基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計

金龍國

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266555）

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是我國現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)與支撐，通過在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中融合運(yùn)用信息技術(shù)手段，能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，補(bǔ)齊農(nóng)村人力資源短板問題，實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由勞動密集型產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中，溫室大棚技術(shù)廣泛應(yīng)用于蔬菜、水果生產(chǎn)中，可在不適應(yīng)植物生長的季節(jié)提供適宜植物生長人造環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物反季節(jié)生長和產(chǎn)出。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)背景下，溫室內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照等農(nóng)業(yè)環(huán)境信息和人工條件干預(yù)要求不斷提高，如何實(shí)現(xiàn)溫室控制系統(tǒng)自動化監(jiān)測、控制，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的重要保障。本文基于S7－226CPU、winccflexible組態(tài)和溫濕度、光照、CO2濃度傳感器等組成智能溫室控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境自動化監(jiān)測與控制。

1 溫室總體控制方案設(shè)計

由于農(nóng)作物生長周期對環(huán)境的要求具有非線性、時變性等特點(diǎn)，加之溫室室內(nèi)面積較大，環(huán)境要素分布不均，農(nóng)作物生長發(fā)育周期內(nèi)對土壤中水分、無機(jī)鹽等物質(zhì)需求不同，因此，溫室環(huán)境控制需要實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與控制。

結(jié)合溫室控制系統(tǒng)要求，本研究針對影響農(nóng)作物生長的關(guān)鍵因子進(jìn)行監(jiān)控和控制，基于S7－226CPU，模擬量模塊選用EM231、溫濕度傳感器選用HMD40Y傳感器、光照傳感器選用LC－GZ1傳感器、CO2濃度傳感器選用DCO2－T8傳感器、系統(tǒng)監(jiān)控界面選用winfccflexible組態(tài)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電機(jī)、電磁閥，控制對象為遮陽簾、加熱器、通風(fēng)機(jī)和水泵等。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，該系統(tǒng)由四個部分組成，即溫度控制、濕度控制、光照強(qiáng)度控制、CO2控制系統(tǒng)，各控制系統(tǒng)均配置傳感器以動態(tài)獲取溫室環(huán)境參數(shù)，可對參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)參數(shù)達(dá)到控制系統(tǒng)中預(yù)設(shè)參數(shù)時，系統(tǒng)自動聯(lián)動溫室內(nèi)外執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境自動化控制，滿足溫室農(nóng)作物生長環(huán)境需求，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境控制智能化、自動化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

溫室大棚控制系統(tǒng)硬件設(shè)計包括主電路和控制電路設(shè)計，主電路包括多個中間繼電器，可實(shí)現(xiàn)天窗電機(jī)、前后側(cè)窗電機(jī)、遮陽簾電機(jī)、加濕水泵、CO2等調(diào)節(jié)。控制電路基于226電路和EM231電路進(jìn)行設(shè)計，226輸入端接入行程開關(guān)與按鈕，輸出端接24V中間繼電器，可借助中間繼電器觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)主電路交流接觸器通斷控制。

2.2 主電路設(shè)計與PLC電路設(shè)計

226為模塊－控制器一體化可編程控制器，可借助編程器將用戶程序?qū)懭氪鎯ζ鲀?nèi)。S7－226PLC控制器具有24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，可滿足溫室控制系統(tǒng)自動化控制需求。由于通風(fēng)窗電機(jī)、遮陽簾電機(jī)、水泵電機(jī)除功率不同外，均配有限位開關(guān)，需實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停止功能，因此，其工作電路設(shè)計相似。本系統(tǒng)中QK為總開關(guān)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟閉均由其實(shí)現(xiàn)和控制。QF0為總分?jǐn)嗥鳌F1－QF4為分?jǐn)嗦菲鳌R1－FR4為熱繼電器，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)過載保護(hù)功能。KM1－KM8為交流接觸器主觸頭，主要實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在啟停和電機(jī)正反轉(zhuǎn)、停止功能。

PLC控制電路設(shè)計時，PLC的I／O地址分配根據(jù)實(shí)際需求制定I／O地址分配表。EM231與傳感器接口電路如圖2所示。

圖2 EM231與傳感器接口電路

根據(jù)系統(tǒng)主電路設(shè)計思路，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為正反轉(zhuǎn)電機(jī)和開關(guān)控制設(shè)備，正反轉(zhuǎn)電機(jī)如遮陽簾、水泵等，此類電機(jī)需實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和停止功能，應(yīng)配置限位開關(guān)。開關(guān)控制設(shè)備包括冷風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)等。

遮陽簾為正反轉(zhuǎn)設(shè)備，該設(shè)備設(shè)計時，K1為自動、手動切換開關(guān)。自動控制狀態(tài)下，中間接觸器KM15通電時遮陽簾開啟，中間接觸器KM16通電時遮陽簾閉合。在手動狀態(tài)下，按下SB1按鈕，接觸器KM1通電，指示燈L1亮起，KM1常開觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)遮陽簾自鎖功能，電機(jī)正轉(zhuǎn)后帶動遮陽簾打開。當(dāng)遮陽簾開啟至限位位置后，觸發(fā)限位開關(guān)SQ1，常閉觸點(diǎn)斷開，KM1失電，遮陽簾電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。SB3按鈕主要用于急停操作，當(dāng)按下該按鈕后KM1失電（如圖3所示）。

