CN103037613B - 全自动冷等离子体种子处理器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全自动冷等离子体种子处理器控制系统，包括人机交互界面、PLC控制器、传输模块、真空度模块、电离模块和能量供应模块，人机交互界面与PLC控制器通过串口实现通信连接，能量供应模块提供系统其它模块所需的电源，PLC控制器通过传输模块来控制种子的传输速度，通过真空度模块来控制系统的真空度并达到动态平衡，最后通过电离模块来控制电离的时间和电离的功率，以适应不同种子的处理要求，达到最理想的处理效果。本发明能够自动处理各种粮食、油料、蔬菜、经济作物及花卉与苗木种籽，且处理时间短、成本低，经过处理后作物具有十分明显的促进生长和抗逆能力，最终达到提高作物品质和产量的效果，应用前景十分广泛。

Description

全自动冷等离子体种子处理器控制系统
技术领域
本发明属于冷等离子种子处理领域，特别涉及冷等离子种子处理器控制系统。
背景技术
冷等离子体种子处理技术是一项使农作物显著增产的国家高新技术，被列入国家“863”项目计划。目前所研究的等离子体种子处理机主要是模拟太空的部分等离子环境，形成一个具有光、电、磁及活性离子的局部环境，种子通过该环境处理，可以加速植物酶的转化，激活种子的生命力，增强可溶性糖和可溶性蛋白质含量，对作物的整个生长周期具有一定的促进作用。然而利用这种技术处理的种子时效性短，以小麦为例，这种方法处理的种子仅能保存15天，这一缺陷制约着该技术的大面积推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对背景技术的缺陷和不足，提供一种操作简单、使用方便，并且灵活、高效的冷等离子体种子处理器控制系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种全自动冷等离子体种子处理器控制系统，包括人机交互界面、PLC控制器、用于提供工作电源的能量供应模块、用于传输待处理种子的传输模块，以及
由真空规管、真空电磁阀和机械泵组构成的真空度模块，以及
由电离装置、射频功率源和阻抗自动匹配器组成的电离模块；其中：
所述人机交互界面与PLC控制器之间通过RS232技术实现通信连接，人机交互界面将与待处理种子所对应的工作参数通过RS232技术传输给PLC控制器，PLC控制器根据接收到的数据来控制传输模块、真空度模块和电离模块，所述工作参数包括气体置换次数、目标真空度、电离时间、电离功率和种子传输速度，具体过程如下：
步骤A，设置一个供冷等离子体种子处理的密闭腔体，所述腔体上分别设置有带有进气阀的进料口、带有放气阀的出料口，将待处理种子通过进料口传输至腔体内的传输模块上；
步骤B，采用机械泵组通过腔体的放气阀对腔体进行抽真空，同时采用真空规管检测腔体的真空度，直至腔体达到本底真空；
步骤C，通过真空电磁阀向腔体内充入工作气体，直至到达1000pa；
步骤D，根据设置的气体置换次数，判断气体置换是否结束，如果没有结束则重复步骤B～C，直至实际置换次数等于设置的置换次数；
步骤E，再次采用机械泵组对腔体内进行抽气，直至腔体内达到所设置的目标真空度；
步骤F，采用PLC控制器控制射频功率源以事先设定的电离功率输出至电离装置；同时PLC控制器输出一个开关量信号，控制射频功率源的工作状态；阻抗自动匹配器实时跟随腔体内气体介质和密度的不断变化，自动匹配阻抗，使得射频功率源输出的有效功率等于设置功率；
步骤G，PLC控制器控制真空规管实时检测腔体的真空度，并将腔体内的真空度与设置的目标真空度相比较，根据结果控制真空电磁阀的开度进行PID调节，最终使得腔体的真空度达到动态平衡状态；
步骤H，采用传输模块根据设定的传输速度，将待处理种子经过电离装置接受电离处理，直至达到系统设置的电离时间，将处理过的种子传送至出料口，电离模块和真空度模块停止工作；打开进气阀，向腔体内注入大气；
