農村蔬菜大棚溫室的智能控制設計初探

岳 睿

（1.無錫市環境科學與工程研究中心，江蘇 無錫 214153；2.無錫城市職業技術學院，江蘇 無錫 214153）

引言

人們對水果蔬菜等農作物的需求越來越大，對品質的要求越來越高。不同的農作物對生長環境和氣候的要求都是不一樣的，而生長環境直接影響農作物產量和品質；不同地區不同季節的環境和氣候有很大變化。所以為了克服外界氣候和環境對農作物產量和品質的影響，減少不利因素的存在，增加反季節的新鮮農產品，充分利用資源，發展現代化農業，提高農作物的產量和品質，必須采用現代化農業溫室大棚來保證農作物的正常生長。近年來，隨著自動化技術以及計算機技術的快速發展，將智能化、自動化、機械化等科技化的技術應用到溫室大棚中，形成智能化的溫室控制系統也是發展現代化農業、提高農業效率、滿足社會需求的需要。PLC作為一種先進的工業控制計算機，其應用非常廣泛，再結合溫度傳感器、濕度傳感器及輔助的人機交互和通信技術,就能夠有效地控制農作物生長所需的主要環境條件，這樣有助于溫室種植的發展,提高農業生產的經濟效益。

1.溫室大棚系統設計總體介紹

1.1 系統總體

本設計采用三菱PLC設計出溫室大棚系統大體模型，PLC能通過溫度傳感器和溫度變送器實現數據采集，PLC與PC機組成溫室大棚中的溫度實時監控系統，接收溫度傳感器傳來的實時溫度信息，將溫度信息送入PLC中，經過PLC的邏輯處理，然后對執行的設備發出邏輯指令，通過執行指令進而控制電機的開關，達到對溫室大棚中的溫度進行調控。

1.2 系統功能

本系統的設計有主要功能以下：

（1）對溫室大棚內的溫度進行監督和顯示：利用LED顯示屏將溫室大棚內的溫室實時地讀取并顯示出來，及時地將溫室內的溫度反饋出來。

（2）溫度采集功能：利用溫度傳感器測量實時溫度，通過測量值進行模數轉換成機器能識別的數據。

（3）自動控制和調節溫室大棚內的溫度：可以把溫度控制在一個自定義溫度范圍內。

（4）手動控制和調節溫室大棚內的溫度：可以手動控制和調節溫室大棚內的溫度。

（5）電路保護：通過漏電開關、熱繼電器、熔斷器等電路保護設施，保護整個系統正常運行。

1.3 系統結構

1.3.1 設計結構

溫室大棚的邏輯部分主要由PLC來完成，通過溫度傳感器對周圍環境溫度的采集，將測量值傳進PLC與設定值比較，若測量值比設定值上限高則啟動冷風機，若低于設定值下限則啟動加熱器，當測量值處于定制范圍內則兩臺電機都不啟動，處于等待下一次判斷。當需要手動控制溫度時，亦可選擇手動擋進行手動控制溫度的高低。PLC是整個設計的邏輯控制中心，加熱器和冷風機溫度調節的上溫降溫模塊，是溫度控制和調節的重要組成部分。溫度傳感器和變送器是溫度采集模塊的主要部分，各模塊互相做工作共同組成溫室大棚的控制系統。

1.3.2 組成結構

本設計設定了自動控制和手動控制，自動控制是結合溫度采集模塊一起進行控制溫室的溫度在設定值左右；而手動控制是通過手動通斷升溫模塊或降溫模塊來達到升溫或降溫；控制器是選擇PLC進行邏輯運算，是整個設計的核心。液晶顯示是通過溫度采集的模塊的模數轉換后，再經過運算得到的當前溫度值，加熱模塊和降溫模塊，主要是根據自動控制或手動控制來控制開關的通斷啟動電機，從而升高或降低溫度。本系統的組成結構如圖1所示。