圖3 遮陽簾控制電路

開關(guān)控制設(shè)備電路設(shè)計時，以通風(fēng)機(jī)為例，K1為手動自動切換開關(guān)。在自動控制狀態(tài)下，由PLC組控制器控制中間接觸器KM23通電，常開觸點(diǎn)閉合后通風(fēng)機(jī)運(yùn)行。手動狀態(tài)下，SB13為啟動按鈕、SB14為停止按鈕。當(dāng)手動按下SB13時，接觸器KM9通電，指示燈L9亮起，KM9常開觸點(diǎn)閉合后自鎖，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)按下SB14時，KM9線圈失電，通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行（如圖4所示）。

圖4 通風(fēng)機(jī)控制電路

2.3 傳感器選型與控制

（1）傳感器選型

本系統(tǒng)中，傳感器包括土壤濕度、光照強(qiáng)度、溫度和CO2傳感器等。土壤濕度傳感器選用JX85－3001－TH型土壤濕度傳感器，其原理是濕敏電容，當(dāng)土壤濕度發(fā)生變化時，在濕敏電容介質(zhì)發(fā)生變化，傳感器將信號傳送給PLC，由PLC控制水泵和噴水管噴灌。土壤濕度傳感器工作電壓12V～24VDC，工作電流50mA，電壓輸出12V。

光照強(qiáng)度傳感器選用FZN－3001－1－GZ數(shù)字型傳感器，其原理是光敏電阻作為傳感器元件，當(dāng)傳感器檢測到光照強(qiáng)度變化時，光敏電阻值發(fā)生變化，其電壓輸出不同，當(dāng)溫室環(huán)境光照強(qiáng)度較低時，自動開啟補(bǔ)光燈，當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度較大時自動關(guān)閉。光照傳感器工作電壓為12V～24VDC，工作電流50uA，功耗5W。

溫度開關(guān)選用HS1101數(shù)字型濕度傳感器，其原理是以雙金屬片作為感溫元件的濕度開關(guān)，當(dāng)溫度升高至動作溫度值時，開關(guān)元件受熱產(chǎn)生動作，打開或閉合觸點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)電路通斷，起到熱保護(hù)作用。當(dāng)溫度降至設(shè)定濕度時自動閉合或斷開觸點(diǎn)。溫度開關(guān)傳感器工作電壓為12V～24VDC，工作電流50uA，電壓輸出12V。

二氧化碳傳感器選用PR－3002－CO2傳感器，其原理是采用高靈敏度在氣體監(jiān)測探頭，通過檢測溫室CO2濃度聯(lián)動儲氣裝置調(diào)節(jié)CO2濃度。傳感器工作電壓12V～24VDC，工作電流50uA，電壓輸出12V。

（2）溫度傳感器控制邏輯

溫室溫度控制時，結(jié)合溫室內(nèi)植物生長溫度控制要求，可將溫室溫度調(diào)節(jié)分為溫度保持、升溫和冷卻三種情況。溫室外部覆蓋保溫隔熱性能良好的保溫層或保溫膜，溫室內(nèi)部采用中央供暖方式，實(shí)現(xiàn)溫室供暖，夏季溫度較高且自然通風(fēng)不能有效冷卻時，借助遮陽簾和溫室外墻循環(huán)水冷卻方法實(shí)現(xiàn)溫室溫度控制。當(dāng)溫度調(diào)節(jié)控制模式為自動控制模式時，檢測到溫室內(nèi)溫度高于30℃時，通風(fēng)機(jī)和冷風(fēng)機(jī)開啟。當(dāng)溫度低于10℃時，通風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)開啟，冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

（3）濕度調(diào)節(jié)邏輯

溫室內(nèi)濕度控制包括土壤濕度和空氣濕度控制兩個方面，濕度控制主要實(shí)現(xiàn)增濕和干燥兩個功能。其中，增濕主要通過噴灌方法調(diào)節(jié)，除濕主要通過通風(fēng)除濕方法調(diào)節(jié)。當(dāng)土壤濕度傳感器檢測到土壤干燥系數(shù)大于2000時，干燥開關(guān)閉合，在噴水管開啟。當(dāng)土壤潮濕系數(shù)低于500時，噴水泵停止工作。

（4）溫度與濕度耦合

由于溫度與濕度存在耦合關(guān)系，因此，溫度與濕度控制時應(yīng)根據(jù)不同情況調(diào)節(jié)和控制。如冬季寒冷天氣情況下，溫度控制優(yōu)先級高于濕度，當(dāng)出現(xiàn)這低溫高濕情況時，系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先實(shí)現(xiàn)升溫，加速空氣中水分揮發(fā)。在夏季炎熱情況下，濕度調(diào)節(jié)優(yōu)先級高于溫度。

