孵化间智能节水喷淋控制系统研究
2021-01-22仝浩远李承辉扈全胜刘朋杰黄德温豆根生滕红丽
仝浩远 李承辉 扈全胜 刘朋杰 张 贺 李 淼 刘 洋 黄德温 豆根生 滕红丽*
（ 河南农业大学，河南 郑州450002）
豆芽白嫩清爽，清香营养，是男女老少皆宜的四季蔬菜。据统计，全国豆芽市场每天的需求量达2.5 万吨，占所有蔬菜产品市场的2.5%～3%，已成为产值达150 亿元人民币的大产业[1-2]。在豆芽的孵化中，每天需要大量淋水，在水资源日益紧张的今天，如何有效利用水资源，节约水资源，对实现可持续发展，保护生态环境具有重要的现实意义和深远的历史意义。本文以某企业豆芽孵化间为研究对象，研究如何通过孵化间的自动化喷淋控制，节约喷淋用水，达到节约水资源，降低生产成本，减少豆芽培育过程中人为参与因素，提高豆芽生产的食品安全性。
1 方案设计
系统以孵化桶内温度作为淋水的控制条件，当孵化桶内的温度高于设定的上限温度时，设备启动，开始给豆芽补水降温。当孵化桶内的温度降低到设定的下限温度时，淋水关闭。这样可以更精确的控制孵化桶内温度，使豆芽的生长环境保持在一个较为适宜的温度，更加利于豆芽生长。控制系统如图1 所示，每个孵化间放置温度传感器，测量孵化桶内温度。在移动喷淋杆上安装一雨水传感器，测量喷淋出水量，当喷淋水量过小时该传感器输出一信号做系统喷淋水不足报警信号。喷淋杆支架的两端各设置一限位开关，限制移动喷淋杆行程。这些信号都反馈给控制器，作为控制器的控制决策输入信号。控制器输出一组控制信号送入变频器，变频器根据这组信号控制电机速度和转动方向，进而控制电机带动的喷淋杆的移动速度和方向。控制器还输出一组控制信号到接触器和热过载继电器，控制喷淋给水水泵的启停。控制器通过以太网接口连接本地触摸屏，对孵化间运行情况和设备进行监控。控制器还可以通过以太网接口接入数据总站、工程师站、显示墙等，实现远程监视与控制、孵化间运行数据的传递、存储，成为工厂信息化管理系统的一个组成部分。
图1 系统结构框图
2 系统硬件设计
由于现场工作环境恶劣，对控制器的抗干扰能力要求较高，系统控制器选择PLC。与单片机等控制器相比，PLC 具有较高的可靠性和抗干扰能。此外，PLC 还有较好的自我诊断功能，当电源或者硬、软件发生故障时，PLC 会立即采用有效措施，防止故障的进一步扩大。另外，PLC 安装简单、维修方便，可以在各种工业环境下直接运行。系统采用PT100 铂热电阻温度传感器。PT100 具有较高的测量精度和性能比较稳定的优点。为提高控制精度，每个孵化间在不同区域设置3 个温度传感器及配套变送器。
系统设计用一台PLC 控制1 个孵化间，需要8 点数字量输入、8 点数字量输出、1 点模拟量输入。根据系统IO 点数，选择西门子S7-1200 系列CPU 1214（14DI/10DO/2AI），触摸屏选用具有以太网接口的威纶通8 寸触摸屏MT8071IE。
变频器使用三晶 ATV13 系列小功率变频器ATV13-2SR75GH。该变频器输出功率0.75kW，使用单相220V输入，三相交流输出驱动喷淋杆电机。PLC 数字量输出点接变频器多功能数字输入辅助端子M1～M4，控制喷淋电机的转动方向和速度。变频器可编程继电器输出常开端子对TA-TB 接入PLC数字量输入端，作喷淋杆电机故障报警信号。喷淋杆控制部分电气接线图如图2 所示。
水泵启停控制回路主要由施耐德LC1D12M7C 型接触器和热过载继电器FR 的控制端子组成，如图3 所示。PLC 数字量输出端DQ 输出1，继电器线圈得电，继电器常开端子对5、9 闭合，接触器辅助控制端子A1-A2 动作，接触器输出三相交流电给水泵，水泵启动。PLC 数字量输出端DQ 输出0，继电器线圈失电，继电器常开端子对5、9 断开，接触器断开，水泵停止工作。若水泵电机过载，电流超出热继电器FR 的整定电流，FR 常闭触点95-96 断开，分断控制电路，水泵停止工作。水泵电机过载时，热继电器FR 的一对常开触点闭合，输出一路信号送入PLC 数字量输入端，作为水泵故障报警信号。
图2 变频器电气接线图
3 系统软件设计
系统软件包括PLC 控制软件和触摸屏监控软件。触摸屏监控软件设置孵化间运行状态，孵化间运行方式，喷淋控制温度上、下限和监视孵化间设备运行及孵化桶内温度。PLC 控制软件根据工程师站、触摸屏设置参数和现场条件控制孵化间运行。孵化间运行分手动/自动两种运行方式，手动运行用于设备调试，自动运行控制孵化间喷淋给水。自动运行时，因孵化桶内第一、二天温度低，设定的喷淋上限温度较高时，达不到喷淋启动条件，因此设置一定时喷淋方式。PLC 上电后首先读取孵化桶内温度，进行温度处理，然后根据手动/自动切换开关进入手动程序或自动控制程序。手动程序调试水泵、喷淋杆运行速度和方向。自动控制程序计算孵化间运行时长T，若孵化间运行时长T大于设定的定时喷淋时长T定，则采用温度控制喷淋方式，否则采用定时喷淋方式，最后调用故障诊断程序，对各种故障情况进行处理。
图3 水泵启停控制回路
温控喷淋时，将温度传感器采集到的孵化桶内的温度进行处理后作为孵化桶内实际温度，该温度与设定的上限、下限温度作比较。如果实际温度大于上限温度，则由PLC 发出启动淋水信号：启动水泵和喷淋杆电机，喷淋杆在两个限位开关之间往返运动，进行淋水。当实际温度小于设定下限温度时，PLC 发出停止淋水信号：停止水泵运行；喷淋杆电机转动，喷淋杆运行到起始位置后喷淋杆电机停转，一次温控喷淋结束。
定时喷淋时，在触摸屏上设定一喷淋间隔时长，定时时间到，启动水泵和喷淋杆电机，喷淋杆运行两个周期后停止喷淋。
4 结论
本文针对传统孵化间存在水资源浪费问题，设计了有效的孵化间智能节水喷淋控制系统。系统将孵化桶温度作为喷淋给水的重要依据，使用PLC 作为控制核心，充分的将软件和硬件有机的结合在了一起，使豆芽孵化过程的给水控制更加精确、及时、合理，大大的减少了水资源的浪费。
