基于PLC的寒地水稻催芽溫濕度控制系統的研究與設計

孫善惡等

摘 要：文章設計水稻催芽溫濕度控制系統以PLC為主控制器，用無線通信和有線兩種通信方式與現場控制單元、工業觸摸屏和上位機PC進行時時的通信。該系統通過對電爐絲、排風扇、水泵等控制，能實現對系統中的水溫、水位、催芽環境的溫度和濕度進行立體監測及精確控制，同時該系統具有故障自診斷功能及開放性優點，也具有較高的穩定性，能夠達到水稻催芽的“快、齊、勻、壯”的工藝要求和水稻催芽的工廠化生產需要。

關鍵詞：水稻催芽；PLC；無線通信

水稻是我國的主要糧食作物之一，全國常年水稻種植面積約占糧食作物的27%，水稻總產量約占糧食作物總產量的37%[1]。催芽是水稻育苗生產過程中的第一個環節，也是水稻生產過程中重要的關鍵技術，對培育壯秧起著決定性的作用[2]。在我國東北地區，對水稻芽種的需求量大，主要采用控制水稻芽種溫度方式完成催芽。水稻的催芽是一復雜過程，受溫度、濕度、二氧化碳、氧氣等環境因素共同作用的，因此單一控制水稻芽種的溫度，顯然并不能高效和保質對水稻芽種進行催芽[3]。因此，研究并設計水稻芽種催芽環境溫濕度的集散控制系統，以滿足水稻芽種催芽的工廠標準化生產的需要，并有效提高芽種出芽質量。

1 系統整體設計

控制器PLC先采集現場的模擬量數值，然后根據相應的系統控制程序和用戶設定的系統參數，最后控制現場設備。可將控制系統主要分為三大閉環控制回路：水溫、環境溫度和環境濕度，因此系統可根據水稻催芽過程中的不同階段，將上面它們控制在相應的范圍。另外，當系統需要擴展的時候，僅需要擴展PLC及現場設備[4-5]。整個生產流程不僅可以在現場組態屏和上位機PC進行監控，也可用網絡技術進行遠程監視與操作。使水稻催芽生產的各個階段都在系統的監視與控制下進行，提高生產的安全性。

2 硬件設計

水稻催芽控制系統中，硬件設計主要分為催芽箱的結構和控制系統的硬件選擇。

2.1 催芽箱設計

催芽箱的箱體結構采用上、下兩部分的布局，中間采用金屬骨架隔開。其具體結構示意圖如圖2所示：這樣箱體結構的設計有以下優點：（1）由于催芽箱下面存在著大量的適合水稻催芽溫度的水，增大了催芽箱內的平均比熱容和熱能，提高了系統的抗干擾性。（2）這樣的設計改變了原來兩個箱子之間熱水的循環系統，降低設備的成本同時，簡化了控制流程。對于催芽過程的溫度控制采用分組電加熱方式，電加熱可以使本系統具有升溫速度快、能源利用率高、溫度容易控制等優點。分組加熱還具有當下部水箱的水溫不均勻時，能根據電加熱絲所處的溫度環境，對其進行相應加熱操作，因此能更好地維持水溫的均勻性。

濕度的控制方法采用排風扇抽濕的方法，在催芽箱的上部放有帶孔的管道，當外部的排風扇開始工作時，會將催芽箱多余的濕度排出。在相對封閉的環境中，濕度較大的地方往往存在于其頂部，在催芽箱的正常工作時，環境中濕度往往只是增大，所以采取在催芽箱的頂部對其單一進行排濕操作。

2.2 控制系統硬件選擇

核心控制器選擇為三菱FX2N系列PLC，是小形化，高速度，高性能。因為加熱模式采用晶體管的輸出模式，所以FX2N選擇為晶體管輸出的型號。在模擬量采集上，由于系統采集的模擬量的點數較多，模擬量的實時性要求并不太高，都采用FX2N的模擬量模塊成本較大，所以采用模擬量采集模塊采集擬量，其可以獨立采集模擬量，并可以將其通過MODBUS通信協議方式將其傳輸給上位機現場組態屏。觸摸屏選擇深圳顯控科技有限公司的SA-5.7F人機界面，通過觸摸屏的兩個COM口，分別實現采集模擬量采集與PLC通信。

3 軟件設計

催芽系統中PLC的軟件設計流程如圖3所示。當啟動控制系統的時候，系統先檢測下部水箱的水位，只有當水位達到一定的高度之后才允許進行之后的操作。在催芽過程中當水位低于某一個值之后將會停止一切操作，進行補水操作，水位是優先級最高的一個操作。

當空氣中的溫度低于催芽的溫度時，會啟動弱噴淋系統。在催芽的過程中，只要催芽箱的溫度超過溫度上限，進水閥會打開，下部水箱中會注入大量涼水將水箱的熱水中和到相對正常催芽較低的溫度，之后啟動強噴淋系統，這時候溫度相對較低的水噴到芽種上，及時對芽種進行降溫保護。當濕度傳感器檢測到濕度大于規定值的時候，啟動排風扇將多余的濕度排出種箱。通過以上的控制可以使水稻種箱的環境維持在水稻催芽的合適環境中，促進水稻芽種的催芽。

4 結束語

通過分析現有水稻催芽主要方式，研究并設計寒地水稻催芽溫濕度控制系統，以期改善其生產方式中監控各個環境因子方法，提高水稻芽種的生產效率。該系統能夠穩定實現催芽所需的溫濕度環境，通過對環境因子進行準確采集，實現實時、全方位監控。有效組合加熱系統、噴淋系統、排風系統，可以使環境參數調整到最適合水稻催芽范圍內，保證生產效率、質量，為水稻催芽產業的工廠化生產提供一定技術支持。

參考文獻

[1]程式華.中國超級水稻育種[M].北京：科學出版社，2010.

[2]程式華，李建.現代中國水稻[M].北京：金盾出版社，2007.

[3]陳健，劉九慶.溫室環境工程技術[M].哈爾濱：東北林業大學出版社，2002.

[4]王建華.計算機控制技術[M].高等教育出版社，2009.

[5]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].機械工業出版社，2009.

作者簡介：孫善惡（1993-），男，黑龍江八一農墾大學在讀。

*通訊作者：石建飛，男，講師，哈爾濱理工大學畢業，現主要從事農業智能化控制技術的研究。