全自動電加熱負壓二氧化碳氣肥發(fā)生器控制系統(tǒng)設計.pdf

23 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021年第4期 全自動電加熱負壓二氧化碳氣肥發(fā)生器控制系統(tǒng)設計 于 鎵 1 2 楊延榮 1 趙 輝 1 單慧勇 1 郭俊旺 1 衛(wèi) 勇 1 1 天津農(nóng)學院工程技術(shù)學院 天津市 300384 2 天津龍川潔凈室運行管理有限公司 天津市 300384 摘要 為改善日光溫室生產(chǎn)中二氧化碳匱乏問題 設計 全自動電加熱負壓二氧化碳氣肥發(fā)生器控制系統(tǒng) 采用 PLC為主控制器 完成對氣泵 電磁閥 加熱裝置等執(zhí) 行器的控制 巨控模塊作為主機 通過Modbus協(xié)議與 PLC進行數(shù)據(jù)交換 并通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程終 端 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示 存儲及歷史信息統(tǒng)計 設計 電加熱負壓發(fā)生器利用碳酸氫銨受熱分解的化學性質(zhì)制 備二氧化碳氣肥 發(fā)生器結(jié)構(gòu)既防止了氣體泄漏 又保 證了輸出二氧化碳的純度 實驗結(jié)果表明 系統(tǒng)運行穩(wěn) 定可靠 組態(tài)界面簡潔方便 實現(xiàn)了對溫室內(nèi)二氧化碳 的精準補施 關(guān)鍵詞 溫室 二氧化碳 遠程監(jiān)控 負壓 0 引言 由于日光溫室自身環(huán)境特點及種植密度等原因 造 成溫室內(nèi)二氧化碳濃度嚴重不足 降低作物光合作用速 率 導致干物質(zhì)積累量減少 從而影響植物長勢與抗病 能力 因此 適量補施氣肥已成為現(xiàn)代化溫室生產(chǎn)中一 項重要手段 1 2 針對現(xiàn)有利用加熱方式制取二氧化碳 的裝置工作時均處于正壓狀態(tài) 容易造成氣體泄露 水 溫隨著反應的進行而升高 導致氨氣溶解度下降 設備 應用在高溫 高濕 多灰塵的環(huán)境中等問題 2 4 設計了 一種電加熱負壓二氧化碳氣肥發(fā)生器控制系統(tǒng) 1 控制系統(tǒng)整體設計方案 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示 系統(tǒng)由上位機和下位機兩 部分組成 通過Modbus協(xié)議RS485接口通訊 上位機利 用巨控遠程模塊搭建遠程監(jiān)控平臺 實現(xiàn)對設備運行的 遠程實時監(jiān)控 數(shù)據(jù)存儲 并可對系統(tǒng)的反應時間 溫 控傳感器閾值 延時輸氣時間 換水時間 氣泵運行參 數(shù)等進行設置 在下位機PLC控制下可以完成碳酸氫銨 加熱 混合氣體過濾 設備換水 二氧化碳輸氣等工作 過程自動化控制 用戶只需添加碳酸氫銨即可 圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 2 硬件系統(tǒng)設計與選型 2 1 PLC選型與電氣控制系統(tǒng)設計 根據(jù)系統(tǒng)需求選擇信捷PLC 具體型號為XC2 作者簡介 于鎵 1989 男 碩士研究生 助理工程師 主要 從事電氣自動化方面的研究 通訊作者 楊延榮 1976 女 碩士研究生 講師 主要從事 機電一體化技術(shù)方面的研究 圖2 電氣控制系統(tǒng)電路圖 24 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021年第4期 16RT C 其工作電壓DC24V 輸入輸出均為8路 具有 RS232 RS485通訊接口各一路 PLC控制電路如圖2所示 PLC輸入端接收無源開關(guān) 器件信號 輸出采用組COM方式 Y0為晶體管輸出 利 用脈寬調(diào)制控制固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)反應速率 Y5 Y6由于 多個設備并聯(lián)在一起 為防止電流過大 采用中間繼電 器控制 A和B為RS485接口 2 2 遠程模塊選型 GRM500系列物聯(lián)網(wǎng)模塊是廣州巨控科技開發(fā)的專用 于PLC遠程維護和監(jiān)控的通訊模塊 用戶無需編程 只 需根據(jù)Modbus協(xié)議將PLC內(nèi)部軟元件映射到與之相關(guān)聯(lián) 的內(nèi)部寄存器中即可 模塊采用非透傳的GPRS方式完成 數(shù)據(jù)遠程傳輸 用戶通過訪問廠家云服務器即可完成遠 程監(jiān)控 并可實現(xiàn)PLC的遠程更新 符合系統(tǒng)需求 2 3 發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及工藝流程設計 發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)如圖3所示 主要包括 電加熱裝 置 兩級過濾器 負壓和換水系統(tǒng) 碳酸氫銨在電加熱 反應器中受熱分解產(chǎn)生氨氣和二氧化碳的混合氣體 在 負壓狀態(tài)下 混合氣體經(jīng)氣路進入兩級氣體過濾器 氨 氣被過濾器中水吸收形成氮肥 剩余的二氧化碳氣體被 氣泵抽出釋放到溫室中 5 7 選擇適當?shù)臍獗脜?shù)及氣路管道直徑 保證發(fā)生器 在整個工作過程中均處于負壓密封狀態(tài) 有效的避免了 反應氣體的泄露問題 設計兩級過濾器既使混合氣體的 氣路盡可能多接觸水 