塑料大棚自动化改造系统设计

黄海龙

（邵阳县农机推广站，湖南 邵阳 422100）

随着农机补贴政策的实施、国家对农业投入的增长，邵阳县农业机械化、农业现代化事业得到了较大的发展，设施农业设备塑料大棚的普及率大幅提高，一定程度上满足了早稻育秧及蔬菜生产等的需要。但邵阳县发展的塑料大棚，绝大部分为无自动控制系统的镀锌薄壁钢管组装式单体大棚，依靠人力操作，人工值守。在日常工作中因受到人工值守及大棚管理水平的制约，大棚没有完全发挥应有的作用，甚至因为疏忽而造成损失，经济效益不高。

1 塑料大棚内部环境模型和环境控制目标

大棚因有塑料薄膜覆盖，形成了相对封闭与露地不同的特殊小气候。进行大棚栽培，必须掌握大棚内环境的特点，并采取相应的调控措施，满足作物生长发育的条件，从而获得优质高产。邵阳县的塑料大棚主要用于早稻育秧、春季蔬菜的提早栽培、秋季蔬菜的延后栽培和耐寒半耐寒蔬菜的越冬栽培、耐热蔬菜的夏季栽培。这就要求根据不同作物的生长模型制定不同的环境控制方案，以便尽量满足作物生长发育所需环境，取得最大的经济效益。很多学者对各地塑料大棚内部环境进行了大量的研究，采用不同的方法构建了各具特色的塑料大棚内部环境模型。

如刘可群等对武汉城郊冬春季棚内外气温、地温进行了逐时对比观测试验，结果表明，在晴好天气下大棚最高气温比棚外大气最高气温高20℃度左右，1、2、3月大棚最高气温分别可达 32℃、39℃、45℃，夜间温度比棚外大气高0.8～3.5℃度，棚内温度日较差在晴好天气下高达30到35摄氏度，气温变化剧烈，一天内可能既要防范高温热害，又要防御低温危害。

孟翠丽等选用冬季（2012年12月至2013年2月，2013年12月至2014年2月）三种结构温室内逐时的气温资料，对比分析不同结构温室在典型天气条件下气温的日变化特征，晴天大棚内的气温主要受太阳辐射的影响，日出之前温度都呈缓慢下降的趋势，单棚在7∶00左右出现最低温-0.411℃，日出后随着太阳辐射的增加，棚内气温急速升高，连棚室内的日最高气温17.369℃出现在14∶00，单棚室内的日最高气温28.863℃出现在13∶00，PVC温室室内的日最高气温18.976℃出现在14∶00；随后温度呈下降趋势，单棚的温度日较差值达到了29.27℃（图1）。多云和阴天棚内气温变化比较温和，分别如图2、图3所示。

图1 晴天棚内气温日变化特征

图2 多云天气棚内气温日变化特征

图3 阴天棚内气温日变化特征

根据以上研究，在塑料大棚这样一个封闭的系统内，棚内外热交换只有辐射和传导，没有对流，起到了一定的保温作用，晴天白天阳光辐射的大量增强，自然引起棚内气温快速上升。应该在棚内温度上升到作物生长适温时通风换气，并控制通风量，使棚内温度保持在作物生长适温范围内，随着下午光照的减弱和棚外温度的降低，再逐渐关闭通风口。另外晚上也会出现逆温现象，在温暖的天气可以加以利用提高温差，改善作物品质，但在气温较低时，也需要通风换气，以免产生冻伤。在气温过高时，通风换气已无法把温度降下来，还可采用喷淋的降温方法。

张胜亮的研究不但揭示了和以上研究相一致的温度变化规律，而且发现无论是空气的相对湿度还是绝对湿度，棚内全天都高于棚外，棚内相对湿度常在90%以上，绝对湿度比棚外平均高27毫巴，接近高出一倍，晴天白天绝对湿度迅速增高，并记录到了从早上到午后绝对湿度由25毫巴猛增到95毫巴，同时棚外增加还不到一倍。黎明峰等的试验结果表明，在闭膜的条件下，不同天气，棚内相对湿度的日变化规律基本一致，在午后气温最高时，相对湿度达到最低值，晴天约为85%，阴天约为96%，一天绝大部分时段均接近或达到饱和状态。另外，棚内外相对湿度变化幅度，晴天大（大棚内外湿度差值在12%到46%），阴天小（大棚内外湿度差值在12%到 20%）（图 4）。

