基于PLC的寒地水稻催芽温湿度控制系统的研究与设计

孙善恶等

摘 要：文章设计水稻催芽温湿度控制系统以PLC为主控制器，用无线通信和有线两种通信方式与现场控制单元、工业触摸屏和上位机PC进行时时的通信。该系统通过对电炉丝、排风扇、水泵等控制，能实现对系统中的水温、水位、催芽环境的温度和湿度进行立体监测及精确控制，同时该系统具有故障自诊断功能及开放性优点，也具有较高的稳定性，能够达到水稻催芽的“快、齐、匀、壮”的工艺要求和水稻催芽的工厂化生产需要。

关键词：水稻催芽；PLC；无线通信

水稻是我国的主要粮食作物之一，全国常年水稻种植面积约占粮食作物的27%，水稻总产量约占粮食作物总产量的37%[1]。催芽是水稻育苗生产过程中的第一个环节，也是水稻生产过程中重要的关键技术，对培育壮秧起着决定性的作用[2]。在我国东北地区，对水稻芽种的需求量大，主要采用控制水稻芽种温度方式完成催芽。水稻的催芽是一复杂过程，受温度、湿度、二氧化碳、氧气等环境因素共同作用的，因此单一控制水稻芽种的温度，显然并不能高效和保质对水稻芽种进行催芽[3]。因此，研究并设计水稻芽种催芽环境温湿度的集散控制系统，以满足水稻芽种催芽的工厂标准化生产的需要，并有效提高芽种出芽质量。

1 系统整体设计

控制器PLC先采集现场的模拟量数值，然后根据相应的系统控制程序和用户设定的系统参数，最后控制现场设备。可将控制系统主要分为三大闭环控制回路：水温、环境温度和环境湿度，因此系统可根据水稻催芽过程中的不同阶段，将上面它们控制在相应的范围。另外，当系统需要扩展的时候，仅需要扩展PLC及现场设备[4-5]。整个生产流程不仅可以在现场组态屏和上位机PC进行监控，也可用网络技术进行远程监视与操作。使水稻催芽生产的各个阶段都在系统的监视与控制下进行，提高生产的安全性。

2 硬件设计

水稻催芽控制系统中，硬件设计主要分为催芽箱的结构和控制系统的硬件选择。

2.1 催芽箱设计

催芽箱的箱体结构采用上、下两部分的布局，中间采用金属骨架隔开。其具体结构示意图如图2所示：这样箱体结构的设计有以下优点：（1）由于催芽箱下面存在着大量的适合水稻催芽温度的水，增大了催芽箱内的平均比热容和热能，提高了系统的抗干扰性。（2）这样的设计改变了原来两个箱子之间热水的循环系统，降低设备的成本同时，简化了控制流程。对于催芽过程的温度控制采用分组电加热方式，电加热可以使本系统具有升温速度快、能源利用率高、温度容易控制等优点。分组加热还具有当下部水箱的水温不均匀时，能根据电加热丝所处的温度环境，对其进行相应加热操作，因此能更好地维持水温的均匀性。

湿度的控制方法采用排风扇抽湿的方法，在催芽箱的上部放有带孔的管道，当外部的排风扇开始工作时，会将催芽箱多余的湿度排出。在相对封闭的环境中，湿度较大的地方往往存在于其顶部，在催芽箱的正常工作时，环境中湿度往往只是增大，所以采取在催芽箱的顶部对其单一进行排湿操作。

2.2 控制系统硬件选择

核心控制器选择为三菱FX2N系列PLC，是小形化，高速度，高性能。因为加热模式采用晶体管的输出模式，所以FX2N选择为晶体管输出的型号。在模拟量采集上，由于系统采集的模拟量的点数较多，模拟量的实时性要求并不太高，都采用FX2N的模拟量模块成本较大，所以采用模拟量采集模块采集拟量，其可以独立采集模拟量，并可以将其通过MODBUS通信协议方式将其传输给上位机现场组态屏。触摸屏选择深圳显控科技有限公司的SA-5.7F人机界面，通过触摸屏的两个COM口，分别实现采集模拟量采集与PLC通信。

3 软件设计

催芽系统中PLC的软件设计流程如图3所示。当启动控制系统的时候，系统先检测下部水箱的水位，只有当水位达到一定的高度之后才允许进行之后的操作。在催芽过程中当水位低于某一个值之后将会停止一切操作，进行补水操作，水位是优先级最高的一个操作。

当空气中的温度低于催芽的温度时，会启动弱喷淋系统。在催芽的过程中，只要催芽箱的温度超过温度上限，进水阀会打开，下部水箱中会注入大量凉水将水箱的热水中和到相对正常催芽较低的温度，之后启动强喷淋系统，这时候温度相对较低的水喷到芽种上，及时对芽种进行降温保护。当湿度传感器检测到湿度大于规定值的时候，启动排风扇将多余的湿度排出种箱。通過以上的控制可以使水稻种箱的环境维持在水稻催芽的合适环境中，促进水稻芽种的催芽。

4 结束语

通过分析现有水稻催芽主要方式，研究并设计寒地水稻催芽温湿度控制系统，以期改善其生产方式中监控各个环境因子方法，提高水稻芽种的生产效率。该系统能够稳定实现催芽所需的温湿度环境，通过对环境因子进行准确采集，实现实时、全方位监控。有效组合加热系统、喷淋系统、排风系统，可以使环境参数调整到最适合水稻催芽范围内，保证生产效率、质量，为水稻催芽产业的工厂化生产提供一定技术支持。

参考文献

[1]程式华.中国超级水稻育种[M].北京：科学出版社，2010.

[2]程式华，李建.现代中国水稻[M].北京：金盾出版社，2007.

[3]陈健，刘九庆.温室环境工程技术[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2002.

[4]王建华.计算机控制技术[M].高等教育出版社，2009.

[5]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社，2009.

作者简介：孙善恶（1993-），男，黑龙江八一农垦大学在读。

*通讯作者：石建飞，男，讲师，哈尔滨理工大学毕业，现主要从事农业智能化控制技术的研究。