智能溫室控制系統的電氣自動化設計

一、引言

智能溫室作為現代農業生產的重要設施，其環境控制水平直接影響作物生長質量與產量。隨著自動化技術的發展，智能溫室控制系統在精確性、可靠性與智能化程度等方面都取得顯著進步。國內智能溫室建設近年來發展迅速，但在系統可靠性與智能化水平方面仍有提升空間。針對當前智能溫室控制需求，作者設計了一套基于電氣自動化技術的智能溫室控制系統，旨在提高溫室環境調控的精確性與自動化水平，為現代農業發展提供技術支持。

二、智能溫室系統架構設計

智能溫室控制系統采用分層分布式架構，由數據采集層、控制執行層與管理決策層構成。數據采集層部署溫濕度傳感器、光照傳感器 、CO₂ 濃度傳感器等多類環境參數檢測設備，通過RS485總線實現數據傳輸。控制執行層以PLC為核心控制單元，配置通風設備、遮陽系統、灌溉裝置等執行機構，負責溫室環境調控指令的執行。管理決策層基于工業控制計算機建立監控中心，集成SCADA系統進行數據處理與分析，實現智能控制策略的優化與調整。系統采用模塊化設計理念，各功能單元間通過工業以太網實現互聯互通。在軟件系統配置方面，采用組態軟件設計人機交互界面，搭建SQLServer數據庫平臺存儲歷史數據，配置OPC通信服務實現異構設備間的數據交換。該架構設計充分考慮系統的開放性與可擴展性，預留遠程監控接口，為系統后期功能升級提供便利[1]。

三、智能溫室控制系統電氣設計

智能溫室控制系統的電氣設計是整個系統的核心環節，涵蓋傳感器網絡、執行機構、供配電系統與控制柜設計等關鍵模塊。合理的電氣設計方案能有效保障系統運行的穩定性與可靠性，為溫室環境智能調控提供堅實的硬件基礎。

（一）傳感器網絡設計

智能溫室傳感器網絡采用分區布置方案，在溫室內按功能區域部署多類傳感檢測設備。溫濕度傳感器選用PT100鉑熱電阻與CH-ZWS數字式傳感器，垂直布置于作物生長區域，間距設置為 10m ；光照傳感器選用硅光電池式光度計，安裝高度 3m ，確保準確采集環境光照強度； CO₂ 濃度檢測采用紅外吸收式傳感器，靈敏度為 ±30ppm. 。傳感器信號采集采用就地轉換方式，通過信號調理電路將模擬量轉換為 4～20mA 標準信號，再經RS485總線傳輸至控制中心。網絡拓撲結構采用總線型配置，電纜選用RVVP屏蔽線，并設置總線終端電阻消除信號反射。傳感器供電采用DC24V直流電源，布線時將信號線與電源線分開敷設，降低干擾影響。

(二)執行機構設計

執行機構設計包括通風系統、遮陽系統與灌溉系統三大部分。通風系統配置變頻風機與電動卷簾，風機選用YVF-90L-4型變頻電機，功率 2.2kW ，通過施耐德ATV312變頻器調速控制；卷簾機構采用管狀電機驅動，配置行程開關實現限位保護[2]。遮陽系統采用內外遮陽相結合方案，外遮陽選用鋁箔遮陽網，內遮陽選用聚酯遮陽簾，驅動裝置采用DC24V直流電機，通過PWM控制實現遮陽量調節。灌溉系統包括水泵、電磁閥與噴灌裝置，水泵選用ISG立式管道泵，電磁閥采用常閉式設計，噴灌裝置按照作物種植分布進行分區控制。

（三）供配電系統設計

供配電系統采用三相五線制TN-S接地方式，主供電引自市電380V/220V電源。配電系統設計容量為50kVA，選用SCB10干式變壓器，配置100A框架斷路器作為總開關。系統配電采用放射式與樹干式相結合的供電方式，分別設置動力配電與控制配電回路。動力配電采用電纜橋架敷設，控制配電采用線管暗敷。配電柜內設置浪涌保護器與電源指示儀表，各回路均配置漏電保護器與過載保護裝置。UPS電源選用10kVA在線式設備，為控制系統與關鍵傳感器提供不間斷電源保障。系統接地電阻小于4歐姆，設置等電位聯結端子排，確保設備安全運行。

