基于PLC的温室植物生长环境要素调控系统研制

摘要

温室植物生长状态的好坏与温室内各项环境因子密切相关，保证植物生长在适宜的温度、湿度、光照、CO2浓度、水分、养分条件下，能够使植物长势良好，产量增加，因此，对温室内影响植物生长的关键环境要素进行调控是十分必要的。相对目前大型温室智能调控系统体积大，价格昂贵，安装复杂等特点，本文针对现代化小型智能温室，设计了一种基于PLC的温室植物生长关键环境要素调控系统，能够实时监测室内各项环境因子，并根据相应的环境参数变化情况自动控制相应设备，实现温室植物生长关键环境要素的调控。该系统具有安装容易、成本低廉、稳定性好、扩展性强等优点。
　　系统主要应用可编程逻辑控制器(PLC)进行下位机软件的开发，并结合触摸屏人机交互界面(HMI)实现整个系统控制模式的设定，系统集采集、显示、存储、控制于一体，并研制了LED补光模块、喷雾灌溉-降温一体化模块、风送式CO2补施模块，通过PLC控制器对温室内部的光照、温湿度、水分和养分、CO2浓度等进行调控。
　　PLC控制器的作用是根据所检测到的各传感器的实时值来控制各调控模块的工作;LED补光模块的作用是在自然光照强度不足的白天或夜间对植物进行补光，保证植物生长的光照需求;喷雾灌溉-降温模块一方面可以对植物进行灌溉，保证植物生长的水分和养分需求，另一方面可以在夏季室内温度较高时进行喷雾降温，保证植物生长的温湿度需求;CO2补施模块的作用是在温室内CO2浓度较低时补充CO2气体，保证植物光合作用对CO2浓度的需求，
　　论文对3个模块的调控性能分别进行了试验，试验内容为:LED夜间延时补光对秋冬辣椒生长影响的试验，喷雾降温系统的降温-增湿性能试验，风送式CO2补施系统的补偿效果试验。
　　LED延时补光试验的试验结果表明:对秋冬辣椒分别进行红蓝比为6∶3、8∶1，时间为2h、4h、6h的夜间延时补光后，补光组辣椒的植株高度、茎粗、叶片数、开花结果总数、植株干重等对比不补光组均有不同程度增长，且以红蓝比6∶3，补光6h试验组的辣椒长势最好。
　　喷雾降温-增湿试验的试验结果表明:喷雾压力越大，降温/增湿效果越明显。在保证温室内其他控制设备运行状态相同的情况下，对试验温室进行计时5min，喷雾压力分别为120kPa、80kPa、50kPa的喷雾降温操作后，温室内的降温/增湿幅度分别为2.58℃/33.10％RH，1.52℃/18.65％RH，0.88℃/3.55％RH，单个喷头的喷雾流量分别为292mL/min,246mL/min,190mL/min。
　　CO2补施试验的试验结果表明:使用本文提出的风送式CO2补施系统进行温室内CO2气体的补偿，具有快速、高效的特点，在0.4MPa的钢瓶输出压力下进行计时3min的CO2气体补偿，能使温室内的CO2气体浓度比不补偿情况下增加300ppm左右，且通过检测离补偿点距离不同的4个测试点处的CO2浓度变化，验证了整个系统能在360s内使温室内各点处的CO2浓度达到相近值，证明风送式CO2补施系统能在较快的时间内使温室内的CO2补偿气体分布均匀。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 温室植物生长关键环境要素调控技术国内外研究现状

1．3 研究目的

1．4 论文主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 研究内容

1．5 本章小结

第二章 系统整体方案的确定

2．1 系统设计目标

2．2 控制器的确定

2．2．1 多种控制方式的比较

2．2．2 PLC简介

2．2．3 HMI触摸屏简介

2．3 系统整体方案

2．3．1 系统总体结构

2．3．2 系统总体流程图

2．4 本章小结

第三章 系统的硬件设计

3．1 硬件系统的搭建

3．1．1 LED补光系统的搭建

3．1．2 喷雾灌溉-降温一体化系统的搭建

3．1．3 风送式CO2补施系统的搭建

3．2 控制部件的选型与介绍

3．2．1 PLC的选择

3．2．2 HMI触摸屏的选择

3．3 LED补光模块的硬件选型

3．3．1 光照传感器的选择

3．3．2 LED补光灯的选择

3．3．3 继电器的选择

3．3．4 补光模块安装效果

3．4 喷雾模块的硬件选型

3．4．1 温湿度传感器的选择

3．4．2 喷雾水泵的选择

3．4．3 变频器的选择

3．4．4 其他辅助部件的选择

3．4．5 喷雾模块安装效果

3．5 CO2补施模块的硬件选型

3．5．1 CO2传感器的选择

3．5．2 CO2钢瓶的选择

3．5．3 风扇的选择

3．5．4 其他辅助部件的选择

3．5．5 CO2补施模块安装效果

3．6 控制电路的连接及系统调试

3．6．1 控制电路的连接

3．6．2 系统调试及可靠性分析

3．7 本章小结

第四章 系统的软件设计

4．1 编程环境及编程步骤

4．1．1 软件编程环境

4．1．2 软件编程步骤

4．2 下位机软件的设计

4．2．1 软件设计框图

4．2．2 PLC的地址分配

4．2．3 主要模块的编程

4．3 上位机界面的设计

4．3．1 上位机界面设计步骤

4．3．2 上位机界面设计效果

4．4 本章小结

第五章 试验与分析

5．1 试验环境介绍

5．2 夜间延时补光对秋冬辣椒生长影响的试验研究

5．2．1 试验内容

5．2．2 试验结果与分析

5．2．3 试验总结

5．3 喷雾降温系统的降温／增湿性能试验

5．3．1 试验温室内外温湿度变化情况分析

5．3．2 试验内容与方法

5．3．3 不同压力下的喷雾降温／增湿效果对比

5．3．4 试验总结

5．4 风送式CO2补施系统的补偿效果试验

5．4．1 试验温室内CO2浓度变化情况分析

5．4．2 试验设计

5．4．3 试验结果与分析

5．4．4 试验总结

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间研究成果