CN105746203A - 一种基于plc控制的大棚led照明装置 - Google Patents

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蔡慧
林萍
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Abstract

本发明公开一种基于PLC控制的大棚LED照明装置，包括桥架、PLC控制器和若干个LED照明盒，桥架包括若干级上下排列的子单元，每个子单元中包括设置地面的支撑架和水平设置于支撑架顶端的横梁，支撑架上安装有PLC控制器、LED红光灯传感器、LED蓝光灯传感器和LED远红光灯传感器，横梁的两端均安装有LED照明盒；LED照明盒包括可伸缩挂杆、顶板、散热板和灯板，灯板的下表面上排布有若干LED红光灯、LED蓝光灯和LED远红光灯，灯板的上表面紧贴于散热板的下表面，散热板的上表面安装有相对应的LED红光灯驱动器、LED蓝光灯驱动器和LED远红光灯驱动器。本发明结构简单精巧，LED灯低热量，可广泛应用于植物在生长各个阶段。

Description

一种基于PLC控制的大棚LED照明装置
技术领域
本发明涉及一种照明装置，具体涉及一种基于PLC控制的大棚LED照明装置。
背景技术
植物生长发育过程是极为复杂的生命现象，不仅决定于植物自身的遗传特性，还受到外界环境条件的影响。光作为植物光合作用的能量来源，其强度对于植物生长发育有极大的影响.对于大部分植物而言，光质是指植物所受光照的光谱组成，不同光谱波段对植物的影响不同.植物通过体内多样的色素系统，感应不同波长范围的光线，调节植物的生长发育与代谢。大量的研究表明红光和蓝光是植物生长最重要的两种光谱。红光影响植物的叶片扩展、干物质累积茎的伸长。蓝光影响植株的叶片和茎的生长。
目前植物补光领域主要采用荧光灯作为人工光源，通过改变荧光粉的成分，改变荧光灯光谱的峰值范围。同时还使用高压钠灯和日光色镝灯等。这些光源是依据人眼对光的适应性所选择的，其光谱中很多不必要的波长，不一定对作物的生长具有促进作用。而且这些光源产生的热量和红外辐射比较多，需要用滤光片或者吸热滤片将光谱窄化，以获得符合要求的光谱分布。无法根据不同作物间、田间实际光强和光谱的组成，进行精确模拟。而且传统植物生长补光光源的光谱都是连续复合光谱，无法对红蓝光质比等参数进行调控，无法根据植物自身的需求来进行补光，有相当一部分光谱被浪费，造成补光效率低。而且这些都是热光源，表面温度较高，导致植物生长环境温度升高，不利于植物生长，需要采用大功率风扇、空调等制冷设备，造成运行成本增加。同时传统光源含有一些对植物生长环境有害的物质，比如荧光灯中含有汞、铅等有害物质。
国内目前尚未有采用组合LED阵列光源模拟特定光谱进行植物培养的设备。在采用LED阵列作为空间植物培养光源时，主要是选择固定光谱波段。这种光源装置虽然考虑了植物生长的特殊光谱，但培养光源为固定光谱，不具备光谱组分调节功能。
普通LED植物生长灯具虽然有节能、无污染、寿命长的优点，但大多只能简单控制和定制好红蓝配比，对于LED光质、光照时间、辐射照度分布和环境反馈调节等方面全方位调节还未有成熟的产品出现。同时LED的缺点是输出光谱窄，需要至少由蓝光与红光两种LED组合才能满足植物的生长需要。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于PLC控制的大棚LED照明装置，本发明采用单色LED配合带调光功能的驱动器以及散热板等，可用于大棚内部植物生长补光的，并用PLC实现植物生长补光照明系统光照度、光色配比以及光周期的精确调控，是一种用于植物生长过程中长效、可靠、节能的补光系统，并使其光谱成分可调和稳定输出，模拟植物的吸收光谱照明，进而针对性地、高效地促进植物生长。