（四)控制柜設計

控制柜采用落地式鋼制結構，防護等級IP54，內部分為控制區、端子區與電源區。控制區安裝西門子S7-1200PLC控制器、觸摸屏與工控機;端子區采用UK-2.5端子排，按照端子功能采用不同顏色區分，信號線端子配置熔斷器保護；電源區設置斷路器、繼電器與變頻器等配件。控制柜內布線采用線槽方式，強弱電分開布置，預留 20% 的安裝空間便于系統擴展。柜門安裝急停按鈕與運行指示燈，內部配置溫控風扇與照明燈具。所有器件標識清晰，配置端子接線圖與系統原理圖，方便日常維護。控制柜設計嚴格遵循電氣設計規范，確保系統運行安全可靠[3]。

四、智能溫室自動化控制實現

智能溫室自動化控制系統基于PLC平臺構建，集成智能控制算法、自動化功能與安全保護機制，實現溫室環境參數的精確調控。系統采用分層控制架構，將復雜的控制任務分解為多個相對獨立的控制回路，提高系統運行的可靠性與靈活性。

（一）智能控制算法設計

智能溫室控制算法采用模糊PID控制策略，將模糊控制與傳統PID控制相結合。控制器輸入變量為溫度偏差e與偏差變化率ec，輸出變量為PID參數修正量。模糊控制規則基于專家經驗建立，將偏差與偏差變化率的論域劃分為7個模糊子集，采用Mamdani推理方法進行模糊運算。PID參數自整定采用在線修正方式，根據環境參數變化趨勢實時調整比例系數、積分時間與微分時間。控制算法在西門子S7-1200PLC中實現，采用SCL語言編程，控制周期設置為 100ms 。系統設置了溫度、濕度、光照等多個控制回路，各控制回路之間通過協調控制算法實現聯動。

（二）自動化控制功能實現

自動化控制功能通過PLC程序與組態軟件實現，主要包括環境參數調節、灌溉控制與設備管理。環境參數調節功能采用多級聯控制方式，溫度控制優先采用自然通風，當自然通風無法滿足要求時啟動機械通風；濕度控制結合噴淋系統與通風系統協同調節；光照控制根據作物生長周期需求，通過遮陽系統調節光照強度。灌溉控制基于土壤情傳感器數據，實現按需澆灌。系統支持手動控制、自動控制與定時控制三種運行模式，運行模式切換時設置無擾動切換機制。

（三）系統保護與安全預警

系統保護與安全預警機制從硬件與軟件兩個層面構建，硬件保護包括過載保護、短路保護與接地保護，每路電氣回路均設置獨立的保護裝置。軟件保護采用多級報警機制，將報警分為提示信息、一般報警與緊急報警三個等級。系統實時監測關鍵參數，當參數超出設定范圍時觸發相應級別的報警。緊急報警情況下，系統自動切斷相關設備電源，并啟動應急處理程序。

五、結語

智能溫室控制系統的電氣自動化設計是一項系統工程，涉及系統架構、電氣設計、控制實現與系統集成等多個環節。該系統在溫室環境參數檢測、智能控制算法設計、自動化功能實現等方面進行了深人研究，并通過系統集成實現了各功能模塊的有機結合。系統的實際應用表明，該設計方案具有較好的可行性與實用價值，對提升溫室種植的自動化水平具有重要意義。

參考文獻：

[1]沈淑炫.人工智能背景下電氣自動化與農業電氣化的探索與研究[J]河北農機，2024(19)：34-36.

[2]張建猛，徐文杰.基于PLC的智能溫室大棚控制系統設計[J].電子制作，2023(23)：72-75.

[3祝振乙.基于機器學習的智能溫室決策系統的研究及應用[D].吉林農業大學，2023

（作者單位：江蘇省張家港中等專業學校）