溫室二氧化碳氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

1、    溫室二氧化碳氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計    單慧勇林宇浩于鎵楊延榮趙輝衛(wèi)勇摘要：為改善棚室蔬菜生產(chǎn)中二氧化碳匱乏問題，設(shè)計溫室二氧化碳氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。設(shè)計氣肥發(fā)生器，利用碳酸氫銨加熱產(chǎn)生二氧化碳的原理，制備二氧化碳氣肥;采用負(fù)壓反應(yīng)腔和二級過濾凈化系統(tǒng)提高系統(tǒng)的安全性;采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱plc）作為主控制器，實現(xiàn)氣肥發(fā)生器工作循環(huán)的自動控制;plc通過無線數(shù)傳電臺與傳感器采集裝置通信，在plc中集成模糊控制算法，實現(xiàn)溫室內(nèi)二氧化碳的智能調(diào)控;采用監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（monitor

2、and control generated system，簡稱mcgs）觸摸屏作為人機交互裝置，mcgs觸摸屏通過rs232總線與plc通信交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)與測試數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲及歷史信息統(tǒng)計。結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，操作界面簡潔方便，更好地實現(xiàn)了對溫室二氧化碳氣體環(huán)境的實時監(jiān)控。關(guān)鍵詞：二氧化碳;氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng);溫室;plc;氣肥發(fā)生器： tp273  文獻標(biāo)志碼： a  ：1002-1302（2019）04-0204-05溫室大棚種植由于處于密閉環(huán)境和種植密度等原因，極易產(chǎn)生二氧化碳（co2）不足的問題，作為植物光合作用的重要原料，二氧化碳匱乏將直接影響

3、作物光合作用，降低對太陽光的利用率，影響作物長勢與抗病害能力，因此溫室大棚生產(chǎn)中施用二氧化碳氣體肥料已成為一項重要的增產(chǎn)措施。現(xiàn)有的二氧化碳氣體肥料的制備有高壓鋼瓶、酸鹽反應(yīng)、燃燒型、微生物發(fā)酵法等多種方法1-3，但均由于多種原因未在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。特別是傳統(tǒng)酸鹽反應(yīng)型，雖有價格便宜的優(yōu)點，但控制困難，難以精確調(diào)控，針對此種情況，筆者設(shè)計了電加熱型氣肥發(fā)生器4，采用碳酸氫銨作為反應(yīng)原料，價格便宜，使用方便。同時系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱plc）作為主控制器，運用組態(tài)技術(shù)、無線通信技術(shù)等實現(xiàn)產(chǎn)氣輸氣的自動化，完成對溫室大棚生產(chǎn)過

4、程中二氧化碳氣肥的補充，并且可進行遠程監(jiān)控，提高瓜果蔬菜的質(zhì)量和產(chǎn)量，實現(xiàn)溫室的智能化生產(chǎn)，減輕工人的作業(yè)強度，也對實現(xiàn)我國溫室內(nèi)設(shè)備的規(guī)?；涂茖W(xué)化管理有一定的促進作用。1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計溫室二氧化碳氣肥調(diào)控系統(tǒng)的原理是利用加熱碳酸氫銨制取二氧化碳，以plc為主控制器，結(jié)合溫濕度、二氧化碳等多種多路環(huán)境傳感器實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，采用無線傳輸方式，通過rs485總線將數(shù)據(jù)傳給plc，由觸摸屏將數(shù)據(jù)實時顯示出來，并繪出歷史曲線等。同時plc根據(jù)作物生產(chǎn)要求，利用模糊控制算法對溫室環(huán)境系統(tǒng)進行智能調(diào)控。溫室二氧化碳氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為上位機與下位機2個部分，下位機為plc控制器

