勤德时成功将PLC用于农业自动化

　　1 引言

　　寒地水稻是我国北方地区大面积种植的作物，寒地水稻的种植技术日趋成熟。寒地水稻的整个生长过程可粗略的分为两个阶段，即温室育秧阶段、田间生长阶段。在温室育秧阶段对水稻的产量有着决定性的影响，农业专家曾经说过“秧好8成粮”。寒地水稻育秧阶段的重要过程是浸种、催芽。

　　浸种催芽设备实现了水稻浸种催芽的智能化控温控水，全自动化设定，科学严格的保证了水稻种子浸种催芽的所需条件，为水稻芽种生产提供了科技方向。根据当前垦区水稻标准化生产的需要，为实现水稻生产全程机械化，针对水稻浸种、催芽生产过程中机械化程度低、劳动强度大、生产标准不规范等情况，浸种催芽设备能根据种子浸种催芽所需的温度自动调控，使种子受热均匀，出芽一致。普通方法浸种需要10—11天时间，催芽需要2—3天，浸种催芽设备由于科学调节温度和水量，全程智能化监控，可使浸种时间缩短为8天，催芽时间缩短为24小时，大大提高了工作效率。

　　浸种催芽设备采用多箱结构，在浸种、催芽两工艺流程中采取种子不出箱的办法来完成，也就是当某箱完成浸种时，由控制参数改变将其转换为催芽箱。系统控制准备水箱的水温，工作时跟据浸种、催芽箱的测量温度参数采用注水的方法，来完成调节浸种、催芽箱内温度。

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　　技术特点

　　浸种催芽设备从技术上能够准确的保证水稻的浸种质量。浸种催芽设备的技术特点如下：

　　1、采用智能恒温控温仪可实现控制点及精度可调，调整分辨率±0.1℃;

　　2、采用智能多点测温保证测量温度与真实温度差不大于±0.5℃;

　　3、采用PLC智能计算控温保证控制温度与真实温度差不大于±0.5℃;

　　4、采用传感器智能补偿技术是根除仪器及传感器的离散问题;

　　5、采用多传感器测量技术可做到浸种箱内多部位的检测温度;

　　6、采用计算机技术实现部件工作状态可预制;

　　7、采用玻璃钢水箱整体保温克服箱内边缘温度与内部温度超差及实现节能。

　　2 催芽浸种设备工艺流程

　　一、调水工况

　　浸种、催芽前首先启动调水工况，此时热水箱内达到循环状态，箱内水充分循环，使得水温平均，待用于浸种、催芽时使用。当温度超标时启动冷水箱水与热水箱水进行循环，使温度迅速达到使用要求标准温度即可。

　　二、浸种工况

　　1、调水：首先通过燃油炉对热水箱内水进行加热，此时需打开加热循环泵、燃油锅炉，达到热水箱内自循环状态，循环水泵进行工作。直至水温调试到浸种所需要的温度为止。

　　2、浸种箱注水：水温达到标准后，向浸种箱内注入所需要的水，此时开启注水泵和需要注水的浸种箱阀门，达到上水位时停止注水，待用于水稻浸种时使用。

　　3、浸种箱温控：当水注入到浸种箱内存留时间比较长时，水的热量就会有一定的消耗。这时启动浸种催芽箱自身循环泵、加热炉，使箱内温度保持在设定温度±0.5℃以内。

　　4、浸种结束：当浸种时间到达预定时间，农业专家检测浸种达到预期效果，通过排水管道把浸种催芽箱内水全部排掉。

　　三、催芽工况

　　1、破胸准备：将热水箱、冷水箱加满水以备破胸、催芽时使用。 启动热水箱、冷水箱阀门进行加水，然后将热水箱的水预热到破胸时所需要的温度后停止加热。

　　2、破胸工况：当热水箱水预热到合适温度时，进行注水破胸，开启注水泵以及所需注水的浸种催芽箱注水阀门，注水到箱体的上水位后停止注水，设置水在箱体内的停留时间，时间达到后将水回到热水箱中，启动回水泵以及所需回水的浸种催芽箱回水阀门，回水到箱体的下水位后停止回水。此后，浸种、催芽箱温度超标时通过启动自身循环泵和加热炉来维持工作。

　　3、催芽工况：由农艺专家检测种子破胸完毕进入催芽状态，进行注水催芽，开启注水泵以及所需注水的浸种催芽箱注水阀门，注水到箱体的上水位后停止注水，设置水在箱体内的停留时间，时间达到后将水回到热水箱中，启动回水泵以及所需回水的浸种、催芽箱回水阀门，回水到箱体的下水位后停止回水。此后，浸种催芽箱温度超标时通过启动自身循环泵和加热炉来维持工作，直到催芽结束。

