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    1 引言  

                  

    寒地水稻是我國北方地區(qū)大面積種植的作物，寒地水稻的種植技術(shù)日趨成熟。寒地水稻的整個生長過程可粗略的分為兩個階段，即溫室育秧階段、田間生長階段。在溫室育秧階段對水稻的產(chǎn)量有著決定性的影響，農(nóng)業(yè)專家曾經(jīng)說過“秧好8成糧”。寒地水稻育秧階段的重要過程是浸種、催芽。

    浸種催芽設(shè)備實現(xiàn)了水稻浸種催芽的智能化控溫控水，全自動化設(shè)定，科學嚴格的保證了水稻種子浸種催芽的所需條件，為水稻芽種生產(chǎn)提供了科技方向。根據(jù)當前墾區(qū)水稻標準化生產(chǎn)的需要，為實現(xiàn)水稻生產(chǎn)全程機械化，針對水稻浸種、催芽生產(chǎn)過程中機械化程度低、勞動強度大、生產(chǎn)標準不規(guī)范等情況，浸種催芽設(shè)備能根據(jù)種子浸種催芽所需的溫度自動調(diào)控，使種子受熱均勻，出芽一致。普通方法浸種需要10—11天時間，催芽需要2—3天，浸種催芽設(shè)備由于科學調(diào)節(jié)溫度和水量，全程智能化監(jiān)控，可使浸種時間縮短為8天，催芽時間縮短為24小時，大大提高了工作效率。

    浸種催芽設(shè)備采用多箱結(jié)構(gòu)，在浸種、催芽兩工藝流程中采取種子不出箱的辦法來完成，也就是當某箱完成浸種時，由控制參數(shù)改變將其轉(zhuǎn)換為催芽箱。系統(tǒng)控制準備水箱的水溫，工作時跟據(jù)浸種、催芽箱的測量溫度參數(shù)采用注水的方法，來完成調(diào)節(jié)浸種、催芽箱內(nèi)溫度。
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    技術(shù)特點

    浸種催芽設(shè)備從技術(shù)上能夠準確的保證水稻的浸種質(zhì)量。浸種催芽設(shè)備的技術(shù)特點如下：

    1、采用智能恒溫控溫儀可實現(xiàn)控制點及精度可調(diào)，調(diào)整分辨率±0.1℃；

    2、采用智能多點測溫保證測量溫度與真實溫度差不大于±0.5℃；

    3、采用PLC智能計算控溫保證控制溫度與真實溫度差不大于±0.5℃；

    4、采用傳感器智能補償技術(shù)是根除儀器及傳感器的離散問題；

    5、采用多傳感器測量技術(shù)可做到浸種箱內(nèi)多部位的檢測溫度；

    6、采用計算機技術(shù)實現(xiàn)部件工作狀態(tài)可預制；

    7、采用玻璃鋼水箱整體保溫克服箱內(nèi)邊緣溫度與內(nèi)部溫度超差及實現(xiàn)節(jié)能。

    2 催芽浸種設(shè)備工藝流程

    一、調(diào)水工況

    浸種、催芽前首先啟動調(diào)水工況，此時熱水箱內(nèi)達到循環(huán)狀態(tài)，箱內(nèi)水充分循環(huán)，使得水溫平均，待用于浸種、催芽時使用。當溫度超標時啟動冷水箱水與熱水箱水進行循環(huán)，使溫度迅速達到使用要求標準溫度即可。

    二、浸種工況 

    1、調(diào)水：首先通過燃油爐對熱水箱內(nèi)水進行加熱，此時需打開加熱循環(huán)泵、燃油鍋爐，達到熱水箱內(nèi)自循環(huán)狀態(tài)，循環(huán)水泵進行工作。直至水溫調(diào)試到浸種所需要的溫度為止。

                   

                            
    2、浸種箱注水：水溫達到標準后，向浸種箱內(nèi)注入所需要的水，此時開啟注水泵和需要注水的浸種箱閥門，達到上水位時停止注水，待用于水稻浸種時使用。

    3、浸種箱溫控：當水注入到浸種箱內(nèi)存留時間比較長時，水的熱量就會有一定的消耗。這時啟動浸種催芽箱自身循環(huán)泵、加熱爐，使箱內(nèi)溫度保持在設(shè)定溫度±0.5℃以內(nèi)。