圖1 農村蔬菜大棚溫控系統組成

本設計的組成結構主要由邏輯控制中心——PLC，溫度采集傳模塊、顯示模塊、外接的升溫模塊和降溫模塊等部分組成，其中控制中心為設計的核心。

自動控制：通過溫度采集模塊收集的溫室的溫度數據，通過PLC模擬量輸入模塊AD輸入到PLC中，經過PLC邏輯比較與設定值比較，輸出開關量進而對執行設備進行控制通斷。具體來說就是按下啟動按鈕之后，系統各模塊啟動等待指令，接收有溫度傳感器檢測到的溫度信號，然后經過PLC內部處理，有輸出模塊輸出控制信號，以控制外部的執行器件。如果溫度過高，就會驅動抽風機，通過抽風機來降低溫室大棚內的溫度；如果溫度過低，就會驅動發熱片，來調節溫室大棚溫度。顯示模塊根據溫度傳感采集到的模擬量，顯示出當前的實時溫度。

手動控制：可以由人為意識控制，通過控制輸入直接控制輸出，進而控制電機啟動與停止，來達到設定溫度。手動控制主要是輔助自動控制，使得系統對溫度的控制能夠靈活且人性化。

2.溫室大棚系統硬件設計

本節從硬件來介紹溫室大棚系統設計，主要介紹硬件的特性、參數、功能、選型及組裝連接。

2.1 溫室大棚的控制器PLC選型

本次設計用到的國產工控式PLC是三菱PLC的FX2N型。FX2N系列時FX系列PLC家族中相對較先進的系列之一，具有高速處理程序及可擴展單個特殊功能模塊等特點，給工業自動化應用提供靈活性、控制能力和擴展能力。主要性能如下：

（1）可擴展特殊功能模塊I/O；

（2）邏輯運算快速；

（3）快速斷開端子；

（4）時鐘功能和小時表功能；

（5）持續掃描功能；

（6）在線編輯；

（7）穩定性高。

選擇的型號為FX2N-ZK2N-10MR-2DA最佳，可編程控制器內部的中斷程序多達4個。具有豐富的功能，比如AD轉換輸入、DA轉換輸出、PID調節功能、高速計數器功能、通訊功能以及數據處理功能等。能和上位機進行通訊。該款PLC由直流電源24V供電，其型號為晶體管輸出型。當時在選型時考慮了I/O預留，所以在選型時選用了6點數字量輸入、4點數字量輸出、2點模擬量輸入、2點com輸入、1點模擬量輸出的PLC，尺寸大小為95mm×90mm×30mm,帶有一個232串口。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器是指能溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器，本次選取的溫度傳感器為熱電阻Pt100溫度傳感器探頭，Pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。其工作原理是金屬隨著溫度的變化，其電阻值也發生變化，熱電阻的溫度系數可分為正溫度系數和負溫度系數。正溫度系數：溫度升高，阻值升高；溫度降低，阻值下降。負溫度系數：溫度升高，阻值下降；溫度降低，阻值上升。熱電阻Pt100熱電阻傳感器帶溫度傳感器的變送器的，一般由常感器和信號變送器兩部分組成。熱電阻Pt100熱電阻傳感器主要參數：

（1）響應時間：1～1.5秒；

（2）精度等級：A0.2級；

（3）工作溫度范圍：-50℃～200℃。

2.3 溫度變送器

本設計選擇的導軌式一體溫度變送器模塊4～20mA變送器。其輸出二線制4～20mA輸出，輸入是溫度傳感器Pt100熱電阻。Pt100熱電阻溫度變送器直接安裝于Pt100熱電阻接線盒內將熱電阻Pt100的電阻信號轉化為二線制4～20mA輸出。不僅可用于工業過程溫度參數的測量和控制，也可以用于家居應用控制。變送器通常和溫度傳感器結合使用，溫度傳感器提供輸入信號，變送器把輸入信號轉化為二線制輸出。溫度變送器的信號轉換器主要是由測量單元、信號處理和轉換單元三部分組成。導軌式一體溫度變送器模塊4～20mA溫度傳感器變送器不僅有高精度、高線性度、反干擾性高、響應速度快，對環境要求較低，還具有可靠性好、良好的長期穩定性、滯后小等特點。適合溫室大棚的使用。該變送器的主要參數如下：

