基于PLC的智能溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計

黃孝平

摘要：PLC （可編程控制器）是一種新型的通用自動控制裝置，它能將傳感器技術(shù)、繼電器控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有易于編程、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點，適宜長期連續(xù)工作，非常適合高效溫室的控制要求。設(shè)計了一種基于PLC的智能溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對溫室的溫度、濕度、光照度、風(fēng)速等參數(shù)實時采集和控制。

關(guān)鍵詞：PLC 溫室大棚 環(huán)境控制裝置

一、引言

溫室大棚是用于植物生長與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的保護(hù)設(shè)施，利用溫室大棚的氣候效應(yīng)與隔離效果進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，起到旱澇保收、空間隔絕、反季節(jié)調(diào)控等作用。因此，準(zhǔn)確、及時地掌握溫室大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)，做到科學(xué)適時調(diào)控，成為溫室大棚生產(chǎn)中提高產(chǎn)量、品質(zhì)，抑制各種病害發(fā)生的重要環(huán)節(jié)。但由于我國溫室大棚發(fā)展較晚，大多是在參考借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上自行開發(fā)的，在設(shè)備配套能力、環(huán)境調(diào)控技術(shù)、機(jī)械化與自動化程度、作物栽培與管理等方面的科技含量與技術(shù)水平還存在一定差距，難以最大限度地發(fā)揮溫室的技術(shù)特點，也無法實現(xiàn)溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益最大化，致使我國溫室大棚種植面積雖然位居世界第一，但產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量并不理想。溫室大棚環(huán)境控制裝置主要用來對溫室環(huán)境（氣象環(huán)境和栽培環(huán)境）進(jìn)行監(jiān)測和控制。以蔬菜溫室大棚為例，溫室內(nèi)監(jiān)測項目包括室內(nèi)氣溫、水溫、土壤溫度、相對空氣濕度、保溫狀況、CO2濃度。室外監(jiān)測項目包括大氣溫度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度等。溫室環(huán)境控制裝置的應(yīng)用給種植者帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益，提高了決策水平，減輕了技術(shù)管理工作量，同時也為種植帶來了極大的方便。

PLC是一種新型的通用自動控制裝置，它將傳感器技術(shù)、繼電器控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有易于編程、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點，適宜長期連續(xù)工作，非常適合智能溫室大棚的控制要求。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國家如美國、荷蘭、以色列、英國、加拿大、日本等在現(xiàn)代溫室監(jiān)控技術(shù)上起步比較早，都大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度、C02濃度、水、氣、營養(yǎng)液等實現(xiàn)計算機(jī)調(diào)控。隨著微型計算機(jī)日新月異的進(jìn)步和價格大幅度下降，以及對溫室控制要求的提高，以計算機(jī)為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在歐美得到了長足的發(fā)展，并邁入網(wǎng)絡(luò)化、智能化階段。

近年來，我國溫室控制技術(shù)發(fā)展迅速，以及有大量的商業(yè)化產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)的光照度、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境因素進(jìn)行檢測和控制，并且已經(jīng)逐步發(fā)展到智能化控制階段，但由于價格等方面的原因，普及率并不高，所以開發(fā)價格低廉，且肯有較強(qiáng)實用性的智能溫室大棚控制裝置是非常必要的。

三、智能溫室大棚的環(huán)境控制裝置和控制方案

1.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能溫室大棚的環(huán)境控制系統(tǒng)就是依據(jù)室內(nèi)外裝設(shè)的溫濕度傳感器、光照傳感器、風(fēng)速傳感器等采集或觀測的溫室內(nèi)外的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)信息。通過控制設(shè)備對溫室大棚環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)控制以達(dá)到栽培作物生長發(fā)育的需要，為作物的生長發(fā)育提供最適宜的生態(tài)環(huán)境，以大幅度提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 2.系統(tǒng)控制方案

智能溫室大棚的環(huán)境控制系統(tǒng)采用自動與手動互相切換控制兩種方式來實現(xiàn)對溫室的自動控制，提高設(shè)備運(yùn)動的可靠性。在運(yùn)行的時候可以通過按鈕對這兩種控制方式進(jìn)行切換，用模擬傳感器采集現(xiàn)場的溫濕度、光照度、風(fēng)速和風(fēng)向等環(huán)境因子數(shù)據(jù)以及用行程、限位開關(guān)檢測控制系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)，采集到的數(shù)據(jù)和狀態(tài)送PLC相應(yīng)的寄存器保存以備利用。

（1）自動控制模式。采用PLC通過傳感器對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測，并對其設(shè)定上限值和下限值，當(dāng)檢測到某一值超過設(shè)定值，便發(fā)出信號自動對驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行啟動和關(guān)閉，從而使溫室大棚的環(huán)境參數(shù)控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。其運(yùn)行成本較低，可大大節(jié)約勞動力，降低勞動者的勞動強(qiáng)度。

