基于PLC的溫室大棚控制系統設計*

穆 彤，楊 杰，牛永江

(天水師范學院 機電與汽車工程學院，甘肅 天水 741001)

0 引 言

農業溫室智能控制是現階段設施農業種植與農業生產的關鍵部分,是中國能夠有效提高農作物生產率,保證農作物品質的重要工具[1-3]。在農作物的生長過程中，對環境進行實時監測和有效控制對其生長發育具有非常重要的意義。相關研究表明：農作物的產量與凈光合速率、氣孔導度及水分利用率之間存在極顯著正相關關系[4-5]。光合作用與農作物產量息息相關，適宜的溫度、濕度環境能在很大程度上提高其自身光合潛能的施展。而胞間二氧化碳濃度作為植物光合作用的主要反應物之一，其含量的變化可反映植物葉片光合作用的進程。植物在陽光與水的作用下，將大氣中的二氧化碳轉化為化學能來存儲，以維持自身的生長，但若二氧化碳的濃度太高，便有可能讓地球變得更加干燥，反而對植物產生更加深遠、復雜的不利影響。在較高二氧化碳濃度環境下，植物對水的利用效率更高，并且隨著溫度的升高，水的損失有所減少。因此，筆者所監測和控制的對象主要考慮大棚的溫度、濕度和二氧化碳濃度。

傳統的溫室大棚對農作物的環境很難及時調節，對于溫度、濕度、二氧化碳濃度等的分析更加不易實現。為此，從智能化控制的角度出發，筆者通過PLC對溫室大棚的溫度、濕度和二氧化碳濃度等環境參數進行監測、分析與控制，實現溫室大棚的自動化管理和控制，提高農作物產量和經濟效益。

1 總體方案設計

1.1 總體框架

文中以PLC為控制器，數字量輸入采集信號通過旋鈕、按鈕、光電開關等獲取，模擬量輸入采集信號由溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和濕度傳感器獲取，大棚采用采取全密封型設計。整個控制系統通過監控中心進行實時監測，由溫度傳感器、濕度傳感器和二氧化碳濃度傳感器采集大棚內環境數據，并通過PLC控制三色燈和電磁閥、風機、電機、伺服電機、加熱器等執行機構完成控制數字量輸出。溫室大棚的上方安裝有噴淋系統，并在溫室大棚入口與出口各安裝風機1臺。從而實現當二氧化碳濃度監控系統及溫、濕度監控系統報警后，溫度調節系統和濕度調節系統能夠自動啟動對大棚環境進行調節。控制結構圖如圖1所示。

圖1 控制結構圖

1.2 控制系統及其組成的選型

此系統采用SIMATIC S7-1200PLC，CPU模塊為1214C。伺服采用西門子V90三相400 V高慣量伺服驅動系統，帶增量式編碼器，選用PTI版本、脈沖+方向的位置控制模式。伺服主要參數設定：將P29003的值設為0，外部脈沖位置控制；將P29010的值設為0，脈沖+方向控制模式；選用24 V單端脈沖輸入，電子齒輪比分子定為1，分母定位5。交流接觸器選用德力西CJX2s 1810，220 V線圈電壓，承受電流18 A。溫度傳感器選用PT100鉑熱電阻，選擇量程為0～50 ℃，輸出信號4～20 mA；二氧化碳濃度傳感器選用普銳森社MQ137，量程選擇為0～50 ppm，輸出信號4～20 mA；濕度傳感器選用隆旅LS-I-50KG型傳感器。

2 控制系統實施方案

2.1 監控中心

監控中心由SM1214CDC/DC/DCPLC和精智面板TP900組成，在博圖平臺中對需要的硬件進行組態，在網絡視圖中將CPU模塊和觸摸屏的PROFINET接口連接，并完成相應的屬性設置。網絡視圖組態如圖2所示。