（1）輸入信號：熱電阻信號輸入；

（2）輸出信號：4～20mA；

（3）負載電阻：0～500Ω；

（4）額定電壓：24VDC；

（5）熱電阻溫度變送器精度：0.2%FS；

（6）溫度穩定性：零點漂移，標準0.05%FS/℃，量程漂移，標準0.002%FS/℃；

（7）溫度變送器功耗:≤0.5W。

2.4 升溫模塊和降溫模塊

2.4.1 升溫模塊

升溫模塊選擇的是220V伏恒溫工業PTC絕緣空氣加熱器，工業PTC加熱器，采用波紋加熱片，與空氣接觸面積大，高效率低功耗。發熱片擦愛用絕緣型PTC，表面不帶電不發紅，提高安全級別。PTC材料是很多工業加溫的的優選材料。具有安全級別性能高、耐高溫性強、耐腐蝕型高和使用壽命長久等特點。伏恒溫PTC絕緣空氣風扇加熱器烘干器主要參數入下：

（1）額定電壓：220V ；

（2）額定功率：≤500W；

（3）加熱空間：≤10立方米 ；

（4）耐溫極限：120度；

（5）重量：1.2千克；

（6）規格：絕緣型波紋加熱器；

（7）加熱器尺寸：125×80×104mm。

2.4.2 降溫模塊

降溫模塊選擇的的是工業級吸煙儀風扇，是220V的迅速散熱抽風機，雙面保護網，加強了安全性和抽風機的質量。優點就是體積小、功率低、轉速快、散熱快速、易于安裝等等。以下為抽風機的主要參數：

（1）額定電壓：220V～240V；

（2）額定頻率：50/60Hz；

（3）額定功率≤30W；

（4）轉速：2650/3050(R/min)；

（5）300W風扇加熱器尺寸：120×120×38mm（含支架尺寸）。

2.5 硬件的搭建與接線

本硬件系統的設計結構主要包括以下幾部分：硬件底盤、系統控制面板、溫室模型、操作臺。控制系統的供電電壓為24V低壓，通過輸入220V的市電進行整流，輸出24V的直流電給各個低壓器件供電。為安全起見系統供電總開關采用空氣開關。為了使整個系統的器件布置安排有條理和移動方便，整個硬件系統都在一個一層底盤組裝，使用三合板作為底盤，三合板具有表面平整、體重輕便且價格優惠的特點。底盤的規格是60cm×40cm，剛好適合整個系統的模塊擺設,一層的設計方便溫室與控制面板連接，簡單且美觀。

3.蔬菜溫室大棚系統工作流程

本設計主要是溫度采集和PLC的邏輯運算，將溫度傳感器采集到的測量值通過變送器轉換成標準的電量，傳給PLC與設定值（期望值）比較，根據與設定值高低比較，來發送指令控制抽風機與電熱器的啟動與關閉,循環掃描，不斷控制溫度在一個恒值范圍。溫室大棚工作流程如圖2所示。

圖2 PLC工作流程圖

PLC通過循環掃描檢查溫室大棚的溫度及時地送入到PLC中，并與設定值比較，若高于設定值則關閉電熱器打開抽風機降溫,若低于設定值則關閉抽風機打開電熱器升高溫度,本設計采用雙控制，手動控制及自動控制。可以通過手動控制打開或關閉電機，兩種控制方式互相獨立，相輔相成。

4.結語

本設計為使用三菱FX2N型PLC，完成了溫室大棚控制系統的基本恒定溫度設計。設有手動和自動兩種控制方式，自動控制方式是正常運行狀態，手動模式用于應對突發情況。在利用自動控制還是手動控制的控制效果基本上達到了要求，通過對系統的溫度采集、PLC指令邏輯兩方面的結合，設計出的系統達到了預期的效果。當然，由于溫度傳感器測量的精確度的原因，以及缺少精密的PLC控制模塊等多方面影響，設計出來的系統也存在稍微不足的地方。