技术方案：本发明的一种基于PLC控制的大棚LED照明装置，包括桥架、PLC控制器和若干个LED照明盒，所述桥架包括若干级上下排列的子单元，每个子单元中包括设置地面的支撑架和水平设置于支撑架顶端的横梁，支撑架上安装有PLC控制器、LED红光灯传感器、LED蓝光灯传感器和LED远红光灯传感器，横梁的两端均安装有LED照明盒；所述LED照明盒包括可伸缩挂杆、顶板、散热板和灯板，挂杆悬挂于桥架的横梁上，顶板、散热板和灯板从上到下依次固定于挂杆，灯板的下表面上排布有若干LED红光灯、LED蓝光灯和LED远红光灯，灯板的上表面紧贴于散热板的下表面，散热板的上表面安装有相对应的LED红光灯驱动器、LED蓝光灯驱动器和LED远红光灯驱动器；
其中，通过对应的编程器将控制程序输入于PLC控制器，各个传感器将实时采集的光照数值传输于PLC控制器，PLC控制器根据相应数据实时更新计算出光照控制指令，各个驱动器接收到控制指令后及时控制相应LED灯的运行。
进一步的，所述桥架的大小以及LED照明盒的数量根据大棚的实际种植面积决定，为增强整个装置的稳固性该支撑架呈“人”字形，支撑架上还设有A/D转换器和D/A转换器进行相应信号的转换。
进一步的，所述顶板、散热板和灯板呈圆形，挂杆依次贯穿顶板、散热板和灯板的径向两侧边缘固定安装，散热板上还设有温度保护器和警报器，LED红光灯、LED蓝光灯和LED远红光灯从外向内依次呈同心圆式排列于灯板，运用PWM脉冲调制技术，通过相应的驱动器分别控制红、蓝和远红三组LED灯的亮度，以满足不同作物生长对光的需求。
其中，上述的温度保护器能够防止散热风道被堵塞或风扇损坏导致散热不畅等意外发生后，灯板温度过高而损坏LED灯，当灯板温度值超过设定值(例如80℃)时，温度保护器将自动切断整个灯具的电源，从而对LED灯起到保护用，可采用KI-31系列产品。上述的警报器可防止照明装置发生故障，例如采用蜂鸣器。
进一步的，所述LED红光灯的波长为600～700nm(例如660nm)，LED蓝光灯的波长为400～500nm(例如450nm)，LED远红光灯的波长为730nm，LED红光灯、LED蓝光灯和LED远红光灯的数量比为2：1：2，形成强度和比例可任意调节且光照均匀的光源板，可模拟不同种植群体内部的光环境。730nm的远红光与660nm红光间、450nm红光灯的比例，对作物株高、节间长等形态建成，通过730nm的远红光照射来精确地控制开花的周期，而不需要仅依赖于季节的影响。
进一步的，所述灯板、散热板与顶板均由铝材制成(质硬、强度大且导热性好)，所述挂杆采用钢材制成(加强稳定性)，所述各个LED灯由导热硅胶将粘贴于灯板，灯板同通过导热硅胶粘贴于散热板，散热板采用涂覆低温高辐射涂料(例如二氧化钛)的铝基板，散热板与灯板的直径为200mm，顶板的直径为220mm，挂杆与灯板、散热板以及顶板之间均分别通过螺母固定。
进一步的，所述A/D转换器的两端分别通过RS485信号线与各个传感器和PLC控制器相连，D/A转换器的两端也分别通过RS485信号线与PLC控制器和各个驱动器相连。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用LED灯作为单色光光源，可以根据植物、环境、生长阶段的不同通过调节获得所需的光强和光质配比，具有光强和光质的自动调节功能，可以应用于植物在生长各个阶段；并且单色大功率LED作为冷光源，可以实现对植物进行近距离照射而不会发生灼伤植物的现象，从而增加空间利用率；
(2)本发明有效控制LED植物灯的体积和质量，做到轻便好安装；
(3)本发明解决植物补光的成本及效益的问题，能对植物进行随时、及时、按需、按周期的补光，而且还能防止补光过度造成浪费瓶；
(4)本发明能对环境进行实时监控，并且自动化调整，实现补光系统的智能控制，节省人力与时间，能进行智能照明装置的一体化控制，控制方法简捷、便利，无需人工检测与操作，节省人力；
(5)本发明采用的LED灯是半导体光源，不含有汞、铅等有害物质，对自然环境友好，同时寿命长，理论寿命长达5万小时以上，远高于荧光灯等传统植物补光人工光源，可以有效的降低更换与维护成本。
综上所述，本发明结构简单精巧，LED灯低热量，可广泛应用于植物在生长各个阶段。
附图说明
图1为本实施中基于PLC控制的大棚LED照明装置的整体结构示意图；
图2为本发明的工作原理示意图；
图3为本发明中电气结构示意图；
图4为本实施例中照明盒的示意图；
