智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程麗霞

(太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030008)

0 引言

我國(guó)人口基數(shù)大，農(nóng)業(yè)用地?cái)?shù)量緊張，雖然目前已經(jīng)解決了溫飽問(wèn)題，但吃的健康和安全才是現(xiàn)在人們更為關(guān)注的問(wèn)題。冬季人們對(duì)新鮮蔬菜以及其他植物的需求依然很高，但受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的限制，該需求無(wú)法得到解決。大棚的出現(xiàn)為緩解此問(wèn)題提供了較好的條件，但是其效果有限，而智能溫室成為更好的選擇。國(guó)內(nèi)外的智能溫室技術(shù)在不斷發(fā)展，有些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能的現(xiàn)代化溫室。雖然我國(guó)的智能溫室技術(shù)也在不斷發(fā)展，但與國(guó)外相比較，在一些關(guān)鍵技術(shù)上仍處于較低的水平，普通塑料大棚較為常見(jiàn)，智能溫室依然沒(méi)有得到普及。為了促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展以及滿足廣大人民的生活需求，研究一套簡(jiǎn)便而高效的智能溫室系統(tǒng)十分必要。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)，根據(jù)智能溫室的技術(shù)要求，確定了需要檢測(cè)的溫室環(huán)境參數(shù)與控制方法，利用組態(tài)王對(duì)溫室的監(jiān)控界面進(jìn)行了繪制，同時(shí)利用仿真軟件對(duì)基于PLC的梯形圖進(jìn)行了仿真檢驗(yàn)，為智能溫室的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

1 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

溫室為作物的生長(zhǎng)創(chuàng)造合適的環(huán)境，使它能夠擺脫自然環(huán)境和氣候變化的束縛。智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)要能夠監(jiān)控溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分等。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，該系統(tǒng)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作方式，這兩種操作方式之間可以互相切換。日常生產(chǎn)常使用自動(dòng)模式，當(dāng)處于該工作模式時(shí)，PLC會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)與環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析比較，自動(dòng)決策后使執(zhí)行元件動(dòng)作，從而使溫室的環(huán)境參數(shù)滿足作物的生長(zhǎng)要求。手動(dòng)控制模式是在需要檢測(cè)與維護(hù)或有特殊情況發(fā)生時(shí)使用，手動(dòng)控制模式又分為本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種。整個(gè)智能溫室系統(tǒng)分為檢測(cè)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分和監(jiān)控部分。檢測(cè)部分主要由各種傳感器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境因素的自動(dòng)檢測(cè)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括通風(fēng)扇、加熱器、卷簾電機(jī)等，可根據(jù)處理器的運(yùn)算結(jié)果通過(guò)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室參數(shù)的調(diào)控。監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機(jī)與PLC，PLC通過(guò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)傳回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，完成自動(dòng)調(diào)整相應(yīng)信息的過(guò)程。該系統(tǒng)主要包括啟動(dòng)與停止按鈕、模式轉(zhuǎn)換開關(guān)、傳感器、執(zhí)行元件、狀態(tài)指示燈、各類限位開關(guān)等。當(dāng)溫室在初始狀態(tài)下，各執(zhí)行元件處于不工作狀態(tài)，遮光簾關(guān)閉，保溫層關(guān)閉；通過(guò)手動(dòng)控制與自動(dòng)控制選擇開關(guān)確定工作模式，如果選擇自動(dòng)模式，按下啟動(dòng)按鈕后，溫室進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式，各執(zhí)行元件自動(dòng)工作，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指示燈顯示工作狀態(tài)，按下停止按鈕時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)停止工作。