充分溶解氨氣 又在注水和排水 過程中利用虹吸原理保證整個裝置氣密性 實驗測試氣 體出口處氨氣濃度始終保持在1 ppm以下 反應器中安裝 可調(diào)式溫度控制傳感器以檢測反應器內(nèi)溫度 判定碳酸 氫銨消耗完畢 設備選擇耐腐蝕性不銹鋼材質(zhì) 符合溫 室內(nèi)應用需求 圖3 發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)示意圖 3 軟件系統(tǒng)設計 3 1 控制要求 系統(tǒng)上電 用戶向加熱裝置中加入適量碳酸氫銨 按下啟動按鈕 進水閥門 氣泵 抽氣閥門打開 開始 向兩級氣體過濾器內(nèi)注水 待低液位和高液位依次閉 合 進水閥門 抽氣閥門 氣泵關(guān)閉注水完成 此時反 應按鈕未按下 系統(tǒng)待機 待機指示燈亮起 若反應按 鈕按下 加熱裝置啟動 反應排氣閥 氣泵打開 反應 一定時間或溫度傳感器斷開 加熱裝置關(guān)閉 延時一段 時間后氣泵 反應排氣閥關(guān)閉 出水閥 排水平衡氣閥 打開 開始排水 待高液位和低液位依次斷開 排水結(jié) 束 此時若溫度傳感器未斷開 循環(huán)工作 若溫度傳感 器斷開 蜂鳴器響 反應完成 系統(tǒng)在工作過程中 出 現(xiàn)故障 蜂鳴器響提示用戶 3 2 PLC程序設計 P L C 程 序 設 計采用經(jīng)典順序控制 按照發(fā)生器的工藝 圖5 設備狀態(tài)界面 25 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021年第4期 流程 將系統(tǒng)工作步采用信捷PLC中狀態(tài)寄存器S編號 然后編寫系統(tǒng)順序功能圖如圖4所示 圖中標出每一個工 作步的轉(zhuǎn)換條件和輸出 配合STL指令編寫梯形圖 圖4 順序功能圖 3 3 遠程監(jiān)控組態(tài)界面設計 組態(tài)界面是整個系統(tǒng)的人機交互接口 所以直觀 性 便捷性 人性化是組態(tài)界面設計的關(guān)鍵 為了最大 程度簡化操作過程 采取 全面 直觀 選項少 界面 少 的理念設計組態(tài)界面 圖5為設備狀態(tài)界面 用戶可以操作并直觀了解設備 當前運行狀態(tài) 前兩行為輸入輸出設備 其相對應設備 圖標變?yōu)榫G色并閃爍 第三行為設備當前狀態(tài) 當設備 運行到此狀態(tài)時 對應圖標閃爍 第四行為設備報警提 示 當出現(xiàn)故障時 對應圖標變?yōu)榧t色并閃爍 便于及 時排除故障 最后一行為設備操作按鈕 當按下時變?yōu)?綠色 圖6為自動控制參數(shù)設置界面 用戶可以設置自動控 制中的必要參數(shù) 第一列三個數(shù)據(jù)分別是當前二氧化碳 濃度及二氧化碳濃度上下限設定 其它兩列為設備運行 參數(shù)設置 用戶可以針對不同的環(huán)境 對運行參數(shù)進行 細微的調(diào)整 從而保證設備運行在最佳狀態(tài) 圖7為歷史數(shù)據(jù)查看界面 主要對二氧化碳濃度及設 備運行狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)進行查看 可以通過相應按鈕實 現(xiàn)任意時刻歷史數(shù)據(jù)查詢功能 4 結(jié)語 基于PLC技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及組態(tài)技術(shù) 設計全自 動電加熱負壓二氧化碳氣肥發(fā)生器控制系統(tǒng) 采用PLC 實現(xiàn)工作過程自動化 巨控模塊完成遠程監(jiān)控 設計電 加熱負壓發(fā)生器保障設備的可靠性與安全性 實驗結(jié)果 表明 系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫室內(nèi)二氧化碳的遠程精準補施 保障了溫室內(nèi)作物光合作用對二氧化碳的需求 從而實 現(xiàn)溫室的智能化生產(chǎn) 減輕了農(nóng)戶的勞動強度 圖6 參數(shù)設置界面 圖7 歷史數(shù)據(jù)查看界面 參考文獻 1 杜金偉 姜偉 付崇毅 王建國 杜剛強 朱春俠 董程明 設 施條件下二氧化碳氣體施肥器的應用 J 北方農(nóng)業(yè)學報 2016 44 04 125 127 2 高瑞龍 設施蔬菜生產(chǎn)中的二氧化碳施肥器設計 D 西安工 業(yè)大學 2016 3 王雙喜 王旭 FCP系列自壓平衡式CO 2 發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及其 應用 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 2007 09 13 14 4 張淑娟 王雙喜 劉淑珍 自壓平衡式CO 2 發(fā)生器的設計與應 用 J 農(nóng)業(yè)機械學報 2003 01 148 150 5 單慧勇 李靖 張行健 李合偉 趙輝 王遠宏 衛(wèi)勇 于鎵 李傳坤 用于電加熱分解碳酸氫銨制取二氧化碳的自動控 制系統(tǒng) P 天津 CN205634903U 2016 10 12 6 李合偉 單慧勇 趙輝 王遠宏 衛(wèi)勇 于鎵 李傳坤 電加 熱分解碳酸氫銨產(chǎn)生二氧化碳氣體發(fā)生裝置 P 山東 CN205623367U 2016 10 12 7 單慧勇 李合偉 趙輝 王遠宏 衛(wèi)勇 于鎵 李傳坤 用于電 加熱分解碳酸氫銨制取二氧化碳的自動控制系統(tǒng) P 天 津 CN105948828A 2016 09 21