图5为本实施例中照明盒的示意图；
图6为本实施中散热板的结构示意图；
图7为本实施例中灯板的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本实施例的基于PLC控制的大棚LED照明装置，包括桥架14、PLC控制器13和若干个LED照明盒，桥架14包括若干级上下排列的子单元，每个子单元中包括设置地面的支撑架和水平设置于支撑架顶端的横梁，支撑架上安装有PLC控制器13、红光传感器10、蓝光传感器11和远红光传感器12，横梁的两端均安装有LED照明盒；LED照明盒包括可伸缩挂杆1、顶板9、散热板8和灯板7，挂杆1悬挂于桥架14的横梁上，顶板9、散热板8和灯板7从上到下依次固定于挂杆1，灯板7的下表面上排布有若干LED红光灯2、LED蓝光灯3和LED远红光灯4(三种灯以一定比例进行组合形成强度和比例可任意调节、光照均匀的光源板，可以模拟不同种植群体内部的光环境)，灯板7的上表面紧贴于散热板8的下表面，散热板8的上表面安装有相对应的LED红光灯驱动器18、LED蓝光灯驱动器17和LED远红光灯驱动器19。
如图2和图3其中，通过对应的编程器将控制程序输入于PLC控制器13，各个传感器将实时采集的光照数值传输于PLC控制器13，PLC控制器13根据相应数据实时更新计算出光照控制指令，各个驱动器接收到控制指令后及时控制相应LED灯的运行。
其中，本发明的整体结构框架由钢制槽式电缆桥架14构成，用于敷设系统部件之间的线路，对线路的屏蔽干扰和重腐蚀中环境线路的防护都有较好的效果。
可伸缩挂杆1可根据实际情况调整长度，也即是可单独调整每个LED照明盒的高度。桥架14的大小以及LED照明盒的数量根据大棚的实际种植面积决定，支撑架呈“人”字形，支撑架上还设有A/D转换器15和D/A转换器16。
如图4至图7所示，顶板9、散热板8和灯板7呈圆形，挂杆1依次贯穿顶板9、散热板8和灯板7的径向两侧边缘固定安装，散热板8上还设有温度保护器5和警报器6，灯板7、散热板8与顶板9均由铝材制成，挂杆1采用钢材制成，各个LED灯由导热硅胶将粘贴于灯板7，灯板7同通过导热硅胶粘贴于散热板8，散热板8采用涂覆低温高辐射涂料的铝基板，散热板8与灯板7的直径为200mm，顶板9的A/D转换器15的两端分别通过RS485信号线与各个传感器和PLC控制器13相连，D/A转换器16的两端也分别通过RS485信号线与PLC控制器13和各个驱动器相连。
同种颜色LED灯器件在圆形的基板上均匀分布：12颗红光LED灯2在灯板7上环形均匀分布，环形的直径为180mm；12颗远红光LED灯4在灯板7上环形均匀分布，环形的直径为120mm；6颗蓝光LED灯3也在灯7板上环形均匀分布，环形的直径为60mm。LED灯可分别采用欧司朗光电半导体生产的超红(660nm)、深蓝(450nm)与远红光(730mm)的OSLONSSL新款超紧凑型大功率LED(3mm×3mm×2.35mm)，光束角为150°。
本实施例中，运用PWM脉冲调制技术分别控制红、蓝和远红三组LED灯的亮度，以满足不同作物生长对光的需求，LED灯阵列由PWM信号控制，其中LED红灯采用中心波长为660nm的窄带红光，LED蓝灯采用中心波长为450nm的窄带蓝光，LED远红灯采用中心波长为730nm的窄带远红光。每个LED照明盒含有红灯12颗，蓝灯6颗与远红光灯12颗。红光、蓝光与远红光灯LED阵列独立工作，当PWM占空比为1时,达到最大光照亮度。
本发明的具体工作原理是：
(1)根据大棚内植物种类和生长状态输入相应的控制程序到PLC控制器13中，程序输入装置可采用PLC控制器13配套的编程器或者计算机；
(2)本发明中的LED照明装置系统初始化，大棚内的各个红光传感器10、蓝光传感器11和远红光传感器12测到大棚内部光照数值，并传输到PLC控制器13中；
(3)PLC控制器13中的控制程序根据大棚内部实时光照情况与大棚内植物实时所需光照的光质配比与光强数值得出LED照明盒的控制指令；
(4)控制指令通过数据电缆传输到各个LED红光灯驱动器18、LED蓝光灯驱动器17和LED远红光灯驱动器19；
