基于PLC和組態(tài)軟件的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設計

張京娥

摘 要：針對北方的氣候特點，把編輯程序控制器和組態(tài)軟件加入到控制系統(tǒng)中，對溫室的溫度、濕度、光、水等參數(shù)進行自動化控制，實現(xiàn)溫室自動化管理監(jiān)控。利用PLC的可靠性、通用性及組態(tài)軟件的人機互聯(lián)通訊功能實現(xiàn)對智能溫室的控制，提高溫室環(huán)境的控制效果，根據(jù)客戶需求將室內溫度、光源、水等因素綜合進行協(xié)調，達到最佳狀態(tài)。

關鍵詞：智能溫室 PLC 組態(tài)軟件

中圖分類號：S625.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）08-0-02

我國北方很多地區(qū)，受到光照、溫度、濕度、地理位置等因素的影響，越來越多的農業(yè)種植開始廣泛使用溫室進行種植，智能溫室的使用越來越廣泛。

一、系統(tǒng)的選擇

本文主要通過PLC和組態(tài)軟件對溫室監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。

下機位PLC選擇的是產自日本三菱公司的FX2N-48MR-001型號，傳感器的元件分別為AD590溫度傳感器、HS1101濕度傳感器、MG811 CO2傳感器以及GM5516光敏電阻傳感器。這四種傳感器的選擇作為檢測溫度、濕度、水濃度的元件，采用日本三菱公司的GX Developer軟件對其進行軟件的程序設計。

上機位組態(tài)軟件主要選擇使用的是北京亞控科技有限公司生產的組態(tài)王軟件，該軟件可以完成系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時顯示、各種參數(shù)的設置、手動和自動操作系統(tǒng)的切換、用戶管理等多種功能。

二、智能溫室系統(tǒng)的控制算法研究

1.溫室環(huán)境的主要特點

溫室環(huán)境是一個環(huán)境系統(tǒng)復雜的大的生態(tài)系統(tǒng)，難以建立精確地控制模型系統(tǒng)。因為作物對環(huán)境氣候的要求不是特別準確，是在一個模糊的界限中，例如作物對于溫度的要求不是特別嚴格，在一天或者一段時間內，作物會生長的很好，所以，對于各種參數(shù)并不需要進行精確的控制。計算機控制的對象主要是溫室內部的氣候環(huán)境，它具有以下特點：非線性系統(tǒng)、分布的參數(shù)系統(tǒng)、實時變化系統(tǒng)、時間延遲系統(tǒng)、多變耦合系統(tǒng)。

2.智能溫室的控制對象的微分方程公式

3.系統(tǒng)設計的總體結構

3.1溫室控制系統(tǒng)的設計目的

溫度控制系統(tǒng)是安裝室內外的溫濕度傳感器、光照傳感器等對室內外的溫室濕度、溫度、水濃度、光照強弱度進行采集和監(jiān)測，并將采集和監(jiān)測到的信息數(shù)據(jù)通過安裝的控制設備對溫室進行保溫、通風、陽光照射等行動的操控。其核心內容就是能夠對溫室內各項環(huán)境因素的控制，具體的操作過程就是通過保溫被、通風窗、遮陽網(wǎng)以及地關燈裝置對溫室種植的作物進行環(huán)境和肥料的灌溉進行合理化的控制調節(jié)，讓作物更好的生長，其作物提供更加適宜的生長環(huán)境，提高所種作物的產量和質量。

3.2溫室控制系統(tǒng)的控制模式

控制模式主要根據(jù)一天內的時間變化對作物實行溫度變化的管理。根據(jù)作物將一天分為四個時間段，根據(jù)不同時間段的對溫度進行不同的調節(jié)控制。用戶可以自己根據(jù)實際情況手動進行調節(jié)，或者根據(jù)時間進行自定義設置數(shù)值，我們要做的就是將環(huán)境監(jiān)控參數(shù)調整到設定好的參數(shù)范圍內。根據(jù)季節(jié)的變化以及溫度的變化對溫室內的溫度進行調節(jié)，已達到溫度控制的目的。在智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，也可以分為手動和自動兩種控制模式，其中主要以自動模式為主，手動模式一般在出現(xiàn)特殊情況下才會啟動進行操作、且自動監(jiān)控模式的設計，能最大程度節(jié)約勞動成本，促進經(jīng)濟效益的增加。