（2）手動控制模式。手動控制簡單可靠，由繼電器、接觸器、按鈕、限位開關(guān)等電氣元器件組成。

根據(jù)廣西南寧市的歷史氣象數(shù)據(jù)和氣候特點，分析溫室的控制對象及其影響因素。由傳感器釆集的存儲在PLC指定數(shù)據(jù)寄存器中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速和風(fēng)向值以及根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗設(shè)置的各參數(shù)的上下限，決定各輸出機(jī)構(gòu)的輸出狀態(tài)。由于各環(huán)境參數(shù)的耦合關(guān)系，某一環(huán)控設(shè)備的啟閉會對多個環(huán)境因子產(chǎn)生影響針對這些情況，釆取以下相應(yīng)的措施：①根據(jù)時間的不同（季節(jié)）、環(huán)境參數(shù)的重要性不同，設(shè)置不同的優(yōu)先級。在冬季溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中，默認(rèn)為溫度控制優(yōu)先的原則，在溫度條件滿足后，再來滿足濕度條件。如溫度過低、濕度過大的情況下，以加溫為主導(dǎo)，只有當(dāng)溫度上升到一定值后，才能通風(fēng)降濕，另一方面，溫度提高本身可以使相對濕度降低。在夏季降溫加濕的過程中，采用以濕度優(yōu)先的原則。當(dāng)濕度過小時，開啟濕簾風(fēng)機(jī)加濕裝置。②溫度、濕度釆用聯(lián)合控制策略。③考慮意外情況的影響，如濕度低于濕度下限時，釆用報警輸出的方式由人工操作濕簾設(shè)備。光照強(qiáng)度大于光強(qiáng)上限時，打開內(nèi)外遮陽網(wǎng)。

四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1.軟件的設(shè)計要求和主要功能

根據(jù)基本要求和技術(shù)要求列出以下幾點：①防止接點誤動作，利用自鎖電路可防止接點誤動作。②系統(tǒng)自診斷功能，PLC本身具有此項功能。③風(fēng)機(jī)控制。溫室內(nèi)的風(fēng)機(jī)，能同時啟動與停止，當(dāng)溫室內(nèi)的溫度超出預(yù)定值時，受PLC的控制先是天窗自動打開，延時5秒后風(fēng)機(jī)啟動，再延時5秒后濕簾泵啟動，從而溫室的溫度降低。④天窗控制，溫室中設(shè)有4個天窗，天窗受電機(jī)控制，通過電機(jī)限位的設(shè)定來控制天窗的行程。⑤系統(tǒng)自動/手動控制，可利用一個開關(guān)量作為PLC的輸入信號，實現(xiàn)控制程序的轉(zhuǎn)換。⑥濕簾泵控制。⑦遮陽網(wǎng)控制。⑧可擴(kuò)展性，在PLC中預(yù)留一定的存儲空間和端口。

2.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)中對風(fēng)扇、天窗、側(cè)窗、環(huán)流風(fēng)機(jī)、遮陽幕和濕簾泵的控制是通過PLC發(fā)出開關(guān)指令，通過交流接觸器控制相關(guān)機(jī)構(gòu)的啟停。由于PLC檢測系統(tǒng)具有較高的靈敏度，能夠把溫室內(nèi)的擾動快速反應(yīng)出來，同時由于溫室較大的傳遞滯后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作頻繁，從而影響使用壽命。為此，在程序中加有時間可調(diào)的延時模塊，使用時可根據(jù)具體情況調(diào)整延時，使控制效果達(dá)到最佳。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。利用FPWINGR軟件采用梯形圖語言編寫系統(tǒng)的程序，以溫度控制為例。

3.系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控軟件的設(shè)計

組態(tài)軟件是可以從可編程控制器以及各種數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備中實時采集數(shù)據(jù)，然后發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行是否正常的一種軟件包。本系統(tǒng)中的監(jiān)控界面采用的是組態(tài)王kingview6.55，通過與PLC進(jìn)行通信，用于遠(yuǎn)距離溫室監(jiān)控，溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的不間斷連續(xù)收集、整理、統(tǒng)計、制圖以及溫室設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線記錄。其主要功能如下：

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)視功能。它可以通過通訊線遠(yuǎn)程監(jiān)視多座溫室的當(dāng)前狀態(tài)，包括戶外溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨雪信號、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、控制器溫度、獨立通風(fēng)窗的位置和開關(guān)狀態(tài)、內(nèi)外遮陽簾的位置和開關(guān)狀態(tài)以及風(fēng)扇、濕簾、微霧、加熱器、環(huán)流風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、水暖三通閥的狀態(tài)和多種形式的報警監(jiān)視。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。它可以統(tǒng)計任意時刻的戶外溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、C02濃度等全月、全周、全日的和本時段的最大值、最小值和平均值。

（3）溫室設(shè)備運(yùn)行記錄功能。它能在線記錄各溫室設(shè)備狀態(tài)變化時的時間、當(dāng)前狀態(tài)和位置、當(dāng)前目標(biāo)溫度、室內(nèi)溫度、目標(biāo)濕度和室內(nèi)濕度，并能打一印輸出。

（4）遠(yuǎn)程設(shè)定功能，可以通過通訊線遠(yuǎn)程修改可編程控制器的全部設(shè)定參數(shù)。

（5）生成曲線圖功能，它能以平面圖或者立體圖的方式同時繪制任意時刻的戶外溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、目標(biāo)溫度、室內(nèi)溫度、目標(biāo)濕度、室內(nèi)濕度、CO2濃度等全年、全月、全周、全日的變化曲線并打印輸出。

五、結(jié)論

溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本研究選擇了溫度、濕度、太陽能總輻射和風(fēng)速影響等對溫室環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，實現(xiàn)了對溫室溫度、濕度、光照度、風(fēng)速等參數(shù)實時采集、人機(jī)交互模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊，可實現(xiàn)曲線圖或報表形式顯示歷史溫室環(huán)境參數(shù)。各模塊采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，具有良好的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。PLC工作性能穩(wěn)定，能夠長時間檢測傳感器信號并記錄數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要設(shè)置傳感器信號釆集頻率，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，能有效提高溫室大棚的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的實用價值。

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