图4 2002年12月不同天气下试验地（武汉）塑料大棚内（----）与大棚外（—）相对湿度日变化

梁称福的研究表明，无论是温室内上、中、下各层，还是室外的相对湿度，在晴天早晨8∶00之前均维持在一个较高的水平，8∶00以后逐渐下降，直至11∶00左右达到低谷时期，并维持到14∶00（室外低谷时期持续到16∶00左右），而后相对湿度又继续上升，到19∶00左右，又进入一个较为平稳时期，直至第二天早晨8∶00；阴天温室内上、中、下各层及室外的相对湿度也是在8∶00之后逐渐下降，但下降的幅度远比晴天小，在 13∶00 左右到达低谷，至 16∶00-17∶00 以后又逐渐回升，20∶00左右进入平稳时期；雨天温室内外相对湿度变化极小，均平稳维持在一个较高水平，在14∶00-18∶00之间，室外相对湿度明显低于室内各层。而晴天室内各层的绝对湿度从7：00开始上升，到9∶00达到相对高位，维持高位到14∶00开始下降，到18∶00左右开始进入平稳期；阴天室内各层的绝对湿度，从早晨8∶00 开始上升，在 14∶00-17∶00 之间达到高峰，呈单波峰形态，到18∶00左右开始进入相对平稳期；雨天室内各层的绝对湿度，从早晨8∶00开始加速上升，在13∶00-14∶00 之间达到峰值，呈单波峰形态，到 22∶00左右开始进入平稳期；晴天、阴天和雨天室外绝对湿度均维持在一个相对平稳的状态（20hpa左右）；分别如图5、图6、图7所示。

图5 晴天塑料温室内外同一天相对湿度和绝对湿度日变化

图6 阴天塑料温室内外同一天相对湿度和绝对湿度日变化

图7 雨天塑料温室内外同一天相对湿度和绝对湿度日变化

根据以上研究，在塑料大棚这样一个封闭的系统内，空气流动小,且土壤蒸发、植株蒸腾的水汽滞留在棚内易形成高湿，温室内的湿度环境与室外的湿度环境相差很大。当空气相对湿度大于90%时，直接影响作物的蒸腾速度，阻碍植物根系对矿质养分的吸收，使光合速率降低，可能产生病虫害或加速病害发生。为了降低湿度，必须择机通风换气，根据以上研究，选择在16∶00左右通风换气，这时温室内外绝对湿度差较大，能够排除更多的水汽，降低入夜后大棚内的相对湿度，减少水汽凝结的现象发生，同时这时温室内外温差小，热量损失少。但棚内相对湿度小于40%时，易引起白粉病和生理障碍的发生，作物水分损失多，气孔关闭，光合速率明显降低，这时应通过喷淋加湿。

魏珉等的研究表明，日光温室CO2浓度日变化曲线通常呈不规则“U”型，有时呈不规则的“W”型，早晨揭苫之前最高，揭苫后随作物光合消耗逐渐减小，12∶00-14∶00 最低，而后缓慢上升，呈不规则“U”型，“U”型变化通常发生于不放风或放风时间较长且夜间CO2积累浓度较高条件下。有时一天中CO2浓度出现2次低谷，第1次于上午放风之前，第2次于下午闭风后的15∶00-16∶30，呈不规则的“W”型，“W”型变化发生于群体叶面积系数较大，光合旺盛而上午放风较晩、下午闭风较早的晴天（如图8）。图8也说明了天气和作物群体的大小，对温室CO2浓度的影响。幼苗期，温室内夜间二氧化碳积累浓度较高，幼苗光合作用消耗少，通风时CO2大量外逸，直至与外界浓度接近。结果期，番茄群体叶面积系数较大，光合作用旺盛，晴天上午揭苫后约1.4h即呈现CO2亏缺，最低浓度达100μl/L，马成芝等的研究也得到了相一致的结果。

图8 天气和生育时期对日光温室番茄群体CO2浓度变化的影响

根据以上研究，密闭大棚内外空气交换受到限制，在蔬菜枝繁叶茂的情况下，棚内空气中的二氧化碳浓度变化剧烈，早上日出之前由于作物呼吸和土壤释放，棚内二氧化碳浓度比棚外浓度高2～3倍，日出2个小时后，随着光合作用的吸收，二氧化碳浓度可降至不到大气二氧化碳浓度的1/3，可至光合速率大幅下降甚至到达补偿点使光合作用停止，因此必须进行通风换气，及时补充棚内二氧化碳。在低温季节，大棚经常密闭保温，很容易积累有毒气体，如氨气、二氧化氮、二氧化硫、乙烯等造成危害，因此低温季节也要适当通风，以便排除有害气体。

2 系统总体方案

2.1 系统的功能及技术、经济要求

根据以上的分析，对温度的控制，在白天要求随着气温的上升和光照的加强，自动打开和不断增大通风口面积，随着气温的下降和光照的减弱，不断减小通风口面积，直至关闭，力求把温度平稳控制在作物生长适温的范围内，防止忽上突下。在通风口全部打开的情况下，如温度仍然超过作物生长适温上限，将自动通过喷淋的方式降温，单次喷淋时长和间隔时间，应通过现场调试确定，首次喷淋后，自动启动以后每次喷淋的条件必须同时满足“温度超过作物生长适温上限”和“达到间隔时间”，实现即节水省电又达到降温的目的，在温度较低的夜晚（棚外温度低于作物夜间适温），如出现棚内气温低于棚外的逆温现象，则要求自动完全打开通风口，在此过程中，如气象条件发生改变，棚内气温上升到等于或大于棚外气温，则自动关闭通风口。

