植物工厂培养架系统设计_洪培瑶.pdf

第 37 卷 第 10 期 福 建 电 脑 Vol 37 No 10 2021 年 10 月 Journal of Fujian Computer Oct 2021 本文得到福建省教育厅中青年教师教育科研项目基金 No JAT191137 院级课程思政教育教学改革研究项目 No jx200315 电气工程及其自动化 应用型学科建设项目基金 No yx190301 院级中青年教师教育科研基金项目 No kx210317 资助 洪培瑶 女 1992年生 主要研究领域为机械工程 植物力学 E mail 1225042655 林斯乐 男 1988 年生 主要研究领域为光学 E mail linsile01 张腾敏 女 1989 年生 主要 研究领域为图像分割 图像融合 E mail 1103010029 郭巧惠 女 1981年生 主要研究领域为电工理论新技术 E mail 6775471 植物工厂培养架系统设计 洪培瑶 林斯乐 张腾敏 郭巧惠 福建农林大学金山学院信息与机电工程系 福州 350001 摘 要 本文主要结合 PLC 对植物工厂的控制系统进行设计 植物工厂控制系统的设计主要包括光培养架的升降控制 二氧 化碳浓度的控制 温度的控制以及湿度的控制 同时 设计电机控制实验来验证光培养架控制程序的可行性 利用传感器检 测物体来控制电机的启动与停止 通过对植物工厂控制系统的设计 能够使植物工厂内的植物接受到最适宜的光照条件 同 时二氧化碳浓度 温度和湿度等条件都控制在适合植物生长的范围内 实现植物的快速生长 关键词 植物工厂 光培养架 PLC 控制系统 中图法分类号 S 3 DOI 10 16707 ki fjpc 2021 10 022 Design of Culture Frame System in Plant Factory HONG Peiyao LIN Sile ZHANG Tengmin GUO Qiaohui Jinshan College Fujian Agriculture and Forestry University Fuzhou China 350001 Abstract This paper designs a plant factory control system The system includes the rise and fall control of light culture frame the control of carbon dioxide concentration the control of temperature and humidity Through the motor control experiment to verify the feasibility of the light culture frame control program and use the sensor to detect objects to control the start and stop of the motor The experiment shows that the plant factory control system can make the plants in the plant factory receive the most suitable light conditions The system also can control the concentration of carbon dioxide temperature and humidity in the range suitable for plant growth so as to realize the rapid growth of plants Keywords Plant Factory Light Cultivation Rack PLC Control System 1 引言 在国家经济和科技的进步过程中 人们的生活 水平和消费水平也在增长 同时消费理念也在改 变 对于水稻 水果 蔬菜等食品 人们不再简单 地要求仅能果腹 而是要求吃 得营养 然而稀缺的 土地资源以及落后的生产方式已经不能满足人们 