單慧勇　林宇浩　于鎵　楊延榮　趙輝　衛(wèi)勇

摘要：為改善棚室蔬菜生產(chǎn)中二氧化碳匱乏問(wèn)題，設(shè)計(jì)溫室二氧化碳?xì)夥虱h(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)氣肥發(fā)生器，利用碳酸氫銨加熱產(chǎn)生二氧化碳的原理，制備二氧化碳?xì)夥?采用負(fù)壓反應(yīng)腔和二級(jí)過(guò)濾凈化系統(tǒng)提高系統(tǒng)的安全性;采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）作為主控制器，實(shí)現(xiàn)氣肥發(fā)生器工作循環(huán)的自動(dòng)控制;PLC通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)與傳感器采集裝置通信，在PLC中集成模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)二氧化碳的智能調(diào)控;采用監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（monitor and control generated system，簡(jiǎn)稱(chēng)MCGS）觸摸屏作為人機(jī)交互裝置，MCGS觸摸屏通過(guò)RS232總線與PLC通信交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)與測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)及歷史信息統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作界面簡(jiǎn)潔方便，更好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室二氧化碳?xì)怏w環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：二氧化碳;氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng);溫室;PLC;氣肥發(fā)生器

中圖分類(lèi)號(hào)： TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）04-0204-05

溫室大棚種植由于處于密閉環(huán)境和種植密度等原因，極易產(chǎn)生二氧化碳（CO2）不足的問(wèn)題，作為植物光合作用的重要原料，二氧化碳匱乏將直接影響作物光合作用，降低對(duì)太陽(yáng)光的利用率，影響作物長(zhǎng)勢(shì)與抗病害能力，因此溫室大棚生產(chǎn)中施用二氧化碳?xì)怏w肥料已成為一項(xiàng)重要的增產(chǎn)措施?，F(xiàn)有的二氧化碳?xì)怏w肥料的制備有高壓鋼瓶、酸鹽反應(yīng)、燃燒型、微生物發(fā)酵法等多種方法[1-3]，但均由于多種原因未在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。特別是傳統(tǒng)酸鹽反應(yīng)型，雖有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但控制困難，難以精確調(diào)控，針對(duì)此種情況，筆者設(shè)計(jì)了電加熱型氣肥發(fā)生器[4]，采用碳酸氫銨作為反應(yīng)原料，價(jià)格便宜，使用方便。同時(shí)系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）作為主控制器，運(yùn)用組態(tài)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣輸氣的自動(dòng)化，完成對(duì)溫室大棚生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳?xì)夥实难a(bǔ)充，并且可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高瓜果蔬菜的質(zhì)量和產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)溫室的智能化生產(chǎn)，減輕工人的作業(yè)強(qiáng)度，也對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)溫室內(nèi)設(shè)備的規(guī)?；涂茖W(xué)化管理有一定的促進(jìn)作用。

1 系統(tǒng)總體方案

設(shè)計(jì)溫室二氧化碳?xì)夥收{(diào)控系統(tǒng)的原理是利用加熱碳酸氫銨制取二氧化碳，以PLC為主控制器，結(jié)合溫濕度、二氧化碳等多種多路環(huán)境傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，采用無(wú)線傳輸方式，通過(guò)RS485總線將數(shù)據(jù)傳給PLC，由觸摸屏將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并繪出歷史曲線等。同時(shí)PLC根據(jù)作物生產(chǎn)要求，利用模糊控制算法對(duì)溫室環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)控。

溫室二氧化碳?xì)夥虱h(huán)境調(diào)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為上位機(jī)與下位機(jī)2個(gè)部分，下位機(jī)為PLC控制器，主要完成對(duì)二氧化碳反應(yīng)器、過(guò)濾裝置、環(huán)境采集裝置以及輸氣裝置的控制;采用集可視、操作于一體的觸摸屏作為PLC的人機(jī)接口和上位機(jī)，與PLC進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)地顯示采集數(shù)據(jù)、儲(chǔ)存及進(jìn)行歷史信息統(tǒng)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)工作參數(shù)如注水時(shí)間、排水時(shí)間、延時(shí)輸氣時(shí)間、延時(shí)排水時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)下位機(jī)PLC編寫(xiě)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)整體的智能調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)溫室中氣肥發(fā)生器的正常運(yùn)行和室內(nèi)二氧化碳的補(bǔ)償和平衡。

