系統(tǒng)的操作難度和人力成本?；诖?，筆者開發(fā)了一種多天多時(shí)段自動(dòng)運(yùn)行的控制系統(tǒng)，能夠有效提高食用菌生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)節(jié)省人工成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 系統(tǒng)控制邏輯

系統(tǒng)主要控制的變量有溫度、濕度和CO2濃度，為了實(shí)現(xiàn)這些變量的自動(dòng)化控制，需要采用閉環(huán)控制的控制方式，具體則為先通過傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境設(shè)備啟停或者運(yùn)行功率。對(duì)于光照和抑制風(fēng)，則可采用時(shí)序控制的控制方式，設(shè)置補(bǔ)光系統(tǒng)和抑制風(fēng)的啟停時(shí)間。

1.1 溫度控制

在控制系統(tǒng)中設(shè)置生育室所允許的上限溫度Tu和下限溫度Td，系統(tǒng)通過比較當(dāng)前平均溫度T與所設(shè)置的溫度上下限，控制溫度控制設(shè)備的啟停。溫度控制流程如圖1所示。

圖1 生育室溫度控制流程

生育室溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要先設(shè)定選擇制熱或是制冷。當(dāng)外界溫度普遍高于食用菌適宜生長溫度時(shí)，則選擇制冷模式，實(shí)時(shí)溫度T超出溫度上限Tu時(shí)則打開空調(diào)制冷系統(tǒng)，進(jìn)行制冷降溫，低于溫度下限Td時(shí)關(guān)閉制冷系統(tǒng)；當(dāng)外界溫度普遍低于食用菌適宜生長溫度時(shí)，則選擇制熱模式，低于溫度下限Td則開啟制熱系統(tǒng)，加熱升溫，高于溫度上限Tu時(shí)關(guān)閉制熱系統(tǒng)。為了避免溫度過高或過低導(dǎo)致的菌菇減產(chǎn)，設(shè)置報(bào)警溫度上下限，超出上限或低于下限時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，通知工作人員查看系統(tǒng)是否異常。

1.2 濕度控制

濕度控制同樣采用了閉環(huán)控制的控制方式。環(huán)境濕度由加濕系統(tǒng)和除濕系統(tǒng)聯(lián)合控制。濕度控制的流程如圖2所示。

圖2 生育室濕度控制流程

濕度控制設(shè)置有自動(dòng)控制和時(shí)序控制兩種模式。自動(dòng)模式下，在系統(tǒng)中設(shè)置濕度上下限，到達(dá)下限則開啟加濕系統(tǒng)，到達(dá)上限時(shí)關(guān)閉。當(dāng)濕度超過濕度上限3個(gè)數(shù)值后，打開除濕系統(tǒng)，達(dá)到上限后關(guān)閉除濕系統(tǒng)。時(shí)序控制模式則為系統(tǒng)啟動(dòng)一定時(shí)間后，停止工作一定時(shí)間，循環(huán)計(jì)時(shí)啟停，啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間可以設(shè)置。需要注意的是，加濕系統(tǒng)是安裝在軌道小車上的，加濕系統(tǒng)開啟的同時(shí)，小車系統(tǒng)必須同步開啟。

1.3 CO2濃度控制

生育室配備了新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，用于調(diào)節(jié)環(huán)境的CO2濃度。在生育室3個(gè)位置布置了CO2傳感器，用于監(jiān)控CO2濃度。在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)利用CO2平均濃度控制新風(fēng)系統(tǒng)啟停。在系統(tǒng)中設(shè)置CO2濃度上下限，當(dāng)生育室中CO2濃度高于所允許的CO2濃度上限時(shí)，打開新風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)，到達(dá)下限時(shí)關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)。在手動(dòng)模式下，可以手動(dòng)控制新風(fēng)啟停。

1.4 光照控制

光照強(qiáng)度由環(huán)境光源的開啟與關(guān)閉進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)食用菌的生長需求，設(shè)置光源開啟與關(guān)閉的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)生育室中光照強(qiáng)度的控制。為了方便監(jiān)控生育室中的光照強(qiáng)度，仍然設(shè)置了3個(gè)光強(qiáng)傳感器，對(duì)生育室中的光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制系統(tǒng)為觸摸屏結(jié)合PLC的結(jié)構(gòu)。

觸摸屏采用的是昆侖通態(tài)公司的TPC1061Ti，作為人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、報(bào)警查詢等功能。

PLC作為核心控制器，通過模擬量輸入接口對(duì)生育室現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，根據(jù)PLC程序所設(shè)定的控制邏輯，控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出。現(xiàn)場(chǎng)傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器和光強(qiáng)傳感器，為了獲得更準(zhǔn)確的環(huán)境信息，在生育室布置了6個(gè)溫度傳感器、3個(gè)濕度傳感器、3個(gè)CO2傳感器和3個(gè)光強(qiáng)傳感器。通過求解同類型傳感器數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，得到更可靠的環(huán)境數(shù)據(jù)。

PLC則采用西門子公司的S7-200 SMART系列PLC。具體CPU和模塊如表1所示。CPU使用的是繼電器輸出的SR40，并擴(kuò)展了3個(gè)模擬量模塊，共有16個(gè)模擬量輸入接口和2個(gè)模擬量輸出接口。模擬量輸入接口用于接入傳感器數(shù)據(jù)，模擬量輸出接口用于控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率。

