全自动电加热负压二氧化碳气肥发生器控制系统设计.pdf

23 农业装备 农业开发与装备 2021年第4期 全自动电加热负压二氧化碳气肥发生器控制系统设计 于 镓 1 2 杨延荣 1 赵 辉 1 单慧勇 1 郭俊旺 1 卫 勇 1 1 天津农学院工程技术学院 天津市 300384 2 天津龙川洁净室运行管理有限公司 天津市 300384 摘要 为改善日光温室生产中二氧化碳匮乏问题 设计 全自动电加热负压二氧化碳气肥发生器控制系统 采用 PLC为主控制器 完成对气泵 电磁阀 加热装置等执 行器的控制 巨控模块作为主机 通过Modbus协议与 PLC进行数据交换 并通过4G网络将数据传输到远程终 端 实现数据的实时显示 存储及历史信息统计 设计 电加热负压发生器利用碳酸氢铵受热分解的化学性质制 备二氧化碳气肥 发生器结构既防止了气体泄漏 又保 证了输出二氧化碳的纯度 实验结果表明 系统运行稳 定可靠 组态界面简洁方便 实现了对温室内二氧化碳 的精准补施 关键词 温室 二氧化碳 远程监控 负压 0 引言 由于日光温室自身环境特点及种植密度等原因 造 成温室内二氧化碳浓度严重不足 降低作物光合作用速 率 导致干物质积累量减少 从而影响植物长势与抗病 能力 因此 适量补施气肥已成为现代化温室生产中一 项重要手段 1 2 针对现有利用加热方式制取二氧化碳 的装置工作时均处于正压状态 容易造成气体泄露 水 温随着反应的进行而升高 导致氨气溶解度下降 设备 应用在高温 高湿 多灰尘的环境中等问题 2 4 设计了 一种电加热负压二氧化碳气肥发生器控制系统 1 控制系统整体设计方案 系统整体结构如图1所示 系统由上位机和下位机两 部分组成 通过Modbus协议RS485接口通讯 上位机利 用巨控远程模块搭建远程监控平台 实现对设备运行的 远程实时监控 数据存储 并可对系统的反应时间 温 控传感器阈值 延时输气时间 换水时间 气泵运行参 数等进行设置 在下位机PLC控制下可以完成碳酸氢铵 加热 混合气体过滤 设备换水 二氧化碳输气等工作 过程自动化控制 用户只需添加碳酸氢铵即可 图1 系统整体结构图 2 硬件系统设计与选型 2 1 PLC选型与电气控制系统设计 根据系统需求选择信捷PLC 具体型号为XC2 作者简介 于镓 1989 男 硕士研究生 助理工程师 主要 从事电气自动化方面的研究 通讯作者 杨延荣 1976 女 硕士研究生 讲师 主要从事 机电一体化技术方面的研究 图2 电气控制系统电路图 24 农业装备 农业开发与装备 2021年第4期 16RT C 其工作电压DC24V 输入输出均为8路 具有 RS232 RS485通讯接口各一路 PLC控制电路如图2所示 PLC输入端接收无源开关 器件信号 输出采用组COM方式 Y0为晶体管输出 利 用脉宽调制控制固态继电器调节反应速率 Y5 Y6由于 多个设备并联在一起 为防止电流过大 采用中间继电 器控制 A和B为RS485接口 2 2 远程模块选型 GRM500系列物联网模块是广州巨控科技开发的专用 于PLC远程维护和监控的通讯模块 用户无需编程 只 需根据Modbus协议将PLC内部软元件映射到与之相关联 的内部寄存器中即可 模块采用非透传的GPRS方式完成 数据远程传输 用户通过访问厂家云服务器即可完成远 程监控 并可实现PLC的远程更新 符合系统需求 2 3 发生器的结构及工艺流程设计 发生器整体结构如图3所示 主要包括 电加热装 置 两级过滤器 负压和换水系统 碳酸氢铵在电加热 反应器中受热分解产生氨气和二氧化碳的混合气体 在 负压状态下 混合气体经气路进入两级气体过滤器 氨 气被过滤器中水吸收形成氮肥 剩余的二氧化碳气体被 气泵抽出释放到温室中 5 7 选择适当的气泵参数及气路管道直径 保证发生器 在整个工作过程中均处于负压密封状态 有效的避免了 反应气体的泄露问题 设计两级过滤器既使混合气体的 气路尽可能多接触水 充分溶解氨气 又在注水和排水 过程中利用虹吸原理保证整个装置气密性 