的这一需求 本文的研究目的就是要应用全新的蔬 菜培养方式 1 3 培养出质量好 产量高 绿色健康 的蔬菜来满足人们的需求 植物工厂光培养架的智能控制是将 PLC 技术 与传感器 相 结合 对影响植物光合作用的光照强 度 温湿度及培养液成分 浓度等因素进行精确控 制 从而使植物光合作用的强度达到最大值 并能 够最大程度地抑制呼吸作用 进而缩短蔬菜 的生产 周期 这是一种新型的植物培养系统 植物工厂能有效地提高能源的利用率 4 7 并 且 无需喷洒农药 杀虫剂 无需施肥 只需要通过 PLC 程序编写对影响植物生长的因素进行人为控制 因 此具有节能 环保 操作简便 控制准确 能源利 用率高等众多优点 8 植物工厂光培养系统培养出 来的产品产量高 质量好 品质好 具有十分重要 的研究价值和发展前景 2021 年 福 建 电 脑 87 2 培养架概况 2 1 培养架机械结构 图 1 培养架结构示意图 植物工厂的光培养架的主要由以下部分组成 培养架机架 各种类型的传感器 各种传感器所对 应的执行元件 限位开关 按钮 继电器 接触器 指示灯等 传感器接收信号 并且传递给执行机构 步进电机 电机正转 反转带动灯架上升 下 降 图 1 为培养架结构示意图 2 2 光培养架的控制因素 光培养架的控制因素 主要有 光 CO 2 温度和 湿度等 在一般的温室控制里 已经对 CO 2 浓度 温度 和湿度的控制进行了很详细 很全面的控制 因此 本文在此基础上增加了对光强的控制 改变传统对 灯光亮度的控制 利用 PLC 控制电机运转 9 实现 灯架的上升 下降 以实现控制光照强度 2 3 系统控制结构设计 图 2 所示为系统的硬件结构图 上位机 计算机 串行通信接口 下位机 A D模块 模拟变送电路 传感器 压 力 传 感 器 温 度 传 感 器 湿 度 传 感 器 CO2 传感 器 距 离 传 感 器 输入接口 限位开关手动开关 输出接口 继电器 执行机构 A D模块 图 2 系统的结构设计流程图 3 程序设计 植物工厂光培养架的控制系统 主要就是要控 制培养架在接收到信号后 能够智能地做出判断 然后执行相应的动作的过程 培养架的控制主要 有 1 灯架根据植物生长的状况通过红外线测距 传感器的传感进行自动判断 然后自行升降 达到 最优的光照高度 2 CO 2 浓度的自动控制 通过 CO 2 传感器对环境中 CO 2 的含量进行动态监测并对 所监测的结果作出相应的措施 3 湿度的自动控 制 通过湿度传感器对空气中的水蒸气的含量进行 检测并根据监测状况作出相对应的执行动作 4 88 洪培瑶等 植物工厂培养架系统设计 第 10 期 温度的自动控制 通过温度传感器对植物生长的外 界温度进行实时监测并作出相应的动作等 3 1 培养架升降控制 根据种植需求 提前了解蔬菜的生长周期 以 及幼苗期 快速生长期 成熟期的时间 但是不能 确定在这三种不同的生长期间的生长状况 生长 快 慢 利用距离传感器检测到的信号对电机进行调 控 控制流程如图 3 所示 开始 初始化 灯架下降到下限位 LED灯亮 手动or自动控制 电机上升电机下降 D下48 灯架上升至上 限位 指示灯亮 手动 自动 Y N Y Y N N 图 3 培养架设计控制流程图 3 2 温度控制 植物工厂能够借鉴在温室或者大棚已经广泛 运用的温度控制系统 当温度传感器感应到温度高 于 20 时 就 会把信号传递给执行元件 实行降温 当温度传感器感应到温度低于 15 时 执 行 机构 接 收到信号后 启动升温设备 如此循环 可以保证 温度在适宜的范畴 内 适合植物生产 温度控制流 程如图 4 所示 开始 温度传感器 15 下温度 下20 温度 15 加温器加热冷却风扇冷却 图 4 温度控制流程图 3 3 CO 2 浓度的控制方案 开始 CO2传感器 0 D 18 CO2浓度 0 05 增加CO 2的浓度通风换气 CO2浓度0 08 0 15 CO2浓度 0 08 增加CO 2的浓度 通风换气 CO2浓度0 05 0 06 N N N N N N Y Y Y Y Y 图 5 CO 2 控制流程图 CO 2 浓度的控制在温室或者大棚普遍运用 在 植物工厂中 可以借鉴 温室中的控制方案 在幼苗 期和定植期 当传感器感应到 CO 2 浓度高于 