系統(tǒng)總體過(guò)程如下：上電后，系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)各種傳感器檢測(cè)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，在啟動(dòng)氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)后，PLC控制器依據(jù)內(nèi)置的模糊決策算法動(dòng)態(tài)判定當(dāng)前溫室內(nèi)適宜的二氧化碳濃度水平，控制二氧化碳發(fā)生器和氣泵的工作狀態(tài)，進(jìn)行溫室中二氧化碳?xì)夥虱h(huán)境的自動(dòng)智能控制。通過(guò)人機(jī)接口，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定和信息查看，如作物類(lèi)型設(shè)定、控制模式設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)信息查看、傳感器參數(shù)設(shè)定等各種操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型

2.1 PLC選型

分析系統(tǒng)中所需PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為5路輸入量、7路輸出量?？紤]系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)、經(jīng)濟(jì)性、存儲(chǔ)器容量等方面的指標(biāo)，選擇國(guó)產(chǎn)信捷PLC，型號(hào)為XC2-16R-E，工作電壓為DC 24 V，具有8路輸入、8路輸出，輸出為繼電器輸出，2路通信接口，分別為RS232、RS485。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏選型

選擇具有可視化和按鍵功能且性能穩(wěn)定的監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（monitor and control generated system，簡(jiǎn)稱(chēng)MCGS）觸摸屏作為顯示設(shè)備，型號(hào)為T(mén)PC1062K。該觸摸屏是一款以低功耗中央處理器（central processing unit，簡(jiǎn)稱(chēng)CPU）為核心（主頻600 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，預(yù)裝了MCGS

嵌入式組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

2.3 傳感器的選型

2.3.1 溫濕度光照傳感器 考慮實(shí)用性和價(jià)格等因素，選用精訊科技JXBS-3001高靈敏度壁掛式光照溫濕度三合一傳感器，采用直流供電9～24 V DC，光照度量程為0～65 535 lx，精度為±7%;溫度測(cè)量范圍為-20～60 ℃，精度為±0.5 ℃;濕度測(cè)量范圍為0～80% RH（相對(duì)濕度），精度為±3% RH;輸出信號(hào)通過(guò)RS485輸出（采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議）。

2.3.2 溫濕度二氧化碳傳感器 采用JXBS-3001-二氧化碳-RS高靈敏度壁掛式二氧化碳傳感器，此傳感器為三合一的傳感器，具有監(jiān)測(cè)溫度、濕度、二氧化碳濃度的功能，信號(hào)穩(wěn)定、精度高。二氧化碳測(cè)量范圍為0～5 000 μmol/mol，精度為±（50 μmol/mol+3%讀數(shù)，25 ℃）;溫度測(cè)量范圍為-25～85 ℃，精度為±0.5 ℃;濕度測(cè)量范圍為0～100% RH，精度為±3% RH;輸出信號(hào)通過(guò)RS485輸出（采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議）。

2.4 二氧化碳?xì)夥拾l(fā)生器的設(shè)計(jì)

2.4.1 產(chǎn)氣原理 考慮系統(tǒng)使用的安全性和可靠性，采用加熱碳酸氫銨的方法制取二氧化碳。將碳酸氫銨在反應(yīng)裝置中進(jìn)行加熱，使其分解并釋放出氨氣和二氧化碳，經(jīng)水過(guò)濾后氨氣溶于水中形成氮肥，二氧化碳釋放到溫室大棚中作為氣肥使用，其基本反應(yīng)關(guān)系如下：

NH4 HCO3=ΔNH3↑+H2O+CO2↑

NH3+H2O=NH3·H2O

2.4.2 氣肥發(fā)生器的結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)電加熱型氣肥發(fā)生器的反應(yīng)器處于正壓狀態(tài)時(shí)，會(huì)造成密封困難，容易發(fā)生氨氣的泄漏;同時(shí)采用單級(jí)清水吸收過(guò)濾氨氣，在反應(yīng)一段時(shí)間后，由于吸收器內(nèi)的水溫升高，導(dǎo)致氨氣的吸收效果變差。