5、，主要完成對二氧化碳反應(yīng)器、過濾裝置、環(huán)境采集裝置以及輸氣裝置的控制;采用集可視、操作于一體的觸摸屏作為plc的人機接口和上位機，與plc進行通信，實時地顯示采集數(shù)據(jù)、儲存及進行歷史信息統(tǒng)計，并對系統(tǒng)工作參數(shù)如注水時間、排水時間、延時輸氣時間、延時排水時間、反應(yīng)時間進行設(shè)置，通過下位機plc編寫對各個子系統(tǒng)工作狀態(tài)進行調(diào)控的程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)整體的智能調(diào)控，最終實現(xiàn)溫室中氣肥發(fā)生器的正常運行和室內(nèi)二氧化碳的補償和平衡。系統(tǒng)總體過程如下：上電后，系統(tǒng)自動通過各種傳感器檢測溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，在啟動氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)后，plc控制器依據(jù)內(nèi)置的模糊決策算法動態(tài)判定當(dāng)前溫室

6、內(nèi)適宜的二氧化碳濃度水平，控制二氧化碳發(fā)生器和氣泵的工作狀態(tài)，進行溫室中二氧化碳氣肥環(huán)境的自動智能控制。通過人機接口，可以實現(xiàn)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定和信息查看，如作物類型設(shè)定、控制模式設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)信息查看、傳感器參數(shù)設(shè)定等各種操作。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與選型2.1 plc選型分析系統(tǒng)中所需plc的i/o點數(shù)為5路輸入量、7路輸出量?？紤]系統(tǒng)i/o點數(shù)、經(jīng)濟性、存儲器容量等方面的指標(biāo)，選擇國產(chǎn)信捷plc，型號為xc2-16r-e，工作電壓為dc 24 v，具有8路輸入、8路輸出，輸出為繼電器輸出，2路通信接口，分別為rs232、rs485。2.2 現(xiàn)場觸摸屏選型選擇具有可視化和按鍵功能且性能穩(wěn)定的監(jiān)視與控

7、制通用系統(tǒng)（monitor and control generated system，簡稱mcgs）觸摸屏作為顯示設(shè)備，型號為tpc1062k。該觸摸屏是一款以低功耗中央處理器（central processing unit，簡稱cpu）為核心（主頻600 mhz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，預(yù)裝了mcgs嵌入式組態(tài)軟件，具備強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。2.3 傳感器的選型2.3.1 溫濕度光照傳感器 考慮實用性和價格等因素，選用精訊科技jxbs-3001高靈敏度壁掛式光照溫濕度三合一傳感器，采用直流供電924 v dc，光照度量程為065 535 lx，精度為±7%;溫度測量范圍

8、為-2060 ，精度為±0.5 ;濕度測量范圍為080% rh（相對濕度），精度為±3% rh;輸出信號通過rs485輸出（采用標(biāo)準(zhǔn)modbus協(xié)議）。2.3.2 溫濕度二氧化碳傳感器 采用jxbs-3001-二氧化碳-rs高靈敏度壁掛式二氧化碳傳感器，此傳感器為三合一的傳感器，具有監(jiān)測溫度、濕度、二氧化碳濃度的功能，信號穩(wěn)定、精度高。二氧化碳測量范圍為05 000 mol/mol，精度為±（50 mol/mol+3%讀數(shù)，25 ）;溫度測量范圍為-2585 ，精度為±0.5 ;濕度測量范圍為0100% rh，精度為±3% rh;輸出信號通過r

9、s485輸出（采用標(biāo)準(zhǔn)modbus協(xié)議）。2.4 二氧化碳氣肥發(fā)生器的設(shè)計2.4.1 產(chǎn)氣原理 考慮系統(tǒng)使用的安全性和可靠性，采用加熱碳酸氫銨的方法制取二氧化碳。將碳酸氫銨在反應(yīng)裝置中進行加熱，使其分解并釋放出氨氣和二氧化碳，經(jīng)水過濾后氨氣溶于水中形成氮肥，二氧化碳釋放到溫室大棚中作為氣肥使用，其基本反應(yīng)關(guān)系如下：nh4 hco3=nh3+h2o+co2nh3+h2o=nh3·h2o2.4.2 氣肥發(fā)生器的結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)電加熱型氣肥發(fā)生器的反應(yīng)器處于正壓狀態(tài)時，會造成密封困難，容易發(fā)生氨氣的泄漏;同時采用單級清水吸收過濾氨氣，在反應(yīng)一段時間后，由于吸收器內(nèi)的水溫升高，導(dǎo)致氨氣的吸收效果變

