基于菲尼克斯PLC的花卉溫室控制系統設計

我國是農業大國，但是種植方法設備簡單，管理技術品種相對落后；傳統的棚內的濕度、灌溉等均是通過人工控制的，不可避免有測控精度低、勞動強度大及由于測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失。因此，科學合理地調節大棚內濕度的含量，使大棚內形成有利于植物生長的環境，是提高經濟效益的重要環節。

一、花卉溫室控制系統方案設計

1、控制需求分析

溫室氣候生態的主要特征是其封閉性，同時具有可控性。溫室栽培花卉必須進行通過人工調節來有效的改善溫室內部的氣候生態條件，控制要求主要有體現在幾個方面：

（1）空氣溫度控制

溫度控制是溫室管理中的重要環節。一般只要室內溫度超過花卉要求的溫度時，就應及時通風降溫，尤其當外界溫度超過15℃時，更應加大通風口，延長通風時間，且溫度越高，越要加強通風換氣。如果室內溫度過低時，則需要加熱升溫。

（2）空氣濕度控制

溫室內濕度往往較外界高，因此要格外注意，保持溫室內環境濕度處于有利于花卉生長的程度。在澆水上應根據見干見濕的原則進行，適當減少澆灌的次數，還要注意降低室內水分蒸發，改善通風條件，增加門窗的開啟時間，保持室內的相對干燥。

（3）光照度控制

光照是植物生長不可或缺的元素之一。當溫室內光照不能滿足花木生長所需時，必須進行人工補光，以延長光照時間，提高光照度。補光措施主要用于長日照花卉，通過補光處理可使其提早開花。另外，冬季雨雪天光照不足，可采用人工補光促使花卉正常生長和開花。夏季往往光照時間過長，造成室溫過高，光度過強，對喜陰開花植物生長不利，需用遮陽網來調節光照度，以達到最適狀態。許多短日照花卉，應用遮光的方法來縮短光照，達到提前開花的目的。遮光處理時間一般根據花卉種類而定。

（4）報警功能

高溫（高濕）報警

系統處于高溫（高濕）狀態且在設定時間內沒有回到設定范圍內，此時系統自動報警。

水箱低水位報警

為了防止水源處水位過低，水泵出現干抽現象，需要進行水源水位檢測，若水位過低，則系統自動預警。

2、花卉溫室控制系統整體框圖設計：

系統由信號采集單元、控制系統、執行機構組成，相互傳遞信號來完成對溫室內的環境的控制，維持溫室內部環境的平衡。通過溫濕度傳感器和光照度傳感器組成的信號采集單元，來對溫室內的濕度、溫度、光照度信號進行采集并將探測到的信號傳輸到PLC控制系統中，由控制系統進行分析處理，經過邏輯運算后將命令下達給由風機、水泵、電磁閥、加熱器所組成的執行機構，通過執行機構調節溫室內的環境。

系統通過PLC來控制并主導各個單獨元件之間的聯系處理好各種情況下元件的工作狀態。本系統利用PLC把傳感器采集的有關參數轉換為數字信號，并把這些數據暫存起來，與給定值進行比較，經一定的邏輯處理后，給出相應的控制信號進行控制。傳感器將溫度、空氣濕度和土壤濕度、CO2濃度等轉化為電壓信號，經運算放大器組成的信號處理電路變需要的電壓信號。系統工作時，PLC通過傳感器來測量溫室內的相應數據并與設定值比較，如果溫室內的環境超過了設定范圍的上下限值，PLC就輸出指令，控制接通相應的設備；當溫室的環境條件在設定范圍內，PLC就輸出指令，切斷設備電源。

2.1溫度控制

與其他因素相比大棚內的溫度相對是比較容易控制的，主要包括三方面：保溫、降溫、升溫。

1）保溫：采用軟玻璃設計取代了原有大棚的薄膜設計更好突出了保溫效果，同時相較于傳統大棚也增加了堅固性、可靠性。

2）降溫：保護設施內降溫最簡單的途徑是通風和噴霧吸熱，但在溫度過高，只依靠通風無法滿足需要的情況下可以采取噴霧吸熱降溫，待大棚內溫度滿足設定條件時噴霧停止。

3）升溫：我國傳統的單屋面溫室，大多采用爐灶煤火加溫，近年來也有采用鍋爐水暖加溫或地熱水暖加溫的。大型連棟溫室，則多采用集中供暖方式的水暖加溫，也有部分采用熱水或蒸汽轉換成熱風的采暖方式。我采用的是地暖加熱，一方面節約能源，也可以保持土地溫度，一舉兩得。

2.2 濕度控制

1）濕度過高：在溫室中去濕常用以下三種方式：加熱控制法、吸附法-化學除濕器、排濕換氣?？紤]溫室是反季節的，所以溫室里的濕度會與季節濕度形成很大的落差，尤其是冬季，在排濕換氣無效是就會采用吸附法，大幅度的控制濕度。

