周育輝 ， 孫 濱

（1.江西生物科技職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330200；2.泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安 271000）

0 引言

水稻是我國(guó)的第一大糧食作物，其種植方式影響著水稻的產(chǎn)量。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，水稻的插秧大都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，而插秧機(jī)械化中關(guān)鍵的一項(xiàng)是有標(biāo)準(zhǔn)一致的秧苗，標(biāo)準(zhǔn)化育秧的前提是水稻出芽的良好性。水稻的催芽就是人工采取一定的手段，保證水稻處于合適的溫度、水分和空氣環(huán)境中，人為營(yíng)造出適合水稻發(fā)芽的良好條件，從而使水稻能夠盡早發(fā)芽，整齊出芽。通過自動(dòng)控制發(fā)芽流程，可以避免自然發(fā)芽時(shí)外界不良?xì)夂虻挠绊?，從而提高出苗效率，增?qiáng)生產(chǎn)能力，達(dá)到防止?fàn)€種、爛芽，提高秧苗整齊度和成秧率，節(jié)省種子的目的[1-2]。

傳統(tǒng)的水稻催芽方法依賴于人的經(jīng)驗(yàn)和人為操作，造成在催芽過程中有很多不可控因素，同時(shí)生產(chǎn)流程不規(guī)范，溫度控制不精確，使水稻發(fā)芽出現(xiàn)燒芽、爛種等問題，容易浪費(fèi)大量的人力物力，不能滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的需要。因此，設(shè)計(jì)智能化的水稻催芽器對(duì)于實(shí)現(xiàn)水稻的現(xiàn)代化、規(guī)?；C(jī)械化種植具有重要的意義。本研究利用溫度傳感器、S7-1200可編程控制器、觸摸屏實(shí)現(xiàn)了水稻催芽環(huán)境控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，利用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)水稻催芽流程溫度的精確控制要求，實(shí)現(xiàn)了催芽控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制，使水稻催芽有一個(gè)合適的環(huán)境，提高了自動(dòng)化程度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

水稻催芽基本流程包括熱水-浸種熱備、水稻浸種、水稻破胸作業(yè)、催芽過程、催芽結(jié)束排水等。在現(xiàn)代水稻催芽過程中，要求整個(gè)催芽過程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、智能化控制，以提高水稻的出芽率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，因此對(duì)水稻催芽過程的時(shí)間、整齊性、自動(dòng)化程度有更高的要求。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，采用智能控制及傳感器技術(shù)在整個(gè)流程中對(duì)種箱的水位、水溫、噴淋增氧等進(jìn)行智能化控制，并針對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 水稻催芽控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件方案

根據(jù)小型水稻催芽系統(tǒng)的智能控制要求，要求系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)催芽流程的自動(dòng)控制。經(jīng)過實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)分析，采用了以PLC為控制核心的控制系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際控制需要在種箱內(nèi)設(shè)置4個(gè)溫度傳感器、2個(gè)水位傳感器、1個(gè)水箱加熱器，外部通過水泵、電動(dòng)閥門實(shí)現(xiàn)水循環(huán)、進(jìn)水、排水。其硬件電路組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1 控制核心PLC

水稻催芽控制系統(tǒng)的硬件選型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制需要，對(duì)所需要的IO點(diǎn)數(shù)、模擬量輸入輸出數(shù)量及精度、安裝方式等進(jìn)行合理選擇。根據(jù)分析，整個(gè)系統(tǒng)需要開關(guān)量輸入信號(hào)10個(gè)、開關(guān)量輸出信號(hào)6個(gè)以及采集溫度信號(hào)的模擬量輸入信號(hào)4個(gè)，屬于小型控制系統(tǒng)[3-5]。因此，從實(shí)用性、可擴(kuò)展性等方面考慮，PLC選用西門子的S7-1200 1214C。該控制器是一種中低端緊湊型控制器，可以與HMI及其他自動(dòng)化組件進(jìn)行通信，方便于整個(gè)控制系統(tǒng)功能的實(shí)施。

2.2 模擬量輸入模塊

系統(tǒng)要求采集水溫，以滿足系統(tǒng)需要及后續(xù)擴(kuò)展使用，采用SM1231的8路熱電阻測(cè)量模塊，帶有8路模擬量輸入，其分辨率可以達(dá)到0.1 ℃。

2.3 溫度傳感器和溫度變送器

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，水溫采集所用的溫度傳感器為Pt100 溫度傳感器，其為正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，由于其測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性好且測(cè)溫范圍廣等特點(diǎn)，是-200 ℃～650 ℃中低溫檢測(cè)常用的檢測(cè)器，并且無需放大器即可直接連接到溫度變送器模塊上。

溫度變送器采用了西門子的SITRANS TH100溫度智能變送器。溫度傳感器Pt100經(jīng)過智能變送器，直接輸出與溫度成正比的4 mA ～20 mA的直流電流。