0 06 2021 年 福 建 电 脑 89 时 就把信号传递给执行元件 实行降低 CO 2 浓度 当传感器感应到 CO 2 浓度低于 0 05 时 执行元件 接收到信号后 启动设备 以提高 CO2 浓度 在植物 成熟期 当传感器感应到 CO 2 浓度高于 0 15 时 就把信号传递给执行元件 实行降低 CO 2 浓度 当 传感器感应到 CO 2 浓度低于 0 08 时 执行元件接 收到信号后 启动设备提高 CO 2 浓度 CO 2 控制流程图如图 5 所示 CO 2 控制系统把 植物的生长过程分成两个阶段 0 18 天和 19 30 天 在植物生长的 CO 2 浓度在育苗期和定植期时 0 18 天 维持 0 05 0 06 CO 2 浓度在成熟期 19 30 天 要达到 0 08 0 15 这样 可以 达 到在不同时间段控制不同的 CO 2 浓度的目的 4 试验 在实验设备有限的条件下 只进行了模拟调 试 模拟调试的优点是可以增加模拟的真实性和反 映逻辑关系是否正确 在正式投入使用前 可以 把 可能发生的情况都消除 4 1 步进电机的调试 本次实验的接线采用的是共阴极接线法 把驱 动器上的 PU DR MF 连接在一起 PU 串联 一个 2 千欧的电阻连接到 Q0 0 DR 串联一个 2 千 欧的电阻连接到 Q0 1 MF 串联一个 2 千欧的电阻 连接到 L 把驱动器上的 U V W 与三相步进电 机的 U V W 依次连接 调试的结果是步进电机按照预期转动了起来 打开 I0 0 电机正转 关闭 I0 0 步进电机反转 打开 I0 1 的开关 启动调用子程序运行步进电机 打开 I0 2 的开关 启动调用停止子程序 4 2 传感器系统的调试 本次实验的接线采用的是共阴极接线法 把驱 动器上的 PU DR MF 连接在一起 PU 串联 一个 2 千 欧的 电阻连接到 Q0 0 DR 串联一个 2 千 欧的电阻连接到 Q0 1 MF 串联一个 2 千欧的电阻 连接到 L 把驱动器上的 U V W 与三相步进电 机的 U V W 依次连接 测量距离传感器的型号 是光电开关传感器 E3F DS30P1 它的三条接线分 别为 棕色线接 PLC 的 1L 兰色线接 PLC 的 1M 黑色线接 PLC 的 I0 1 控制原理 利用测距传感器 E2F DS30P1 检测 设定距离内是否有信号 传感器接收信号触发 PLC 输入端口 I0 0 从而驱使步进电机的工作 E2F DS30P1 是光电开关 可用于测量设定的距离 内是否有物体 并且可以设置测量距离 价格便宜 因此作为本次实验用的传感器 试验结果显示 当测距传感器监测到物体时 会驱动步进电机运转 当测距传感器接收不到物体 信号时 电机停止运行 符合预期效果 调试现场 如图 6 所示 图 6 一个传感器工作时的调试现场 5 总结 本论文通过对植物工厂培养架的升降控制 灯 光的控制 二氧化碳的控制等 实现培养架的智能 化 同时 通过 在 实验室进行 简单的实验 验证了程 序的可行性 参 考 文 献 1 李东星 商守海 周增产 卜云龙 舒其伟 兰立波 植物工厂不同光源和 光照方式对生菜生长的影响 长江蔬菜 2012 24 50 52 2 顾小小 李伟 朱春燕 解安东 李长兴 张样平 蔬菜工厂化生产自动移 苗设备结构设计与试验 农业开发与装备 2021 05 11 13 3 毛金柱 邱权 张芳 李宁 胡跃 高 薛绪 掌 LED 光源下不同光照时间对 生菜生长的影响 农机化研究 2014 36 03 141 145 4 邱兆美 赵龙 贾海波 植物工厂发展趋势与存在问题分析 农机化研 究 2013 35 10 230 233 5 中国农科院成功研发国内首例智能型植物工厂 中国科技财 富 2009 23 12 6 吕艳 数字植物工厂技术正式步入家庭生活 农业工程技术 温室园 艺 2010 12 58 59 7 余锡寿 刘跃萍 植物工 厂集成技术与综合效益分析 农业展 望 2013 9 12 56 59 8 郑吉澍 邓顺华 李佩原 徐郑 刘飞 旋转立体栽培架补光系统设计 农 业工程 2021 11 02 111 116 9 李海芸 洪培瑶 张超鸿 董楸煌 吴传宇 一种用于具有培养架的植物 工厂的控制系统 中国 2018 03 27