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溫室二氧化碳氣肥環(huán)境調控系統(tǒng)設計

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) 中施用二氧化碳氣體肥料已成為一項重要的增產(chǎn)措施?，F(xiàn)有的二氧化碳氣體肥料的制備有高壓鋼瓶、酸鹽反應、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)中得到廣泛應用。特別是傳統(tǒng)酸鹽反應型，雖有價格便宜的優(yōu)點，但控制困難，難以精確調控，針對此種情況，筆者設計了電加熱型氣肥發(fā)生器，采用碳酸氫銨作為反應原料，價格便宜，使用方便。同時系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器作為主控制器，運用組態(tài)技術、無線通信技術等實現(xiàn)產(chǎn)氣輸氣的自動化，完成對溫室大棚生產(chǎn)過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)我國溫室內設備的規(guī)?；涂茖W化管理有一定的促進作用。
1 系統(tǒng)總體方案
設計溫室二氧化碳氣肥調控系統(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)進行智能調控。

溫室二氧化碳氣肥環(huán)境調控系統(tǒng)總體結構如圖1所示， 分為上位機與下位機2個部分，下位機為PLC控制器，主要完成對二氧化碳反應器、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、反應時間進行設置，通過下位機PLC編寫對各個子系統(tǒng)工作狀態(tài)進行調控的程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)整體的智能調控，最終實現(xiàn)溫室中氣肥發(fā)生器的正常運行和室內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)境調控系統(tǒng)后， PLC控制器依據(jù)內置的模糊決策算法動態(tài)判定當前溫室內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)相應的參數(shù)設定和信息查看，如作物類型設定、控制模式設定、歷史數(shù)據(jù)信息查看、傳感器參數(shù)設定等各種操作。

2二氧化碳氣肥發(fā)生器的設計
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



2. 2 氣肥發(fā)生器的結構
傳統(tǒng)電加熱型氣肥發(fā)生器的反應器處于正壓狀態(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，在反應一段時間后，由 于吸收器內的水溫升高，導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)生器進行改進設計，其結構示意如圖2所示。改進后的氣肥發(fā)生器核心結構組件包括電加熱反應器、二級過濾器、負壓與氣動排水系統(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)，適當選擇氣泵的參數(shù)，氣泵的抽吸使得反應器、過濾器均處于負壓狀態(tài)，大大地提高了反應器的密封效果，避免了反應氣體的泄漏。在反應器電加熱部分設置溫控傳感器監(jiān)測反應器狀態(tài)，當傳感器溫度直線上升并超過設定閾值時，即可判斷反應器中原料消耗完畢。配合外部自動換水與氣肥環(huán)境調控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的全自動工作?？紤]設備使用環(huán)境，設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)軟件設計
軟件設計包括上位機觸摸屏的組態(tài)設計和下位機PLC的程序設計。

3.1 PLC主程序設計PLC主程序流程。
PLC上電，系統(tǒng)初始化后可進行系統(tǒng)設置，選擇是否設置新的參數(shù)，以及工作方式的設置等。工作方式分為手動、自動模式，手動模式中人直接控制系統(tǒng)的各部分運行，單獨執(zhí)行相關的設備;自動模式中系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集的參數(shù)與系統(tǒng)的設定值進行對比，自動調節(jié)溫室中的環(huán)境，當自動、手動模式遇到設備故障時，系統(tǒng)停止運行并報警。 為方便控制，系統(tǒng)設計了2個控制按鍵，分別為系統(tǒng)起停按鍵K1和反應器起停按鍵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)。注水結束后，再次進入待機狀態(tài)。閉合反應器起停按鍵K2，進入反應狀態(tài)。手動模式下此時將直接反應供氣，自動模式下，由內置控制程序控制反應器是否工作

3.2系統(tǒng)子程序設計
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，進行系統(tǒng)自檢，包括外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、反應器溫控開關系統(tǒng)、液位開關( 高液位YK2和低 液位YK1) 、反應器控制按鍵的狀態(tài)等。若溫控開關斷開，則控制蜂鳴報警器F1蜂鳴報警，此時系統(tǒng)起停按鍵K1、反應器起停按鍵K2不起作用，待溫控開關復位后，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。

4小結
以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中易獲得的碳酸氫銨為反應原料，不使用硫酸和碳酸氫銨反應，應用電加熱的方式獲取二氧化碳，提高了設備使用的安全性和設備的推廣適用性。 設備主體采用不銹鋼材料加工，并設計氣壓自動換水系統(tǒng)，既提高了設備的自動化程度，又避免了系統(tǒng)薄弱器件與腐蝕性液體的直接接觸，延長了設備的使用壽命。