基于PLC 的乌榄育苗养护系统的研究*

陈俊钦

（罗定职业技术学院，广东 云浮 527200）

0 引言

广东省清远市连州镇乌榄种植历史悠久，境内有数量众多的百年乌榄树。但乌榄育苗工作烦琐重要，不仅严重依赖节气开展育苗，而且乌榄幼苗对种育环境要求甚高，过高或过低的温度、剧烈变化的湿度、过强的光照、虫害等都会导致幼苗出现烧叶、烂茎甚至毁苗的情况[1]，其生产效率和成本一度成为种植户的“拦路虎”“心头石”。虽然采用大棚育苗能起到一定的保护作用，但需要工作人员经常检查棚内环境情况，相对于露天育苗来说，反而增加了人力成本。

乌榄育苗养护系统的研究意义主要表现在以下两个方面：1）提高育苗生产效益。传统的人工育苗存在工作方式不稳定、水肥管理效果差异较大、工作效率低等问题，严重影响乌榄幼苗的出苗、成苗。而基于PLC 的乌榄育苗养护系统可以实现统一工作方式、统一进行水肥施给管理和自动化作业，降低了生产成本，提高了农业生产效益[2]。2）解决部分“三农”问题。随着人口老龄化和乡村空心化的发展趋势，缺少劳动力的问题日益凸显，智能化、简约化耕作方式和设备的出现，可有效解决农村劳动力不足的问题，提高农业生产效率。

因此，本文在PLC 控制设备的基础上，介绍了一种乌榄育苗养护系统的设计方案，此系统可有效改善育苗环境，提高幼苗成活率，实现降本增效，可推广应用到其他树种育苗工作中，应用前景广阔。

1 育苗养护系统的整体设计及运行原理

1.1 育苗养护系统整体设计

结合乌榄育苗所需要的环境，利用PID 自整定方式，通过温湿度、卷膜位置检测来驱动加热、喷水、卷膜装置实现系统恒温恒湿及通风功能，保证基本育苗环境的维持[3]；架设在棚顶的输送水管及喷淋装置能更均匀地施肥、施药；利用伺服驱动电机和继电泵机加压能实现对水肥药的有效输送。本文基于PLC的育苗养护系统整体架构设计如图1所示。

图1 育苗养护系统整体架构设计

1.2 养护系统运行原理

本系统设计的育苗大棚体积为长15 m×宽6 m×高2.5 m，棚骨架采用外径6 cm、内径4.5 cm 的镀锌钢管焊接而成，于棚顶架设3 条12 m 的药水两用输送水管，每条输送水管设置喷淋头12 个，滴灌软管9条，置于苗块上，可实现水、药、肥的均匀灌溉。棚外设置容积500 L 的混肥搅拌桶3 个，搅拌电机1 个，辅泵机2 个、主泵机1 个，浮子式液位传感器3 个，输送管道和电磁阀若干，保证水肥药的输送。

卷膜装置和加热装置则置于棚外控制室内，利用滑轮组和减速箱为卷膜提供动力并保障卷膜的顺滑性；通过功率可调装置来控制电热丝进行发热，使用轴流风机及管道将热量送进棚内。配电站及控制站设在混凝土房内，保证了防腐、防干扰。

日常育苗养护活动中，用户通过设置自动加药、保温保湿、自动灌溉施肥等模式进行无人值班管理。当用户需要进行手动操作时，可到操作房通过人机交互界面或上位机对PLC进行控制参数的设置。

2 系统硬件设计

2.1 硬件系统构成

系统硬件主要包括PLC、上位机以及其他执行设备和监控检测设备等，硬件系统基本接线配置如图2所示。

图2 硬件系统基本接线配置

2.2 硬件设备选型

硬件设备选型包括PLC、传感检测元件、伺服驱动器、其他执行设备选型。

1）PLC 选型。为兼顾使用环境、节能和数据实时传输等要求，本系统选用西门子公司所生产的S7-1200 型PLC，模拟量输入模块选择SM1231 AI8×16 bit，数字量输入模块选择SM1221 DI8×24 V DC，供电模块选择PM1207，预留CB1241 485 通信模块，以确保系统具有较高的数据处理、传输能力，为后续接入物联网做好基础准备工作[4]。

2）传感检测元件选型。根据系统数据采集需要，如棚内温度数据、土壤湿度数据、卷膜位置状态等，为精准获取数据，尽可能地排除干扰，确认选择探针式K 型热电偶温度传感器、HR202 型湿度传感器和LXW5-11G3/FL 行程开关。

3）伺服驱动器选型。大棚密封膜的卷膜运动是一个柔性的过程，在速度、力矩和位置的控制上要求十分精准，稍有用力过猛或速度过快都会造成密封膜撕坏的结果[5]。因此，系统选择台达公司生产的ASDA-A2-M 交流伺服系统，与之配搭使用的电机则选择台达MSJ-E 1.5 kW 1500 r/min 交流伺服电机。

4）其他执行设备选型。主泵机选择凌霄公司生产的1.5 kW 30 m 施肥泵，辅泵机选择凌霄0.75 kW 15 m 水泵；搅拌电机选择凌霄1.5 kW 搅拌泵；通风装置选择SF2-2 120 W 1300 m3/h 轴流风机；电磁阀则选择EV220 二位二通、二位三通电磁阀032U7120 DN20 来保证不同流量类型的液体输送，以满足灌溉、施肥等需要。