3.3溫室控制系統(tǒng)的方案

該系統(tǒng)主要采用手動控制、自動控制相互切換這兩種方式來實現(xiàn)對溫室環(huán)境的監(jiān)控。在運行時可通過按鈕進行手動、自動的切換，手動控制操作相對來說簡單可靠，主要由接觸器、按鈕開關、纖維開關等電子器件組合而成。自動化的控制系統(tǒng)是利用計算機進行自動控制，通過傳感器對監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)設置，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設定數(shù)值時就會發(fā)出警報，從而對監(jiān)控系統(tǒng)進行開啟和關閉。使溫室內部環(huán)境一直在設定好的數(shù)值范圍內。自動化架空管理運行成本低，能節(jié)省大量勞動力，降低勞動力的勞動時間，能更合理的對溫室內環(huán)境進行掌控，是以后溫室種植發(fā)展的趨勢。

3.4溫室控制系統(tǒng)的硬件組成

為了實現(xiàn)溫室的控制監(jiān)測系統(tǒng)，建立自動控制系統(tǒng)是關鍵的一步。通過建立計算機自動監(jiān)測系統(tǒng)長時間對溫室內的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集和監(jiān)測，實現(xiàn)溫室內濕度、溫度、光的強弱度等參數(shù)長期監(jiān)測采集。并根據(jù)智能溫室內部對溫度、濕度、光的強弱度等需求，利用自動化設備對天窗、排風扇、遮陽簾等設備進行智能調控。采用計算機上的組態(tài)王軟件，將數(shù)據(jù)記錄、顯示、匯總，自動生成數(shù)據(jù)庫以供日后打印和調取查詢。在實現(xiàn)溫室調控設備自動化的前提下進行遠程監(jiān)控。因為自動化系統(tǒng)依托的是計算機，會有一定風險，因此，確保整個系統(tǒng)長期有效進行監(jiān)控，溫室控制系統(tǒng)一定要安裝手動控制，防止在自動化控制出現(xiàn)問題時可以切換為手動控制，方便靈活使用。

三、基于PLC和組態(tài)軟件的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設計

1.智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的功能

首先智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)基于PLC和組態(tài)軟件來說，第一，要先利用相關傳感部件將已經(jīng)檢測到的水濃度、溫度和濕度以及光照強度等采集到的數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)街饕刂萍目删庉嫵绦蚩刂破鳟斨小５诙?，可編輯程序控制器依?jù)系統(tǒng)設定完整的控制方案驅動外部器件進行執(zhí)行動作。第三，通過組態(tài)軟件的人機對話功能，系統(tǒng)可以在線進行采集執(zhí)行部件的情況，對系統(tǒng)檢測和控制進行實時監(jiān)控。同時可以對系統(tǒng)出現(xiàn)的異常情況進行報警預設。溫室系統(tǒng)監(jiān)控設計流程圖如圖一所示。

2.智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選擇

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件框架圖如圖二所示。

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選擇主要來自于日本三菱公司的FX2N-48MR-001型號的下機位PLC，該型號的交流電源、直流輸入的開關電源，輸出和輸入都是24個端子。PLC開關量輸入、輸出點數(shù)的分配如圖三所示。

