基于觸摸屏和PLC的溫室大棚控制系統設計

徐惠敏，占玲玲

（衢州學院機械工程學院，浙江 衢州324000）

0 引言

我國是一個農業大國，近年來隨著農村城鎮化程度的不斷提高，農業生產工作也經歷了由小到大的模式變化。溫室大棚作為一種先進農業生產裝備，依據植物的有效生長參數，利用其棚內設置的相關設備創造出最適宜植物生長的氣候條件和生存環境，實現農作物在生長過程中自動調控，從而實現農作物最優生長，提高農作物的產量和質量。

1 總體方案設計

某現代花卉種植基地現有的溫室大棚技術結構簡陋，缺乏配套設施，只能在一定程度上減少人力勞動，且缺乏遠程監控系統，需要專業技術人員在旁經常監視觀察，生產效率低、生產成本高。蘆薈是一種常綠的多肉質植物，具有良好的觀賞、藥用和食用價值，一直備受人們的喜愛，本次設計的溫室大棚控制系統是針對蘆薈作為主要培植作物設計的，蘆薈溫室大棚控制系統以三菱FX3U-48MR的PLC為控制核心，同時配備三菱觸摸屏人機界面GT1150-QBBD-C，對溫室大棚內的通風機、加熱器和遮陽簾等的工作情況，土壤和空氣的溫度、濕度及二氧化碳濃度等進行控制和監測，溫室大棚控制系統的結構框圖如圖1所示。系統通過對溫室環境參數實時采集和處理，自動與設定的蘆薈生長環境參數范圍值進行比較分析，當實時采集數據低于或高于預設值時，則發出聲光報警信號，并通過PLC驅動對應的執行機構，實現溫室大棚的自動化控制。

圖1 溫室大棚控制系統結構框圖

為方便溫室大棚系統的實時調節控制，提高硬件設備運作的可靠性，本次設計的溫室大棚控制系統共設置了自動和手動兩種控制模式。自動控制模式是通過現場采集溫度、光照度等傳感器采集溫室內環境數據，將采集數據與設定的蘆薈生長參數上下限值進行比較，驅動對應的執行機構運行，進行參數自動調控。手動控制模式則是通過用戶手動點擊觸摸屏控制界面設置的模擬開關，進行手動控制相關執行機構如打開遮陽簾，起動冷風機、起動水泵、打開CO2添加器，打開通風扇等，便于溫室控制的系統安裝調試或根據不同作物的種植需求進行合理調整。

2 控制系統的硬件設計

2.1 傳感器的選擇

由于溫室大棚的環境因素錯綜復雜，為了保證所選傳感器檢測的準確性，傳感器必須滿足線性度好、靈敏度高、抗干擾能力強并具有一定的防水功能等要求。通常植物只有在環境溫度達到其生長溫度要求的最低溫度以上，植物才開始生長；若環境溫度超過其最高溫度限制則將停止生長或處于休眠狀態。蘆薈的最適宜生長的環境溫度范圍是白天為20～30℃，夜間為14～17℃，低于10℃出現基本停止生長，在低于0℃時，蘆薈葉肉將因受凍出現全部萎蔫甚至死亡，選用一體式熱電阻溫度傳感器Pt100檢測溫度。土壤的濕度控制對植物生長也極其重要，水分過多，易引起爛根。蘆薈生長的最適濕度范圍為45～85%RH，選用深圳新生代新能源公司生產的土壤水分檢測變送器，輸出信號為4～20 mA電流信號。

光合作用是植物進行有機物合成并促進自身生長的關鍵環節，主要涉及光照強度和CO2濃度的檢測。蘆薈是喜光植物，最適合的光照度為30 000～60 000 Lx，CO2濃度范圍為468～676 ppm，可選用性價比極高的JCJ100P型照度變送器和穩定性好的EE82二氧化碳變送器。在土壤、水肥變化較快的溫室大棚環境中，傳統的采樣測土配肥方式耗費時間長，且測量精度受人為因素影響大，土壤肥料的檢測可采用SSIOT-SOIL-NPK檢測氮、磷、鉀含量。