2 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在作物的生長(zhǎng)過(guò)程中，有許多因素都對(duì)其有較大的影響，但在智能控制過(guò)程中，并不能對(duì)所有的影響因素都進(jìn)行檢測(cè)和控制，因此選擇主要的影響因素作為檢測(cè)對(duì)象，并選擇適合于整個(gè)系統(tǒng)使用的檢測(cè)器件。溫室系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)主要有空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤溫度和土壤濕度等，根據(jù)這些檢測(cè)參數(shù)確定相應(yīng)的傳感器。最終確定了檢測(cè)空氣溫度和濕度的傳感器型號(hào)為SHT75,它通過(guò)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，將檢測(cè)的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存入存儲(chǔ)器中，并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，提高了檢測(cè)精度與速率。光照傳感器選擇了型號(hào)為TSL230的傳感器，它可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，該傳感器具有三個(gè)量程，可以根據(jù)使用場(chǎng)合來(lái)選擇合適的檔位，電流輸出范圍為4 mA～20 mA。檢測(cè)二氧化碳濃度的傳感器選擇的型號(hào)為RS-CO2，其性能優(yōu)良，具有靈敏的檢測(cè)元件，整體密封好，能夠在高溫高濕度的場(chǎng)合工作，同時(shí)具有較高的可靠性[1]。檢測(cè)土壤濕度的傳感器選擇的型號(hào)為ZKYC-8FF,其密封性好，可直接埋入土壤中使用，且耐腐蝕，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快。

當(dāng)溫室內(nèi)的溫度高于實(shí)際生產(chǎn)需求時(shí)需采取降溫措施，主要方式為通風(fēng)與遮陽(yáng)；當(dāng)溫室內(nèi)的溫度低于實(shí)際生產(chǎn)需求時(shí)需采取保溫措施。溫室環(huán)境中濕度高于作物生長(zhǎng)所需，可通過(guò)通風(fēng)來(lái)解決；當(dāng)溫室中環(huán)境濕度低于所需值，則通過(guò)運(yùn)作濕水簾來(lái)加濕。當(dāng)夜晚等光照強(qiáng)度不足時(shí)，需要通過(guò)補(bǔ)光燈給作物補(bǔ)光。當(dāng)環(huán)境中二氧化碳濃度低于需求值時(shí)，可采取通風(fēng)與二氧化碳發(fā)生器來(lái)補(bǔ)充。為了使溫室中溫濕度等參數(shù)分布均勻，還需在室內(nèi)采用循環(huán)機(jī)構(gòu)。這些執(zhí)行元件并非獨(dú)立運(yùn)行，單一元件動(dòng)作時(shí)會(huì)對(duì)其他環(huán)境因素產(chǎn)生影響，所以使各執(zhí)行元件相互協(xié)作共同運(yùn)作，從而為作物創(chuàng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。在溫室系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，部分執(zhí)行元件采用了啟停電路，如暖風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、通風(fēng)機(jī)和二氧化碳發(fā)生器等；另外一些執(zhí)行元件采用了正反轉(zhuǎn)電路，如遮陽(yáng)簾和保溫層。啟動(dòng)這種執(zhí)行元件，到達(dá)一定位置后會(huì)觸發(fā)限位開關(guān)停止動(dòng)作，當(dāng)啟動(dòng)反轉(zhuǎn)按鈕后，執(zhí)行元件反向動(dòng)作，到達(dá)一定位置后停止。