2.4 液位變送器

采用SIEMENS液位變送器7ML5221-1DB11。其為一種超聲波變送器，采用2線回路供電，用于對(duì)明渠、儲(chǔ)存容器和簡(jiǎn)單過程容器中的液體進(jìn)行液位、體積和流量監(jiān)測(cè)，易于安裝和啟動(dòng)，具有信噪比極高、自動(dòng)虛假回波抑制等優(yōu)點(diǎn)，適合本系統(tǒng)需要。

2.5 人機(jī)界面——觸摸屏

為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，直觀顯示測(cè)量結(jié)果及調(diào)整控制參數(shù)，選取西門子的TP700精致型觸摸屏。這樣整體利用博途軟件進(jìn)行硬件組態(tài)及程序設(shè)計(jì)。其整體硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)圖

3 水稻催芽控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于水稻催芽過程中對(duì)水溫的控制要求很高，并且種箱一般體積比較大，對(duì)其的控制具有大滯后、時(shí)變性的特點(diǎn)，并且沒有合適的數(shù)學(xué)模型，采用常規(guī)的PID控制，其比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)不方便確定，調(diào)試?yán)щy，不易達(dá)到很好的控制效果[6-8]。利用模糊控制可以很好地解決上述問題，抑制溫度等多種環(huán)境參數(shù)產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，提高控制效果。本研究將模糊控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制要求。整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要核心是兩個(gè)部分：1）PLC控制程序設(shè)計(jì)；2）模糊PID控制器設(shè)計(jì)。

3.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC主要根據(jù)控制參數(shù)要求進(jìn)行整個(gè)催芽流程的閉環(huán)控制。其工作流程如圖4所示。

圖4 PLC整體控制流程圖

3.2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

在浸種、破胸、催芽工作流程中，為滿足催芽需要，對(duì)水溫的要求比較高。如果水溫不符合催芽過程中的階段要求，會(huì)出現(xiàn)出芽時(shí)間慢、燒芽等問題。并且水稻催芽種箱體積比較大，催芽時(shí)間長(zhǎng)，不同階段所需水溫多變，因此控制系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制很難達(dá)到好的控制效果。為達(dá)到催芽過程中水溫的控制精度要求，綜合應(yīng)用PID控制和模糊控制，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

在本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)根據(jù)溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)定的溫度進(jìn)行計(jì)算，得到溫度誤差e(t)和誤差變化率ec(t)。將溫度誤差和誤差變化率以及被控制輸出量進(jìn)行模糊化，形成模糊子集{NB、NM、NS、NO、PS、PM、PB}，其量化論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，1，2，3}。

根據(jù)實(shí)際工藝的要求及以往的工作經(jīng)驗(yàn)，得出ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊控制規(guī)則表。由于篇幅所限，本文僅列出ΔKp的模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 ΔKp的模糊控制規(guī)則表

根據(jù)模糊控制器得到的數(shù)值是不確定的模糊值，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制，通過最大隸屬度原則將不確定的值變成確定數(shù)值。這樣可以得到模糊控制器輸出的比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)增量ΔKp、ΔKi和ΔKd。通過計(jì)算公式可以獲得PID控制器所需要的比例、積分、微分參數(shù)，計(jì)算公式為：

其中，Kp0、Ki0、Kd0為PID控制器的初始參數(shù)。

利用計(jì)算得到PID控制的三個(gè)參數(shù)，進(jìn)行PID運(yùn)算，得到對(duì)加熱器的控制信號(hào)，控制加熱器的加熱溫度在催芽流程要求的波動(dòng)范圍內(nèi)。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 模糊PID溫度控制流程圖

4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

為方便現(xiàn)場(chǎng)用戶設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，需要有良好的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)選擇了觸摸屏。觸摸屏利用博途軟件進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)。通過觸摸屏和PLC進(jìn)行通信，傳遞采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將用戶設(shè)置參數(shù)下發(fā)至PLC。觸摸屏畫面主要包括參數(shù)設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、人工操作、故障報(bào)警等。系統(tǒng)界面如圖7所示?？梢酝ㄟ^上面的按鈕在各個(gè)界面上進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互。

5 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

利用博途完成了軟件設(shè)計(jì)后，將 系統(tǒng)安裝在一個(gè)小型育種室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。該控制系統(tǒng)由操作人員根據(jù)催芽要求，在觸摸屏上設(shè)定好溫度、時(shí)間等相關(guān)參數(shù)。進(jìn)行自動(dòng)及手動(dòng)運(yùn)行，并觀察系統(tǒng)運(yùn)行過程是否與實(shí)際設(shè)定動(dòng)作一致，報(bào)警信號(hào)是否及時(shí)發(fā)出。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)流程可靠運(yùn)行，滿足用戶需要。

圖7 系統(tǒng)人機(jī)界面

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)主要根據(jù)小型水稻催芽的實(shí)際需要，利用S7-1200、觸摸屏、溫度變送器、電動(dòng)閥門等控制器件，實(shí)現(xiàn)了水稻催芽流程的智能化控制[9-10]；根據(jù)催芽環(huán)境的實(shí)際要求，利用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)了催芽水溫的準(zhǔn)確控制；本系統(tǒng)簡(jiǎn)單、實(shí)用，便于推廣。