表1 PLC系統(tǒng)組成

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏作為人機(jī)交互窗口，主要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要界面包括狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警查詢等功能，如圖4所示。

圖4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后直接進(jìn)入主界面，在主界面中主要顯示當(dāng)前的環(huán)境信息和設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。并且作為其他頁面的入口，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)界面的切換。

長時(shí)間不進(jìn)行操作會(huì)進(jìn)入屏保界面，顯示設(shè)備名稱等信息，進(jìn)入主界面需要輸入屏保密碼，通過屏保密碼的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的權(quán)限管理。環(huán)境曲線界面則記錄環(huán)境變量的歷史變化曲線，記錄著設(shè)備的運(yùn)行情況，可以查看系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定以及是否與設(shè)置參數(shù)一致。

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常，如溫度過高或過低時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。報(bào)警通過報(bào)警燈和蜂鳴器顯示，能夠在報(bào)警界面查詢報(bào)警信息，及時(shí)排除設(shè)備故障，保證設(shè)備運(yùn)行正常，維持環(huán)境變量在允許范圍內(nèi)，從而保證食用菌健康生長。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)生育室控制系統(tǒng)多天多時(shí)段自動(dòng)運(yùn)行的功能，需要對(duì)參數(shù)設(shè)置界面分時(shí)段設(shè)置。生育室控制系統(tǒng)最長支持設(shè)置30天的運(yùn)行參數(shù)，每天可以分為3個(gè)時(shí)段。需要設(shè)置的參數(shù)數(shù)據(jù)塊如圖5所示。可以根據(jù)需要設(shè)置每一天的分段情況，設(shè)置每一分段的運(yùn)行小時(shí)數(shù)T1N、T2N、T3N，其中N表示系統(tǒng)運(yùn)行天數(shù)，最多設(shè)置30天的分段情況。

圖5 設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在具體每個(gè)分段需要設(shè)置隨時(shí)間變化的參數(shù)值，分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊V1N、V2N和V3N，存儲(chǔ)第N天的3個(gè)時(shí)段的參數(shù)值。系統(tǒng)自動(dòng)記錄入庫時(shí)間并根據(jù)入庫時(shí)間自動(dòng)選擇相應(yīng)時(shí)段的參數(shù)運(yùn)行，便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多天多時(shí)段自動(dòng)運(yùn)行。其中一個(gè)參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示，可以在此界面設(shè)置第一天3個(gè)時(shí)段的時(shí)段長度和每個(gè)時(shí)段系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)參數(shù)。

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

其中加濕運(yùn)行參數(shù)可以分為4部分。系統(tǒng)默認(rèn)以自動(dòng)模式運(yùn)行，當(dāng)加濕運(yùn)行模式為自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將檢測(cè)到的濕度值與濕度上限和下限進(jìn)行比較，來開啟或停止加濕器。當(dāng)加濕運(yùn)行模式為時(shí)序模式時(shí)，加濕系統(tǒng)按照工作時(shí)間和停止時(shí)間間斷工作。在計(jì)趟模式下運(yùn)行趟數(shù)設(shè)定指定的趟數(shù)，兩趟之間停機(jī)間隔時(shí)間為參數(shù)設(shè)置值的時(shí)間?？梢愿鶕?jù)運(yùn)行方式只設(shè)置用到的參數(shù)。主要設(shè)置參數(shù)除了圖中的加濕運(yùn)行參數(shù)、抑制風(fēng)運(yùn)行參數(shù)、補(bǔ)光設(shè)定參數(shù)等之外，還包括導(dǎo)軌小車運(yùn)行參數(shù)、空調(diào)運(yùn)行參數(shù)、循環(huán)風(fēng)運(yùn)行參數(shù)和新風(fēng)運(yùn)行參數(shù)。需要在菌菇入庫前完成參數(shù)設(shè)定。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

編寫PLC程序?qū)崿F(xiàn)傳感器參數(shù)的采集，計(jì)算得到環(huán)境變量平均值之后與設(shè)置值相比較，根據(jù)控制邏輯控制外部輸出設(shè)備運(yùn)行，維持環(huán)境參數(shù)處于適宜范圍之內(nèi)。同時(shí)，將PLC采集處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送回觸摸屏，實(shí)時(shí)顯示環(huán)境變量數(shù)值。

實(shí)現(xiàn)設(shè)置參數(shù)的多天多時(shí)段自動(dòng)切換，需要將觸摸屏傳入的參數(shù)在合適的時(shí)間調(diào)用。PLC程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)自動(dòng)切換流程如圖7所示。PLC使用計(jì)數(shù)器記錄食用菌入庫天數(shù)和小時(shí)數(shù)。系統(tǒng)首先判斷當(dāng)前入庫天數(shù)，然后根據(jù)該天的分段情況，比較當(dāng)天運(yùn)行小時(shí)數(shù)T與時(shí)段信息，判斷當(dāng)前所處時(shí)段i。當(dāng)小時(shí)數(shù)T

圖7 參數(shù)自動(dòng)切換流程

4 結(jié)語

本控制系統(tǒng)通過簡單有效的控制方式，實(shí)現(xiàn)了多天多時(shí)段生育室控制系統(tǒng)的開發(fā)，能夠有效節(jié)省人力成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高了生育室控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。目前該系統(tǒng)已用于實(shí)際生產(chǎn)，控制效果理想。