2.2 執行機構的選擇

蘆薈溫室大棚對室內光照度、溫度、濕度、CO2濃度、土壤肥料的調整，需要選用合適的執行機構完成。采用安裝遮陽簾可以減弱光照度并輔助降低溫室內溫度，光照不足時可采用補光燈增加光照強度。為確保蘆薈在適合的溫度和濕度范圍內快速生長，采用熱風機和加熱器對溫室大棚進行增溫和降濕。CO2的濃度調節則可以采用CO2添加器和通風扇完成，當CO2濃度過低時，采用CO2添加器提高濃度，當CO2濃度過高時，需采用通風扇加強通風，以降低CO2的濃度，使其控制在合適范圍之內。為保證提高農業生產中灌溉用水效率，采用霧噴裝置和噴灌裝置進行節水澆灌，利用小型潛水泵為霧噴裝置和噴灌裝置提供供水壓力，土壤肥料不夠時，根據需要添加鉀、氮或磷肥，經攪拌電機將肥料攪拌均勻后經噴灌裝置進行施肥。

2.3 PLC的選擇

PLC在工業生產中應用非常廣泛，具有抗干擾能力強、可靠性高、通用性能好、功能完善，使用和維修方便等特點，也適用于溫室大棚控制系統的復雜控制需求。本次設計的溫室大棚控制系統設有手動控制和自動控制兩種模式，自動控制模式需要根據各個傳感器采集的參數與預設值進行比較，比較后通過對應的執行機構進行自動調節，要求所選PLC必須具備良好性能。本次設計選用運行速度快、功能完善和集成度高的三菱FX3u-48MR的PLC主控模塊，為滿足系統模擬量輸入需要，再選用2個FX3U-4AD模擬量輸入模塊組成溫室大棚PLC控制系統，控制系統的輸入/輸出外部接線圖如圖2所示。

圖2 外部接線圖

根據蘆薈溫室大棚控制系統要求，輸入元件中開關量設有起動按鈕、停止按鈕和急停按鈕等總控按鈕三個和遮陽簾限位開關六個，輸入模擬量包括空氣濕度和溫度檢測、土壤溫度和濕度檢測、CO2濃度檢測、光照度檢測、土壤肥料檢測共七個，輸入模擬量需在FX3U-4AD模塊完成輸入轉換。FX3U-4AD模擬量輸入模塊可選用的模擬值范圍可以是DC電壓－10 V-10 V，也可以是電流4～20 mA.考慮檢測需要，在本設計選用FX3U-4AD的輸入模擬量采用4～20 mA電流，該模塊通過PLC內部的24 V直流電壓直接供電，各個通道分別連接CO2、光照、溫度和土壤濕度傳感器。輸出元件主要有冷風機、通風扇、遮陽簾、噴灌裝置等共十八個輸出，具體接線如圖2所示。手動控制模式中的各個執行機構的手動控制通過觸摸屏實現，無需另設實物按鈕控制。

3 控制系統的軟件設計

蘆薈溫室大棚的控制系統包括光照度控制、溫度和濕度控制、CO2濃度控制和土壤肥料控制等多個模塊組成。系統設計要求將傳感器采集的各環境參數的實測值與用戶給出的上下限設定值進行比較，確定各執行機構的輸出狀態。但由于植物生長環境各個參數的相互聯系、相互作用，即如果改變其中一個參數可能會對其他一些參數數據產生影響。所以在控制某一個參數時必須考慮是否會影響其他參數變化。

溫度和濕度控制模塊是溫室大棚控制的核心控制環節，通過分析蘆薈的生長參數特性，了解其生長參數間的相互影響關系。溫度和濕度的控制過程中各執行機構間動作過程如圖3所示。控制系統運行時，各傳感器先初始化，然后采集溫度和濕度數據，與事先設定的參數范圍值進行比較，若溫度過低則要升溫，可以采用開啟熱風機和加熱器配合通風扇一起工作，具體可以根據目標設定溫度與實際室溫的偏差及室溫的變化進行控制，持續一段時間后溫度值達到預定值，則關閉加熱器、熱風機和通風扇，濕度的控制過程與溫度控制類似。

圖3 溫度濕度控制模塊程序流程圖

傳感器的數據采集是將現場的溫度、濕度等模擬量信號經A/D模塊轉換后送入PLC.由圖2可知空氣溫度/濕度傳感器、土壤溫度/濕度傳感器的檢測信號接入0#模擬量模塊FX3U-4AD，模擬量模塊將采集檢測所得溫度和濕度數據進行轉換，變換成能被FX3U-48MR主控模塊識別的數字信號，存儲于PLC的數據寄存器D102～D105中，蘆薈溫室大棚中的溫度和濕度數據采集的PLC控制程序如圖4所示。1#模擬量模塊FX3U-4AD傳感器數據采集過程與0#模擬量模塊基本一致。

