基于PLC的溫室智能控制系統研究開發

王治軍，李浙昆，韓子偉，王遠富，楊 濤

(昆明理工大學機電工程學院，云南昆明 650500)

溫室自動控制系統，主要在農業溫室、農業特定作物環境控制、實驗型作物溫室中得到廣泛應用。在溫室中主要起環境自動控制的作用，可控環境因素有風向、風速、溫度、濕度、光照、氣壓、雨量、太陽輻射量、太陽紫外線、土壤溫濕度等［1］。一般國內外所研制的溫室自能控制系統是根據溫室植物在生長周期中，某一時期所需的最適宜農業環境因素，來自動控制開窗、卷膜、風機濕簾、生物補光、灌溉施肥等環境控制設備，以控制溫室內環境，達到植物所適合的較優生長環境［2］。

溫室農業就是能夠按人們的控制進行發展的農業，這種農業能夠降低外界自然因素的影響，改變傳統農業模式，提高農業生產效率。溫室的通俗理解就是人工構建農作物生長的適宜環境。隨著計算機技術的飛速發展，溫室自動控制也應時代的變化得到快速的發展，特別是對單個環境因子自動控制、全溫室的自動控制和自動管理都得到了改進。

我國溫室技術主要的特點如下:①在分布上，我國溫室集中在北方，主要是在東北、華北等地區。②在結構上，我國的溫室結構主要是塑料溫室和塑料大棚溫室，并且因地制宜地采用溫室結構材料，但是大部分都是結構簡單的溫室，以日光溫室為主。③在控制和管理上，我國的溫室呈現出自動化水平低、系統結構復雜、難以操作等特點，雖然就這些問題進行了一些研究，但只是在小范圍內進行的，沒有達到整體化水平的提高。

筆者采用PLC為控制器設計了一種溫室智能控制系統，為以后溫室智能控制設備擴展打下一定基礎，同時可配合其他溫室內智能控制設備，為溫室整體運行提供了一項必要條件。

1 上位機系統的開發

1.1 上位機系統的設計方案［3］智能溫室控制系統的上位機系統采用的控制方式為歐姆龍和組態王在PC機上進行連接，其中遠程控制系統界面、報警系統主機操作界面、趨勢曲線顯示畫面、報表系統界面及遠程監控畫面共同構成了組態王監控系統。在對溫室內環境進行控制的過程中，借助遠程監控界面，用戶能夠在監控室內掌握多種設備的運行狀況，根據需要采取相應的停止或啟動措施，并在遠程控制系統主機圖像界面下實現對系統的自動或手動切換功能，發揮遠程控制的作用。在報警系統的實時監控下，可以提醒用戶對超過參數設置值的一些環境因子進行調節，保證各項環境因子保持在合理范圍。此外，利用歷史數據輸出表、日報表及實時報表，可以更加清楚地了解溫室環境在過去或當前時刻的各項數據信息，為分析和決策提供數據參考，有利于達到溫室環境控制方案的最優化［4］。

1.2 溫室系統上位機軟件設計 溫室系統上位機的控制和監視系統包括組態王、PC機，一方面保證了系統具備數據查詢/處理、環境參數儲存、參數控制、數據/曲線顯示、通訊及系統控制等功能，另一方面也符合上位機的控制條件。

智能溫室控制系統的主設計畫面由登錄、遠程控制、歷史曲線、報警系統、實時曲線、日報表和退出等操作按鈕共同構成，便于用戶更加清楚、直觀地進行操作。運行智能控制系統的過程中，登錄系統進入控制界面后，可以根據實際需求按下相關操作按鈕，對溫室環境因子進行查看或操作;為了進一步方便管理，還能夠對按鈕功能權限進行劃分，由特定的工作人員進入相應的操作界面。智能溫室群控系統的人機交互界面見圖1。

2 FX2N系列PLC的測量模塊

2.1 測量模塊 FX2N系列PLC能夠測量溫度的功能模塊主要有FX2N－4AD－PT。FX2N－4AD－PT能夠輸入4通道的鉑電阻溫度傳感器進行測量，并具有數/模轉換功能，是具備顯示、輸入與測量功能的模塊。

