植物工廠培養(yǎng)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)_洪培瑤.pdf

第 37 卷 第 10 期 福 建 電 腦 Vol 37 No 10 2021 年 10 月 Journal of Fujian Computer Oct 2021 本文得到福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目基金 No JAT191137 院級(jí)課程思政教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目 No jx200315 電氣工程及其自動(dòng)化 應(yīng)用型學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目基金 No yx190301 院級(jí)中青年教師教育科研基金項(xiàng)目 No kx210317 資助 洪培瑤 女 1992年生 主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械工程 植物力學(xué) E mail 1225042655 林斯樂 男 1988 年生 主要研究領(lǐng)域?yàn)楣鈱W(xué) E mail linsile01 張騰敏 女 1989 年生 主要 研究領(lǐng)域?yàn)閳D像分割 圖像融合 E mail 1103010029 郭巧惠 女 1981年生 主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姽だ碚撔录夹g(shù) E mail 6775471 植物工廠培養(yǎng)架系統(tǒng)設(shè)計(jì) 洪培瑤 林斯樂 張騰敏 郭巧惠 福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院信息與機(jī)電工程系 福州 350001 摘 要 本文主要結(jié)合 PLC 對(duì)植物工廠的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì) 植物工廠控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括光培養(yǎng)架的升降控制 二氧 化碳濃度的控制 溫度的控制以及濕度的控制 同時(shí) 設(shè)計(jì)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證光培養(yǎng)架控制程序的可行性 利用傳感器檢 測(cè)物體來控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止 通過對(duì)植物工廠控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 能夠使植物工廠內(nèi)的植物接受到最適宜的光照條件 同 時(shí)二氧化碳濃度 溫度和濕度等條件都控制在適合植物生長(zhǎng)的范圍內(nèi) 實(shí)現(xiàn)植物的快速生長(zhǎng) 關(guān)鍵詞 植物工廠 光培養(yǎng)架 PLC 控制系統(tǒng) 中圖法分類號(hào) 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 在國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技的進(jìn)步過程中 人們的生活 水平和消費(fèi)水平也在增長(zhǎng) 同時(shí)消費(fèi)理念也在改 變 對(duì)于水稻 水果 蔬菜等食品 人們不再簡(jiǎn)單 地要求僅能果腹 而是要求吃 得營(yíng)養(yǎng) 然而稀缺的 土地資源以及落后的生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足人們 的這一需求 本文的研究目的就是要應(yīng)用全新的蔬 菜培養(yǎng)方式 1 3 培養(yǎng)出質(zhì)量好 產(chǎn)量高 綠色健康 的蔬菜來滿足人們的需求 植物工廠光培養(yǎng)架的智能控制是將 PLC 技術(shù) 與傳感器 相 結(jié)合 對(duì)影響植物光合作用的光照強(qiáng) 度 溫濕度及培養(yǎng)液成分 濃度等因素進(jìn)行精確控 制 從而使植物光合作用的強(qiáng)度達(dá)到最大值 并能 夠最大程度地抑制呼吸作用 進(jìn)而縮短蔬菜 的生產(chǎn) 周期 這是一種新型的植物培養(yǎng)系統(tǒng) 植物工廠能有效地提高能源的利用率 4 7 并 且 無需噴灑農(nóng)藥 殺蟲劑 無需施肥 只需要通過 PLC 程序編寫對(duì)影響植物生長(zhǎng)的因素進(jìn)行人為控制 因 此具有節(jié)能 環(huán)保 操作簡(jiǎn)便 控制準(zhǔn)確 能源利 用率高等眾多優(yōu)點(diǎn) 8 植物工廠光培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)出 來的產(chǎn)品產(chǎn)量高 質(zhì)量好 品質(zhì)好 具有十分重要 的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展前景 2021 年 福 建 電 腦 87 2 培養(yǎng)架概況 2 1 培養(yǎng)架機(jī)械結(jié)構(gòu) 圖 1 培養(yǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖 植物工廠的光培養(yǎng)架的主要由以下部分組成 培養(yǎng)架機(jī)架 各種類型的傳感器 各種傳感器所對(duì) 應(yīng)的執(zhí)行元件 限位開關(guān) 按鈕 繼電器 接觸器 指示燈等 傳感器接收信號(hào) 并且傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī) 電機(jī)正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)帶動(dòng)燈架上升 下 降 圖 1 為培養(yǎng)架結(jié)構(gòu)示意圖 2 2 光培養(yǎng)架的控制因素 光培養(yǎng)架的控制因素 主要有 