智能溫室控制系統(tǒng)的檢測元件分別選用的是靈敏度為1uA/k/、測量溫度范圍在-55攝氏度—55攝氏度的溫度傳感器；校準精確度為正負2RH%、測量精確度為0.4RH%的HS1101型號的濕度傳感器；水傳感器主要選用的是工作期間溫度為負20攝氏度—50攝氏度、電壓輸出為30—50毫安的MG811型號的水檢測傳感器以及光譜特性穩(wěn)定、反應速度快的GM5516型號光敏電阻傳感器。

3.智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

智能溫室管理系統(tǒng)主要選用的是日本三菱公司GX Developer軟件進行PLC的程序編制，設計過程如圖四所示。

4.智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的上機位組態(tài)軟件的設計

上機位組態(tài)軟件主要選擇的是北京亞控科技有限公司的組態(tài)王軟件，對智能溫室進行人機通訊互聯(lián)的設計。軟件主要通過對智能溫室的監(jiān)控系統(tǒng)進行畫面的設計、通訊設備的設計、變量定義的設計、動畫的連接設計、執(zhí)行命令語言的編寫設計，最終的系統(tǒng)設計并進行運行和調試。

溫室監(jiān)控系統(tǒng)的主畫面顯示的有溫室里的空氣濕度、溫度、水濃度還有光照的強度等。與此同時可以根據(jù)溫室內的實際情況對設定好的溫度、濕度等進行上下限制的手動調節(jié)，已滿足溫室監(jiān)控系統(tǒng)的需求。主畫面除了顯示內部的溫度、濕度等，還可顯示通風設備、天窗設備以及循環(huán)風設備的運行情況顯示，更能對溫室內出現(xiàn)的設備故障進行報警預設以及監(jiān)控系統(tǒng)的手動、自動控制操作的切換。

智能溫室系統(tǒng)在運行時可以通過主畫面完成用戶賬戶的切換、密碼的重設修改、用戶管理等多種功能。同時可以切入到實時監(jiān)測到的曲線畫面、歷史監(jiān)測到的曲線畫面、系統(tǒng)生成的報表畫面、實時數(shù)據(jù)庫的畫面。監(jiān)測的實時曲線畫面以及歷史畫面可以將監(jiān)測到的系統(tǒng)參數(shù)以曲線的形式進行另存，也可以進行打印。同理，報表畫面也可以將系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)以報表的形式進行另存，方便用戶之后調用、查找咨詢及打印。

組態(tài)王軟件和三菱的PCL通信設置的波特率為9600、7個數(shù)據(jù)位、偶校驗、1個停止位、其通信超時為3000ms、RS232為主要的通訊方式。智能溫室系統(tǒng)定義的變量主要是溫度的變化、水濃度的變化、光照強度的變化、天窗電機的設置、通風設備的管理、遮陽幕布的變化等。在這些變量中，濕度變量的類型主要為I/O實數(shù)、連接溫室監(jiān)控上機位PLC模塊、寄存器的類型主要為D、數(shù)據(jù)類型為LONG。系統(tǒng)的變量與畫面通過模擬數(shù)值的輸入輸出、離散值輸入等動畫的連接功能從而進行命令行動的動畫連接從而定義。系統(tǒng)的命令語言程序的編寫通過命令語言的應用程序、命令語言的畫面、數(shù)據(jù)對命令語言進行改變等方式進行。組態(tài)王軟件主要通過訪問權限的設置對系統(tǒng)進行綜合的安全管理。

結語

目前我國農業(yè)設施在一直進步和推廣，智能溫室系統(tǒng)的應用在農業(yè)生產中所占據(jù)的比重日益增多，智能溫室系統(tǒng)將用高效、安全、方便操作、穩(wěn)定性高等特點逐漸碾壓傳統(tǒng)溫室種植，并逐漸替換掉原有的傳統(tǒng)溫室種植。該設計原理主要利用PLC和組態(tài)軟件對智能溫室內部的溫度、水濃度、濕度、光照強弱度進行實時的自動監(jiān)控調控，滿足了現(xiàn)代農業(yè)生產中對于溫室種植智能化的高標準、高要求。

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