針對(duì)該種情況，筆者對(duì)傳統(tǒng)電加熱氣肥發(fā)生器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示[4]。改進(jìn)后的氣肥發(fā)生器核心結(jié)構(gòu)組件包括電加熱反應(yīng)器、二級(jí)過(guò)濾器、負(fù)壓與氣動(dòng)排水系統(tǒng)以及PLC控制系統(tǒng)（圖中未畫(huà)出）。電加熱反應(yīng)器中的碳酸氫銨加熱分解后產(chǎn)生二氧化碳和氨氣的混合氣體，經(jīng)二級(jí)過(guò)濾器凈化吸收氨氣后，由氣泵抽出并輸出純凈的二氧化碳?xì)怏w。裝置整體處于密封狀態(tài)，適當(dāng)選擇氣泵的參數(shù)，氣泵的抽吸使得反應(yīng)器、過(guò)濾器均處于負(fù)壓狀態(tài)，大大地提高了反應(yīng)器的密封效果，避免了反應(yīng)氣體的泄漏。在反應(yīng)器電加熱部分設(shè)置溫控傳感器監(jiān)測(cè)反應(yīng)器狀態(tài)，當(dāng)傳感器溫度直線上升并超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，即可判斷反應(yīng)器中原料消耗完畢。配合外部自動(dòng)換水與氣肥環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)工作。考慮設(shè)備使用環(huán)境，設(shè)備主體采用不銹鋼材料，加工完成的氣肥發(fā)生器系統(tǒng)如圖3所示。

反應(yīng)器工作過(guò)程如下：注水狀態(tài)時(shí)，控制器控制進(jìn)水閥S1打開(kāi)，B2氣泵打開(kāi)，出水閥S2關(guān)閉，BQ1排水平衡氣閥、BQ2反應(yīng)排氣閥關(guān)閉，BQ抽氣閥開(kāi)啟，反應(yīng)器內(nèi)空氣經(jīng)BQ抽氣閥被氣泵抽出，使反應(yīng)器內(nèi)氣壓低于大氣壓值，水通過(guò)注水口進(jìn)入過(guò)濾器，依次注入二級(jí)過(guò)濾器和一級(jí)過(guò)濾器，二級(jí)過(guò)濾器液位由溢流管控制，在一級(jí)過(guò)濾器中設(shè)置液位開(kāi)關(guān)控制注水量;反應(yīng)時(shí)，BQ2反應(yīng)排氣閥和B2氣泵打開(kāi)，BQ抽氣閥、BQ1排水平衡氣閥關(guān)閉，反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體通過(guò)管道流入過(guò)濾器中，先經(jīng)過(guò)下層的一級(jí)過(guò)濾、上層的二級(jí)過(guò)濾濾除其中的氨氣，CO2經(jīng)BQ2反應(yīng)排氣閥和B2氣泵輸入溫室中，實(shí)測(cè)在設(shè)計(jì)條件下，反應(yīng)終了時(shí)出口氨氣濃度仍在 1 μmol/mol 以下，大大提高了氨氣的凈化效果;系統(tǒng)在反應(yīng)結(jié)束后，BQ1排水平衡閥開(kāi)啟，出水閥S2開(kāi)啟，BQ抽氣閥關(guān)閉，一級(jí)過(guò)濾器中的水先排出，形成負(fù)壓，二級(jí)過(guò)濾器與大氣聯(lián)通，在虹吸作用下，二級(jí)過(guò)濾器中的水經(jīng)排水管注入一級(jí)過(guò)濾器，由出水閥S2排出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)觸摸屏的組態(tài)設(shè)計(jì)和下位機(jī)PLC的程序設(shè)計(jì)。

3.1 PLC主程序設(shè)計(jì)

PLC主程序流程如圖4所示。PLC上電，系統(tǒng)初始化后可進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，選擇是否設(shè)置新的參數(shù)，以及工作方式的設(shè)置等。工作方式分為手動(dòng)、自動(dòng)模式，手動(dòng)模式中人直接控制系統(tǒng)的各部分運(yùn)行，單獨(dú)執(zhí)行相關(guān)的設(shè)備;自動(dòng)模式中系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集的參數(shù)與系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室中的環(huán)境，當(dāng)自動(dòng)、手動(dòng)模式遇到設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行并報(bào)警。

