陳俊欽

（羅定職業(yè)技術學院，廣東 云浮 527200）

0 引言

廣東省清遠市連州鎮(zhèn)烏欖種植歷史悠久，境內有數量眾多的百年烏欖樹。但烏欖育苗工作煩瑣重要，不僅嚴重依賴節(jié)氣開展育苗，而且烏欖幼苗對種育環(huán)境要求甚高，過高或過低的溫度、劇烈變化的濕度、過強的光照、蟲害等都會導致幼苗出現燒葉、爛莖甚至毀苗的情況[1]，其生產效率和成本一度成為種植戶的“攔路虎”“心頭石”。雖然采用大棚育苗能起到一定的保護作用，但需要工作人員經常檢查棚內環(huán)境情況，相對于露天育苗來說，反而增加了人力成本。

烏欖育苗養(yǎng)護系統(tǒng)的研究意義主要表現在以下兩個方面：1）提高育苗生產效益。傳統(tǒng)的人工育苗存在工作方式不穩(wěn)定、水肥管理效果差異較大、工作效率低等問題，嚴重影響烏欖幼苗的出苗、成苗。而基于PLC 的烏欖育苗養(yǎng)護系統(tǒng)可以實現統(tǒng)一工作方式、統(tǒng)一進行水肥施給管理和自動化作業(yè)，降低了生產成本，提高了農業(yè)生產效益[2]。2）解決部分“三農”問題。隨著人口老齡化和鄉(xiāng)村空心化的發(fā)展趨勢，缺少勞動力的問題日益凸顯，智能化、簡約化耕作方式和設備的出現，可有效解決農村勞動力不足的問題，提高農業(yè)生產效率。

因此，本文在PLC 控制設備的基礎上，介紹了一種烏欖育苗養(yǎng)護系統(tǒng)的設計方案，此系統(tǒng)可有效改善育苗環(huán)境，提高幼苗成活率，實現降本增效，可推廣應用到其他樹種育苗工作中，應用前景廣闊。

1 育苗養(yǎng)護系統(tǒng)的整體設計及運行原理

1.1 育苗養(yǎng)護系統(tǒng)整體設計

結合烏欖育苗所需要的環(huán)境，利用PID 自整定方式，通過溫濕度、卷膜位置檢測來驅動加熱、噴水、卷膜裝置實現系統(tǒng)恒溫恒濕及通風功能，保證基本育苗環(huán)境的維持[3]；架設在棚頂的輸送水管及噴淋裝置能更均勻地施肥、施藥；利用伺服驅動電機和繼電泵機加壓能實現對水肥藥的有效輸送。本文基于PLC的育苗養(yǎng)護系統(tǒng)整體架構設計如圖1所示。

圖1 育苗養(yǎng)護系統(tǒng)整體架構設計

1.2 養(yǎng)護系統(tǒng)運行原理

本系統(tǒng)設計的育苗大棚體積為長15 m×寬6 m×高2.5 m，棚骨架采用外徑6 cm、內徑4.5 cm 的鍍鋅鋼管焊接而成，于棚頂架設3 條12 m 的藥水兩用輸送水管，每條輸送水管設置噴淋頭12 個，滴灌軟管9條，置于苗塊上，可實現水、藥、肥的均勻灌溉。棚外設置容積500 L 的混肥攪拌桶3 個，攪拌電機1 個，輔泵機2 個、主泵機1 個，浮子式液位傳感器3 個，輸送管道和電磁閥若干，保證水肥藥的輸送。

卷膜裝置和加熱裝置則置于棚外控制室內，利用滑輪組和減速箱為卷膜提供動力并保障卷膜的順滑性；通過功率可調裝置來控制電熱絲進行發(fā)熱，使用軸流風機及管道將熱量送進棚內。配電站及控制站設在混凝土房內，保證了防腐、防干擾。

日常育苗養(yǎng)護活動中，用戶通過設置自動加藥、保溫保濕、自動灌溉施肥等模式進行無人值班管理。當用戶需要進行手動操作時，可到操作房通過人機交互界面或上位機對PLC進行控制參數的設置。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件系統(tǒng)構成

系統(tǒng)硬件主要包括PLC、上位機以及其他執(zhí)行設備和監(jiān)控檢測設備等，硬件系統(tǒng)基本接線配置如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)基本接線配置