步骤J，当腔体内外无气压差时，工作结束。
作为本发明的全自动冷等离子体种子处理器控制系统的进一步优化方案：所述射频功率源为双输出供电装置，所述双输出供电装置包括交流电源和变压器，所述变压器仅原边接地，变压器副边输出端经绝缘保护后与电离装置连接。
作为本发明的全自动冷等离子体种子处理器控制系统的进一步优化方案：所述电离装置由分别连接射频功率源两个输出端、且相互平行设置的上下两块极板构成；每块极板设有金属悬浮屏蔽外壳，极板与金属悬浮屏蔽外壳之间填充有绝缘材料，两块极板相对两面的间距为1.5～10cm，每个极板上设有极板接头，所述极板接头通过射频输出线与射频功率源连接；待处理种子经过上下两块极板之间的空腔接受电离处理。极板接头与极板的连接处设有绝缘材料，所述绝缘材料为聚四氟乙烯、陶瓷或丙烯。
作为本发明的全自动冷等离子体种子处理器控制系统的进一步优化方案：所述传输模块包括传输装置、变频器和交流电机，其中PLC控制器输出一组4~20mA的电流传输至交流电机控制传输装置的速度，并输出一组开关量至变频器控制传输装置的工作状态。
作为本发明的全自动冷等离子体种子处理器控制系统的进一步优化方案：所述的传输装置包括绝缘支架、主动辊、从动辊、压辊和传送带，其中主动辊和从动辊通过轴承分别设于绝缘支架的两端，传送带设于主动辊和从动辊之上，压辊也通过轴承设于绝缘支架一端，将传送带压紧于主动辊上，所述电离装置设于绝缘支架上，传送带从电离装置的上下两个极板的内部穿过。
作为本发明的全自动冷等离子体种子处理器控制系统的进一步优化方案：所述主动辊、从动辊及压辊的轴芯均为不锈钢材料，外敷橡胶层。
作为本发明的全自动冷等离子体种子处理器控制系统的进一步优化方案：所述传送带为天然高分子材料；材质为棉、麻、亚麻或丝类制品。
作为本发明的全自动冷等离子体种子处理器控制系统的进一步优化方案：所述人机交互界面采用触摸屏。所述PLC控制器选用欧姆龙CP1E控制器，该控制器包括用于和人机交互界面进行数据通讯的通信模块、用于输入和输出数据的I/O模块、以及用于数据格式转换的AD模块和DA模块。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下技术效果及优点：
本发明的系统工作时产生冷等离子体，冷等离子体与生物大分子之间的能量相互作用，使得生物大分子的电子从较低能态（基态）跃迁到较高的能态（激发态），萌发中的种子及幼苗中的-淀粉酶、琥珀酸脱氧酶、过氧化物酶和超氧化歧化酶等多种酶的活性显著提高，使种子呼吸作用增强，生命活力旺盛，生物氧化过程加快，物质的运输和合成能力也加速进行。宏观上表现为种子发芽率、发芽势明显提高，并增强了农作物的抗旱、抗寒、抗病虫害等抗逆性能，可以减少化学肥料和农药的用量，同时还能增加农作物的产量。
本发明通过PLC控制器自动控制冷等离子体种子处理器，使得小麦处理后的时效性延长到至少3个月，而且增产效果较之前更为明显，使得冷等离子体种子处理技术的标注化和商品化成为可能，解决我国工业化发展与耕地面积减少所带来的粮食需求问题、解决我国全面实现小康目标的“三农”问题起到重大作用推动作用。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明的人机交互界面架构框图。
图3为本发明电气示意图。
图4为本发明的控制器软件流程图。
图5为传输装置整体结构示意图。
图6是电离装置布置示意图。
图7是电离装置结构示意图。
图8是本发明射频功率源电路示意图。
图中标号：1-绝缘支架，2-电离装置，3-主动辊，4-从动辊，5-压辊，6-传送带，2-1-上极板，2-2-上极板接头，2-3-下极板，2-4-下极板接头，2-5-电离腔体，7-极板，8-金属悬浮屏蔽外壳，9-绝缘材料，10-极板接头，11-射频源，12-交流电源，13-变压器，14-负载。
具体实施方式
下面结合附图本发明的技术方案作进一步详细的说明：
