基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統設計

王宜雷，高菊玲*，胡程磊

（1.江蘇農林職業技術學院，江蘇句容 212400；2.江蘇省現代農業裝備工程中心，江蘇句容 212400）

0 引言

蘭花是蘭科類植物的統稱，品種繁多，其中蝶蘭、石斛、萬代蘭等觀賞類花卉較為常見，有些蘭科植物還具有很高的藥用價值[1]。蘭科植物生長需要適宜的環境溫度、濕度和光照強度，除此之外，還需要周期性的補充少量營養液，以達到快速生長的生產需求。補充營養液可采用氣霧栽培技術，氣霧栽培是一種新型的栽培方式，能讓蘭科植物充分吸收到養分，超聲波氣霧栽培的效果受多種因素的影響，其中頻率是一個重要的參數。氣霧栽培技術在現代農業中已得到了廣泛應用，特別是在無土栽培方面具有很大的潛力和發展空間。

現有的植物氣霧栽培控制系統智能化、自動化程度不高，難以達到自動調節環境參數及自動補充營養液的目的[2]。本文針對蘭科植物育苗過程中的控制問題，設計了一種基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統，系統以西門子1200 PLC作為控制器，控制對象主要為超聲波發生器、LED補光燈及空調壓縮機，系統能自動調節超聲波頻率使營養液形成噴霧，吸附在蘭科植物根系以提供所需的水分和養分，同時還能自動調節光照強度和室內溫度，更好地實現氣霧栽培的自動化和精確化管理，提高栽培效果和經濟效益。

1 控制系統組成及工作原理

超聲波氣霧栽培控制系統的控制要求主要包括：

1）系統可切換手動/自動控制方式；

2）在自動控制方式下，系統能根據設定的每日霧化時間段與植物生長周期自動調整超聲波霧化頻率，同時可以自動調節室內環境參數，包括溫濕度與光照強度；

3）在手動控制方式，通過人機界面可以控制超聲波發生器、LED補光燈及空調壓縮機，并通過手動調節霧化頻率、光照強度與室內溫濕度；

4）人機界面能夠正確顯示當前超聲波霧化頻率及霧化時間段，以及光照強度、室內溫濕度、設備運行狀態等信息；

5）控制系統具有一定的報警功能，當光照強度、溫濕度超過范圍值時，能夠發出報警指示燈，并能通過確認按鈕進行復位。

1.1 控制系統組成

該控制系統主要由PLC（含模擬量擴展模塊）、溫濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳傳感器、按鈕及轉換開關、觸摸屏、超聲波發生器、補光燈、空調壓縮機及報警指示燈等組成。傳感器用于實時檢測室內環境參數，并轉換為4～20 mA標準電流信號發送給PLC。PLC作為控制器，負責接收傳感器及按鈕開關等信號，并根據設定值與邏輯控制關系發出控制命令，控制超聲波發生器、補光燈及空調壓縮機等運行。PLC用模擬量輸出信號控制超聲波發生器，頻率在0.5 MHz至3 MHz之間。空調壓縮機為變頻控制方式，PLC用模擬量輸出信號控制運行頻率，調節室內溫濕度。PLC用開關量輸出信號控制補光燈、報警指示燈等設備。觸摸屏用以設定參數與實時顯示系統運行狀態等信息。基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統框圖如圖1所示。

圖1 基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統框圖

1.2 基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統的工作原理

根據蘭科植物的生長特性制定適宜的環境參數及氣霧栽培參數，本文以生長期的蝴蝶蘭為氣霧栽培對象，制定如表1的栽培參數。

表1 栽培參數

在氣霧栽培過程中，需要綜合考慮植物的生長階段、當地的氣候條件和種植環境，進行適當的調整。

圍繞栽培參數，控制系統不斷獲取傳感器的反饋信號，以實時監測環境參數的變化情況。根據反饋信號，PLC發出相應的命令來維持目標環境參數。具體工作原理如下：

初始狀態，傳感器將環境參數轉化為電信號輸入到PLC中，經過PLC運算后顯示在觸摸屏界面上，如溫度、濕度、光照強度及二氧化碳濃度超過范圍值時，發出報警指示，溫度的范圍為17～28℃，濕度的范圍為58%～80% RH，光照強度的范圍為9 000～15 000 lux，二氧化碳濃度的范圍為950～1 500 ppm。

將轉換開關切換至手動控制方式，在觸摸屏手動運行界面上可以對設備進行控制，通過按下界面上超聲波霧化啟動、補光燈打開及空調壓縮機啟動等按鈕運行相應的設備，手動調整氣霧栽培及環境參數。觸摸屏與PLC采用以太網通訊方式，觸摸屏將接收到的信號傳送至PLC，并將PLC采集到的數據顯示在手動運行界面上。

將轉換開關切換至自動控制方式，在觸摸屏自動運行界面上對栽培參數進行適當的調整，如沒有調整，則默認按表1栽培參數進行控制。當按下啟動按鈕后，系統進入自動運行模式，按時間段自動進行氣霧栽培控制，包括計算當前溫濕度、光照及二氧化碳濃度等數據與栽培參數之間的偏差，利用PID控制方式對各個參數進行自動控制。在自動運行過程中，可以按下停止按鈕退出自動運行模式，如果出現事故，則立即按下緊急停止按鈕，封鎖PLC的所有輸出，保障設備安全。

