人工气候室/组培培养室

产品型号:
RTOP系列
产品简介:
人工气候室控制系统由工业控制计算机、传感器、数据采集卡、PLC及相应的执行机构组成,本系统采用工控机。软件是在Windows XP上运行、MCGS组态软件环境下开发的工业控制软件。人工气候室目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、二氧化碳浓度等参数的监控,主要用温度传感器、湿度传感器、土壤水分传感器以及光照强度传感器进行监测。
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人工气候室/组培培养室详细介绍

人工气候室/组培培养室简介:
人工气候室调控系统是以PLC 为核心,辅以I/O 设备组成的检测系统,以及MCGS 实时监测画面。该检测系统具有数据采集、数据处理、数据输入和输出的功能。该系统可以调控温度、湿度、光照强度、以及2 CO 浓度等参数,实现了人工气候室的自动化控制,使气候室中的各种参数达到人们预期的效果,为人工气候室的进一步推广与应用提供了更加完善的技术。

 

1 引言
人工气候室是在环境实验、科学研究(诸如种养殖、植保、组培、生物工程)等领域应用非常广泛的实验设备。它能模拟自然界的各种气象条件,按照实验要求精确控制室内的温度、湿度、光照以及二氧化碳浓度等指标,复现各种气候环境,为研究不同物种的生长、发育、生理、生化过程创造了良好的环境条件。因此人工气候室广泛应用于科研、现代农业、医药、冶金化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。
在人们的日常生活中,人的居住空间也是一个人工环境。空气污染,直接危害到人的身体健康;噪音污染,影响人的情绪、工作、休息,可以导致神经衰弱;温度过热、过冷,会导致人的不适,耗费电能;空气过湿,将使人感到沉闷和窒息;空气过燥,会使人的口腔和皮肤感到不适,甚至引起口腔炎、咽炎、皮肤干裂等疾病。如果能有系统自动控制这个常见的人工环境,将为人们的生活创造一个舒适、智能的生活环境,所以这是一个很有发展前途的研究内容。国内外很多专家、学者已经对此展开了系统的研究,也取得了骄人的研究成果。
目前,在市场流通的人工气候室,均采用传统的模拟电路与小规模数字电路,以通、断的方式进行控制。这种落后的控制方式导致了三个无法解决的问题:①温、湿度控制精度低;②温、湿度控制相互干扰;③能源浪费严重。同时还存在室内灯光的光谱与照度不能满足植物生长的要求;对实验过程的数据无法进行检测、记录和处理等问题。而国外产品的价格高得惊人,一般单位无力承受。由于较多的研究成果均基于单片机完成的,虽然价格便宜,但单片机的可扩展性较差,而且同一个环境需要控制的参数较多(例如温度、湿度、有毒气体的浓度、噪音等),如果采用PLC 为核心,则可以提高系统的性价比。本控制系统采用先进的智能传感技术,采用PLC 作为控制核心,就整个系统硬件与软件设计进行研究,并在实验室进行了模拟监测,控制效果好,精度较高。

 

2 人工气候室组培培养室系统的硬件构成:
2.1 系统的组成
该人工气候室主要由自动控制系统、通风系统、遮阳系统、供热系统等四个部分组成,如果是用在农业的温室育苗和种植大棚,则还需要一个自动喷灌系统。如图1所示。