為方便控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2個(gè)控制按鍵，分別為系統(tǒng)起停按鍵K1和反應(yīng)器起停按鍵K2。上電，系統(tǒng)初始化完成，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，人工添加原料后，按下系統(tǒng)起停按鍵K1，系統(tǒng)進(jìn)入注水狀態(tài)。注水結(jié)束后，再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。閉合反應(yīng)器起停按鍵K2，進(jìn)入反應(yīng)狀態(tài)。手動(dòng)模式下此時(shí)將直接反應(yīng)供氣，自動(dòng)模式下，由內(nèi)置控制程序控制反應(yīng)器是否工作。

3.2 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)上電初始化 系統(tǒng)初始化流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后，初始化，進(jìn)行系統(tǒng)自檢，包括外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、反應(yīng)器溫控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)（圖中未示出）、液位開(kāi)關(guān)（高液位YK2和低液位YK1）、反應(yīng)器控制按鍵的狀態(tài)等。若溫控開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則控制蜂鳴報(bào)警器F1（圖中未示出）蜂鳴報(bào)警，此時(shí)系統(tǒng)起停按鍵K1、反應(yīng)器起停按鍵K2不起作用，待溫控開(kāi)關(guān)復(fù)位后，報(bào)警停止，進(jìn)入上電待機(jī)狀態(tài)。為提高系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上電自檢通過(guò)后，若高液位YK2、低液位YK1中有1個(gè)閉合，啟動(dòng)排水程序。

3.2.2 過(guò)濾器注水 圖6為系統(tǒng)注水流程。注水狀態(tài)時(shí)，控制器控制進(jìn)水閥門(mén)S1打開(kāi)，出水閥S2關(guān)閉，BQ抽氣閥開(kāi)啟，BQ1排水平衡氣閥、BQ2反應(yīng)排氣閥關(guān)閉，B2氣泵工作，過(guò)濾器處于負(fù)壓狀態(tài)，清水在過(guò)濾器負(fù)壓與外部水壓共同作用下注入到過(guò)濾器中，隨著過(guò)濾器中液位的上升，液位開(kāi)關(guān)低液位YK1和高液位YK2先后打開(kāi)，在高液位YK2打開(kāi)后，過(guò)濾器中的液位達(dá)到設(shè)計(jì)液位，控制器控制進(jìn)水閥S1關(guān)閉，注水過(guò)程結(jié)束。如果在注水期間出現(xiàn)液位報(bào)警或者溫度報(bào)警情況，系統(tǒng)立即停止注水，進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。在注水時(shí)考慮液位開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)干擾，設(shè)置注水去抖動(dòng)延時(shí)時(shí)間T0，以保證灌水能夠達(dá)到預(yù)定液位。

3.2.3 反應(yīng)輸氣狀態(tài) 采用電加熱分解碳酸氫銨的方式制取二氧化碳。當(dāng)反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，控制器控制進(jìn)水閥S1關(guān)閉，出水閥S2關(guān)閉，電加熱系統(tǒng)開(kāi)始工作，反應(yīng)器中原料受熱分解產(chǎn)生二氧化碳與氨氣的混合氣體，BQ2反應(yīng)排氣閥開(kāi)啟，BQ1排水平衡氣閥、BQ抽氣閥關(guān)閉，反應(yīng)器中產(chǎn)生的混合氣體經(jīng)管道輸送到過(guò)濾器中過(guò)濾后，得到純凈的二氧化碳?xì)怏w，經(jīng)BQ2反應(yīng)排氣閥進(jìn)入B2氣泵加壓后，通過(guò)排氣口和相應(yīng)管路輸送到溫室當(dāng)中;在反應(yīng)輸氣中出現(xiàn)液位報(bào)警情況時(shí)，系統(tǒng)立即停止反應(yīng)，進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。圖7所示為反應(yīng)輸氣流程示意。電加熱反應(yīng)器內(nèi)的原料反應(yīng)完成后，在電加熱系統(tǒng)的作用下，電加熱反應(yīng)器內(nèi)溫度急劇升高，控制器通過(guò)反應(yīng)器溫控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)檢測(cè)電加熱反應(yīng)器內(nèi)的溫度，當(dāng)電加熱反應(yīng)器內(nèi)的溫度急劇升高到預(yù)定值時(shí)，判斷為原料反應(yīng)完成，電加熱系統(tǒng)、B2氣泵和BQ2反應(yīng)排氣閥均關(guān)閉。系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入排水流程，排水完成后，缺料指示燈亮起。

