23 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021年第4期 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 1 2 楊延榮 1 趙 輝 1 單慧勇 1 郭俊旺 1 衛(wèi) 勇 1 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 摘要 為改善日光溫室生產(chǎn)中二氧化碳匱乏問題 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為主控制器 完成對(duì)氣泵 電磁閥 加熱裝置等執(zhí) 行器的控制 巨控模塊作為主機(jī) 通過Modbus協(xié)議與 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 并通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終 端 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示 存儲(chǔ)及歷史信息統(tǒng)計(jì) 設(shè)計(jì) 電加熱負(fù)壓發(fā)生器利用碳酸氫銨受熱分解的化學(xué)性質(zhì)制 備二氧化碳?xì)夥?發(fā)生器結(jié)構(gòu)既防止了氣體泄漏 又保 證了輸出二氧化碳的純度 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn) 定可靠 組態(tài)界面簡(jiǎn)潔方便 實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室內(nèi)二氧化碳 的精準(zhǔn)補(bǔ)施 關(guān)鍵詞 溫室 二氧化碳 遠(yuǎn)程監(jiān)控 負(fù)壓 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 混合氣體過濾 設(shè)備換水 二氧化碳輸氣等工作 過程自動(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 作者簡(jiǎn)介 于鎵 1989 男 碩士研究生 助理工程師 主要 從事電氣自動(dòng)化方面的研究 通訊作者 楊延榮 1976 女 碩士研究生 講師 主要從事 機(jī)電一體化技術(shù)方面的研究 圖2 電氣控制系統(tǒng)電路圖 24 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021年第4期 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輸入端接收無源開關(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 為防止電流過大 采用中間繼電 器控制 A和B為RS485接口 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 用戶通過訪問廠家云服務(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)氣體過濾器 氨 氣被過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)氣體的泄露問題 設(shè)計(jì)兩級(jí)過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 圖3 發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)示意圖 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 開始 向兩級(jí)氣體過濾器內(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 反應(yīng) 一定時(shí)間或溫度傳感器斷開 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 開始排水 待高液位和低液位依次斷開 排水結(jié) 束 此時(shí)若溫度傳感器未斷開 循環(huán)工作 若溫度傳感 器斷開 蜂鳴器響 反應(yīng)完成 系統(tǒng)在工作過程中 出 現(xiàn)故障 蜂鳴器響提示用戶 3 2 PLC程序設(shè)計(jì) P L C 程 序 設(shè) 計(jì)采用經(jīng)典順序控制 按照發(fā)生器的工藝 圖5 設(shè)備狀態(tài)界面 25 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021年第4期 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)?綠色 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 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 圖6 參數(shù)設(shè)置界面 圖7 歷史數(shù)據(jù)查看界面 參考文獻(xiàn) 1 杜金偉 姜偉 付崇毅 王建國(guó) 杜剛強(qiáng) 朱春俠 董程明 設(shè) 施條件下二氧化碳?xì)怏w施肥器的應(yīng)用 J 北方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2016 44 04 125 127 2 高瑞龍 設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的二氧化碳施肥器設(shè)計(jì) D 西安工 業(yè)大學(xué) 2016 3 王雙喜 王旭 FCP系列自壓平衡式CO 2 發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及其 應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 2007 09 13 14 4 張淑娟 王雙喜 劉淑珍 自壓平衡式CO 2 發(fā)生器的設(shè)計(jì)與應(yīng) 用 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2003 01 148 150 5 單慧勇 李靖 張行健 李合偉 趙輝 王遠(yuǎn)宏 衛(wèi)勇 于鎵 李傳坤 用于電加熱分解碳酸氫銨制取二氧化碳的自動(dòng)控 制系統(tǒng) P 天津 CN205634903U 2016 10 12 6 李合偉 單慧勇 趙輝 王遠(yuǎn)宏 衛(wèi)勇 于鎵 李傳坤 電加 熱分解碳酸氫銨產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w發(fā)生裝置 P 山東 CN205623367U 2016 10 12 7 單慧勇 李合偉 趙輝 王遠(yuǎn)宏 衛(wèi)勇 于鎵 李傳坤 用于電 加熱分解碳酸氫銨制取二氧化碳的自動(dòng)控制系統(tǒng) P 天 津 CN105948828A 2016 09 21