孫善惡等

摘 要：文章設(shè)計水稻催芽溫濕度控制系統(tǒng)以PLC為主控制器，用無線通信和有線兩種通信方式與現(xiàn)場控制單元、工業(yè)觸摸屏和上位機PC進行時時的通信。該系統(tǒng)通過對電爐絲、排風(fēng)扇、水泵等控制，能實現(xiàn)對系統(tǒng)中的水溫、水位、催芽環(huán)境的溫度和濕度進行立體監(jiān)測及精確控制，同時該系統(tǒng)具有故障自診斷功能及開放性優(yōu)點，也具有較高的穩(wěn)定性，能夠達到水稻催芽的“快、齊、勻、壯”的工藝要求和水稻催芽的工廠化生產(chǎn)需要。

關(guān)鍵詞：水稻催芽；PLC；無線通信

水稻是我國的主要糧食作物之一，全國常年水稻種植面積約占糧食作物的27%，水稻總產(chǎn)量約占糧食作物總產(chǎn)量的37%[1]。催芽是水稻育苗生產(chǎn)過程中的第一個環(huán)節(jié)，也是水稻生產(chǎn)過程中重要的關(guān)鍵技術(shù)，對培育壯秧起著決定性的作用[2]。在我國東北地區(qū)，對水稻芽種的需求量大，主要采用控制水稻芽種溫度方式完成催芽。水稻的催芽是一復(fù)雜過程，受溫度、濕度、二氧化碳、氧氣等環(huán)境因素共同作用的，因此單一控制水稻芽種的溫度，顯然并不能高效和保質(zhì)對水稻芽種進行催芽[3]。因此，研究并設(shè)計水稻芽種催芽環(huán)境溫濕度的集散控制系統(tǒng)，以滿足水稻芽種催芽的工廠標準化生產(chǎn)的需要，并有效提高芽種出芽質(zhì)量。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

控制器PLC先采集現(xiàn)場的模擬量數(shù)值，然后根據(jù)相應(yīng)的系統(tǒng)控制程序和用戶設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)，最后控制現(xiàn)場設(shè)備?？蓪⒖刂葡到y(tǒng)主要分為三大閉環(huán)控制回路：水溫、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度，因此系統(tǒng)可根據(jù)水稻催芽過程中的不同階段，將上面它們控制在相應(yīng)的范圍。另外，當(dāng)系統(tǒng)需要擴展的時候，僅需要擴展PLC及現(xiàn)場設(shè)備[4-5]。整個生產(chǎn)流程不僅可以在現(xiàn)場組態(tài)屏和上位機PC進行監(jiān)控，也可用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行遠程監(jiān)視與操作。使水稻催芽生產(chǎn)的各個階段都在系統(tǒng)的監(jiān)視與控制下進行，提高生產(chǎn)的安全性。

2 硬件設(shè)計

水稻催芽控制系統(tǒng)中，硬件設(shè)計主要分為催芽箱的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的硬件選擇。

2.1 催芽箱設(shè)計

催芽箱的箱體結(jié)構(gòu)采用上、下兩部分的布局，中間采用金屬骨架隔開。其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：這樣箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計有以下優(yōu)點：（1）由于催芽箱下面存在著大量的適合水稻催芽溫度的水，增大了催芽箱內(nèi)的平均比熱容和熱能，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。（2）這樣的設(shè)計改變了原來兩個箱子之間熱水的循環(huán)系統(tǒng)，降低設(shè)備的成本同時，簡化了控制流程。對于催芽過程的溫度控制采用分組電加熱方式，電加熱可以使本系統(tǒng)具有升溫速度快、能源利用率高、溫度容易控制等優(yōu)點。分組加熱還具有當(dāng)下部水箱的水溫不均勻時，能根據(jù)電加熱絲所處的溫度環(huán)境，對其進行相應(yīng)加熱操作，因此能更好地維持水溫的均勻性。

濕度的控制方法采用排風(fēng)扇抽濕的方法，在催芽箱的上部放有帶孔的管道，當(dāng)外部的排風(fēng)扇開始工作時，會將催芽箱多余的濕度排出。在相對封閉的環(huán)境中，濕度較大的地方往往存在于其頂部，在催芽箱的正常工作時，環(huán)境中濕度往往只是增大，所以采取在催芽箱的頂部對其單一進行排濕操作。

2.2 控制系統(tǒng)硬件選擇

核心控制器選擇為三菱FX2N系列PLC，是小形化，高速度，高性能。因為加熱模式采用晶體管的輸出模式，所以FX2N選擇為晶體管輸出的型號。在模擬量采集上，由于系統(tǒng)采集的模擬量的點數(shù)較多，模擬量的實時性要求并不太高，都采用FX2N的模擬量模塊成本較大，所以采用模擬量采集模塊采集擬量，其可以獨立采集模擬量，并可以將其通過MODBUS通信協(xié)議方式將其傳輸給上位機現(xiàn)場組態(tài)屏。觸摸屏選擇深圳顯控科技有限公司的SA-5.7F人機界面，通過觸摸屏的兩個COM口，分別實現(xiàn)采集模擬量采集與PLC通信。

3 軟件設(shè)計

催芽系統(tǒng)中PLC的軟件設(shè)計流程如圖3所示。當(dāng)啟動控制系統(tǒng)的時候，系統(tǒng)先檢測下部水箱的水位，只有當(dāng)水位達到一定的高度之后才允許進行之后的操作。在催芽過程中當(dāng)水位低于某一個值之后將會停止一切操作，進行補水操作，水位是優(yōu)先級最高的一個操作。

當(dāng)空氣中的溫度低于催芽的溫度時，會啟動弱噴淋系統(tǒng)。在催芽的過程中，只要催芽箱的溫度超過溫度上限，進水閥會打開，下部水箱中會注入大量涼水將水箱的熱水中和到相對正常催芽較低的溫度，之后啟動強噴淋系統(tǒng)，這時候溫度相對較低的水噴到芽種上，及時對芽種進行降溫保護。當(dāng)濕度傳感器檢測到濕度大于規(guī)定值的時候，啟動排風(fēng)扇將多余的濕度排出種箱。通過以上的控制可以使水稻種箱的環(huán)境維持在水稻催芽的合適環(huán)境中，促進水稻芽種的催芽。

4 結(jié)束語

通過分析現(xiàn)有水稻催芽主要方式，研究并設(shè)計寒地水稻催芽溫濕度控制系統(tǒng)，以期改善其生產(chǎn)方式中監(jiān)控各個環(huán)境因子方法，提高水稻芽種的生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定實現(xiàn)催芽所需的溫濕度環(huán)境，通過對環(huán)境因子進行準確采集，實現(xiàn)實時、全方位監(jiān)控。有效組合加熱系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)，可以使環(huán)境參數(shù)調(diào)整到最適合水稻催芽范圍內(nèi)，保證生產(chǎn)效率、質(zhì)量，為水稻催芽產(chǎn)業(yè)的工廠化生產(chǎn)提供一定技術(shù)支持。

參考文獻

[1]程式華.中國超級水稻育種[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]程式華，李建.現(xiàn)代中國水稻[M].北京：金盾出版社，2007.

[3]陳健，劉九慶.溫室環(huán)境工程技術(shù)[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[4]王建華.計算機控制技術(shù)[M].高等教育出版社，2009.

[5]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：孫善惡（1993-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)在讀。

*通訊作者：石建飛，男，講師，哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)智能化控制技術(shù)的研究。