2 基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統設計

2.1 系統硬件設計

本設計以PLC作為控制器，除了編程方便靈活外，主要還由于其具備較高的抗干擾性、安全性與可靠性[3-4]。結合系統的控制要求，并考慮成本及通信便捷等因素，綜合選定了西門子1200系列PLC作為控制器，CPU具體型號選用1212 C，由于系統輸入輸出點數較多，為此增加了擴展模塊SM 1223、SM 1234。

在氣霧栽培控制系統中，溫濕度傳感器主要用于測量室內空氣溫濕度，傳感器輸出模擬量信號接入PLC模擬量輸入通道，因被測量的溫度和濕度位置相近，本設計采用溫濕度一體式的壁掛式溫濕度傳感器，型號為米恩基傳感科技有限公司ME-WS-5W，溫度量程為-40～80℃，濕度量程為0～100% RH，輸出信號4～20 mA電流信號。光照強度傳感器是將光照度大小轉換成標準電信號的一種傳感器，主要由末端傳感器（探頭）和變送器組成。末端傳感器將光照度大小轉化為電信號，變送器則通過調理電路將該電信號轉化為標準的電信號輸出。本設計中，光照強度傳感器輸出4～20 mA電流信號，選用建大仁科傳感器，量程范圍為0～65 535 lux。氣霧栽培控制系統用于相對封閉的環境，作物在室內不斷地進行著光合作用，因此，室內的二氧化碳濃度與外界環境有明顯的差異。二氧化碳傳感器同樣選用建大仁科傳感器，量程范圍為0～5 000 ppm。

觸摸屏選用MCGS TP 7062 TI人機觸摸屏，直流24 V電源電壓供電，支持有線以太網方式通信，采用MCGSE組態環境軟件進行組態，組態功能強大且方便靈活，觸摸屏運行穩定可靠[5]。

2.2 系統I/O地址分配

在I/O地址分配過程中，開關量輸入主要包括轉換開關、按鈕及設備運行狀態反饋等信號，模擬量輸入主要包括環境參數信號，如光照強度信號、溫度信號、濕度信號及二氧化碳濃度信號，開關量輸出控制超聲波發生器、補光燈、空調壓縮機、加濕器、二氧化碳供給裝置及報警指示燈，除此之外，PLC模擬量輸出信號進行控制氣霧栽培的超聲波頻率及空調溫度。基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統I/O地址分配表如表2所示。

表2 I/O地址分配表

2.3 系統控制流程圖

基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統的重要功能在于自動調節超聲波氣霧栽培頻率及環境參數，在自動方式下按下啟動按鈕，程序開始執行自動控制流程，自動控制流程簡述如下：

1）控制系統自動判斷是否處于自動控制方式，如不在自動方式，則將1寫入報警變量MW 20地址中，觸摸屏界面彈出報警信息，流程退出。

2）判斷已設置的栽培參數是否合理，如果栽培參數設置不合理，超出預定范圍，則將2寫入報警變量MW 20地址中，觸摸屏界面彈出報警信息，流程退出。

3）條件如已滿足，則執行按時間段周期性自動氣霧栽培、溫度自動控制、濕度自動控制、光照強度自動控制及二氧化碳濃度自動控制。

4）自動控制啟動時間20 s內無環境參數超限報警，則自動控制流程執行成功，系統進入自動運行狀態。

基于PLC的超聲波氣霧栽培自動控制流程圖如圖2所示。

圖2 自動控制流程圖

在自動運行狀態下，系統將自動調節超聲波氣霧栽培頻率及環境參數，其中超聲波氣霧栽培自動控制流程如圖3所示。

圖3 超聲波氣霧栽培自動控制流程圖

3 系統調試與運行

系統調試前，先將觸摸屏、PLC 用以太網網線連接到同一交換機上，設備上電后進入聯機調試。首先在觸摸屏界面上，觀察環境參數、設備狀態及指示燈等顯示是否正常，確認無誤后，將轉換開關切換至手動控制方式，同時在“手動控制界面”中，觀察轉換開關是否處于“手動”位置，然后測試各項控制功能等是否正常，依次啟動超聲波發生器、空調壓縮機、補光燈、加濕器及二氧化碳供給裝置，觀察設備是否正常動作，同時觸摸屏界面中的環境參數也應隨之變化。

在“自動控制界面”中完成系統自動控制調試，先將轉換開關切換至自動控制方式，依次輸入栽培參數，確認無誤后點擊“啟動”按鈕，觸摸屏出現二次確認彈框，再次確認后，系統進入自動控制運行，根據每日霧化時間段與植物栽培指標自動控制超聲波頻率、室內環境參數。當出現環境參數超過范圍值時，報警指示燈亮，通過控制箱復位按鈕進行復位。基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統手動、自動控制觸摸屏界面如圖4、圖5所示。

圖4 手動控制方式界面

圖5 自動控制方式界面

4 結論

氣霧栽培控制系統能夠為植物提供最佳的生長條件，在各種環境條件下實現植物的快速生長和高產量，具有節水和節能等諸多優點，已被廣泛應用于室內農業、城市農業和垂直農場等領域[6]。目前，氣霧栽培控制系統正朝著自動化、智能化和精細化管理的方向發展。本文針對蘭科植物育苗設計出一種基于PLC的超聲波氣霧栽培控制系統，既實現了超聲波氣霧栽培功能，還可以對栽培環境進行智能化管控，可以有效提高植物栽培水和養分的利用效率，減少病蟲害發生，提高栽培的成活率。該系統以PLC作為控制器，提高了系統的可靠性與穩定性，通過試驗結果表明，該裝置符合開發要求，具有一定的應用價值，但在傳感檢測和功能設計方面仍有進一步優化的空間。