全自動(dòng)電加熱負(fù)壓二氧化碳?xì)夥拾l(fā)生器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 鎵，楊延榮，趙 輝，單慧勇，郭俊旺，衛(wèi) 勇

（1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津市 300384；2.天津龍川潔凈室運(yùn)行管理有限公司，天津市 300384）

0 引言

由于日光溫室自身環(huán)境特點(diǎn)及種植密度等原因，造成溫室內(nèi)二氧化碳濃度嚴(yán)重不足，降低作物光合作用速率，導(dǎo)致干物質(zhì)積累量減少，從而影響植物長(zhǎng)勢(shì)與抗病能力，因此，適量補(bǔ)施氣肥已成為現(xiàn)代化溫室生產(chǎn)中一項(xiàng)重要手段[1，2]。針對(duì)現(xiàn)有利用加熱方式制取二氧化碳的裝置工作時(shí)均處于正壓狀態(tài)，容易造成氣體泄露；水溫隨著反應(yīng)的進(jìn)行而升高，導(dǎo)致氨氣溶解度下降；設(shè)備應(yīng)用在高溫、高濕、多灰塵的環(huán)境中等問(wèn)題[2-4]，設(shè)計(jì)了一種電加熱負(fù)壓二氧化碳?xì)夥拾l(fā)生器控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，通過(guò)Modbus協(xié)議RS485接口通訊。上位機(jī)利用巨控遠(yuǎn)程模塊搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并可對(duì)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間、溫控傳感器閾值、延時(shí)輸氣時(shí)間、換水時(shí)間、氣泵運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。在下位機(jī)PLC控制下可以完成碳酸氫銨加熱、混合氣體過(guò)濾、設(shè)備換水、二氧化碳輸氣等工作過(guò)程自動(dòng)化控制，用戶只需添加碳酸氫銨即可。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型

2.1 PLC選型與電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求選擇信捷PLC，具體型號(hào)為XC2-16RT-C。其工作電壓DC24V，輸入輸出均為8路，具有RS232、RS485通訊接口各一路。

PLC控制電路如圖2所示，PLC輸入端接收無(wú)源開(kāi)關(guān)器件信號(hào)；輸出采用組COM方式，Y0為晶體管輸出，利用脈寬調(diào)制控制固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)反應(yīng)速率，Y5、Y6由于多個(gè)設(shè)備并聯(lián)在一起，為防止電流過(guò)大，采用中間繼電器控制；A和B為RS485接口。

圖2 電氣控制系統(tǒng)電路圖

2.2 遠(yuǎn)程模塊選型

GRM500系列物聯(lián)網(wǎng)模塊是廣州巨控科技開(kāi)發(fā)的專用于PLC遠(yuǎn)程維護(hù)和監(jiān)控的通訊模塊。用戶無(wú)需編程，只需根據(jù)Modbus協(xié)議將PLC內(nèi)部軟元件映射到與之相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部寄存器中即可，模塊采用非透?jìng)鞯腉PRS方式完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，用戶通過(guò)訪問(wèn)廠家云服務(wù)器即可完成遠(yuǎn)程監(jiān)控，并可實(shí)現(xiàn)PLC的遠(yuǎn)程更新，符合系統(tǒng)需求。

2.3 發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及工藝流程設(shè)計(jì)

發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括：電加熱裝置、兩級(jí)過(guò)濾器、負(fù)壓和換水系統(tǒng)。碳酸氫銨在電加熱反應(yīng)器中受熱分解產(chǎn)生氨氣和二氧化碳的混合氣體，在負(fù)壓狀態(tài)下，混合氣體經(jīng)氣路進(jìn)入兩級(jí)氣體過(guò)濾器，氨氣被過(guò)濾器中水吸收形成氮肥，剩余的二氧化碳?xì)怏w被氣泵抽出釋放到溫室中[5-7]。

選擇適當(dāng)?shù)臍獗脜?shù)及氣路管道直徑，保證發(fā)生器在整個(gè)工作過(guò)程中均處于負(fù)壓密封狀態(tài)，有效的避免了反應(yīng)氣體的泄露問(wèn)題；設(shè)計(jì)兩級(jí)過(guò)濾器既使混合氣體的氣路盡可能多接觸水，充分溶解氨氣，又在注水和排水過(guò)程中利用虹吸原理保證整個(gè)裝置氣密性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試氣體出口處氨氣濃度始終保持在1 ppm以下；反應(yīng)器中安裝可調(diào)式溫度控制傳感器以檢測(cè)反應(yīng)器內(nèi)溫度，判定碳酸氫銨消耗完畢；設(shè)備選擇耐腐蝕性不銹鋼材質(zhì)，符合溫室內(nèi)應(yīng)用需求。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制要求