圖4 溫度濕度數據采集

光照度控制由光照度傳感器采集光照值，針對不同的季節和一天的不同時間段，根據太陽光照度，與設定的目標值進行比較，如果光照度過高，自動打開遮陽簾；如低于設定目標值，則自動關閉遮陽板并采用補光燈進行補光。CO2濃度控制要求CO2濃度高于植物CO2濃度上限，開啟通風扇；CO2濃度低于植物CO2濃度下限，開啟CO2添加器和通風扇。噴灌控制是通過傳感器采集土壤濕度信息與設定值進行對比，如高于設定目標值，則自動關閉灌溉水泵電機，如低于設定目標值，則自動啟動灌溉水泵。

4 觸摸屏監控系統設計

觸摸屏界面是用戶控制溫室大棚有效運作的主要交互通道，界面設計要求在使用過程中用戶可以提高控制效率。本次設計選用性價比高的三菱觸摸屏GT1150-QBBD-C，該觸摸屏可以實現了顯示、運算和通訊全方位高速運行。觸摸屏的界面設計采用三菱觸摸屏用戶畫面制作軟件GT Designer3對溫室大棚觸摸屏控制界面進行設計。

由于溫室大棚系統需要對溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等多個環境因素進行了檢測和控制，在觸摸屏界面設計時，需設計總控制、溫度/濕度控制、光照度控制、CO2濃度控制等功能模塊。各功能模塊控制界面按照控制要求分成為手動和自動控制區域。自動控制區域環境參數設有上下限值設置、實測值顯示等。手動控制區域設置了熱風機、加熱器、通風扇、補光燈、遮陽簾、CO2添加器等執行機構的手動控制按鈕和工作狀態監測。光照強度控制界面和CO2濃度控制界面如圖5、6所示，控制區中設有上下限值設置、實測值顯示和手動控制按鈕和狀態顯示，右下角設置了手動/自動切換開關，用戶可進行控制狀態轉換，界面中的“返回”按鈕是方便用戶返回總控制界面，有利于整個系統不同模塊之間的快速切換控制。

圖5 光照強度控制界面

圖6 CO2濃度控制界面

觸摸屏操作界面設計完成后，觸摸屏畫面制作軟件GT Designer3下的的模擬器GT Simulator3可以直接連接到GX Works2編程環境下的GX Simulator2中，可以實現觸摸屏畫面和PLC程序同時進行模擬仿真。打開設計完成的PLC程序和觸摸屏程序，選擇“模擬開始/停止”，等待參數、程序寫入完成，如圖7所示。

圖7 PLC程序寫入

模擬仿真調試除了總控制界面的外，最主要的是針對CO2濃度、光照度、溫度/濕度等多個控制模塊的模擬仿真。對蘆薈溫室大棚中CO2濃度調節的仿真過程如圖8所示，通過觸摸屏畫面設置CO2濃度值，當蘆薈溫室大棚內的CO2濃度偏低時，圖中實測D115中的數據小于最低的CO2濃度要求時，在自動控制狀態下輔助繼電器的常開觸點M135閉合，CO2添加器Y015開始工作添加CO2，當CO2濃度達到合適范圍后則自動關閉CO2添加器。當CO2濃度偏高時，自動控制狀態下輔助繼電器的常開觸點M137閉合。通風扇Y002開始工作，降低CO2濃度，CO2濃度達到合適范圍則自動關閉通風扇，其他控制模塊的仿真過程與上述類似。通過觸摸屏畫面和PLC程序的一起模擬仿真調試，PLC程序的功能和觸摸屏的畫面均能滿足設計要求，確保了控制程序的正確性和控制系統的可靠性，為蘆薈的快速生長創造了良好條件，觸摸屏的應用提高了蘆薈溫室大棚系統的控制效率。

圖8 CO2濃度調節仿真

5 結論

本次設計采用三菱FX3U-48MR的PLC結合三菱觸摸屏GT1150-QBBD-C構建了蘆薈溫室大棚控制系統，實現了蘆薈生長各個環境因數如溫度、濕度、CO2濃度等的有效控制，設計的溫室調控功能可以最大程度地滿足蘆薈溫室大棚用戶需求，為蘆薈的高效栽培提供良好環境，具有增加產量、調節生產周期、改善蘆薈的品質和提高經濟收益優勢。該系統操作控制方便，工作穩定性好，對區域農業現代化具有借鑒意義。