    4、浸種結(jié)束：當浸種時間到達預定時間，農(nóng)業(yè)專家檢測浸種達到預期效果，通過排水管道把浸種催芽箱內(nèi)水全部排掉。

    三、催芽工況

     1、破胸準備：將熱水箱、冷水箱加滿水以備破胸、催芽時使用。 啟動熱水箱、冷水箱閥門進行加水，然后將熱水箱的水預熱到破胸時所需要的溫度后停止加熱。

    2、破胸工況：當熱水箱水預熱到合適溫度時，進行注水破胸，開啟注水泵以及所需注水的浸種催芽箱注水閥門，注水到箱體的上水位后停止注水，設(shè)置水在箱體內(nèi)的停留時間，時間達到后將水回到熱水箱中，啟動回水泵以及所需回水的浸種催芽箱回水閥門，回水到箱體的下水位后停止回水。此后，浸種、催芽箱溫度超標時通過啟動自身循環(huán)泵和加熱爐來維持工作。

    3、催芽工況：由農(nóng)藝專家檢測種子破胸完畢進入催芽狀態(tài)，進行注水催芽，開啟注水泵以及所需注水的浸種催芽箱注水閥門，注水到箱體的上水位后停止注水，設(shè)置水在箱體內(nèi)的停留時間，時間達到后將水回到熱水箱中，啟動回水泵以及所需回水的浸種、催芽箱回水閥門，回水到箱體的下水位后停止回水。此后，浸種催芽箱溫度超標時通過啟動自身循環(huán)泵和加熱爐來維持工作，直到催芽結(jié)束。

    四、結(jié)束

     浸種、催芽工況結(jié)束后通過浸種、催芽箱后面的出水閥把剩余的水排除。待用于下次使用。

    3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

    浸種催芽設(shè)備自動監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對各個浸種催芽箱的閥門、水位、溫度控制；鍋爐的閥門、溫度控制；水箱的閥門、溫度、循環(huán)泵控制；工藝數(shù)據(jù)采集（如水內(nèi)PH值檢測）、數(shù)據(jù)通訊及上位監(jiān)控和管理等。

    基于“集中管理，分散控制”的模式，數(shù)字化、信息化環(huán)保工程的思想，著眼于企業(yè)“管控一體化”信息系統(tǒng)的建設(shè)，建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集過程控制、監(jiān)視和計算機調(diào)度管理于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與自動控制。我們采用以和利時公司LM系列可編程控制器PLC為現(xiàn)場集控系統(tǒng)，實現(xiàn)對各個浸種催芽設(shè)備分控站的自動控制和數(shù)據(jù)采集。

    3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    整個系統(tǒng)設(shè)1個中央控制室、8個浸種催芽設(shè)備PLC分控制站。浸種催芽設(shè)備分控站由可編程序控制器（PLC）及觸摸屏組成，對本地浸種催芽設(shè)備實現(xiàn)自動控制、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳送。中央控制室、浸種催芽設(shè)備分控站之間的數(shù)據(jù)通訊采用成熟的TCP/IP通訊技術(shù)。

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

                  


    3.2 PLC系統(tǒng)配置

    PLC系統(tǒng)由LM3109 CPU模塊、LM3403 TCP/IP通訊模塊及LM3223 開關(guān)量輸出模塊組成，同時配置和利時HT6000系列觸摸屏，實現(xiàn)就地自動控制。

    1、LM3109 CPU模塊：集成一體化模塊，自帶40點數(shù)字量I/O，提供24路DC24V輸入/16路繼電器輸出。具有1個RS232和1個RS485通訊接口，支持專有協(xié)議/Modbus RTU協(xié)議/自由協(xié)議。