2）濕度過低：一般常用的方法是水噴霧法和蒸汽加濕。在溫室中一般采取水噴霧法進行加濕。蒸汽加濕法一般會對溫室作物造成傷害因此不予采用。

2.3 光照度控制

在一般情況下針對冬天光照時間較短的問題，系統采用補光法，即當光照時間不足或光照度不夠時會啟動日光燈進行補光。夏季過長日照影響作物時用遮陽網遮擋，以適宜的光照來促進作物的生長。

2.4 CO2控制

當CO2過高時，如果風扇和天窗不能使CO2迅速的降到正常的范圍，過高的CO2會使植物的氣孔關閉，使植物死亡，這時便會啟動報警裝置，人為地將CO2降下來。如果CO2過低，氣動閥便會啟動，提供CO2，以便于植物的吸收。如果種植面積很大，使得CO2不能很快的擴散到各個角落，這時便會啟動風機，使得CO2更好的擴散。

2.5 土壤濕度控制

測出了空氣中的濕度，為了更好地控制溫室內的濕度，考慮到土壤中的水分也會隨著蒸發揮發到空氣中去，從而增加空氣濕度?？紤]到這個問題，我們增加了土壤濕度傳感器，以利于控制土壤里的濕度，當土壤的濕度過高時便會發生爛根的情況，所以這時適時的增加室內的溫度，過段時間開窗通風，降低溫室內的濕度。相反如果土壤濕度不足，便會使植物很快的枯死，這時開啟水泵進行噴灑，增加土壤濕度。

系統通過PLC來控制并主導各個單獨元件之間的聯系處理好各種情況下元件的工作狀態。本系統利用PLC把傳感器采集的有關參數轉換為數字信號，并把這些數據暫存起來，與給定值進行比較，經一定的邏輯處理后，給出相應的控制信號進行控制。傳感器將溫度、濕度等轉化為電壓信號，經運算放大器組成的信號處理電路變換成壓頻轉換器（V/F）需要的電壓信號。系統工作時，PLC通過傳感器來測量溫室內的相應數據并與設定值比較，如果溫室內的環境超過了設定范圍的上下限值，PLC就輸出指令，控制接通相應的設備；當溫室的環境條件在設定范圍內，PLC就輸出指令，切斷設備電源。

二、花卉溫室控制系統硬軟件設計

1、花卉溫室控制系統電路設計與安裝

本系統主電路由一個空氣開關保護，通過繼電器控制各個執行機構。繼電器的控制信號則由菲尼克斯PLC輸出提供。開關電源是為各傳感器提供24V而采用的。系統電氣安裝布置圖如圖2所示。

2、花卉溫室控制系統軟件設計

本系統能自動控制棚體內部的空氣濕度和土壤濕度，改善了植物生長的環境，克服了現有技術中人工控制的效率低和成本高的缺陷，控制精度高，而且采用太陽能電池板可以收集太陽能，有效節約了電能，通過收集雨水從而節約了水能，集水箱的頂部和集水槽的頂部的網罩防止落葉落入，通過迷霧噴頭改善棚體內的空氣濕度，出風風機和進風電機從而形成棚體內的空氣流動，也有效的改善棚體內的空氣濕度，通過報警器可以提醒農作人員及時對集水箱內的水進行人工加水或者人工排水；采用陽光板設計取代了原有大棚的薄膜設計更好突出了保溫效果，同時相較于傳統大棚也增加了堅固性和可靠性。

該系統相對于傳統的溫室管理系統來說，可以降低約60%人工成本；根據溫度濕度同時偏高或者同時偏低時以溫度優先的原則，以及除濕降溫風機共用的特點，有效降低了投入和運行成本；雨水收集等功能使該系統節能環保。經過與傳統溫室對比發現可以節能達30%以上。

該系統灌溉方式采用定時滴灌方式，并增加進行雨水收集功能，有效合理利用水資源；將溫室的外形進行改變用更加立體的框架取代了原始的半圓柱形的傳統溫室，使雨水收集變得方便簡介通過在溫室邊緣添加簡單的水管使雨水順著水管流入水箱，從而減少水資源的浪費。

執行元件重復利用，通過程序控制使執行元件可以完成不同的組合，實現不同的功能，有效降低運營成本；在傳統溫室中一般也都會采用成對的風機來對溫室內降溫通風，并且也可以取得較好的效果，但是在我們的溫室之中采用了三臺風機，正常降溫通風時只起動2臺風機，但是當溫室溫度低時不僅僅啟用電熱片同時使用另外1臺風機實現熱循環，從而突出了加溫保溫效果。

溫濕度控制采用自動延時功能，有效避免執行元件的重復工作，從而降低能耗；軟玻璃取代傳統薄膜，可以更好地實現保溫保濕功能，同時更加堅固，耐用。

（作者單位：江蘇海事職業技術學院）