（5）光照調(diào)節(jié)與控制

光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)與控制時，本系統(tǒng)采用補(bǔ)光燈、遮光板控制方法實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)，即通過控制遮陽簾、補(bǔ)光燈啟閉實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度控制。當(dāng)系統(tǒng)切換至自動控制模式時，光照強(qiáng)度傳感器檢測到光照強(qiáng)度低于50時，遮陽簾在反轉(zhuǎn)不關(guān)閉，并聯(lián)動啟動補(bǔ)光燈。當(dāng)光照強(qiáng)度超過200時，遮陽簾正轉(zhuǎn)開啟，冷風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

（6）CO2濃度調(diào)節(jié)與控制

由于溫室冬季和春季均為封閉狀態(tài)，棚內(nèi)CO2峰谷值差異較大。中午時，溫室內(nèi)農(nóng)作物進(jìn)行有機(jī)物合成，CO2被農(nóng)作物吸收，濃度下降。空氣中CO2濃度不能滿足農(nóng)作物光合作用要求。當(dāng)傳感器檢測到CO2濃度過低時，控制系統(tǒng)自動聯(lián)動儲氣裝置增加溫室內(nèi)CO2濃度。當(dāng)CO2濃度調(diào)節(jié)為自動控制模式、CO2濃度超過2000時，O2儲氣裝置開啟。當(dāng)CO2濃度低于500時，CO2儲氣裝置開啟，O2裝置停止。

2.4 通信單元設(shè)計

本系統(tǒng)中，通信單元采用FS15402 C－NET通信適配器，借助通信轉(zhuǎn)換模塊，可將PLC組成多系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)，以此實(shí)現(xiàn)多個溫室控制系統(tǒng)自動化控制。通訊單元采用5V直流電電源供電，功率1W，最大通信距離為2km，具備過熱保護(hù)功能。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 程序運(yùn)行調(diào)試

本系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試時，采用S7－200仿真軟件進(jìn)行控制程序仿真與調(diào)試，該仿真軟件支持常用的位觸電指令、定時器、計數(shù)器等指令，可實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算指令、比較指令和常見的數(shù)學(xué)運(yùn)算指令，并具備信號輸入開關(guān)和LED輸出顯示功能。當(dāng)設(shè)計好溫室控制系統(tǒng)運(yùn)行邏輯后，檢查PLC、傳感器接線無誤后，即可將系統(tǒng)程序?qū)氲杰浖小３绦蛘{(diào)試時，打開仿真軟件載入程序，點(diǎn)擊啟動按鈕，仿真軟件運(yùn)行燈亮起，按要求操作輸入點(diǎn)，觀察輸出點(diǎn)輸出情況，觀察輸出燈是否亮起。

本系統(tǒng)中，I0.0為手動自動切換電路，當(dāng)I0.1＝1時，Q1.1通電，啟動燈亮起。當(dāng)I0.0＝1且I0／2＝1時，中間繼電器M0.1通電，系統(tǒng)運(yùn)行模式切換為手動模式（如圖5所示）。

圖5 控制系統(tǒng)手動控制模式仿真調(diào)試

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在手動模式時，可通過控制相應(yīng)的手動操作按鈕實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備運(yùn)行控制。如遮陽簾正轉(zhuǎn)按鈕為10.5，其限位開關(guān)為10.3，當(dāng)遮陽簾安正轉(zhuǎn)按鈕和限位開關(guān)均閉合時，M0.4中間繼電器通電，遮陽簾正轉(zhuǎn)。當(dāng)手動按鈕I1.1閉合時，中間繼電器M1.2通電，補(bǔ)光燈開啟（如圖6所示）。

圖6 控制系統(tǒng)自動控制仿真調(diào)試

系統(tǒng)運(yùn)行在自動控制模式下時，當(dāng)I0.0＝1且I0.1＝1，中間繼電器 M0.0 通電。當(dāng)溫度超過30℃時，高溫開關(guān)I1.4閉合，中間繼電器M0.2閉合，通風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)，冷風(fēng)機(jī)開啟。

3.2 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行測試

本系統(tǒng)投入運(yùn)行后，隨機(jī)選取溫室24h溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測試開始時，起始溫度和濕度分別為32℃和52%，當(dāng)溫度和濕度工作設(shè)定值設(shè)置為22℃和70%時，采樣間隔為5min，繪制系統(tǒng)控制曲線，根據(jù)溫室溫度、濕度變化情況可知，當(dāng)系統(tǒng)啟動后，30min左右即可達(dá)到設(shè)定值，約10min后達(dá)到預(yù)定值穩(wěn)定狀態(tài)（如圖7所示），系統(tǒng)控制效果良好。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行中溫濕度控制曲線

4 結(jié)論

本系統(tǒng)中，基于PLC系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成溫室控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)溫室溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)的自動化采集、調(diào)節(jié)，通過采集溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為電流信號后傳至PLC控制器，PLC控制器根據(jù)運(yùn)行邏輯將環(huán)境參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行對比、處理，輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)量，可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行邏輯、開關(guān)閉合的自動化控制。系統(tǒng)運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室內(nèi)特定環(huán)境因素數(shù)據(jù)的動態(tài)采集和有效控制，較好滿足了溫室農(nóng)作物對生長環(huán)境的要求。