3.2.4 暫停反應(yīng)延時(shí)輸氣狀態(tài) 反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)器起停按鍵控制反應(yīng)器暫?；騊LC自動(dòng)控制反應(yīng)器暫停時(shí)，由于余熱的影響，仍加熱剩余的碳酸氫銨，此時(shí)通過(guò)設(shè)置暫停反應(yīng)輸氣，延時(shí)狀態(tài)繼續(xù)輸氣，保證系統(tǒng)正常工作。主控制器PLC控制電加熱系統(tǒng)停止工作，電加熱反應(yīng)器內(nèi)的原料在余熱作用下分解產(chǎn)生二氧化碳、氨氣和水的混合氣體，電加熱反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的混合氣體仍經(jīng)管道輸送到過(guò)濾器內(nèi)，使水對(duì)混合氣體中的氨氣進(jìn)行吸收，再經(jīng)BQ2反應(yīng)排氣閥進(jìn)入排氣氣泵B2加壓后，通過(guò)管道輸送到溫室中。同樣，由于排氣氣泵的抽氣作用，電加熱反應(yīng)器與水凈化器均處于負(fù)壓狀態(tài)，避免了內(nèi)部氣體的泄漏。

3.2.5 排水狀態(tài) 系統(tǒng)反應(yīng)結(jié)束后，電加熱系統(tǒng)停止工作，進(jìn)入自動(dòng)排水狀態(tài)，關(guān)閉進(jìn)水閥S1，開(kāi)啟出水閥S2，BQ抽氣閥、BQ2反應(yīng)排氣閥關(guān)閉，BQ1排水平衡氣閥開(kāi)啟，外部空氣經(jīng)BQ1進(jìn)入二級(jí)過(guò)濾器，一級(jí)過(guò)濾器的水在重力作用下由出水閥S2排出，形成負(fù)壓狀態(tài)，二級(jí)過(guò)濾器中的水在虹吸作用下排入一級(jí)過(guò)濾器，液位開(kāi)關(guān)高液位YK2、低液位YK1先后復(fù)位，在液位開(kāi)關(guān)YK1復(fù)位后排水結(jié)束，排水過(guò)程完成。由于液位開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)，在排水結(jié)束時(shí)須設(shè)置排水去抖動(dòng)時(shí)間T2，保證過(guò)濾器中的水可以排凈。若在系統(tǒng)設(shè)置的最大排水時(shí)間內(nèi)未完成排水，則進(jìn)入排水超時(shí)報(bào)警。排水狀態(tài)流程如圖8所示。

系統(tǒng)設(shè)置也可通過(guò)觸摸屏停止反應(yīng)，強(qiáng)制排水。

3.2.6 報(bào)警狀態(tài) 系統(tǒng)報(bào)警邏輯由2個(gè)部分組成，一部分為溫控報(bào)警，一部分為水位報(bào)警。溫控報(bào)警由溫度傳感器觸發(fā)，當(dāng)設(shè)備缺料或者無(wú)料干燒時(shí)溫度會(huì)急劇升高，觸發(fā)溫度傳感器對(duì)應(yīng)程序的常閉開(kāi)關(guān)閉合，系統(tǒng)停止加熱進(jìn)行缺料報(bào)警，同時(shí)進(jìn)行延時(shí)輸氣，觸摸屏上面顯示缺料報(bào)警。水位報(bào)警則是通過(guò)上液位和下液位傳感器實(shí)現(xiàn)的，若下液位沒(méi)有觸發(fā)上液位就已經(jīng)觸發(fā)，說(shuō)明在2個(gè)傳感器中存在硬件故障，須要及時(shí)檢查液位傳感器。在系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程中設(shè)置的參數(shù)如果不合理也會(huì)報(bào)警。注水時(shí)間和排水時(shí)間設(shè)置過(guò)短，機(jī)器沒(méi)有注滿水或者沒(méi)有能夠排除所有的水，系統(tǒng)報(bào)警，觸摸屏上顯示注水超時(shí)或者排水超時(shí)。

3.3 上位機(jī)觸摸屏的組態(tài)設(shè)計(jì)

觸摸屏作為PLC的上位機(jī)，可以中斷PLC的進(jìn)程，更改PLC的工作狀態(tài)，設(shè)置各種初始參數(shù)。系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)可以通過(guò)觸摸屏更改注水時(shí)間、排水時(shí)間、加熱時(shí)間等參數(shù)。系統(tǒng)的功能框圖如圖9所示。