10、差。針對該種情況，筆者對傳統(tǒng)電加熱氣肥發(fā)生器進行改進設(shè)計，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示4。改進后的氣肥發(fā)生器核心結(jié)構(gòu)組件包括電加熱反應(yīng)器、二級過濾器、負(fù)壓與氣動排水系統(tǒng)以及plc控制系統(tǒng)（圖中未畫出）。電加熱反應(yīng)器中的碳酸氫銨加熱分解后產(chǎn)生二氧化碳和氨氣的混合氣體，經(jīng)二級過濾器凈化吸收氨氣后，由氣泵抽出并輸出純凈的二氧化碳氣體。裝置整體處于密封狀態(tài)，適當(dāng)選擇氣泵的參數(shù)，氣泵的抽吸使得反應(yīng)器、過濾器均處于負(fù)壓狀態(tài)，大大地提高了反應(yīng)器的密封效果，避免了反應(yīng)氣體的泄漏。在反應(yīng)器電加熱部分設(shè)置溫控傳感器監(jiān)測反應(yīng)器狀態(tài)，當(dāng)傳感器溫度直線上升并超過設(shè)定閾值時，即可判斷反應(yīng)器中原料消耗完畢。配合外部自動換水與氣肥環(huán)

11、境調(diào)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的全自動工作?？紤]設(shè)備使用環(huán)境，設(shè)備主體采用不銹鋼材料，加工完成的氣肥發(fā)生器系統(tǒng)如圖3所示。反應(yīng)器工作過程如下：注水狀態(tài)時，控制器控制進水閥s1打開，b2氣泵打開，出水閥s2關(guān)閉，bq1排水平衡氣閥、bq2反應(yīng)排氣閥關(guān)閉，bq抽氣閥開啟，反應(yīng)器內(nèi)空氣經(jīng)bq抽氣閥被氣泵抽出，使反應(yīng)器內(nèi)氣壓低于大氣壓值，水通過注水口進入過濾器，依次注入二級過濾器和一級過濾器，二級過濾器液位由溢流管控制，在一級過濾器中設(shè)置液位開關(guān)控制注水量;反應(yīng)時，bq2反應(yīng)排氣閥和b2氣泵打開，bq抽氣閥、bq1排水平衡氣閥關(guān)閉，反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體通過管道流入過濾器中，先經(jīng)過下層的一級過濾、上層的二級過濾

12、濾除其中的氨氣，co2經(jīng)bq2反應(yīng)排氣閥和b2氣泵輸入溫室中，實測在設(shè)計條件下，反應(yīng)終了時出口氨氣濃度仍在 1 mol/mol 以下，大大提高了氨氣的凈化效果;系統(tǒng)在反應(yīng)結(jié)束后，bq1排水平衡閥開啟，出水閥s2開啟，bq抽氣閥關(guān)閉，一級過濾器中的水先排出，形成負(fù)壓，二級過濾器與大氣聯(lián)通，在虹吸作用下，二級過濾器中的水經(jīng)排水管注入一級過濾器，由出水閥s2排出。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計包括上位機觸摸屏的組態(tài)設(shè)計和下位機plc的程序設(shè)計。3.1 plc主程序設(shè)計plc主程序流程如圖4所示。plc上電，系統(tǒng)初始化后可進行系統(tǒng)設(shè)置，選擇是否設(shè)置新的參數(shù)，以及工作方式的設(shè)置等。工作方式分為手動、自動模式，