3 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

由于PLC具有體積小、可靠性高、方便易用等特點(diǎn)，被用于各種工業(yè)生產(chǎn)中[2]。本設(shè)計(jì)選用了西門子S7-200系列的PLC，型號(hào)為CPU226。一個(gè)智能溫室系統(tǒng)涉及到的輸入設(shè)備有啟動(dòng)按鈕1個(gè)、停止按鈕1個(gè)、急停按鈕1個(gè)、切換開關(guān)1個(gè)、限位開關(guān)4個(gè)、傳感器4個(gè)(溫濕度、二氧化碳、光照、土壤濕度)、手動(dòng)模式下執(zhí)行元件開關(guān)9個(gè)(暖風(fēng)機(jī)、保溫層的正反轉(zhuǎn)、遮陽(yáng)簾的正反轉(zhuǎn)、加濕器、補(bǔ)光燈、通風(fēng)機(jī)、噴淋機(jī))，共計(jì)輸入21個(gè)。系統(tǒng)涉及到的輸出設(shè)備有24 V繼電器7個(gè)、啟動(dòng)指示燈1個(gè)、停止指示燈1個(gè)、設(shè)備運(yùn)行指示燈9個(gè)、急停輸出1個(gè)，共計(jì)輸出19個(gè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，輸入有4個(gè)模擬信號(hào)、17個(gè)數(shù)字信號(hào)，輸出全為數(shù)字信號(hào)。為了滿足輸出數(shù)量，選擇增加數(shù)字量混合模塊EM223-8;為了滿足模擬量的輸入，選擇增加模擬量輸入模塊EM231-8。選擇的擴(kuò)展模塊大于實(shí)際所需，一方面是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面是為以后的系統(tǒng)升級(jí)預(yù)留端口。為了方便編程，需要對(duì)輸入、輸出量進(jìn)行I/O地址分配，主要輸入量和輸出量的I/O地址分配分別如表1和表2所示。

表1 輸入量I/O地址分配

表2 輸出量I/O地址分配

在實(shí)現(xiàn)溫室智能控制的過(guò)程中應(yīng)滿足如下要求：在所有接觸器的使用中，系統(tǒng)應(yīng)具有互鎖機(jī)制，同時(shí)具備自動(dòng)診斷功能。該系統(tǒng)設(shè)有通風(fēng)系統(tǒng)、加濕器、補(bǔ)光燈、遮陽(yáng)簾和保溫層等。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，采集溫室中的主要環(huán)境因素，此時(shí)各類傳感器工作，將收集到的信息轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后，模擬信號(hào)從PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM231-8中輸入，EM231-8將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，PLC將此信號(hào)與預(yù)設(shè)定的范圍進(jìn)行比較，當(dāng)在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，PLC不會(huì)控制執(zhí)行元件動(dòng)作，當(dāng)高于或者低于這個(gè)設(shè)定范圍時(shí)，PLC將會(huì)控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行元件動(dòng)作，從而使溫室中的主要環(huán)境參數(shù)達(dá)到作物適應(yīng)生長(zhǎng)的范圍。溫室監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 溫室監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

工控組態(tài)軟件為工程人員提供了一種工具和方法，可以靈活地建立一套工業(yè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)王軟件是我國(guó)開發(fā)較早的一種組態(tài)軟件，界面靈活并具有很好的通信功能，主要由工程管理器、工程瀏覽器和畫面運(yùn)行系統(tǒng)三部分構(gòu)成[3]。本系統(tǒng)采用的組態(tài)軟件為組態(tài)王6.55，上位機(jī)需要完成溫室中主要環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、溫室中所有執(zhí)行元件的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)顯示、手自動(dòng)切換按鈕顯示、各主要環(huán)境參數(shù)的歷史曲線顯示等。上位機(jī)需要與PLC進(jìn)行連接，首先完成上位機(jī)與PLC之間的接線，PLC通過(guò)串行接口與上位機(jī)進(jìn)行連接；隨后進(jìn)入組態(tài)王軟件中進(jìn)行PLC型號(hào)選擇，在組態(tài)王軟件的工程瀏覽器點(diǎn)擊COM1，點(diǎn)擊新建設(shè)備項(xiàng)，給設(shè)備分配正確的地址，從而實(shí)現(xiàn)組態(tài)王軟件與PLC之間的通訊。通過(guò)組態(tài)王建立的監(jiān)控畫面，能夠反映溫室系統(tǒng)中各環(huán)境參數(shù)的設(shè)定值及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各執(zhí)行元件當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、手動(dòng)模式與自動(dòng)模式的切換等。為了實(shí)現(xiàn)溫室系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作，設(shè)置了手動(dòng)模式與自動(dòng)模式，操作人員不僅可以在現(xiàn)場(chǎng)操作，還可在控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，兩種操作模式可以互相切換。智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的模擬仿真