如图1所示，本发明的系统结构包括人机交互界面、PLC控制器、传输模块、真空度模块、电离模块和能量供应模块。人机交互界面与PLC控制器通过串口实现通信连接，能量供应模块提供系统其它模块所需的电源，PLC控制器通过传输模块来控制种子的传输速度，通过真空度模块来控制系统的真空度并达到动态平衡，最后通过电离模块来控制电离的时间和电离的功率，以适应不同种子的处理要求，达到最理想的处理效果。
其中，人机交互界面与PLC控制器之间通过RS232接口实现通信连接，人机交互界面将工作参数通过RS232接口传输给PLC控制器，PLC控制器根据接收到的数据来控制传输模块、真空度模块和电离模块，人机交互界面通过RS232通信技术实时监控传输模块、真空度模块和电离模块的工作状态。能量供应模块供应人机交互界面、PLC控制器、传输模块、真空度模块和电离模块的工作电源。
如图2所示，人机交互界面包括待机页面、模式选择页面、实时监控页面，模式选择页面可以选择手动和自动两种工作模式。待机状态下处于待机页面，点击待机页面激活系统进入模式选择页面，模式选择页面设有手动和自动两种模式，选择自动模式，进入参数设置页面，用于设置目标真空度、电离时间、电离功率、气体置换次数、传输速度，参数设置完成点击开始，系统便进入自动处理阶段。此时人机交互界面与PLC通过RS232通讯技术实现实时系统工作状态的实时监测。如果选择手动控制可以控制两个机械泵的工作状态，真空电磁阀的开度、放电功率、放电时间和传输速度，操作更灵活，系统采用中文操作界面，可用于初期探索种子处理工艺。
如图3所示，控制系统包括PLC控制器、通信模块、真空度模块、电离模块和传输模块。其中，通信模块主要是通过RS232通讯技术与人机交互界面进行通讯。
真空度模块主要由真空规管、真空电磁阀和机械泵组构成。其中：真空电磁阀用于注入气体；机械泵组用于抽出气体，包括泵1和泵2，泵1和泵2连接PLC控制器的开关量输出口，可以控制泵的工作状态；真空规管用于检测腔体的真空度，反馈一个0~5V的模拟量，相对应的真空度为0~1000pa，PLC控制器将其与设置的目标真空度相比较，进行PID调节，输出一个0~5V的模拟量控制真空电磁阀的开度，最终使得腔体的真空度达到动态平衡。
电离模块主要由电离装置、射频功率源和阻抗自动匹配器组成，PLC控制器控制电离装置输出一个0~10V的电压值控制电离的功率，对应的功率为0~500w；同时PLC控制器输出一个开关量信号，控制射频功率源的工作状态，随着腔体内气体介质和密度的不断变化，阻抗自动匹配器实时跟随自动匹配，得到合适的阻抗，使得有效功率几乎等于设置功率，大大保证了处理效果。
传输模块主要包括传输装置、变频器、减速机和交流电机构成，PLC输出一组4~20mA的电流控制传输装置的速度，并输出一组开关量控制传输装置的工作状态，可以根据不同种子的处理工艺设置不同的传输速度，操作简单方便。
如图5所示，传输装置包括绝缘支架1、电离装置2、主动辊3、从动辊4、压辊5、传送带6等六个部分组成：所述绝缘支架由不锈钢板折弯焊接而成，外敷绝缘材料；两块极板平行固定在机架绝缘支架上；主动辊、从动辊及压辊通过轴承座安装在机架绝缘支架上，可以顺畅转动；传送带缠绕在主动辊和从动辊上，压辊将传送带紧压在主动辊上，以保证工作时传送带不打滑。
其中，主动辊3、从动辊4及压辊5的轴芯均为不锈钢原料加工而成，外敷绝缘橡胶层。传送带6为天然高分子材料，以便建立一个强电场，天然高分子材料为棉、麻、亚麻或丝类制品。
如图6所示，上极板2-1和下极板2-3平行相对布置，传送带从二者之间的电离腔体2-5穿过，上下极板上各有一个极板接头，便于通过射频输出线与射频功率源连接。腔体内为工作气体，所述气体为空气、氩、氧、氦或氮中的一种或任意几种的混合物。