根据以上分析，对湿度的控制，要求每天16：00自动完全打开通风口，通风时长应通过现场调试确定，以便达到较好的除湿效果，同时尽量减小热量损失。棚内相对湿度小于40%时，此时很可能是高温干旱季节，这时应通过喷淋加湿，单次喷淋时长和间隔时间，应通过现场调试确定，首次喷淋后，自动启动以后每次喷淋的条件必须同时满足“湿度小于40%”和“达到间隔时间”。

根据以上分析，二氧化碳浓度的变化规律，晴天最快日出两小时左右，棚内二氧化碳浓度开始底于棚外浓度，而此时棚外温度也上升了不少，与当季作物的生长适温差距不大，此时光合作用对二氧化碳的浓度非常敏感，二氧化碳浓度是光合速率的主要控制因素，因此可在检测到棚内二氧化碳浓度低于棚外时，自动完全打开通风口。多云或阴天，棚外温度上升得慢，棚内二氧化碳也消耗得慢，如果棚内二氧化碳浓度出现底于棚外浓度的情况，应该是中午或午后，气温较高，同理也须打开通风口。根据以上研究及对图8曲线的分析，在15：00左右，二氧化碳浓度开始回升，闭棚状态说明此时作物吸收二氧化碳速率已低于土壤释放二氧化碳速率；打开通风口状态说明此时作物吸收二氧化碳速率已低于土壤释放二氧化碳速率与通风补偿二氧化碳速率之和，当二氧化碳浓度上升到与大气二氧化碳浓度一致时，通风补偿二氧化碳速率为零，此时作物吸收二氧化碳速率等于土壤释放二氧化碳速率，所以当检测到棚内二氧化碳浓度上升到与大气二氧化碳浓度一致时，应自动关闭通风口。

塑料大棚内气温、湿度及二氧化碳浓度在被调控时相互彼此关联，变化比较复杂，当调控某一环境要素时常把其它环境要素变到一个不太适宜的水平上，因此需要根据作物的生长模型通盘考虑，以便取得最好的经济效益。以上对大棚内气温、湿度及二氧化碳浓度的控制，都是通过控制打开或关闭同一通风口实现，根据以上分析，为了实现控制目标，根据控制需要三个参数应该都能单独驱动打开通风口。对喷淋的控制，温度和湿度参数应该都能单独驱动打开和关闭。

农业塑料大棚的环境控制，直接决定大棚作物的生长状态，决定大棚的经济效益实现，一个不可靠、稳定性差的控制系统，不能很好实现作物生长的环境需要，甚至给作物带来灭顶之灾，造成巨大损失，所以农业塑料大棚的环境控制系统，虽然不需要工业控制系统的高速度，但稳定性、可靠性、精度应和工业控制系统标准一致。根据前面分析，大棚的环境控制系统应具有模拟量、开关量的处理能力。作为大棚控制的自动化改造，系统还应具有良好的扩展性，以备将来升级改造，另外，系统也应该易于实现，投资节省。

2.2 总体方案

根据上一节对系统的功能及技术、经济要求的论述，选取可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）为塑料大棚控制系统的控制中心，加上传感器系统、执行部件等组成整个控制系统。

PLC是专为工业生产自动控制而设计的一种电子装置，是集计算机技术，自动控制技术和通信技术为一体的自动控制装置，其性能优越并被广泛应用于工业控制的各个领域。它具有高可靠性、高稳定度、价格便宜等特点。传感器系统由温度传感器、二氧化碳浓度传感器、湿度传感器等组成。因大棚内温湿度和二氧化碳浓度水平分布差值小，为节省投资，只在大棚中心离地高度1.5m处安装一个温湿度传感器、一个二氧化碳浓度传感器，在大棚外安装一个与棚内同型号的温湿度传感器（以便与棚内进行精确的比较，湿度功能暂时不用）。执行部件包括交流接触器、卷膜机、水泵等，为了便于对流通风，在大棚双侧各安装一台卷膜机。

3 硬件系统设计

3.1 元器件选用

根据系统总体方案的论述，选择FX2N-16MR-001型PLC搭配FX2N-4AD模拟信号输入模块，即能完全满足功能及技术、经济要求。FX2N-16MR-001具有八个输入点，八个输出点，内置时钟功能，可进行时间控制，有四则运算、逻辑运算、PID（比例-积分-微分）运算等运算指令，有接点比较指令。FX2N-4AD模拟信号输入模块具有四个输入通道，输入通道接收模拟信号（温度、湿度、二氧化碳浓度传感器输出的电信号），并将其转换成数字信号，以便于PLC处理。它的最大分辨率是12位。

