基于PLC的超声波气雾栽培控制系统设计

王宜雷，高菊玲*，胡程磊

（1.江苏农林职业技术学院，江苏句容 212400；2.江苏省现代农业装备工程中心，江苏句容 212400）

0 引言

兰花是兰科类植物的统称，品种繁多，其中蝶兰、石斛、万代兰等观赏类花卉较为常见，有些兰科植物还具有很高的药用价值[1]。兰科植物生长需要适宜的环境温度、湿度和光照强度，除此之外，还需要周期性的补充少量营养液，以达到快速生长的生产需求。补充营养液可采用气雾栽培技术，气雾栽培是一种新型的栽培方式，能让兰科植物充分吸收到养分，超声波气雾栽培的效果受多种因素的影响，其中频率是一个重要的参数。气雾栽培技术在现代农业中已得到了广泛应用，特别是在无土栽培方面具有很大的潜力和发展空间。

现有的植物气雾栽培控制系统智能化、自动化程度不高，难以达到自动调节环境参数及自动补充营养液的目的[2]。本文针对兰科植物育苗过程中的控制问题，设计了一种基于PLC的超声波气雾栽培控制系统，系统以西门子1200 PLC作为控制器，控制对象主要为超声波发生器、LED补光灯及空调压缩机，系统能自动调节超声波频率使营养液形成喷雾，吸附在兰科植物根系以提供所需的水分和养分，同时还能自动调节光照强度和室内温度，更好地实现气雾栽培的自动化和精确化管理，提高栽培效果和经济效益。

1 控制系统组成及工作原理

超声波气雾栽培控制系统的控制要求主要包括：

1）系统可切换手动/自动控制方式；

2）在自动控制方式下，系统能根据设定的每日雾化时间段与植物生长周期自动调整超声波雾化频率，同时可以自动调节室内环境参数，包括温湿度与光照强度；

3）在手动控制方式，通过人机界面可以控制超声波发生器、LED补光灯及空调压缩机，并通过手动调节雾化频率、光照强度与室内温湿度；

4）人机界面能够正确显示当前超声波雾化频率及雾化时间段，以及光照强度、室内温湿度、设备运行状态等信息；

5）控制系统具有一定的报警功能，当光照强度、温湿度超过范围值时，能够发出报警指示灯，并能通过确认按钮进行复位。

1.1 控制系统组成

该控制系统主要由PLC（含模拟量扩展模块）、温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器、按钮及转换开关、触摸屏、超声波发生器、补光灯、空调压缩机及报警指示灯等组成。传感器用于实时检测室内环境参数，并转换为4～20 mA标准电流信号发送给PLC。PLC作为控制器，负责接收传感器及按钮开关等信号，并根据设定值与逻辑控制关系发出控制命令，控制超声波发生器、补光灯及空调压缩机等运行。PLC用模拟量输出信号控制超声波发生器，频率在0.5 MHz至3 MHz之间。空调压缩机为变频控制方式，PLC用模拟量输出信号控制运行频率，调节室内温湿度。PLC用开关量输出信号控制补光灯、报警指示灯等设备。触摸屏用以设定参数与实时显示系统运行状态等信息。基于PLC的超声波气雾栽培控制系统框图如图1所示。

图1 基于PLC的超声波气雾栽培控制系统框图

1.2 基于PLC的超声波气雾栽培控制系统的工作原理

根据兰科植物的生长特性制定适宜的环境参数及气雾栽培参数，本文以生长期的蝴蝶兰为气雾栽培对象，制定如表1的栽培参数。

表1 栽培参数

在气雾栽培过程中，需要综合考虑植物的生长阶段、当地的气候条件和种植环境，进行适当的调整。

围绕栽培参数，控制系统不断获取传感器的反馈信号，以实时监测环境参数的变化情况。根据反馈信号，PLC发出相应的命令来维持目标环境参数。具体工作原理如下：

初始状态，传感器将环境参数转化为电信号输入到PLC中，经过PLC运算后显示在触摸屏界面上，如温度、湿度、光照强度及二氧化碳浓度超过范围值时，发出报警指示，温度的范围为17～28℃，湿度的范围为58%～80% RH，光照强度的范围为9 000～15 000 lux，二氧化碳浓度的范围为950～1 500 ppm。

将转换开关切换至手动控制方式，在触摸屏手动运行界面上可以对设备进行控制，通过按下界面上超声波雾化启动、补光灯打开及空调压缩机启动等按钮运行相应的设备，手动调整气雾栽培及环境参数。触摸屏与PLC采用以太网通讯方式，触摸屏将接收到的信号传送至PLC，并将PLC采集到的数据显示在手动运行界面上。

将转换开关切换至自动控制方式，在触摸屏自动运行界面上对栽培参数进行适当的调整，如没有调整，则默认按表1栽培参数进行控制。当按下启动按钮后，系统进入自动运行模式，按时间段自动进行气雾栽培控制，包括计算当前温湿度、光照及二氧化碳浓度等数据与栽培参数之间的偏差，利用PID控制方式对各个参数进行自动控制。在自动运行过程中，可以按下停止按钮退出自动运行模式，如果出现事故，则立即按下紧急停止按钮，封锁PLC的所有输出，保障设备安全。

