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北方寒地溫室大棚自動測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
摘要：溫室大棚是北方寒地地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，溫室大棚測控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學(xué)化的基本保證。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物在不適宜生長的反季節(jié)中，可獲得比室外生長更優(yōu)的環(huán)境條件，從而使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。本文主要針對溫室二氧化碳濃度，設(shè)計(jì)了以PLC為核心的溫室大棚二氧化碳濃度監(jiān)控系統(tǒng)，在軟硬件上進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳濃度的精確測量與準(zhǔn)確控制。
關(guān)鍵字：溫室PLC二氧化碳組態(tài)
1溫室大棚內(nèi)二氧化碳參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制
大氣中二氧化碳濃度一般為0.03%，在春冬溫室大棚種植蔬菜時(shí)，為了保溫，大棚常常處于封閉狀態(tài)，缺少內(nèi)外氣態(tài)交換，二氧化碳濃度變幅較大。溫室大棚中二氧化碳濃度的日變化一般規(guī)律是：在夜間，由于作物的呼吸作用、土壤微生物活動和有機(jī)質(zhì)分解，生成的二氧化碳使大棚內(nèi)二氧化碳濃度很快增加，可比棚外空氣中二氧化碳濃度高近一倍，但早晨日出后，作物光合作用加強(qiáng)，又大量消耗棚內(nèi)夜間積存的二氧化碳，使其濃度急劇下降，日出后1小時(shí)，二氧化碳濃度下降至300ppm左右，日出后2-3小時(shí)后，如不通風(fēng)換氣，其濃度將繼續(xù)下降，甚至降到作物的二氧化碳補(bǔ)償點(diǎn)80-150ppm，這時(shí)由于二氧化碳的濃度過低，葉片的光合作用基本停止，因此從日出后半小時(shí)到通風(fēng)換氣這段時(shí)間內(nèi)，二氧化碳最為缺乏，已成為作物生長的重要障礙，在這段時(shí)間內(nèi)，必須用人工增施二氧化碳來補(bǔ)充棚內(nèi)該氣體的不足，合理應(yīng)用這一方法才能促使溫室和大棚作物增產(chǎn)，這也是溫室和大棚必須增施二氧化碳?xì)怏w的基本原理。
2總體方案設(shè)計(jì)
本文在設(shè)計(jì)上采用西門子S7-200PLC為控制核心的溫室大棚二氧化碳濃度測控系統(tǒng)。系統(tǒng)可以獨(dú)立完成對溫室大棚內(nèi)二氧化碳濃度信息的采集、處理和顯示，根據(jù)設(shè)定的需求控制二氧化碳濃度，在當(dāng)濃度超限時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)發(fā)出執(zhí)行動作。輸入通道為二氧化碳濃度檢測模塊，檢測模塊使用二氧化碳傳感器模塊，得到的模擬信號通過模擬接口傳入PLC變?yōu)閿?shù)字信號。輸出通道為二氧化碳濃度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，二氧化碳濃度信號進(jìn)入PLC，經(jīng)過軟件處理，PLC輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制二氧化碳濃度。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一個帶有電磁閥的二氧化碳容器，當(dāng)PLC發(fā)出執(zhí)行信號，電磁閥就會打開放出二氧化碳?xì)怏w，PLC發(fā)出關(guān)斷信號，電磁閥就會關(guān)閉。報(bào)警系統(tǒng)采用聲光報(bào)警模式，系統(tǒng)在二氧化碳濃度超出系統(tǒng)所設(shè)定的上限或者下限時(shí)，將會觸發(fā)報(bào)警電路，提醒工作人員注意。系統(tǒng)本身除有自動控制二氧化碳濃度功能外，也可手工利用電腦來發(fā)出指令，命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出二氧化碳，實(shí)現(xiàn)了雙向控制。系統(tǒng)還可以集成其他溫室環(huán)境因子的模塊，如溫度、濕度和光照的控制等，都可以以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)溫室大棚的多環(huán)境因子共同監(jiān)控。
檢測系統(tǒng)的框架圖
3硬件設(shè)計(jì)
溫室大棚內(nèi)二氧化碳濃度自動監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路由西門子S7-200系列的224型PLC加上EM231模擬量輸入模塊、二氧化碳濃度檢測電路、光強(qiáng)檢測電路、二氧化碳執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路、報(bào)警電路、顯示電路和電腦構(gòu)成。二氧化碳濃度傳感器采用TGS4160，這種二氧化碳傳感器除了具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)外，還具有耐高濕低溫的特性。其檢測模塊使用費(fèi)加羅（FIGARO）公司提供的AM-4二氧化碳傳感器模塊，得到的模擬信號通過模擬接口傳入PLC變?yōu)閿?shù)字信號。電腦的作用是使用MCGS組態(tài)軟件來對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，使得用戶在電腦旁就可以對大棚的整個狀況實(shí)行監(jiān)控和控制。
4軟件設(shè)計(jì)
智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)系統(tǒng)軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件的搭建采用組態(tài)軟件MCGS6.2,下位機(jī)系統(tǒng)軟件則采用西門子公司的STEP7Micro/WIN32編程軟件來實(shí)現(xiàn),通過上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信連接,可以滿足用戶對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢和監(jiān)測。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,選用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件MCGS6.2實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上位機(jī)軟件的搭建,根據(jù)控制系統(tǒng)的要求,該系統(tǒng)主要包括溫室控制工程主界面、溫室參數(shù)實(shí)時(shí)曲線、溫室參數(shù)歷史曲線、數(shù)據(jù)瀏覽等主要用戶界面。溫室控制工程界面給出控制系統(tǒng)的總體設(shè)備布置圖,并實(shí)時(shí)顯示一些重要參數(shù),可以對現(xiàn)場參數(shù)根據(jù)控制要求進(jìn)行調(diào)節(jié),以滿足作物生長的需要。溫室參數(shù)實(shí)時(shí)曲線和溫室參數(shù)歷史曲線分別以曲線的形式顯示溫室環(huán)境參數(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況,操作人員可以在曲線上獲取所要查詢的參數(shù)信息。數(shù)據(jù)瀏覽是以數(shù)字的形式給出溫室環(huán)境參數(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況。在設(shè)計(jì)過程中首先在組態(tài)環(huán)境下建立工程,然后在用戶窗口中制作工程畫面,在設(shè)備工具箱中選擇所用硬件設(shè)備,按照溫室內(nèi)設(shè)備的相應(yīng)位置進(jìn)行放置并進(jìn)行連接。在搭建完成工程畫面后還要進(jìn)行數(shù)據(jù)對象的定義和動畫連接,把相應(yīng)的靜態(tài)圖片和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立連接,實(shí)現(xiàn)動畫效果。曲線的顯示由實(shí)時(shí)曲線控件和歷史曲線構(gòu)件來實(shí)現(xiàn),最后進(jìn)行設(shè)備的連接和通訊,經(jīng)調(diào)試后投入運(yùn)行。
5結(jié)論
溫室大棚環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)是我國現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的推廣產(chǎn)品，二氧化碳濃度是作為溫室大棚環(huán)境中最重要的的因素之一。所以，溫室大棚二氧化碳濃度自動監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)，有著舉足輕重的作用。而且，本設(shè)計(jì)可以作為其他環(huán)境因素監(jiān)控的基礎(chǔ)，可以在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的改進(jìn)，形成功能更加完善的產(chǎn)品，可以推進(jìn)我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的步伐。
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