光 CO 2 溫度和 濕度等 在一般的溫室控制里 已經(jīng)對(duì) CO 2 濃度 溫度 和濕度的控制進(jìn)行了很詳細(xì) 很全面的控制 因此 本文在此基礎(chǔ)上增加了對(duì)光強(qiáng)的控制 改變傳統(tǒng)對(duì) 燈光亮度的控制 利用 PLC 控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 9 實(shí)現(xiàn) 燈架的上升 下降 以實(shí)現(xiàn)控制光照強(qiáng)度 2 3 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 2 所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖 上位機(jī) 計(jì)算機(jī) 串行通信接口 下位機(jī) A D模塊 模擬變送電路 傳感器 壓 力 傳 感 器 溫 度 傳 感 器 濕 度 傳 感 器 CO2 傳感 器 距 離 傳 感 器 輸入接口 限位開關(guān)手動(dòng)開關(guān) 輸出接口 繼電器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) A D模塊 圖 2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖 3 程序設(shè)計(jì) 植物工廠光培養(yǎng)架的控制系統(tǒng) 主要就是要控 制培養(yǎng)架在接收到信號(hào)后 能夠智能地做出判斷 然后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作的過程 培養(yǎng)架的控制主要 有 1 燈架根據(jù)植物生長(zhǎng)的狀況通過紅外線測(cè)距 傳感器的傳感進(jìn)行自動(dòng)判斷 然后自行升降 達(dá)到 最優(yōu)的光照高度 2 CO 2 濃度的自動(dòng)控制 通過 CO 2 傳感器對(duì)環(huán)境中 CO 2 的含量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并對(duì) 所監(jiān)測(cè)的結(jié)果作出相應(yīng)的措施 3 濕度的自動(dòng)控 制 通過濕度傳感器對(duì)空氣中的水蒸氣的含量進(jìn)行 檢測(cè)并根據(jù)監(jiān)測(cè)狀況作出相對(duì)應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作 4 88 洪培瑤等 植物工廠培養(yǎng)架系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 10 期 溫度的自動(dòng)控制 通過溫度傳感器對(duì)植物生長(zhǎng)的外 界溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并作出相應(yīng)的動(dòng)作等 3 1 培養(yǎng)架升降控制 根據(jù)種植需求 提前了解蔬菜的生長(zhǎng)周期 以 及幼苗期 快速生長(zhǎng)期 成熟期的時(shí)間 但是不能 確定在這三種不同的生長(zhǎng)期間的生長(zhǎng)狀況 生長(zhǎng) 快 慢 利用距離傳感器檢測(cè)到的信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào) 控 控制流程如圖 3 所示 開始 初始化 燈架下降到下限位 LED燈亮 手動(dòng)or自動(dòng)控制 電機(jī)上升電機(jī)下降 D下48 燈架上升至上 限位 指示燈亮 手動(dòng) 自動(dòng) Y N Y Y N N 圖 3 培養(yǎng)架設(shè)計(jì)控制流程圖 3 2 溫度控制 植物工廠能夠借鑒在溫室或者大棚已經(jīng)廣泛 運(yùn)用的溫度控制系統(tǒng) 當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到溫度高 于 20 時(shí) 就 會(huì)把信號(hào)傳遞給執(zhí)行元件 實(shí)行降溫 當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到溫度低于 15 時(shí) 執(zhí) 行 機(jī)構(gòu) 接 收到信號(hào)后 啟動(dòng)升溫設(shè)備 如此循環(huán) 可以保證 溫度在適宜的范疇 內(nèi) 適合植物生產(chǎn) 溫度控制流 程如圖 4 所示 開始 溫度傳感器 15 下溫度 下20 溫度 15 加溫器加熱冷卻風(fēng)扇冷卻 圖 4 溫度控制流程圖 3 3 CO 2 濃度的控制方案 開始 CO2傳感器 0 D 18 CO2濃度 0 05 增加CO 2的濃度通風(fēng)換氣 CO2濃度0 08 0 15 CO2濃度 0 08 增加CO 2的濃度 通風(fēng)換氣 CO2濃度0 05 0 06 N N N N N N Y Y Y Y Y 圖 5 CO 2 控制流程圖 CO 2 濃度的控制在溫室或者大棚普遍運(yùn)用 在 植物工廠中 可以借鑒 溫室中的控制方案 在幼苗 期和定植期 當(dāng)傳感器感應(yīng)到 CO 2 濃度高于 0 06 2021 年 福 建 電 腦 89 時(shí) 就把信號(hào)傳遞給執(zhí)行元件 實(shí)行降低 CO 2 濃度 當(dāng)傳感器感應(yīng)到 CO 2 濃度低于 0 05 時(shí) 執(zhí)行元件 接收到信號(hào)后 啟動(dòng)設(shè)備 以提高 CO2 濃度 在植物 成熟期 當(dāng)傳感器感應(yīng)到 CO 2 濃度高于 0 15 時(shí) 就把信號(hào)傳遞給執(zhí)行元件 實(shí)行降低 CO 2 濃度 當(dāng) 傳感器感應(yīng)到 CO 2 濃度低于 0 08 時(shí) 執(zhí)行元件接 收到信號(hào)后 啟動(dòng)設(shè)備提高 CO 2 濃度 CO 2 控制流程圖如圖 5 所示 CO 2 控制系統(tǒng)把 植物的生長(zhǎng)過程分成兩個(gè)階段 0 18 天和 19 30 天 在植物生長(zhǎng)的 CO 2 濃度在育苗期和定植期時(shí) 0 18 天 維持 0 