    2、LM3403 以太網(wǎng)擴展模塊：通過連接本模塊，使得LM系列PLC作為MODBUS/TCP從站被連接到局域網(wǎng)中 。

    3、LM3223 繼電器輸出模塊： 提供16通道繼電器型輸出，額定負載電壓為DC24V或AC24--220V，輸出開關(guān)容量為2A。

    4、采用HT6000系列觸摸屏，尺寸從5.7″到15″可選，集成多路通訊口，內(nèi)部集成配方存儲卡，HT6000系列配方卡為256KB，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)、歷史操作記錄、歷史趨勢圖斷電保存等，方便用戶查詢。

    以8箱體單爐浸種催芽設(shè)備為例，輸入輸出信號清單如下：

                 
                      
 
    3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

    中央控制室與各遠程PLC控制站之間通過星型結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。局域網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備為交換機或集線器，主要完成PLC與中央控制室數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)的任務。主要設(shè)置的參數(shù)如下：

    1、與PLC LM3403模塊TCP通訊接口參數(shù)，包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)及輸入、輸出區(qū)大小設(shè)置。

    2、中央控制室工控機完成計算機IP地址設(shè)置，組態(tài)軟件通訊PLC配置。

    3、星型結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)。星型網(wǎng)絡(luò)幾乎是Ethernet（以太網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)專用，它是因網(wǎng)絡(luò)中的各工作站節(jié)點設(shè)備通過一個網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備（如集線器或者交換機）連接在一起，各節(jié)點呈星狀分布而得名。這類網(wǎng)絡(luò)目前用的最多的傳輸介質(zhì)是雙絞線，如常見的五類線、超五類雙絞線等，距離超過100米時，采用光纖通訊。

    3.4 監(jiān)控系統(tǒng)功能

    3.4.1 中央控制室功能

    中央控制室內(nèi)選用研華工業(yè)級計算機，配備不間斷電源，現(xiàn)實短時間的掉電保持保護；提供大屏幕顯示（液晶電視），把計算機的畫面顯示在大屏幕上，供操作員外的其他人員了解育種進程。

    上位軟件選用和利時HollyView組態(tài)軟件，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，提供友好的畫面顯示，具有數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)歷史查詢、溫度趨勢曲線、故障報警記錄、遠程控制管理等功能。大大減少人員的現(xiàn)場操作，實現(xiàn)工業(yè)級別的全自動監(jiān)控。

    配備打印機設(shè)備，打印歷史記錄，提供數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。提供USB接口，對歷史數(shù)據(jù)可以拷貝保存。

    可在控制室內(nèi)完成中央控制和現(xiàn)場控制切換，手動控制和自動控制切換，工藝參數(shù)設(shè)定及修正，高級權(quán)限控制等操作。

               

                

    3.4.2 現(xiàn)場PLC控制站功能

    PLC采集設(shè)備數(shù)據(jù)的方式有兩種：一種是通過I/O點的方式監(jiān)控設(shè)備的閥門、電機、液位狀態(tài)；另一種是通過RS485通訊的方式采集設(shè)備的多路溫度信號。

    浸種催芽過程以溫度為主要參考條件，通過一定的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)對系列閥門及電機的控制，科學嚴格的保證水稻種子浸種催芽的所需條件。

    配置現(xiàn)場級觸摸屏HT6A00T與PLC通訊，顯示設(shè)備實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備就地控制。就地控制獨立于中央控制室，在中央控制系統(tǒng)故障時，也可單獨控制設(shè)備。

    4 結(jié)束語

    基于和利時LM系列PLC可編程控制器的浸種催芽設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了浸種催芽設(shè)備安全、穩(wěn)定運行，提高了生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)的可靠性，大幅度提升了其性能。為墾區(qū)水稻標準化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，大大提高了浸種催芽工作效率。

    參考文獻

    [ 1 ] 王伯倫，水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)育種的理論與實踐[M]，中國水利水電出版社. 

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    [ 3 ] 孫亮，楊鵬，自動控制原理[M]，北京工業(yè)大學出版社.

    [ 4 ] 廖常初，PLC編程及應用[M]，機械工業(yè)出版社.

    [ 5 ] 王錦標，和利時PLC技術(shù)-綜合篇[M]，機械工業(yè)出版社.