如图7所示，传送带从电离装置的内部穿过；所述电离装置2包括平行设置的两块不锈钢极板7，每块极板均半包覆有不锈钢金属悬浮屏蔽外壳8，所述的半包覆结构如图6、7所示，该包覆结构使两块极板仅留有裸露的相对面，极板与金属悬浮屏蔽外壳所形成的空间内填充有聚四氟乙烯、陶瓷或丙烯，填充物与极板、外壳之间不留间隙，两块极板相对两面的间距为1.5~10cm，传送带从两个极板之间穿过，每个极板上设有极板接头10，所述极板接头通过射频输出线与射频源连接。所述极板接头10与极板的连接处亦设有绝缘材料，避免连接处漏电。将本装置上下极板接通13.56MHz的双输出射频源，即可在极板间产生均匀稳定的等离子体，以氩氢（体积比1：3）混合气体作为工作气体为例，在低真空状态下进行辉光放电，所产生的活性粒子能量达到1~20ev。
如图8所示，射频功率源为双输出供电装置，包括交流电源12和变压器13，所述变压器仅原边接地，副边输出端经绝缘保护后与电离装置2连接。双输出工作原理：双输出的工作原理与常规的变压器工作原理类似，原副边共地是为了信号或能量传递的稳定性和抗干扰能力。但在实际工作中因为原边与副边共地，造成的射频电场不平衡无法消除，必然产生自偏压而产生直流电场造成的离子轰击，二片电极必然会通过传导电流。所以我们取消了共地联接后采用双输出接口，其输出的功率是没有改变的，在常压下无任何影响。其屏蔽保护仍采用接地法。只是到了真空腔体内传输保护双输出的屏蔽均为悬浮状，包括对极板的金属悬浮屏蔽。约束了只有二片电极板之间才能放电，保证了位移电流的产生。
如图4所示，系统上电后，本发明的运行步骤和过程如下：
步骤101，系统初始化，开机自检，确保系统无故障；
步骤102，自动进入待机模式，等待任务响应；
步骤103，判断是否有任务，如果有任务，则进入步骤104，否则返回步骤102；
步骤104，进入自动工作模式，具体如下：
步骤105，采用机械泵组对腔体进行抽真空，同时采用真空规管检测腔体的真空度，直至腔体达到极限真空；
步骤106，通过真空电磁阀向腔体内充入工作气体，直至到达1000pa；
步骤107，根据设置的气体置换次数，判断气体置换是否结束，如果没有结束重复步骤105～106，直至实际置换次数等于设置的置换次数；
步骤108，采用机械泵组对腔体内进行抽气，直至抽到所设置的目标真空度；
步骤109，根据设置的电离功率，打开射频功率源，保持腔体的真空度处于动态平衡状态，并根据设置的传输速度控制传输装置；
步骤110，达到系统设置的电离时间，系统的电离模块和真空度模块停止工作；
步骤111，打开进气阀，系统注入大气；
步骤112，当腔体内外无气压差时，工作结束，返回步骤102。
本发明通过对电离装置中的极板结构改进，增加了金属悬浮屏蔽外壳和绝缘填充材料，阻止了极板与腔体内壁之间的放电，并使其产生位移电流，增强了等离子体的活性，实现了悬浮屏蔽；区别于以往的传导电流，本发明的结构避免了极板与腔体间通过电流而发热，因此不需要增加冷却介质或结构就能控制装置内的温度在较低的范围，同时增加了真空紫外光的能量密度。通过极板间距的调节，可以得到合适的真空紫外光光子的密度。区别于现有的常压辉光放电、电晕放电、DBD介质阻挡放电、索梯放电、滑动电弧放电等等离子体发生装置，低真空状态下的冷等离子体辉光放电发生器所产生的活性粒子能量较高，例如以氩氢（体积比1：3）混合气体作为介质在低真空状态下进行辉光放电，所产生的活性粒子能量达到1~20ev，与生物大分子中电子能量处于同一能级，使得冷等离子体与生物大分子互作用成为可能，这一特征是目前其它电离装置所无法比拟和取代的。同时电离装置在两平行极板之间设置传送带，物料可以在传送带上实现连续传送，使等离子体处理设备的自动化程度进一步提高，提升处理效率，使以工业化生产的方式处理物料成为可能，给冷等离子体处理行业带来更广阔的发展空间。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种全自动冷等离子体种子处理器控制系统，其特征在于：包括人机交互界面、PLC控制器、用于提供工作电源的能量供应模块、用于传输待处理种子的传输模块，以及
由真空规管、真空电磁阀和机械泵组构成的真空度模块，以及