05 0 06 CO 2 濃度在成熟期 19 30 天 要達(dá)到 0 08 0 15 這樣 可以 達(dá) 到在不同時(shí)間段控制不同的 CO 2 濃度的目的 4 試驗(yàn) 在實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限的條件下 只進(jìn)行了模擬調(diào) 試 模擬調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)是可以增加模擬的真實(shí)性和反 映邏輯關(guān)系是否正確 在正式投入使用前 可以 把 可能發(fā)生的情況都消除 4 1 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)試 本次實(shí)驗(yàn)的接線采用的是共陰極接線法 把驅(qū) 動(dòng)器上的 PU DR MF 連接在一起 PU 串聯(lián) 一個(gè) 2 千歐的電阻連接到 Q0 0 DR 串聯(lián)一個(gè) 2 千 歐的電阻連接到 Q0 1 MF 串聯(lián)一個(gè) 2 千歐的電阻 連接到 L 把驅(qū)動(dòng)器上的 U V W 與三相步進(jìn)電 機(jī)的 U V W 依次連接 調(diào)試的結(jié)果是步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)期轉(zhuǎn)動(dòng)了起來 打開 I0 0 電機(jī)正轉(zhuǎn) 關(guān)閉 I0 0 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn) 打開 I0 1 的開關(guān) 啟動(dòng)調(diào)用子程序運(yùn)行步進(jìn)電機(jī) 打開 I0 2 的開關(guān) 啟動(dòng)調(diào)用停止子程序 4 2 傳感器系統(tǒng)的調(diào)試 本次實(shí)驗(yàn)的接線采用的是共陰極接線法 把驅(qū) 動(dòng)器上的 PU DR MF 連接在一起 PU 串聯(lián) 一個(gè) 2 千 歐的 電阻連接到 Q0 0 DR 串聯(lián)一個(gè) 2 千 歐的電阻連接到 Q0 1 MF 串聯(lián)一個(gè) 2 千歐的電阻 連接到 L 把驅(qū)動(dòng)器上的 U V W 與三相步進(jìn)電 機(jī)的 U V W 依次連接 測(cè)量距離傳感器的型號(hào) 是光電開關(guān)傳感器 E3F DS30P1 它的三條接線分 別為 棕色線接 PLC 的 1L 蘭色線接 PLC 的 1M 黑色線接 PLC 的 I0 1 控制原理 利用測(cè)距傳感器 E2F DS30P1 檢測(cè) 設(shè)定距離內(nèi)是否有信號(hào) 傳感器接收信號(hào)觸發(fā) PLC 輸入端口 I0 0 從而驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)的工作 E2F DS30P1 是光電開關(guān) 可用于測(cè)量設(shè)定的距離 內(nèi)是否有物體 并且可以設(shè)置測(cè)量距離 價(jià)格便宜 因此作為本次實(shí)驗(yàn)用的傳感器 試驗(yàn)結(jié)果顯示 當(dāng)測(cè)距傳感器監(jiān)測(cè)到物體時(shí) 會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 當(dāng)測(cè)距傳感器接收不到物體 信號(hào)時(shí) 電機(jī)停止運(yùn)行 符合預(yù)期效果 調(diào)試現(xiàn)場(chǎng) 如圖 6 所示 圖 6 一個(gè)傳感器工作時(shí)的調(diào)試現(xiàn)場(chǎng) 5 總結(jié) 本論文通過對(duì)植物工廠培養(yǎng)架的升降控制 燈 光的控制 二氧化碳的控制等 實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)架的智能 化 同時(shí) 通過 在 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行 簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證了程 序的可行性 參 考 文 獻(xiàn) 1 李東星 商守海 周增產(chǎn) 卜云龍 舒其偉 蘭立波 植物工廠不同光源和 光照方式對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響 長(zhǎng)江蔬菜 2012 24 50 52 2 顧小小 李偉 朱春燕 解安東 李長(zhǎng)興 張樣平 蔬菜工廠化生產(chǎn)自動(dòng)移 苗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021 05 11 13 3 毛金柱 邱權(quán) 張芳 李寧 胡躍 高 薛緒 掌 LED 光源下不同光照時(shí)間對(duì) 生菜生長(zhǎng)的影響 農(nóng)機(jī)化研究 2014 36 03 141 145 4 邱兆美 趙龍 賈海波 植物工廠發(fā)展趨勢(shì)與存在問題分析 農(nóng)機(jī)化研 究 2013 35 10 230 233 5 中國(guó)農(nóng)科院成功研發(fā)國(guó)內(nèi)首例智能型植物工廠 中國(guó)科技財(cái) 富 2009 23 12 6 呂艷 數(shù)字植物工廠技術(shù)正式步入家庭生活 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園 藝 2010 12 58 59 7 余錫壽 劉躍萍 植物工 廠集成技術(shù)與綜合效益分析 農(nóng)業(yè)展 望 2013 9 12 56 59 8 鄭吉澍 鄧順華 李佩原 徐鄭 劉飛 旋轉(zhuǎn)立體栽培架補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì) 農(nóng) 業(yè)工程 2021 11 02 111 116 9 李海蕓 洪培瑤 張超鴻 董楸煌 吳傳宇 一種用于具有培養(yǎng)架的植物 工廠的控制系統(tǒng) 中國(guó) 2018 03 27