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溫室二氧化碳?xì)夥虱h(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

返回列表 來源：未知 發(fā)布日期：2019-04-19 09:14【大 中 小】
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?xì)怏w肥料已成為一項(xiàng)重要的增產(chǎn)措施?，F(xiàn)有的二氧化碳?xì)怏w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，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(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但控制困難，難以精確調(diào)控，針對此種情況，筆者設(shè)計(jì)了電加熱型氣肥發(fā)生器，采用碳酸氫銨作為反應(yīng)原料，價(jià)格便宜，使用方便。同時(shí)系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器作為主控制器，運(yùn)用組態(tài)技術(shù)、無線通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣輸氣的自動(dòng)化，完成對溫室大棚生產(chǎn)過程中二氧化碳?xì)夥实难a(bǔ)充，并且可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān) 控，提高瓜果蔬菜的質(zhì)量和產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)溫室的智能化生產(chǎn)，減輕工人的作業(yè)強(qiáng)度，也對實(shí)現(xiàn)我國溫室內(nèi)設(shè)備的規(guī)模化和科學(xué)化管理有一定的促進(jìn)作用。
1 系統(tǒng)總體方案
設(shè)計(jì)溫室二氧化碳?xì)夥收{(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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示出來，并繪出歷史曲線等。同時(shí)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(jìn)行智能調(diào)控。

溫室二氧化碳?xì)夥虱h(huán)境調(diào)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示， 分為上位機(jī)與下位機(jī)2個(gè)部分，下位機(jī)為PLC控制器，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(jī)接口和上位機(jī)，與PLC進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)地顯示采集數(shù)據(jù)、儲存及進(jìn)行歷史信息統(tǒng)計(jì)，并對系統(tǒng)工作參數(shù)如注水時(shí)間、排水時(shí)間、延時(shí)輸氣時(shí)間、延時(shí)排水時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，通過下位機(jī)PLC編寫對各個(gè)子系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控的程序，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)整體的智能調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)溫室中氣肥發(fā)生器的正常運(yùn)行和室內(nèi)二氧化碳的補(bǔ)償和平衡。
系統(tǒng)總體過程如下:上電后，系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)判定當(dāng)前溫室內(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(jìn)行溫室中二氧化碳?xì)夥虱h(huán)境的自動(dòng)智能控制。通過人機(jī)接口，可以實(shí)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。

2二氧化碳?xì)夥拾l(fā)生器的設(shè)計(jì)
2.1 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(jìn)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



2. 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(shí)，會(huì)造成密封困難，容易發(fā)生氨氣的泄漏;同時(shí)采用單級清水吸收過濾氨氣，在反應(yīng)一段時(shí)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差。 針對該種情況，筆者對傳統(tǒng)電加熱氣肥發(fā)生器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。改進(jìn)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(dòng)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?xì)怏w。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(shí)，即可判斷反應(yīng)器中原料消耗完畢。配合外部自動(dòng)換水與氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)工作。考慮設(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)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)觸摸屏的組態(tài)設(shè)計(jì)和下位機(jī)PLC的程序設(shè)計(jì)。

3.1 PLC主程序設(shè)計(jì)PLC主程序流程。
PLC上電，系統(tǒng)初始化后可進(jìn)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(dòng)、自動(dòng)模式，手動(dòng)模式中人直接控制系統(tǒng)的各部分運(yùn)行，單獨(dú)執(zhí)行相關(guān)的設(shè)備;自動(dòng)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(jìn)行對比，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室中的環(huán)境，當(dāng)自動(dòng)、手動(dòng)模式遇到設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行并報(bào)警。 為方便控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2個(gè)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(jìn)入 待機(jī)狀態(tài)，人工添加原料后，按下系統(tǒng)起停按鍵K1，系統(tǒng)進(jìn)入注水狀態(tài)。注水結(jié)束后，再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。閉合反應(yīng)器起停按鍵K2，進(jìn)入反應(yīng)狀態(tài)。手動(dòng)模式下此時(shí)將直接反應(yīng)供氣，自動(dòng)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(jì)
3.3 系統(tǒng)上電初始化
系統(tǒng)初始化流程，系統(tǒng)上電后，初始化，進(jìn)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)、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(bào)警器F1蜂鳴報(bào)警，此時(shí)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(bào)警停止，進(jìn)入上電待機(jī)狀態(tài)。為提高系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上電自檢通過后，若高液位YK2、低液位YK1中有1個(gè)閉合， 啟動(dòng)排水程序。

4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(jì)氣壓自動(dòng)換水系統(tǒng)，既提高了設(shè)備的自動(dòng)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。