13、手動模式中人直接控制系統(tǒng)的各部分運行，單獨執(zhí)行相關(guān)的設(shè)備;自動模式中系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集的參數(shù)與系統(tǒng)的設(shè)定值進行對比，自動調(diào)節(jié)溫室中的環(huán)境，當(dāng)自動、手動模式遇到設(shè)備故障時，系統(tǒng)停止運行并報警。為方便控制，系統(tǒng)設(shè)計了2個控制按鍵，分別為系統(tǒng)起停按鍵k1和反應(yīng)器起停按鍵k2。上電，系統(tǒng)初始化完成，進入待機狀態(tài)，人工添加原料后，按下系統(tǒng)起停按鍵k1，系統(tǒng)進入注水狀態(tài)。注水結(jié)束后，再次進入待機狀態(tài)。閉合反應(yīng)器起停按鍵k2，進入反應(yīng)狀態(tài)。手動模式下此時將直接反應(yīng)供氣，自動模式下，由內(nèi)置控制程序控制反應(yīng)器是否工作。3.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計3.2.1 系統(tǒng)上電初始化 系統(tǒng)初始化流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后，初始化

14、，進行系統(tǒng)自檢，包括外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、反應(yīng)器溫控開關(guān)系統(tǒng)（圖中未示出）、液位開關(guān)（高液位yk2和低液位yk1）、反應(yīng)器控制按鍵的狀態(tài)等。若溫控開關(guān)斷開，則控制蜂鳴報警器f1（圖中未示出）蜂鳴報警，此時系統(tǒng)起停按鍵k1、反應(yīng)器起停按鍵k2不起作用，待溫控開關(guān)復(fù)位后，報警停止，進入上電待機狀態(tài)。為提高系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)設(shè)計為上電自檢通過后，若高液位yk2、低液位yk1中有1個閉合，啟動排水程序。3.2.2 過濾器注水 圖6為系統(tǒng)注水流程。注水狀態(tài)時，控制器控制進水閥門s1打開，出水閥s2關(guān)閉，bq抽氣閥開啟，bq1排水平衡氣閥、bq2反應(yīng)排氣閥關(guān)閉，b2氣泵工作，過濾器處于負(fù)壓狀態(tài)，清水在過濾器負(fù)壓

15、與外部水壓共同作用下注入到過濾器中，隨著過濾器中液位的上升，液位開關(guān)低液位yk1和高液位yk2先后打開，在高液位yk2打開后，過濾器中的液位達到設(shè)計液位，控制器控制進水閥s1關(guān)閉，注水過程結(jié)束。如果在注水期間出現(xiàn)液位報警或者溫度報警情況，系統(tǒng)立即停止注水，進入報警狀態(tài)。在注水時考慮液位開關(guān)的浮動干擾，設(shè)置注水去抖動延時時間t0，以保證灌水能夠達到預(yù)定液位。3.2.3 反應(yīng)輸氣狀態(tài) 采用電加熱分解碳酸氫銨的方式制取二氧化碳。當(dāng)反應(yīng)開始時，控制器控制進水閥s1關(guān)閉，出水閥s2關(guān)閉，電加熱系統(tǒng)開始工作，反應(yīng)器中原料受熱分解產(chǎn)生二氧化碳與氨氣的混合氣體，bq2反應(yīng)排氣閥開啟，bq1排水平衡氣閥、bq抽