圖2 網絡視圖組態

硬件監控顯示基于博圖平臺仿真和觸摸屏仿真實現，當PLCSIM中I1.1置位，模擬打開自動控制模式，若此時，PLC監測到溫室大棚的二氧化碳濃度、濕度、溫度等參數超過上限，仿真界面對應棒狀圖變為紅色，系統自動開啟調節模式，入口風機、出口風機旋轉，上水、噴淋執行相應動作，直至調節到合適的環境參數后恢復，棒狀圖變為藍色。

2.2 控制系統原理及流程

對溫室大棚內的溫度、濕度和二氧化碳濃度等參數實施控制的具體方案是：當溫室大棚內二氧化碳濃度超過設定濃度時，開啟進口風機，當濃度下降到設定初始值，停止室內空氣調節；當系統溫度低于設置初始溫度啟動加熱系統，打開加熱器預熱，10 s后開啟風機加速空氣流通，促進大棚內各部分溫度迅速達到要求溫度，當溫度達到設定要求后關閉加熱器，風機繼續工作直至加熱器停止后停止工作。當系統溫度高于設定的最高溫度進行降溫啟動，打開風機、噴頭噴水，達到設定最低溫度，停止風機、噴淋；濕度傳感器監測棚內土壤濕度，當濕度突破設定下限時，噴淋系統工作。控制流程圖如圖3所示。

圖3 控制流程圖

2.3 硬件設計

此系統采用工業現場總線，搭建監控網絡，利用PC、PLC和HMI完成現場數據監測，通過各類傳感器接收相關數據信息，再用PLC數字量/模擬量模塊對溫度、濕度、二氧化碳濃度等現場數據進行采集處理，并通過程序判別實現對變頻器、交流電機、水位開關電磁閥的控制。上位機采用WINCC完成PLC的觸摸屏設計，在PLCSIM中改變模擬量對應的數字量的值使溫度超過上限，當溫度及二氧化碳濃度超過上限通過顏色進行監控并控制風機和噴淋系統執行相應的操作。自動控制水位由兩個鴨嘴式浮球水位開關控制，初始狀態時水箱內水位在低水位與高水位之間，當水位低于低水位時，低水位開關不觸發，常閉接通水箱注水電磁閥打開，完成水箱注水工作，由于線圈自鎖，水位上升低水位開關觸發，常閉斷開電磁閥不停止工作，直到高水位開關觸發，其常閉斷開，線圈停止工作，注水電磁閥停止工作。溫室大棚中間的護欄有三個作用，它既用來隔離也用來給兩側的農作物供水灌溉。

2.4 軟件核心控制過程

(1)時間記錄模塊

將本地時間寫入到PLC的CPU當中，過程如圖4所示，其內容是在PLC上電的第一掃描周期將當地時間寫入到DTL格式的數據塊當中，完成后再將這個數據塊寫入到PLC的系統本地時間，然后再讀取本地時間，用讀取出來時間參數與程序中設定的參數比較，完成一些與時間相關的工作內容，例如固定時間段的自動灌溉任務。

圖4 寫入本地時間梯形圖

(2)風機控制

控制入口風機工作的梯形圖如圖5所示，在溫度過高、過低和二氧化碳濃度超標的情況下，入口處的風機都會啟動，且當溫度過低時加熱器加熱10 s后入口風機才開始工作。

圖5 入口風機梯形圖

(3)灌溉及噴淋控制

圖6為水箱水位控制的梯形圖，該程序塊實現農作物的灌溉。當液位低于低水位時，低水位開關閉合，水箱電磁閥打開，直至液位到達高水位時關閉水箱電磁閥。圖7為噴淋控制程序，主要通過控制電磁閥的啟停來控制噴淋，當溫度過高或者需要手動噴淋的時候可以控制其打開噴淋。

圖6 水箱水位控制梯形圖

圖7 噴淋控制梯形圖

3 總 結

文中在充分調研溫度、濕度及二氧化碳濃度對農作物影響程度的基礎上，利用PLC控制器監測環境參數，并通過程序控制伺服電機、電磁閥等執行部件完成了溫室大棚環境參數的自動調節，實現了溫室大棚的自動化管理和控制。該系統控制邏輯簡單、穩定性好，對推進溫室大棚的智能化控制、實現農業現代化具有重要意義。