系統(tǒng)上電，用戶向加熱裝置中加入適量碳酸氫銨，按下啟動(dòng)按鈕，進(jìn)水閥門、氣泵、抽氣閥門打開(kāi)，開(kāi)始向兩級(jí)氣體過(guò)濾器內(nèi)注水，待低液位和高液位依次閉合，進(jìn)水閥門、抽氣閥門、氣泵關(guān)閉注水完成；此時(shí)反應(yīng)按鈕未按下，系統(tǒng)待機(jī)，待機(jī)指示燈亮起，若反應(yīng)按鈕按下，加熱裝置啟動(dòng)，反應(yīng)排氣閥、氣泵打開(kāi)；反應(yīng)一定時(shí)間或溫度傳感器斷開(kāi)，加熱裝置關(guān)閉；延時(shí)一段時(shí)間后氣泵、反應(yīng)排氣閥關(guān)閉，出水閥、排水平衡氣閥打開(kāi)，開(kāi)始排水，待高液位和低液位依次斷開(kāi)，排水結(jié)束；此時(shí)若溫度傳感器未斷開(kāi)，循環(huán)工作，若溫度傳感器斷開(kāi)，蜂鳴器響，反應(yīng)完成。系統(tǒng)在工作過(guò)程中，出現(xiàn)故障，蜂鳴器響提示用戶。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用經(jīng)典順序控制，按照發(fā)生器的工藝流程，將系統(tǒng)工作步采用信捷PLC中狀態(tài)寄存器S編號(hào)，然后編寫系統(tǒng)順序功能圖如圖4所示，圖中標(biāo)出每一個(gè)工作步的轉(zhuǎn)換條件和輸出，配合STL指令編寫梯形圖。

圖4 順序功能圖

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控組態(tài)界面設(shè)計(jì)

組態(tài)界面是整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，所以直觀性、便捷性、人性化是組態(tài)界面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為了最大程度簡(jiǎn)化操作過(guò)程，采取“全面、直觀、選項(xiàng)少、界面少”的理念設(shè)計(jì)組態(tài)界面。

圖5為設(shè)備狀態(tài)界面，用戶可以操作并直觀了解設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。前兩行為輸入輸出設(shè)備，其相對(duì)應(yīng)設(shè)備圖標(biāo)變?yōu)榫G色并閃爍；第三行為設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行到此狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)圖標(biāo)閃爍；第四行為設(shè)備報(bào)警提示，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)應(yīng)圖標(biāo)變?yōu)榧t色并閃爍，便于及時(shí)排除故障；最后一行為設(shè)備操作按鈕，當(dāng)按下時(shí)變?yōu)榫G色。

圖5 設(shè)備狀態(tài)界面

圖6為自動(dòng)控制參數(shù)設(shè)置界面，用戶可以設(shè)置自動(dòng)控制中的必要參數(shù)。第一列三個(gè)數(shù)據(jù)分別是當(dāng)前二氧化碳濃度及二氧化碳濃度上下限設(shè)定，其它兩列為設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，用戶可以針對(duì)不同的環(huán)境，對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，從而保證設(shè)備運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

圖7為歷史數(shù)據(jù)查看界面，主要對(duì)二氧化碳濃度及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，可以通過(guò)相應(yīng)按鈕實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

4 結(jié)語(yǔ)

基于PLC技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及組態(tài)技術(shù)，設(shè)計(jì)全自動(dòng)電加熱負(fù)壓二氧化碳?xì)夥拾l(fā)生器控制系統(tǒng)。采用PLC實(shí)現(xiàn)工作過(guò)程自動(dòng)化，巨控模塊完成遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)計(jì)電加熱負(fù)壓發(fā)生器保障設(shè)備的可靠性與安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室內(nèi)二氧化碳的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)補(bǔ)施，保障了溫室內(nèi)作物光合作用對(duì)二氧化碳的需求，從而實(shí)現(xiàn)溫室的智能化生產(chǎn)，減輕了農(nóng)戶的勞動(dòng)強(qiáng)度。