2.2 工作原理 FX2N－4AD－PT的工作原理如圖2所示。模塊經過電纜能夠與擴展單元或者基本單元連接起來，并經過PLC的TO/FROM命令，完成模塊與PLC之間的命令和數字量的傳輸。

在使用4通道的鉑電阻溫度傳感器進行測量時，從CH1～CH4輸入端輸入模擬量，并通過PLC通道對復用器進行控制，可以選取需要進行數/模轉換的輸入通道，選定的輸入被送入模塊的數/模轉換器中，并轉換為12位數字量。

在FX2N－4AD－PT模塊內部，經過數/模轉換器的數字量被傳送到模塊CPU的緩沖存儲器(BFM)中寄存，CPU數據總線與數/模轉換器之間采取了采用了光隔離的技術。

PLC能夠采取FROM命令對CPU緩存中的數據作相應的讀取，或者采取TO命令將命令或者數據寫入CPU的緩存中。

2.3 主控制電路I/O連接圖的實現［5－6］根據各I/O端口的分配可以得到系統控制電氣柜的主控制回路及各設備部件安排，如圖3所示。

由圖3可知，系統整體接入380 V三相電壓，因為遮陽設備電機為三相電源啟動，電機正轉/反轉是通過改變兩根電線的接線達成，所以直接將電機配合繼電器KM1、KM2與三相電源相連接，同理可以確定空調開關的接線。實際控制中由于繼電器開關電流較大，PLC直接控制繼電器容易損壞輸出端口，因此在KM1、KM2外再加一個接觸器來控制繼電器開關。類似濕簾風機和地熱采暖系統，它們自生啟動電壓為DC直流電源，接入一個變壓器后控制其運作?？刂苹芈方涀儔浩髯儔汉?，可內接控制按鈕到控制面板上實現手動控制，控制器電源是為了配合FX2N－4AD－PT的使用，經變壓后變為24V控制電源。

2.4 PLC編程［7］該研究僅對溫度測量控制部分進行編程操作:通過FX2N－4AD－PT模塊對4通道的溫度作相應的測量，并且需要將通道1～4的平均溫度值，分別讀入到PLC數據寄存器D0～D3中，通過的采樣次數為4次，并最終求的D0～D3的整體平均溫度值，存入D20中。

測量時需要檢查模塊的ID號，在ID正確時才能輸入溫度測量值，否則當模塊錯誤時，將PLC內部繼電器M30的狀態置“1”，系統報警。

根據需要，設計的PLC程序如圖4所示。

3 結語

我國對溫室控制系統的研究相對落后，而智能溫室控制系統的研發對我國農業生產方式的集約化和高效化發展有著非常重要的意義?；跍厥噎h境多變量控制關系及系統理論，在歐姆龍PLC下位機和上位機的人機交互模式下，能夠有效地彌補傳統溫室控制系統的不足，實現了環境因素采集、判斷分析、數據初始化及控制輸出的自動化，完善了數據記錄、遠程控制和環境因素控制等功能，達到溫室控制系統的要求。

［1］陳杰，楊祥龍，周勝軍.中國設施園藝研究現狀與發展趨勢［J］.中國農學通報，2005，21(1):236 －238.

［2］姜云超，王三反.青藏高原生態大棚溫度環境的仿真研究［J］.西北農林科技大學學報，2004，32(5):92 －96.

［3］蔡自興，徐光祐.人工自能及其應用［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［4］吳肖龍，柯建宏，姚然，等.溫室土壤濕度的模糊控制系統研究［J］.安徽農業科學，2014，42(30):10798 －10800.

［5］杜尚豐，孫明，董喬雪.智能控制理論與應用［M］.北京:中國農業大學出版社，2005.

［6］郭俊，劉暢，姚峰林，等.基于PLC溫控系統的PID控制器的實現［J］.機械工程與自動化，2005，130(3):31 －32.

［7］郭洪源，許維勝，余有靈.基于MATLAB GUI的汽車外燈控制系統演示模型［J］.計算機應用與軟件，2012，29(2):187－189.