2.2 硬件設備選型

硬件設備選型包括PLC、傳感檢測元件、伺服驅動器、其他執(zhí)行設備選型。

1）PLC 選型。為兼顧使用環(huán)境、節(jié)能和數據實時傳輸等要求，本系統(tǒng)選用西門子公司所生產的S7-1200 型PLC，模擬量輸入模塊選擇SM1231 AI8×16 bit，數字量輸入模塊選擇SM1221 DI8×24 V DC，供電模塊選擇PM1207，預留CB1241 485 通信模塊，以確保系統(tǒng)具有較高的數據處理、傳輸能力，為后續(xù)接入物聯(lián)網做好基礎準備工作[4]。

2）傳感檢測元件選型。根據系統(tǒng)數據采集需要，如棚內溫度數據、土壤濕度數據、卷膜位置狀態(tài)等，為精準獲取數據，盡可能地排除干擾，確認選擇探針式K 型熱電偶溫度傳感器、HR202 型濕度傳感器和LXW5-11G3/FL 行程開關。

3）伺服驅動器選型。大棚密封膜的卷膜運動是一個柔性的過程，在速度、力矩和位置的控制上要求十分精準，稍有用力過猛或速度過快都會造成密封膜撕壞的結果[5]。因此，系統(tǒng)選擇臺達公司生產的ASDA-A2-M 交流伺服系統(tǒng)，與之配搭使用的電機則選擇臺達MSJ-E 1.5 kW 1500 r/min 交流伺服電機。

4）其他執(zhí)行設備選型。主泵機選擇凌霄公司生產的1.5 kW 30 m 施肥泵，輔泵機選擇凌霄0.75 kW 15 m 水泵；攪拌電機選擇凌霄1.5 kW 攪拌泵；通風裝置選擇SF2-2 120 W 1300 m3/h 軸流風機；電磁閥則選擇EV220 二位二通、二位三通電磁閥032U7120 DN20 來保證不同流量類型的液體輸送，以滿足灌溉、施肥等需要。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計方案

基于PLC 的烏欖育苗養(yǎng)護系統(tǒng)在軟件上主要設計了主程序、子程序以及中斷程序[6]。主程序主要負責系統(tǒng)功能初始化、系統(tǒng)數據信息掃描以及系統(tǒng)過程任務存取等功能性任務。子程序負責各項工作任務的實施，如通風、加熱、施肥、加藥、灌溉等。中斷程序則是負責實現系統(tǒng)急停、故障檢修、監(jiān)控報警等安全功能。為方便操作，育苗養(yǎng)護系統(tǒng)在具體軟件設計中分為自動控制、手動控制、監(jiān)控報警。

3.2 自動控制設計

系統(tǒng)根據育苗環(huán)境需求分為恒溫恒濕自動保持、自動施肥藥與灌溉等。

1）恒溫恒濕自動保持。系統(tǒng)在上電自檢和初始化后，會根據當前傳感器所測的溫度和濕度輸入數值信號，并與用戶在人機交互界面上所設定的溫度、濕度數值進行比較[7]。若當前溫度高于設定值，系統(tǒng)啟動軸流風機進行通風降溫，當超過1 h 溫度依然高于設定值時，卷膜控制裝置會將密封膜卷起降溫；若當前溫度低于設定值，則在保持密封膜落下的情況下啟動加熱裝置進行升溫。若當前濕度高于設定值，系統(tǒng)啟動軸流風機并卷起密封膜通風除濕，當超過1 h 濕度依然高于設定值時，則降下密封膜，啟動加熱裝置和軸流風機進行除濕；若當前濕度低于設定值，系統(tǒng)則控制主泵機、輔泵機、電磁閥，將水從桶內抽起并輸送到棚內進行噴淋以增加濕度，并降下密封膜保濕。

2）自動施肥藥與灌溉。在第一次使用系統(tǒng)時，用戶需要在人機交互界面的配方模塊上設置肥藥、灌溉用水配比和施給方式（滴灌或噴淋）、時間、次數等參數；設置完畢后，需要用戶確認保存，系統(tǒng)才會保存相應的配方，配方存儲到PLC 斷電保持存儲器中，即使停電或重新上電后，配方數據也不會消失。在此后的系統(tǒng)使用中，用戶只需在人機交互界面上選擇配方并確認即可。此外，系統(tǒng)會自動記錄5 天內的溫濕度數據和采用措施內容，并將以上數據形成變化曲線，存儲到系統(tǒng)存儲器中，操作人員可通過歷史數據進行回顧與分析[8]。