3 系统软件设计

3.1 软件设计方案

基于PLC 的乌榄育苗养护系统在软件上主要设计了主程序、子程序以及中断程序[6]。主程序主要负责系统功能初始化、系统数据信息扫描以及系统过程任务存取等功能性任务。子程序负责各项工作任务的实施，如通风、加热、施肥、加药、灌溉等。中断程序则是负责实现系统急停、故障检修、监控报警等安全功能。为方便操作，育苗养护系统在具体软件设计中分为自动控制、手动控制、监控报警。

3.2 自动控制设计

系统根据育苗环境需求分为恒温恒湿自动保持、自动施肥药与灌溉等。

1）恒温恒湿自动保持。系统在上电自检和初始化后，会根据当前传感器所测的温度和湿度输入数值信号，并与用户在人机交互界面上所设定的温度、湿度数值进行比较[7]。若当前温度高于设定值，系统启动轴流风机进行通风降温，当超过1 h 温度依然高于设定值时，卷膜控制装置会将密封膜卷起降温；若当前温度低于设定值，则在保持密封膜落下的情况下启动加热装置进行升温。若当前湿度高于设定值，系统启动轴流风机并卷起密封膜通风除湿，当超过1 h 湿度依然高于设定值时，则降下密封膜，启动加热装置和轴流风机进行除湿；若当前湿度低于设定值，系统则控制主泵机、辅泵机、电磁阀，将水从桶内抽起并输送到棚内进行喷淋以增加湿度，并降下密封膜保湿。

2）自动施肥药与灌溉。在第一次使用系统时，用户需要在人机交互界面的配方模块上设置肥药、灌溉用水配比和施给方式（滴灌或喷淋）、时间、次数等参数；设置完毕后，需要用户确认保存，系统才会保存相应的配方，配方存储到PLC 断电保持存储器中，即使停电或重新上电后，配方数据也不会消失。在此后的系统使用中，用户只需在人机交互界面上选择配方并确认即可。此外，系统会自动记录5 天内的温湿度数据和采用措施内容，并将以上数据形成变化曲线，存储到系统存储器中，操作人员可通过历史数据进行回顾与分析[8]。

3.3 手动控制设计

系统手动控制主要用于首次启动时各执行装置的手动功能调试和系统急停或故障后检修排故的使用。手动控制具体包括液体输送、升降温度、升降湿度控制等。

在手动控制的执行过程中，具体顺序为：第一，用户需手动初始化系统功能；第二，根据控制活动要求，确认是否需要实施液体输送、升降温度、升降湿度操作。以上操作可以依次实施，也可按模块逐步独立实施。如果在实施过程中出现功能执行异常情况，系统将自动报警，用户则根据异常情况进行故障检修。

3.4 监控报警设计

监控报警子程序是保证系统安全稳定运行的重要抓手。当监控报警子程序被触发时，系统会检测当前运行模式，若此时为手动运行模式，卷膜极限位置检测传感器、温湿度极限值传感器担负测量系统极限运行数据和信号的责任，一旦极限情况出现，系统便会自动发出报警信号，紧急制动并停止运行，同时在人机交互界面以及报警指示灯处发出故障报警指示，用户根据故障情况排故即可；但若此时为自动运行模式，系统则会自动发出报警信息，通知用户过来处理故障。

3.5 人机交互界面设计

基于PLC 的乌榄育苗养护系统人机交互界面设计有主界面、系统监控界面、系统参数设置界面、系统调试界面、系统日志界面、帮助界面等。

1）主界面。主界面主要有用户欢迎页面、账户登录和信息显示的功能。其中，信息显示包括系统各分界面的选择、系统运行模式选择、当前状态等。

2）系统监控界面。用户可通过此界面直观了解棚内温湿度数值、正在执行操作的类型、各执行设备的工作状态、密封膜的位置、已执行操作的次数等内容。

3）系统参数设置界面。用户通过该界面对极限温湿度数值、水肥配比、水药配比、灌溉水量、加热时间、通风时间、喷淋时间、施肥施药时间、灌溉时间等参数进行设置并保存。

4）系统调试界面。用户通过此界面，可单独对轴流风机、加热设备、各管道电磁阀、各泵机、搅拌机、伺服电机等执行设备进行单独控制，方便操作人员在检修故障后进行调试。

5）系统日志界面。该界面主要为用户提供系统日常运行记录、各类操作执行情况、5日内温湿度变化曲线等信息[9]，方便用户进行分析和后续操作设置。

6）帮助界面。用户在操作中出现错误时，系统为保证安全会自动对用户进行帮助提示，方便用户正确使用育苗系统。

4 应用效果

基于PLC 的乌榄育苗养护系统设计完成后，将其应用于广东省清远市连州镇乌榄种植育苗活动中，在同样的育苗工作量（6 000 棵/季）内使用一个育苗季后，与以往人工育苗的效率和成本进行对比[10]，数据对比情况如表1所示。通过以上数据对比可知，与人工育苗的乌榄苗成活率相比，育苗系统的乌榄苗成活率显著提升，生产成本降低33.33%，表明本系统的设计在育苗工作上有一定的成效。

表1 数据对比情况

5 结语

本文主要介绍了一种基于PLC的乌榄育苗养护系统设计方案，该系统主要包括硬件系统和软件系统设计，并引入了人机交互界面设计，该养护系统能自动调节棚内温湿度、自动进行水肥管理、自动调整棚内光照强度，在降本增效、提高幼苗成活率方面起到一定的作用。经测试和应用，确认本系统设计能基本满足日常乌榄育苗养护系统的稳定可靠运行，可有效实现育苗工作的降本增效，具有一定的应用推广价值。