图1 人工气候室的系统组成

2.2 人工气候室的系统硬件接线图
系统的硬件接线图如图2所示。


图2 控制系统的硬件结构框图

2.3 各部分的构成与功能
在本设计中,人工气候室控制系统由工业控制计算机、传感器、数据采集卡、PLC及相应的执行机构组成,如图3所示。


图3 人工气候室系统组成

2.3.1 工业控制计算机
本系统采用工控机。软件是在Windows XP上运行、MCGS组态软件环境下开发的工业控制软件。
2.3.2 传感器
人工气候室目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、二氧化碳浓度等参数的监控,主要用温度传感器、湿度传感器、土壤水分传感器以及光照强度传感器进行监测。
1)湿度传感器
湿度检测的工作原理是采用电容式相对湿度传感器的电容值随着湿度的变化而线性变化,通过信号检测和转换电路将变化的电容转换成与之对应的变化的电压。本系统的湿度传感器采用高精度的HS11000型电容式湿度传感器。它采用电容式湿度敏感元件,其特点是尺寸小、响应时间快、线性度好、温度系数小、可靠性高和稳定性好。在相对湿度位0%~100%RH范围内,电容量由162PF变化到200PF时,其误差不大于±2%RH,而且响应时间小于5s,湿度系数为0.04PF/?C。可见该湿度传感器受温度的影响是很小的。
2)温度传感器
测试温度的传感器有很多,普遍使用的是热电偶和热电阻传感器。利用电阻随温度变的特性制成的传感器叫做热电阻传感器。本系统采用LT/W型温度传感器。由铂电阻构成,精度高、稳定性好、可靠性高,在0~630.74范围内,铂电阻与温度的关系可以采用下式表示:
( )= (+ + 2)0 R t R 1 At Bt
式中R(t)为温度t 0C 时的电阻值; 0 R 为温度00C 时的电阻值;A、B 为常数。
人工气候室的控制温度在0~50 0C之间,属于铂电阻的有效范围,故温度传感器可以采用铂电阻传感器。温度变送器是采用先进的电路组成,与不同的温度传感器相连接,可适用于不同的温度测量。该变送器体积小巧、轻便、安装方便。该传感器的特点是:宽温区特性好,输入两、三线可选,可以克服引线电阻;输出二线420mA,远距离传输;高精度、可靠性高、安装方便,抗干扰能力强。
3)光照强度传感器
光照强度传感器采用LT/G 型三线光照强度传感器。其主要技术指标有:①光照强度范围:20 万LX;②输出值:4~20mA;0~5V;③准确性为±5000LX;④电源为12~24V DC。
4)二氧化碳浓度传感器
本设计采用GMW120 二氧化碳浓度,性能指标如下:①测量范围:0~2000ppm;②在20ppm 时的精度:<±20ppm+读数的1.5%;③重复性:<±20%ppm;④热漂移:<2ppm/ 0C;⑤测量技术:单束非发散性红外光;⑥取样方式:无方向性随机取样;⑦长期稳定性:<100ppm/5a;⑧响应时间:<60s(10%~90%响应);⑨输出信号:4~20mA 或0~5V;⑩电源:24VDC/VAC(0~30V)。
2.3.3 数据采集卡
数据采集卡采用PCL-812PG型数据采集卡,它是一种能用IBM PC/XT/AT以及其它兼容机的高性能、高速、多功能数据采集卡,是一种工业I/O接口产品,可直接插入PC机的扩展插槽。PCL-812PG型数据采集卡可以输入16路单端模拟信号进行A/D转换;由软件可编程增益;16路数字量输入和输出通道;有2路12位单片D/A输出通道,并且有可编程定时、计数功能。
2.4 系统的控制功能
本系统根据数据采集卡采集到的各种参量,进行如下几方面控制调节。
1)温度控制
本系统可进行变温管理,实现上午、下午、前半夜、后半夜、凌晨五段变温控制。还可根据人工气候室的具体用途,根据实际情况来进行变更变温时段。
2)湿度控制
湿度是建筑环境工程(如空气调节)、气象、仓储管理(如粮食、药品)等、产品加工(如食品、化工)等许多行业中的重要的状态参数,常常需要对它进行监测与控制。本系统的湿度控制采用对除湿设备进行控制,来确保人工环境的恒定湿度。
3)光控
本系统主要通过对遮阳幕的启闭进行控制,达到对光照强度的控制。实际在育苗、种植大棚中,为了能使植物得到良好的光照,避免超过光饱和点,利用遮阳幕来遮挡阳光,同时还可在晚上或阴天,通过控制系统来开启人工照明设备,实现对常日照作物进行人工照明。
4)二氧化碳含量控制
本系统可以对人工环境中的二氧化碳含量进行实时的监控,当二氧化碳的含量高于一定值时,就启动通风电机,对人工环境换风,保证环境的空气新鲜。如果在农业人工环境中,要求有较高的二氧化碳含量才能增施气肥,就应该在二氧化碳含量低于设定值时打开二氧化碳发生器,确保环境的二氧化碳含量达到预定要求。

 

3 人工气候室/组培培养室系统的软件设计
为了使系统具有直观的监控画面,监控软件采用MCGS组态软件完成,使用组态软件可以免除繁琐的编程任务,并可以设计出精美的人机界面。由于系统中使用了数字量和模拟量输入输出参数,本系统采用了研祥的PCL-818L接口卡。该接口卡共有16路模拟量输入,输入模拟电压范围为-10~+10,1路模拟量输出,16路数字量输入和16路数字量输出,TTL/DTL电平兼容。将该接口卡安装在计算机箱内的ISA扩展槽上。为便于对象与PCL-818L板卡之间接线,板卡的生产厂家提供了相应的接线端子板,端子板可安装在机箱外适当处。DO通道选用了16路继电器输出端子板PCLD-785,该端子板输出触点负载为DC:30V/1A,AC120V/0.5A,完全满足本系统的负载需要。AI通
道选用了PCD-880端子板。PCL-818L与AI端子板PCD-880之间通过37芯D型接头连接,与DO输出端子板PCLD-785之间用20芯扁平电缆连接,对象与接线端子板之间用导线连接。
PCLD-785的每个DO通道上有一个单刀双掷继电器,每个继电器对应常断、公共、常通三个端子(触点)。若计算机向它输出“0”,常断端子与公共端子之间为不通即触点断开,若计算机向它输出“1”,常断端子与公共端子之间导通即触点闭合。常通端子的情况刚好相反。该组态软件的功能包括控制面板、系统监控、报警、历史趋势曲线、输出报表等几个部分。
3.1 控制面板
控制面板主要完成人工气候室的各个监控参数的设定以及对各个参数的当前值进行实时的显示。
3.2 系统监控
系统监控主要实现对人工环境的各个单元的参数值以及控制设备的当前状态完成实时显示。
3.3 实时趋势与历史趋势曲线
实时趋势曲线可以将系统采集到的数据以实时曲线的方式显示出来以便于观察系统状态。历史趋势可以显示出各测量点的日、月、季度、年参数变化趋势,根据这些曲线可以合理的设置系统参数值。
3.4 报警及输出报表
实施报警功能可完成在测量的同时如发现有测量结果超出设定的报警上下限时立即进行报警的功能,并且在CRT上显示报警值及报警点。系统测量结果可直接送入EXCEL中进行数据分析或报表输出,同时将报表打印出来。

 

4 本文的创新之处
本设计是应用计算机技术实现的一个快速、准确、性能良好的人工气候室环境调控自动化系统。该系统可完成人工环境的内部温度、湿度、二氧化碳浓度、光照等室内参数的控制。本文的创新之处在于大量采用了各种智能传感器进行参数的采集,首次利用MCGS组态软件实现实时数据的采集、显示,实时数据曲线的绘制,控制参数的实时修改,完成人工环境的实时监控与控制功能。本控制系统在实验室内已经进行了模拟运行,效果良好,具有较高的推广价值和实际使用价值。

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