16、氣閥關(guān)閉，反應(yīng)器中產(chǎn)生的混合氣體經(jīng)管道輸送到過濾器中過濾后，得到純凈的二氧化碳氣體，經(jīng)bq2反應(yīng)排氣閥進入b2氣泵加壓后，通過排氣口和相應(yīng)管路輸送到溫室當(dāng)中;在反應(yīng)輸氣中出現(xiàn)液位報警情況時，系統(tǒng)立即停止反應(yīng)，進入報警狀態(tài)。圖7所示為反應(yīng)輸氣流程示意。電加熱反應(yīng)器內(nèi)的原料反應(yīng)完成后，在電加熱系統(tǒng)的作用下，電加熱反應(yīng)器內(nèi)溫度急劇升高，控制器通過反應(yīng)器溫控開關(guān)系統(tǒng)檢測電加熱反應(yīng)器內(nèi)的溫度，當(dāng)電加熱反應(yīng)器內(nèi)的溫度急劇升高到預(yù)定值時，判斷為原料反應(yīng)完成，電加熱系統(tǒng)、b2氣泵和bq2反應(yīng)排氣閥均關(guān)閉。系統(tǒng)自動進入排水流程，排水完成后，缺料指示燈亮起。3.2.4 暫停反應(yīng)延時輸氣狀態(tài) 反應(yīng)過程中，反應(yīng)器起停

17、按鍵控制反應(yīng)器暫停或plc自動控制反應(yīng)器暫停時，由于余熱的影響，仍加熱剩余的碳酸氫銨，此時通過設(shè)置暫停反應(yīng)輸氣，延時狀態(tài)繼續(xù)輸氣，保證系統(tǒng)正常工作。主控制器plc控制電加熱系統(tǒng)停止工作，電加熱反應(yīng)器內(nèi)的原料在余熱作用下分解產(chǎn)生二氧化碳、氨氣和水的混合氣體，電加熱反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的混合氣體仍經(jīng)管道輸送到過濾器內(nèi)，使水對混合氣體中的氨氣進行吸收，再經(jīng)bq2反應(yīng)排氣閥進入排氣氣泵b2加壓后，通過管道輸送到溫室中。同樣，由于排氣氣泵的抽氣作用，電加熱反應(yīng)器與水凈化器均處于負(fù)壓狀態(tài)，避免了內(nèi)部氣體的泄漏。3.2.5 排水狀態(tài) 系統(tǒng)反應(yīng)結(jié)束后，電加熱系統(tǒng)停止工作，進入自動排水狀態(tài)，關(guān)閉進水閥s1，開啟出水閥s

18、2，bq抽氣閥、bq2反應(yīng)排氣閥關(guān)閉，bq1排水平衡氣閥開啟，外部空氣經(jīng)bq1進入二級過濾器，一級過濾器的水在重力作用下由出水閥s2排出，形成負(fù)壓狀態(tài)，二級過濾器中的水在虹吸作用下排入一級過濾器，液位開關(guān)高液位yk2、低液位yk1先后復(fù)位，在液位開關(guān)yk1復(fù)位后排水結(jié)束，排水過程完成。由于液位開關(guān)的浮動，在排水結(jié)束時須設(shè)置排水去抖動時間t2，保證過濾器中的水可以排凈。若在系統(tǒng)設(shè)置的最大排水時間內(nèi)未完成排水，則進入排水超時報警。排水狀態(tài)流程如圖8所示。系統(tǒng)設(shè)置也可通過觸摸屏停止反應(yīng)，強制排水。3.2.6 報警狀態(tài) 系統(tǒng)報警邏輯由2個部分組成，一部分為溫控報警，一部分為水位報警。溫控報警由溫度傳感

19、器觸發(fā)，當(dāng)設(shè)備缺料或者無料干燒時溫度會急劇升高，觸發(fā)溫度傳感器對應(yīng)程序的常閉開關(guān)閉合，系統(tǒng)停止加熱進行缺料報警，同時進行延時輸氣，觸摸屏上面顯示缺料報警。水位報警則是通過上液位和下液位傳感器實現(xiàn)的，若下液位沒有觸發(fā)上液位就已經(jīng)觸發(fā)，說明在2個傳感器中存在硬件故障，須要及時檢查液位傳感器。在系統(tǒng)反應(yīng)過程中設(shè)置的參數(shù)如果不合理也會報警。注水時間和排水時間設(shè)置過短，機器沒有注滿水或者沒有能夠排除所有的水，系統(tǒng)報警，觸摸屏上顯示注水超時或者排水超時。3.3 上位機觸摸屏的組態(tài)設(shè)計觸摸屏作為plc的上位機，可以中斷plc的進程，更改plc的工作狀態(tài)，設(shè)置各種初始參數(shù)。系統(tǒng)進入待機狀態(tài)時可以通過觸摸屏更改