温湿度传感器选用世炬科技有限公司的电流型温湿度传感器SH11A，额定电压：12～30V DC；测量范围：温度：-10～50℃，湿度：0～100%RH；测量精度：温度：±0.5℃，湿度：±3%RH；输出范围：湿度：4～20mA 对应 0～100%RH，温度：4～20mA 对应-10～50℃。

二氧化碳传感器选用仁科测控技术有限公司的RS-CO2-NO1-2，此款产品广泛适用于室内外环境监测、、农业大棚、花卉培养等需要二氧化碳监测的场合。采用高灵敏度的气体探测头，信号稳定，精度高。额定电压为10～30VDC，精度为±（40PPM+3%F?S）（25℃），量程为 0～5000PPM，电流输出范围为4～20mA。

3.2 硬件系统电路

根据上一节选择的主要元器件及控制要求，设计了电气控制系统，如图9、图10、图11所示。

图9 系统主电路

系统的主电路如上图所示，卷膜机需通过电机正反转和停止来完成通风窗口的开启、调节开度与关闭，因此设计了正反转控制电路，因大棚双侧通风口结构相同，采用的卷膜机型号相同，设计上也要求两台卷膜机动作步调一致，为节约成本，两台卷膜机共用一套正反转控制电路。水泵电机只需要单向控制电路，如上图所示。图中QS为电源总开关；FU1、FU2为熔断保护器，分别对各个线路实施短路和过载保护；KM1～KM3为交流接触器的主触头，用其实现卷膜机电机的正反转及启停、水泵电机的启停控制；FR1～FR3为热继电器，对电机起过载保护作用。

图10 系统控制电路及与PLC连接图

系统的控制电路以及与PLC的连接如上图，S为手动和自动转换开关；SB1为开通风窗口按钮，SB2为关通风窗口按钮，SB1、SB2以点动的方式控制通风窗口大小；SB3为开启水泵按钮，SB4为关闭水泵按钮；KM1、KM2常闭触头为交流接触器的辅助触头；SQ1、SQ2和SQ3、SQ4分别是大棚两侧通风窗口卷膜机上、下极限位置限位开关；线圈KM1、KM2、KM3分别是交流接触器KM1、KM2、KM3的线圈，如图设计实现了卷膜机电机在硬件层面的正反转互锁及极限位置的关停，有利于系统的安全运行；FU3为熔断器；FR4为热继电器。另外还设计了带有蜂鸣器和LED发光管的声光报警电路，R1、R2、R3为LED的限流电阻，D1、D2、D3 为 LED 发光管，D1、D2、D3 灯亮分别表示温度过低、温度过高、湿度过高。

图11 传感器模拟量输入接线图

根据《FX系列特殊功能模块用户手册》对FX2N-4AD接线的要求：①模拟输入通过双绞屏蔽电缆来接收，电缆应远离电源线，或其他可能产生电气干扰的电线；②如果输入有电压波动，或者外部接线中有电气干扰，可以接一个平滑电容器（0.1uF到0.47uF，25V）；③如果使用电流输入，请互连V+和I+端子；④如果存在过多的电气干扰，请连接FG的外壳地端和FX2N-4AD的接地端；⑤连接FX2N-4AD的接地端与主单元的接地端，可行的话，在主单元使用三级接地；以及本控制系统的需要，绘制传感器模拟量输入接线图，如图11所示。通道一接棚外温度传感器，通道二接棚内温度传感器，通道三接棚内湿度传感器，通道四接棚内二氧化碳浓度传感器。

4 控制程序编制

略

5 总结

本设计主要是为解决塑料大棚依靠人工管理而产生的诸多问题。邵阳县的塑料大棚主要用于早稻育秧、春季蔬菜的提早栽培、秋季蔬菜的延后栽培和耐寒半耐寒蔬菜的越冬栽培、耐热蔬菜的夏季栽培。因此本设计采用了温室大棚的最简结构，没有添置加温和降温设备等，按照自动控制的最基本需求设计了一套适合大棚的自动控制系统，并通过采用PLC系统的技术路线低成本的实现了此次设计，达到了控制目标，满足了作物生长对环境的需求，是一项即先进又实用的改造。

由于本控制系统的良好扩展性，将来有必要时只需花费很少的投资就可以扩充其它功能，并改造成有远程监控功能的系统。多栋塑料大棚近距离排列时，可以选择输出输入点数较多的PLC，由一套系统集中控制，进一步降低投资。系统主电路为三相交流设计，若为单向交流系统，稍加改动即可，单向交流电机和直流电机的反转控制也简单可行。