由电离装置、射频功率源和阻抗自动匹配器组成的电离模块；所述电离装置由分别连接射频功率源两个输出端、且相互平行设置的上下两块极板构成；每块极板设有金属悬浮屏蔽外壳，极板与金属悬浮屏蔽外壳之间填充有绝缘材料，两块极板相对两面的间距为1.5～10cm，每个极板上设有极板接头，所述极板接头通过射频输出线与射频功率源连接；待处理种子经过上下两块极板之间的空腔接受电离处理；所述射频功率源为双输出供电装置，所述双输出供电装置包括交流电源和变压器，所述变压器仅原边接地，变压器副边输出端经绝缘保护后与电离装置连接；
所述传输模块包括传输装置、变频器和交流电机，其中PLC控制器输出一组4~20mA的电流传输至交流电机控制传输装置的速度，并输出一组开关量至变频器控制传输装置的工作状态；所述的传输装置包括绝缘支架（1）、主动辊（3）、从动辊（4）、压辊（5）和传送带（6），其中主动辊和从动辊通过轴承分别设于绝缘支架的两端，传送带设于主动辊和从动辊之上，压辊也通过轴承设于绝缘支架一端，将传送带压紧于主动辊上，所述电离装置设于绝缘支架上，传送带从电离装置的上下两个极板的内部穿过；
其中：
所述人机交互界面与PLC控制器之间通过RS232技术实现通信连接，人机交互界面将与待处理种子所对应的工作参数通过RS232技术传输给PLC控制器，PLC控制器根据接收到的数据来控制传输模块、真空度模块和电离模块，所述工作参数包括气体置换次数、目标真空度、电离时间、电离功率和种子传输速度，具体过程如下：
步骤A，设置一个供冷等离子体种子处理的密闭腔体，所述腔体上分别设置有带有进气阀的进料口、带有放气阀的出料口，将待处理种子通过进料口传输至腔体内的传输模块上；
步骤B，采用机械泵组通过腔体的放气阀对腔体进行抽真空，同时采用真空规管检测腔体的真空度，直至腔体达到本底真空；
步骤C，通过真空电磁阀向腔体内充入工作气体，直至到达1000pa；
步骤D，根据设置的气体置换次数，判断气体置换是否结束，如果没有结束则重复步骤B～C，直至实际置换次数等于设置的置换次数；
步骤E，再次采用机械泵组对腔体内进行抽气，直至腔体内达到所设置的目标真空度；
步骤F，采用PLC控制器控制射频功率源以事先设定的电离功率输出至电离装置；同时PLC控制器输出一个开关量信号，控制射频功率源的工作状态；阻抗自动匹配器实时跟随腔体内气体介质和密度的不断变化，自动匹配阻抗，使得射频功率源输出的有效功率等于设置功率；
步骤G，PLC控制器控制真空规管实时检测腔体的真空度，并将腔体内的真空度与设置的目标真空度相比较，根据结果控制真空电磁阀的开度进行PID调节，最终使得腔体的真空度达到动态平衡状态；
步骤H，采用传输模块根据设定的传输速度，将待处理种子经过电离装置接受电离处理，直至达到系统设置的电离时间，将处理过的种子传送至出料口，电离模块和真空度模块停止工作；打开进气阀，向腔体内注入大气；
步骤J，当腔体内外无气压差时，工作结束。
2.根据权利要求1所述的全自动冷等离子体种子处理器控制系统，其特征在于：所述主动辊（3）、从动辊（4）及压辊（5）的轴芯均为不锈钢材料，外敷橡胶层。
3.根据权利要求1所述的全自动冷等离子体种子处理器控制系统，其特征在于：所述传送带（6）为天然高分子材料。
4.根据权利要求3所述的全自动冷等离子体种子处理器控制系统，其特征在于：所述传送带（6）的材质为棉、麻、亚麻或丝类制品。
5.根据权利要求1所述的全自动冷等离子体种子处理器控制系统，其特征在于：所述极板接头与极板的连接处设有绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的全自动冷等离子体种子处理器控制系统，其特征在于：所述人机交互界面采用触摸屏；所述PLC控制器选用欧姆龙CP1E控制器，该控制器包括用于和人机交互界面进行数据通讯的通信模块、用于输入和输出数据的I/O模块、以及用于数据格式转换的AD模块和DA模块。
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