在組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求建立相應(yīng)的監(jiān)控窗口，進(jìn)行畫(huà)面編輯、關(guān)聯(lián)變量、動(dòng)畫(huà)連接、建立腳本等操作。設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)設(shè)定界面如圖10所示。

4 系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

溫室系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變、大滯后的復(fù)雜系統(tǒng)[5-6]，若采用傳統(tǒng)控制方法或現(xiàn)代控制理論很難實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，模糊控制[7]不須要建立被控對(duì)象，而是根據(jù)實(shí)際的輸入輸出，把專(zhuān)家的知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)操作工人的操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成一系列的控制規(guī)則，利用模糊邏輯推理和軟件程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確控制，而且模糊控制具有強(qiáng)魯棒性和高穩(wěn)定性。

模糊決策控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，而模糊控制器由模糊化控制、模糊決策模塊和清晰化模塊3個(gè)部分組成（圖11）。結(jié)合溫室內(nèi)二氧化碳濃度的變化規(guī)律，應(yīng)用模糊控制理論，建立多輸入單輸出的溫室二氧化碳施肥模糊決策系統(tǒng)，在氣肥調(diào)控的過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)氣肥環(huán)境的動(dòng)態(tài)決策調(diào)控[8]，詳細(xì)算法將另文撰述。

5 系統(tǒng)測(cè)試

圖12為日光溫室番茄施用CO2前、后棚室內(nèi)的CO2濃度變化趨勢(shì)，其中靠下的曲線為未增施CO2棚室內(nèi)的CO2變化趨勢(shì)。施用CO2前，在08：00之后隨著太陽(yáng)光照的逐漸加強(qiáng)，對(duì)照溫室的CO2濃度呈迅速下降趨勢(shì)，但是下降的速度稍慢一些，11：00左右通風(fēng)后棚室二氧化碳的濃度水平在 300 μL/L 左右，此后即使采用通風(fēng)措施也不能提高棚室內(nèi)的二氧化碳濃度，該濃度水平一直維持到16：30之后才開(kāi)始上升，說(shuō)明此時(shí)僅靠通風(fēng)所補(bǔ)充的CO2已不能滿足作物光合作用的需要，亟需其他方式補(bǔ)充CO2。采用氣肥補(bǔ)施系統(tǒng)后，在棚室內(nèi)CO2濃度下降到接近大氣濃度時(shí)系統(tǒng)即開(kāi)始工作，同時(shí)隨著光照度的增加，可控制棚室內(nèi)CO2濃度水平相應(yīng)提高，且維持在600 μL/L以上，在16：00左右之后呈下降趨勢(shì)，至17：30左右與未增施前基本持平。

6 小結(jié)

以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中易獲得的碳酸氫銨為反應(yīng)原料，不使用硫酸和碳酸氫銨反應(yīng)，應(yīng)用電加熱的方式獲取二氧化碳，提高了設(shè)備使用的安全性和設(shè)備的推廣適用性。

設(shè)備主體采用不銹鋼材料加工，并設(shè)計(jì)氣壓自動(dòng)換水系統(tǒng)，既提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度，又避免了系統(tǒng)薄弱器件與腐蝕性液體的直接接觸，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用氣泵抽氣和輸送，使得反應(yīng)器內(nèi)維持負(fù)壓狀態(tài)，克服了反應(yīng)器密封的難題，并能實(shí)現(xiàn)氣體的帶壓輸送，輸送距離遠(yuǎn)、效率高，而且減少了氣體泄漏的可能性，同時(shí)進(jìn)一步提高了設(shè)備使用的安全性。

過(guò)濾器設(shè)計(jì)采用二級(jí)凈化技術(shù)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體先后流經(jīng)二級(jí)過(guò)濾器，大大提高了反應(yīng)副產(chǎn)品氨氣的吸收效果，過(guò)濾器出口處氨氣濃度實(shí)測(cè)在1 μmol/mol以下。

系統(tǒng)以PLC作為主控制器，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，模糊決策算法確定適宜氣肥濃度調(diào)控目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)包括反應(yīng)器狀態(tài)、加熱功率、輸氣、延時(shí)、注水、排水等多個(gè)狀態(tài)的切換控制以及狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警，自動(dòng)化程度高，便于與其他系統(tǒng)集成。

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