　　四、结束

　　浸种、催芽工况结束后通过浸种、催芽箱后面的出水阀把剩余的水排除。待用于下次使用。

　　3 PLC控制系统设计

　　浸种催芽设备自动监控系统实现对各个浸种催芽箱的阀门、水位、温度控制;锅炉的阀门、温度控制;水箱的阀门、温度、循环泵控制;工艺数据采集(如水内PH值检测)、数据通讯及上位监控和管理等。

　　基于“集中管理，分散控制”的模式，数字化、信息化环保工程的思想，着眼于企业“管控一体化”信息系统的建设，建立一个先进、可靠、高效、安全且便于进一步扩充的集过程控制、监视和计算机调度管理于一体并且具备良好开放性的监控系统，完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制。我们采用以和利时公司LM系列可编程控制器PLC为现场集控系统，实现对各个浸种催芽设备分控站的自动控制和数据采集。

　　3.1 控制系统结构

　　整个系统设1个中央控制室、8个浸种催芽设备PLC分控制站。浸种催芽设备分控站由可编程序控制器(PLC)及触摸屏组成，对本地浸种催芽设备实现自动控制、数据采集及数据传送。中央控制室、浸种催芽设备分控站之间的数据通讯采用成熟的TCP/IP通讯技术。

　　3.2 PLC系统配置

　　PLC系统由LM3109 CPU模块、LM3403 TCP/IP通讯模块及LM3223 开关量输出模块组成，同时配置上海步科MT系列触摸屏，实现就地自动控制。

　　1、LM3109 CPU模块：集成一体化模块，自带40点数字量I/O，提供24路DC24V输入/16路继电器输出。具有1个RS232和1个RS485通讯接口，支持专有协议/Modbus RTU协议/自由协议。

　　2、LM3403 以太网扩展模块：通过连接本模块，使得LM系列PLC作为MODBUS/TCP从站被连接到局域网中 。

　　3、LM3223 继电器输出模块： 提供16通道继电器型输出，额定负载电压为DC24V或AC24--220V，输出开关容量为2A。

　　4、采用MT系列触摸屏，尺寸从5.7″到15″可选，集成多路通讯口，内部集成配方存储卡，HT6000系列配方卡为256KB，可实现数据、历史操作记录、历史趋势图断电保存等，方便用户查询。

　　3.3 系统网络

　　中央控制室与各远程PLC控制站之间通过星型结构局域网络来实现数据通讯。局域网络的主要设备为交换机或集线器，主要完成PLC与中央控制室数据传输转发的任务。主要设置的参数如下：

　　1、与PLC LM3403模块TCP通讯接口参数，包括IP地址、子网掩码、网关及输入、输出区大小设置。

　　2、中央控制室工控机完成计算机IP地址设置，组态软件通讯PLC配置。

　　3、星型结构局域网。星型网络几乎是Ethernet(以太网)网络专用，它是因网络中的各工作站节点设备通过一个网络集中设备(如集线器或者交换机)连接在一起，各节点呈星状分布而得名。这类网络目前用的最多的传输介质是双绞线，如常见的五类线、超五类双绞线等，距离超过100米时，采用光纤通讯。

　　3.4 监控系统功能

　　3.4.1 中央控制室功能

　　中央控制室内选用研华工业级计算机，配备不间断电源，现实短时间的掉电保持保护;提供大屏幕显示(液晶电视)，把计算机的画面显示在大屏幕上，供操作员外的其他人员了解育种进程。

　　上位软件选用和利时HollyView组态软件，实现对现场数据的实时监控，提供友好的画面显示，具有数据报表、数据历史查询、温度趋势曲线、故障报警记录、远程控制管理等功能。大大减少人员的现场操作，实现工业级别的全自动监控。

　　配备打印机设备，打印历史记录，提供数据分析的依据。提供USB接口，对历史数据可以拷贝保存。

　　可在控制室内完成中央控制和现场控制切换，手动控制和自动控制切换，工艺参数设定及修正，高级权限控制等操作。

　　3.4.2 现场PLC控制站功能

　　PLC采集设备数据的方式有两种：一种是通过I/O点的方式监控设备的阀门、电机、液位状态;另一种是通过RS485通讯的方式采集设备的多路温度信号。

　　浸种催芽过程以温度为主要参考条件，通过一定的逻辑关系，实现对系列阀门及电机的控制，科学严格的保证水稻种子浸种催芽的所需条件。

　　配置现场级触摸屏HT6A00T与PLC通讯，显示设备实时数据，实现设备就地控制。就地控制独立于中央控制室，在中央控制系统故障时，也可单独控制设备。

　　4 结束语

　　基于和利时LM系列PLC可编程控制器的浸种催芽设备监控系统，实现了浸种催芽设备安全、稳定运行，提高了生产线运转的可靠性，大幅度提升了其性能。为垦区水稻标准化生产奠定了基础，大大提高了浸种催芽工作效率。