基于PLC系统的二氧化碳施肥系统研究

王 实

(黑龙江职业学院，哈尔滨15080)

0 引言

工业革命以来，大气中CO2浓度一直在不断升高。各发达国家都致力于提高CO2在农业方面的利用率。CO2施肥在设施栽培中开始应用，随着对其生理机制研究的不断深入和大面积CO2施肥增产效益的获得，CO2施肥技术在发达国家设施生产中得到了广泛的推广和应用。挪威CO2施肥的面积占温室总面积的75%，荷兰70年代末CO2施肥面积已达到温室面积的90%以上，而我国由于资源、经济和技术等方面的原因，设施栽培中CO2施肥几乎处于空白，由此带来的产量损失全国在上亿公斤，所以重视和发展设施栽培CO2施肥是大幅度提高蔬菜产量和品质的重要手段。系统将应用于我国东北的粮食大省黑龙江，由于地处我国的东北部冬季高寒，外部的温度、湿度等因为对系统影像较大，系统在实现二氧化碳施肥共能的前提下，考虑如何减弱其他影像因素。

1 系统的设计要求

根据具体应用，文中系统可以实现手动控制、时间控制、浓度控制和室内温度控制四种控制方式。

1)手动控制：利用人机控制面板来控制、调节CO2施放，来达到环境需要。在CO2施放的试验阶段和具体释放时间不确定的情况下以及外部环境因素影响下时使用。控制面板设有启动和停止两个按钮来实现人工控制。文中系统还可以实现远程控制，通过遥控装置来实现手动控制。

2)时间控制：由于每天温室大棚内所需CO2浓度不同，本系统可以通过预先设定来各时间段内CO2施放的浓度，并通过传感器控制达到所需的CO2浓度停止。

3)浓度控制：根据每天温室大棚所需在特定的时间段的CO2浓度要求，设定所需的CO2浓度浓度，同时可设定每天任意时段施放时间。在特定的时间里对温室大棚进行CO2浓度控制。

4)室内温度控制：因为我国南北方温差较大，而且黑龙江省又是我国产粮大省，黑龙江省冬季夜晚温度极低，外界环境对系统工作状态有很大影响，系统通过温度传感器控制加热系统的启动和停止，从来保证温室大棚内的温度。

2 系统控制单元的选取及实现

2.1 控制单元的选取

目前在国内市场上有从美国、德国、日本等国引进的多种系列PLC，国内也有许多厂家组装、开发数十种PLC，故PLC系列标准不一，功能参差不齐，价格悬殊。因为本系统应用于北方寒冷气候，所以首要注意的是PLC的可靠性，其次考虑PLC的性价比和负载能力。文中介绍以CO2施放装置作为控制对象，据对多种因素的分析比较及监控系统输入、输出点数的要求，选用西门子(SIMENS)公司S7-200 CPU221型PLC，此模块是6路输入4路输出，同时因为有浓度和温度的模拟量采集，还要选取EM231扩展模块。

2.2 系统硬件配置及I/O接线

文中控制系统由西门子 S7-200 PLC、EM231模拟量扩展模块、电磁阀、施肥警示灯、气体的加热装置和人机界面——西门子TD200C文本显示器组成，I/O分配见表一，结构框图如图1所示。

表1 I/O分配表

图1 CO2施肥自动控制系统说明

2.3 系统软件设计

控制系统主要功能是对CO2施放系统依据时间和当前浓度进行自动起停控制，显示时间、浓度等运行参数，实现对CO2施放系统的智能控制。为了增加程序的可读性和减少程序代码，PLC程序采用主程序调用功能模块的程序结构。PLC程序由一个主程序和七个功能块子程序构成。程序流程图如图二所示。

图2

3 结论

基于PLC系统的二氧化碳施肥系统简单实用，采用PLC作为主控单元就是考虑它出众的稳定性，通过模拟量扩展模块EM231，与棚内CO2传感器及温度传感器配合，采集温室大棚CO2成分气体的浓度和温室内部温度。用以控制CO2施放电磁阀、施放警示灯、CO2气体的加热控制以及大棚内的加热系统。同时通过人机界面——西门子TD400C文本显示器实现人机数据交换，进行控制参数的设置与修改及显示。从而来完成在东北高寒地区，完成在冬日内的二氧化碳施肥任务。程序设计主要实现四种控制功能：手动控制、时间控制、CO2气体的浓度控制以及温室大棚内的温度控制。为适应温室大棚内湿度高的特点，CO2传感器选择的是防水型设计，其芯片系采用远红外非扩散进口芯片，具有精确、稳定、可靠和10年以上的高使用寿命。系统其它主要部件均采用施耐德和欧姆龙进口元器件，以保证系统工作稳定、可靠，该系统已投入应用羡并获得良好效果。

［1］ S7-200可编程序控制器操作手册.

［2］ 西门子TD400C用户手册.

［3］ 可编程控制器网络通信及应用［M］.清华大学出版社.

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［5］ 刘晋浩，魏占国.PLC在模拟立体仓库堆垛机装置控制上的应用［J］.森林工程，2007，23(5)：33-35.

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