叶菜立体栽培装置控制系统设计

0 引言

温室大棚是农业设施的重要组成部分，利用温室大棚栽培蔬菜可以提高其产量，延长蔬菜的供应期，是实现规模化生产、满足全年需要的一种有效方式，是推动农业发展和农村经济增长的重要组成部分。

在温室大棚栽培蔬菜的生产中，立体无土栽培是一种比较新颖的种植方式，将无土栽培技术和工程装备相结合，从而实现多层垂直面、斜面种植植物的方法，提高温室大棚的土地利用率。目前国内立体无土栽培还是起步阶段，缺少有明显收益、比较完整的立体无土栽培系统。介于此原因，经过大量调研后研制了立体无土栽培系统。

以叶菜立体无土栽培为例，将叶菜定植在栽培箱，栽培箱统一安放在栽培床上，并提供叶菜生长所需要的营养液、温度、湿度、CO2和光照等，来保证其健康快速的生长。由于温室内面积有限，所投入成本较高，如果能充分利用温室空间进行蔬菜种植，实现立体栽培，将能进一步提高温室的利用率，提高经济效益。本研究设计了一种叶菜立体栽培系统，结合自动推送装置和光照自动调节系统，实现作物生产的机械化、自动化和智能化，提高作物产量，促进北京市农业高效、健康和快速发展。

1 工作原理

该传输装置由3 层组成，层与层之间互不干涉，控制可独立执行，主要结构包含传输架、升降架、传输装置、升降装置、补光装置、推拉装置、排水装置、供液系统、检测系统、触摸系统和控制系统，按下配电箱控制面板上启动开关，控制电源回路接通，启动指示灯亮绿灯，选择按钮打到自动模式下，导入?导出的选择开关处于导入模式。
任意层首端感应栽培箱信号获得时，推拉气缸开始拉取，从而栽培箱水平向末端运动一个位置，PLC计数器记录拉取栽培箱的数量，当末端检查信号获得和PLC 计数达到预设最大值双重条件满足下本层导入完成并停止。当旋钮开关选择在导出模式下，电机正转带动输送装置，推使栽培箱向首端移动，且每次移动1 个栽培箱的距离，通过感应信号和计数来综合判断。期间首端位置排水气缸会自动运行打开栽培箱排水口使其排出水，直至全部输送导出，然后电机反转恢复初始状态。在此状态下，操作人员可以根据自己的工作速度，与栽培箱的输送速度相配合，手动调节电机速度，从而实现对传输装置适合速度的调节。

PLC 做为整个控制系统的核心，接收和处理信号，并进行分析计算后对整个系统进行调控。补光系统会按照所设定的时间自动打开或关闭补光。根据照度传感器所得数据，与设定范围做比较，自动调节灯架升降，从而调节补光灯距离叶菜的远近，得到叶菜最适宜光照度。循环泵会按照设定时间启动给栽培箱内注入营养液，为叶菜生长提供营养，供水装置根据不同栽培箱内水位检测信号来通断供水电磁阀和供水泵实现自动补水。温湿度传感器、CO2传感器实时显示、监测温室内环境情况。
 

2 叶菜立体栽培系统设计

该叶菜立体栽培系统如图1 所示。为了保证输送过程中栽培箱的平稳性，所有栽培架底部都安装了可以调整高度的蹄脚座。动力单元为电机链条推动、灯箱升降装置，执行部分包括叶菜栽培箱、排水装置、推拉装置、供液装置和供水装置。输入模式下在推拉气缸作用下，叶菜栽培箱在轨道上实现输送，当叶菜栽培箱触碰到光电传感器后，通过控制系统使本层输入模式停止。输出模式下，在链条推送作用下，叶菜栽培箱在轨道上实现输出，当叶菜栽培箱全部输出完成，通过控制系统使本层输出模式停止。

3 控制系统设计

3. 1 系统硬件设计

系统硬件组成如图2 所示。该立体栽培控制系统由西门子200PLC、西门子EM233 数字量模块、触摸屏、中间继电器、接触器、电机断路器、输入开关量、接近开关、霍尔开关、CO2传感器、光照传感器、空气温湿度传感器、推拉气缸、排水气缸、升降装置、推送机构和供液系统等组成。