2 基于PLC的超声波气雾栽培控制系统设计

2.1 系统硬件设计

本设计以PLC作为控制器，除了编程方便灵活外，主要还由于其具备较高的抗干扰性、安全性与可靠性[3-4]。结合系统的控制要求，并考虑成本及通信便捷等因素，综合选定了西门子1200系列PLC作为控制器，CPU具体型号选用1212 C，由于系统输入输出点数较多，为此增加了扩展模块SM 1223、SM 1234。

在气雾栽培控制系统中，温湿度传感器主要用于测量室内空气温湿度，传感器输出模拟量信号接入PLC模拟量输入通道，因被测量的温度和湿度位置相近，本设计采用温湿度一体式的壁挂式温湿度传感器，型号为米恩基传感科技有限公司ME-WS-5W，温度量程为-40～80℃，湿度量程为0～100% RH，输出信号4～20 mA电流信号。光照强度传感器是将光照度大小转换成标准电信号的一种传感器，主要由末端传感器（探头）和变送器组成。末端传感器将光照度大小转化为电信号，变送器则通过调理电路将该电信号转化为标准的电信号输出。本设计中，光照强度传感器输出4～20 mA电流信号，选用建大仁科传感器，量程范围为0～65 535 lux。气雾栽培控制系统用于相对封闭的环境，作物在室内不断地进行着光合作用，因此，室内的二氧化碳浓度与外界环境有明显的差异。二氧化碳传感器同样选用建大仁科传感器，量程范围为0～5 000 ppm。

触摸屏选用MCGS TP 7062 TI人机触摸屏，直流24 V电源电压供电，支持有线以太网方式通信，采用MCGSE组态环境软件进行组态，组态功能强大且方便灵活，触摸屏运行稳定可靠[5]。

2.2 系统I/O地址分配

在I/O地址分配过程中，开关量输入主要包括转换开关、按钮及设备运行状态反馈等信号，模拟量输入主要包括环境参数信号，如光照强度信号、温度信号、湿度信号及二氧化碳浓度信号，开关量输出控制超声波发生器、补光灯、空调压缩机、加湿器、二氧化碳供给装置及报警指示灯，除此之外，PLC模拟量输出信号进行控制气雾栽培的超声波频率及空调温度。基于PLC的超声波气雾栽培控制系统I/O地址分配表如表2所示。

表2 I/O地址分配表

2.3 系统控制流程图

基于PLC的超声波气雾栽培控制系统的重要功能在于自动调节超声波气雾栽培频率及环境参数，在自动方式下按下启动按钮，程序开始执行自动控制流程，自动控制流程简述如下：

1）控制系统自动判断是否处于自动控制方式，如不在自动方式，则将1写入报警变量MW 20地址中，触摸屏界面弹出报警信息，流程退出。

2）判断已设置的栽培参数是否合理，如果栽培参数设置不合理，超出预定范围，则将2写入报警变量MW 20地址中，触摸屏界面弹出报警信息，流程退出。

3）条件如已满足，则执行按时间段周期性自动气雾栽培、温度自动控制、湿度自动控制、光照强度自动控制及二氧化碳浓度自动控制。

4）自动控制启动时间20 s内无环境参数超限报警，则自动控制流程执行成功，系统进入自动运行状态。

基于PLC的超声波气雾栽培自动控制流程图如图2所示。

图2 自动控制流程图

在自动运行状态下，系统将自动调节超声波气雾栽培频率及环境参数，其中超声波气雾栽培自动控制流程如图3所示。

图3 超声波气雾栽培自动控制流程图

3 系统调试与运行

系统调试前，先将触摸屏、PLC 用以太网网线连接到同一交换机上，设备上电后进入联机调试。首先在触摸屏界面上，观察环境参数、设备状态及指示灯等显示是否正常，确认无误后，将转换开关切换至手动控制方式，同时在“手动控制界面”中，观察转换开关是否处于“手动”位置，然后测试各项控制功能等是否正常，依次启动超声波发生器、空调压缩机、补光灯、加湿器及二氧化碳供给装置，观察设备是否正常动作，同时触摸屏界面中的环境参数也应随之变化。

在“自动控制界面”中完成系统自动控制调试，先将转换开关切换至自动控制方式，依次输入栽培参数，确认无误后点击“启动”按钮，触摸屏出现二次确认弹框，再次确认后，系统进入自动控制运行，根据每日雾化时间段与植物栽培指标自动控制超声波频率、室内环境参数。当出现环境参数超过范围值时，报警指示灯亮，通过控制箱复位按钮进行复位。基于PLC的超声波气雾栽培控制系统手动、自动控制触摸屏界面如图4、图5所示。

图4 手动控制方式界面

图5 自动控制方式界面

4 结论

气雾栽培控制系统能够为植物提供最佳的生长条件，在各种环境条件下实现植物的快速生长和高产量，具有节水和节能等诸多优点，已被广泛应用于室内农业、城市农业和垂直农场等领域[6]。目前，气雾栽培控制系统正朝着自动化、智能化和精细化管理的方向发展。本文针对兰科植物育苗设计出一种基于PLC的超声波气雾栽培控制系统，既实现了超声波气雾栽培功能，还可以对栽培环境进行智能化管控，可以有效提高植物栽培水和养分的利用效率，减少病虫害发生，提高栽培的成活率。该系统以PLC作为控制器，提高了系统的可靠性与稳定性，通过试验结果表明，该装置符合开发要求，具有一定的应用价值，但在传感检测和功能设计方面仍有进一步优化的空间。