3.3 手動控制設計

系統(tǒng)手動控制主要用于首次啟動時各執(zhí)行裝置的手動功能調試和系統(tǒng)急?；蚬收虾髾z修排故的使用。手動控制具體包括液體輸送、升降溫度、升降濕度控制等。

在手動控制的執(zhí)行過程中，具體順序為：第一，用戶需手動初始化系統(tǒng)功能；第二，根據控制活動要求，確認是否需要實施液體輸送、升降溫度、升降濕度操作。以上操作可以依次實施，也可按模塊逐步獨立實施。如果在實施過程中出現功能執(zhí)行異常情況，系統(tǒng)將自動報警，用戶則根據異常情況進行故障檢修。

3.4 監(jiān)控報警設計

監(jiān)控報警子程序是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要抓手。當監(jiān)控報警子程序被觸發(fā)時，系統(tǒng)會檢測當前運行模式，若此時為手動運行模式，卷膜極限位置檢測傳感器、溫濕度極限值傳感器擔負測量系統(tǒng)極限運行數據和信號的責任，一旦極限情況出現，系統(tǒng)便會自動發(fā)出報警信號，緊急制動并停止運行，同時在人機交互界面以及報警指示燈處發(fā)出故障報警指示，用戶根據故障情況排故即可；但若此時為自動運行模式，系統(tǒng)則會自動發(fā)出報警信息，通知用戶過來處理故障。

3.5 人機交互界面設計

基于PLC 的烏欖育苗養(yǎng)護系統(tǒng)人機交互界面設計有主界面、系統(tǒng)監(jiān)控界面、系統(tǒng)參數設置界面、系統(tǒng)調試界面、系統(tǒng)日志界面、幫助界面等。

1）主界面。主界面主要有用戶歡迎頁面、賬戶登錄和信息顯示的功能。其中，信息顯示包括系統(tǒng)各分界面的選擇、系統(tǒng)運行模式選擇、當前狀態(tài)等。

2）系統(tǒng)監(jiān)控界面。用戶可通過此界面直觀了解棚內溫濕度數值、正在執(zhí)行操作的類型、各執(zhí)行設備的工作狀態(tài)、密封膜的位置、已執(zhí)行操作的次數等內容。

3）系統(tǒng)參數設置界面。用戶通過該界面對極限溫濕度數值、水肥配比、水藥配比、灌溉水量、加熱時間、通風時間、噴淋時間、施肥施藥時間、灌溉時間等參數進行設置并保存。

4）系統(tǒng)調試界面。用戶通過此界面，可單獨對軸流風機、加熱設備、各管道電磁閥、各泵機、攪拌機、伺服電機等執(zhí)行設備進行單獨控制，方便操作人員在檢修故障后進行調試。

5）系統(tǒng)日志界面。該界面主要為用戶提供系統(tǒng)日常運行記錄、各類操作執(zhí)行情況、5日內溫濕度變化曲線等信息[9]，方便用戶進行分析和后續(xù)操作設置。

6）幫助界面。用戶在操作中出現錯誤時，系統(tǒng)為保證安全會自動對用戶進行幫助提示，方便用戶正確使用育苗系統(tǒng)。

4 應用效果

基于PLC 的烏欖育苗養(yǎng)護系統(tǒng)設計完成后，將其應用于廣東省清遠市連州鎮(zhèn)烏欖種植育苗活動中，在同樣的育苗工作量（6 000 棵/季）內使用一個育苗季后，與以往人工育苗的效率和成本進行對比[10]，數據對比情況如表1所示。通過以上數據對比可知，與人工育苗的烏欖苗成活率相比，育苗系統(tǒng)的烏欖苗成活率顯著提升，生產成本降低33.33%，表明本系統(tǒng)的設計在育苗工作上有一定的成效。

表1 數據對比情況

5 結語

本文主要介紹了一種基于PLC的烏欖育苗養(yǎng)護系統(tǒng)設計方案，該系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設計，并引入了人機交互界面設計，該養(yǎng)護系統(tǒng)能自動調節(jié)棚內溫濕度、自動進行水肥管理、自動調整棚內光照強度，在降本增效、提高幼苗成活率方面起到一定的作用。經測試和應用，確認本系統(tǒng)設計能基本滿足日常烏欖育苗養(yǎng)護系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，可有效實現育苗工作的降本增效，具有一定的應用推廣價值。