20、注水時間、排水時間、加熱時間等參數(shù)。系統(tǒng)的功能框圖如圖9所示。在組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境中根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求建立相應(yīng)的監(jiān)控窗口，進行畫面編輯、關(guān)聯(lián)變量、動畫連接、建立腳本等操作。設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)設(shè)定界面如圖10所示。4 系統(tǒng)控制算法設(shè)計溫室系統(tǒng)是一個非線性、時變、大滯后的復(fù)雜系統(tǒng)5-6，若采用傳統(tǒng)控制方法或現(xiàn)代控制理論很難實現(xiàn)對系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，模糊控制7不須要建立被控對象，而是根據(jù)實際的輸入輸出，把專家的知識和現(xiàn)場操作工人的操作經(jīng)驗總結(jié)成一系列的控制規(guī)則，利用模糊邏輯推理和軟件程序?qū)ο到y(tǒng)進行實時、準(zhǔn)確控制，而且模糊控制具有強魯棒性和高穩(wěn)定性。模糊決策控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，而模糊控制器由模糊化控制、

21、模糊決策模塊和清晰化模塊3個部分組成（圖11）。結(jié)合溫室內(nèi)二氧化碳濃度的變化規(guī)律，應(yīng)用模糊控制理論，建立多輸入單輸出的溫室二氧化碳施肥模糊決策系統(tǒng)，在氣肥調(diào)控的過程中，實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)氣肥環(huán)境的動態(tài)決策調(diào)控8，詳細算法將另文撰述。5 系統(tǒng)測試圖12為日光溫室番茄施用co2前、后棚室內(nèi)的co2濃度變化趨勢，其中靠下的曲線為未增施co2棚室內(nèi)的co2變化趨勢。施用co2前，在08：00之后隨著太陽光照的逐漸加強，對照溫室的co2濃度呈迅速下降趨勢，但是下降的速度稍慢一些，11：00左右通風(fēng)后棚室二氧化碳的濃度水平在 300 l/l 左右，此后即使采用通風(fēng)措施也不能提高棚室內(nèi)的二氧化碳濃度，該

22、濃度水平一直維持到16：30之后才開始上升，說明此時僅靠通風(fēng)所補充的co2已不能滿足作物光合作用的需要，亟需其他方式補充co2。采用氣肥補施系統(tǒng)后，在棚室內(nèi)co2濃度下降到接近大氣濃度時系統(tǒng)即開始工作，同時隨著光照度的增加，可控制棚室內(nèi)co2濃度水平相應(yīng)提高，且維持在600 l/l以上，在16：00左右之后呈下降趨勢，至17：30左右與未增施前基本持平。6 小結(jié)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中易獲得的碳酸氫銨為反應(yīng)原料，不使用硫酸和碳酸氫銨反應(yīng)，應(yīng)用電加熱的方式獲取二氧化碳，提高了設(shè)備使用的安全性和設(shè)備的推廣適用性。設(shè)備主體采用不銹鋼材料加工，并設(shè)計氣壓自動換水系統(tǒng)，既提高了設(shè)備的自動化程度，又避免了系統(tǒng)薄弱器件與腐蝕性液體的直接接觸，延長了設(shè)備的使用壽命。采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用氣泵抽氣和輸送，使得反應(yīng)器內(nèi)維持負(fù)壓狀態(tài)，克服了反應(yīng)器密封的難題，并能實現(xiàn)氣體的帶壓輸送，輸送距離遠、效率高，而且減少