(5)各个LED红光灯驱动器18、LED蓝光灯驱动器17和LED远红光灯驱动器19控制相应LED灯的运行；
(6)当大棚内的光照发生变化或者大棚内植物的光照需求发生变化时，PLC控制器13向驱动装置发送新的控制指令，LED照明装置的运行状态发生适当的改变。
本实施例中的整个装置采用RS485通讯协议，RS485信号线可采用RVSP双绞屏蔽线。PLC控制器13可采用FX3U系列三菱PLC，PLC控制器13通过RS485通过计算机或PLC编程器实现程序编程与输入，根据输入的程序PLC控制器13对预期光谱与照度进行计算以及控制管理整个光源系统。A/D转换器15与D/A转换器16采用三菱A/D，D/A转换模块FX2N-4AD，并且PLC控制器13、红光传感器10、蓝光传感器11与远红光传感器12采用内置电源。各个LED灯驱动器的供电可由大棚外220V线路统一引来。
各个LED灯的驱动器可采用OSRAM欧司朗ET-LED30WLED灯杯专用电子变压器12V可调光电源驱动，在每个照明盒中的每种颜色的LED灯有独立的电源驱动器，分别采用脉宽调制(PWM)方式实现每种灯辐射强度的连续、独立调节。
上述实施例中，可采用ISL29010光照传感器进行光照检测，因为传感器不能实现对单色光的检测，因此在各传感器前分别加一层相应波长范围的带通滤光片。红光传感10器前加的滤光片中心波长为660nm，蓝光传感器11前加的滤光片中心波长为450nm；远红光传感器12前加的滤光片中心波长为730nm。

Claims (6)

1.一种基于PLC控制的大棚LED照明装置，其特征在于：包括桥架、PLC控制器和若干个LED照明盒，所述桥架包括若干级上下排列的子单元，每个子单元中包括设置地面的支撑架和水平设置于支撑架顶端的横梁，支撑架上安装有PLC控制器、LED红光灯传感器、LED蓝光灯传感器和LED远红光灯传感器，横梁的两端均安装有LED照明盒；所述LED照明盒包括可伸缩挂杆、顶板、散热板和灯板，挂杆悬挂于桥架的横梁上，顶板、散热板和灯板从上到下依次固定于挂杆，灯板的下表面上排布有若干LED红光灯、LED蓝光灯和LED远红光灯，灯板的上表面紧贴于散热板的下表面，散热板的上表面安装有相对应的LED红光灯驱动器、LED蓝光灯驱动器和LED远红光灯驱动器；
其中，通过对应的编程器将控制程序输入于PLC控制器，各个传感器将实时采集的光照数值传输于PLC控制器，PLC控制器根据相应数据实时更新计算出光照控制指令，各个驱动器接收到控制指令后及时控制相应LED灯的运行。
2.根据权利要求1所述的基于PLC控制的大棚LED照明装置，其特征在于：所述桥架的大小以及LED照明盒的数量根据大棚的实际种植面积决定，支撑架呈“人”字形，支撑架上还设有A/D转换器和D/A转换器。
3.根据权利要求1所述的基于PLC控制的大棚LED照明装置，其特征在于：所述顶板、散热板和灯板呈圆形，挂杆依次贯穿顶板、散热板和灯板的径向两侧边缘固定安装，散热板上还设有温度保护器和警报器，LED红光灯、LED蓝光灯和LED远红光灯从外向内依次呈同心圆式排列于灯板。
4.根据权利要求3所述的基于PLC控制的大棚LED照明装置，其特征在于：所述LED红光灯的波长为600～700nm，LED蓝光灯的波长为400～500nm，LED远红光灯的波长为730nm，LED红光灯、LED蓝光灯和LED远红光灯的数量比为2：1：2。
5.根据权利要求1所述的基于PLC控制的大棚LED照明装置，其特征在于：所述灯板、散热板与顶板均由铝材制成，所述挂杆采用钢材制成，所述各个LED灯由导热硅胶将粘贴于灯板，灯板同通过导热硅胶粘贴于散热板，散热板采用涂覆低温高辐射涂料的铝基板，散热板与灯板的直径为200mm，顶板的直径为220mm，挂杆与灯板、散热板以及顶板之间均分别通过螺母固定。
6.根据权利要求2所述的基于PLC控制的大棚LED照明装置，其特征在于：所述A/D转换器的两端分别通过RS485信号线与各个传感器和PLC控制器相连，D/A转换器的两端也分别通过RS485信号线与PLC控制器和各个驱动器相连。
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