实验测试气 体出口处氨气浓度始终保持在1 ppm以下 反应器中安装 可调式温度控制传感器以检测反应器内温度 判定碳酸 氢铵消耗完毕 设备选择耐腐蚀性不锈钢材质 符合温 室内应用需求 图3 发生器整体结构示意图 3 软件系统设计 3 1 控制要求 系统上电 用户向加热装置中加入适量碳酸氢铵 按下启动按钮 进水阀门 气泵 抽气阀门打开 开始 向两级气体过滤器内注水 待低液位和高液位依次闭 合 进水阀门 抽气阀门 气泵关闭注水完成 此时反 应按钮未按下 系统待机 待机指示灯亮起 若反应按 钮按下 加热装置启动 反应排气阀 气泵打开 反应 一定时间或温度传感器断开 加热装置关闭 延时一段 时间后气泵 反应排气阀关闭 出水阀 排水平衡气阀 打开 开始排水 待高液位和低液位依次断开 排水结 束 此时若温度传感器未断开 循环工作 若温度传感 器断开 蜂鸣器响 反应完成 系统在工作过程中 出 现故障 蜂鸣器响提示用户 3 2 PLC程序设计 P L C 程 序 设 计采用经典顺序控制 按照发生器的工艺 图5 设备状态界面 25 农业装备 农业开发与装备 2021年第4期 流程 将系统工作步采用信捷PLC中状态寄存器S编号 然后编写系统顺序功能图如图4所示 图中标出每一个工 作步的转换条件和输出 配合STL指令编写梯形图 图4 顺序功能图 3 3 远程监控组态界面设计 组态界面是整个系统的人机交互接口 所以直观 性 便捷性 人性化是组态界面设计的关键 为了最大 程度简化操作过程 采取 全面 直观 选项少 界面 少 的理念设计组态界面 图5为设备状态界面 用户可以操作并直观了解设备 当前运行状态 前两行为输入输出设备 其相对应设备 图标变为绿色并闪烁 第三行为设备当前状态 当设备 运行到此状态时 对应图标闪烁 第四行为设备报警提 示 当出现故障时 对应图标变为红色并闪烁 便于及 时排除故障 最后一行为设备操作按钮 当按下时变为 绿色 图6为自动控制参数设置界面 用户可以设置自动控 制中的必要参数 第一列三个数据分别是当前二氧化碳 浓度及二氧化碳浓度上下限设定 其它两列为设备运行 参数设置 用户可以针对不同的环境 对运行参数进行 细微的调整 从而保证设备运行在最佳状态 图7为历史数据查看界面 主要对二氧化碳浓度及设 备运行状态的历史数据进行查看 可以通过相应按钮实 现任意时刻历史数据查询功能 4 结语 基于PLC技术 物联网技术及组态技术 设计全自 动电加热负压二氧化碳气肥发生器控制系统 采用PLC 实现工作过程自动化 巨控模块完成远程监控 设计电 加热负压发生器保障设备的可靠性与安全性 实验结果 表明 系统实现了对温室内二氧化碳的远程精准补施 保障了温室内作物光合作用对二氧化碳的需求 从而实 现温室的智能化生产 减轻了农户的劳动强度 图6 参数设置界面 图7 历史数据查看界面 参考文献 1 杜金伟 姜伟 付崇毅 王建国 杜刚强 朱春侠 董程明 设 施条件下二氧化碳气体施肥器的应用 J 北方农业学报 2016 44 04 125 127 2 高瑞龙 设施蔬菜生产中的二氧化碳施肥器设计 D 西安工 业大学 2016 3 王双喜 王旭 FCP系列自压平衡式CO 2 发生器的结构及其 应用 J 农业工程技术 温室园艺 2007 09 13 14 4 张淑娟 王双喜 刘淑珍 自压平衡式CO 2 发生器的设计与应 用 J 农业机械学报 2003 01 148 150 5 单慧勇 李靖 张行健 李合伟 赵辉 王远宏 卫勇 于镓 李传坤 用于电加热分解碳酸氢铵制取二氧化碳的自动控 制系统 P 天津 CN205634903U 2016 10 12 6 李合伟 单慧勇 赵辉 王远宏 卫勇 于镓 李传坤 电加 热分解碳酸氢铵产生二氧化碳气体发生装置 P 山东 CN205623367U 2016 10 12 7 单慧勇 李合伟 赵辉 王远宏 卫勇 于镓 李传坤 用于电 加热分解碳酸氢铵制取二氧化碳的自动控制系统 P 天 津 CN105948828A 2016 09 21