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，采用S7-200的仿真軟件對(duì)PLC程序系統(tǒng)圖進(jìn)行仿真。在仿真軟件中，選擇型號(hào)為S7-200CPU226的PLC，拓展模塊選擇EM223的數(shù)字量模塊與EM231的模擬量模塊[4]。將編譯好的梯形圖載入到模擬PLC中，點(diǎn)擊運(yùn)行程序，監(jiān)控各I/O端口的運(yùn)行狀況是否與設(shè)計(jì)意圖一致，監(jiān)控系統(tǒng)的仿真界面如圖3所示。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，梯形圖監(jiān)控中M0.0中間繼電器導(dǎo)通，同時(shí)Q0.0得電，啟動(dòng)指示燈點(diǎn)亮，按下SB2整個(gè)系統(tǒng)停止工作，Q0.1點(diǎn)亮，停止指示燈亮。系統(tǒng)默認(rèn)的工作模式為自動(dòng)模式，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)SB4后，監(jiān)控畫面中I0.3導(dǎo)通，M0.1導(dǎo)通，切換為手動(dòng)運(yùn)行模式。在手動(dòng)模式下，撥動(dòng)通風(fēng)機(jī)開關(guān)SB9，監(jiān)控畫面中I1.4得電，M0.6得電，通風(fēng)機(jī)工作。暖風(fēng)機(jī)、加濕器、補(bǔ)光燈、噴淋器的啟停方式與此類似。手動(dòng)模式下，按下遮陽(yáng)網(wǎng)正轉(zhuǎn)按鈕SB5，監(jiān)控畫面中I0.4得電，M0.2得電后同時(shí)自鎖，運(yùn)行到限位開關(guān)SQ1(手動(dòng)撥動(dòng)開關(guān)模擬)后I0.6斷開，M0.2失電，遮陽(yáng)網(wǎng)停止。按下遮陽(yáng)網(wǎng)反轉(zhuǎn)按鈕SB6，監(jiān)控畫面中I0.5得電，M0.3得電后同時(shí)自鎖，運(yùn)行到限位開關(guān)SQ2(手動(dòng)撥動(dòng)開關(guān)模擬)后I0.7斷開，M0.3失電，遮陽(yáng)網(wǎng)停止。將手動(dòng)模式切換為自動(dòng)模式后，監(jiān)控畫面中M0.1失電，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為自動(dòng)運(yùn)行模式，手動(dòng)輸入模擬溫度高于設(shè)定值30 ℃后(模擬量電壓為1.5 V)，比較器得電，M1.3得電，通風(fēng)機(jī)工作。低于設(shè)定值20 ℃后(模擬量電壓為1 V),暖風(fēng)機(jī)工作。當(dāng)按下急停按鈕SB3后，監(jiān)控畫面中所有輸出失電，I0.2得電，M2.5得電后同時(shí)自鎖，蜂鳴器Q1.6與警示燈Q0.2得電后工作。按下停止按鈕后，監(jiān)控畫面中I0.1斷開，蜂鳴器Q1.6與警示燈Q0.2熄滅。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠模擬溫室的運(yùn)行情況，驗(yàn)證了所編程序的正確性。

圖3 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的仿真界面

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于PLC的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，確定了智能溫室系統(tǒng)的主要環(huán)境參數(shù)和檢測(cè)方法，選擇了西門子S7-200CPU226的PLC作為控制器，同時(shí)采用組態(tài)王軟件對(duì)溫室的監(jiān)控界面進(jìn)行繪制，最后利用仿真軟件對(duì)梯形圖進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證了程序的正確性。本設(shè)計(jì)對(duì)今后智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)有一定的借鑒意義。