农村蔬菜大棚温室的智能控制设计初探

岳 睿

（1.无锡市环境科学与工程研究中心，江苏 无锡 214153；2.无锡城市职业技术学院，江苏 无锡 214153）

引言

人们对水果蔬菜等农作物的需求越来越大，对品质的要求越来越高。不同的农作物对生长环境和气候的要求都是不一样的，而生长环境直接影响农作物产量和品质；不同地区不同季节的环境和气候有很大变化。所以为了克服外界气候和环境对农作物产量和品质的影响，减少不利因素的存在，增加反季节的新鲜农产品，充分利用资源，发展现代化农业，提高农作物的产量和品质，必须采用现代化农业温室大棚来保证农作物的正常生长。近年来，随着自动化技术以及计算机技术的快速发展，将智能化、自动化、机械化等科技化的技术应用到温室大棚中，形成智能化的温室控制系统也是发展现代化农业、提高农业效率、满足社会需求的需要。PLC作为一种先进的工业控制计算机，其应用非常广泛，再结合温度传感器、湿度传感器及辅助的人机交互和通信技术,就能够有效地控制农作物生长所需的主要环境条件，这样有助于温室种植的发展,提高农业生产的经济效益。

1.温室大棚系统设计总体介绍

1.1 系统总体

本设计采用三菱PLC设计出温室大棚系统大体模型，PLC能通过温度传感器和温度变送器实现数据采集，PLC与PC机组成温室大棚中的温度实时监控系统，接收温度传感器传来的实时温度信息，将温度信息送入PLC中，经过PLC的逻辑处理，然后对执行的设备发出逻辑指令，通过执行指令进而控制电机的开关，达到对温室大棚中的温度进行调控。

1.2 系统功能

本系统的设计有主要功能以下：

（1）对温室大棚内的温度进行监督和显示：利用LED显示屏将温室大棚内的温室实时地读取并显示出来，及时地将温室内的温度反馈出来。

（2）温度采集功能：利用温度传感器测量实时温度，通过测量值进行模数转换成机器能识别的数据。

（3）自动控制和调节温室大棚内的温度：可以把温度控制在一个自定义温度范围内。

（4）手动控制和调节温室大棚内的温度：可以手动控制和调节温室大棚内的温度。

（5）电路保护：通过漏电开关、热继电器、熔断器等电路保护设施，保护整个系统正常运行。

1.3 系统结构

1.3.1 设计结构

温室大棚的逻辑部分主要由PLC来完成，通过温度传感器对周围环境温度的采集，将测量值传进PLC与设定值比较，若测量值比设定值上限高则启动冷风机，若低于设定值下限则启动加热器，当测量值处于定制范围内则两台电机都不启动，处于等待下一次判断。当需要手动控制温度时，亦可选择手动挡进行手动控制温度的高低。PLC是整个设计的逻辑控制中心，加热器和冷风机温度调节的上温降温模块，是温度控制和调节的重要组成部分。温度传感器和变送器是温度采集模块的主要部分，各模块互相做工作共同组成温室大棚的控制系统。

1.3.2 组成结构

本设计设定了自动控制和手动控制，自动控制是结合温度采集模块一起进行控制温室的温度在设定值左右；而手动控制是通过手动通断升温模块或降温模块来达到升温或降温；控制器是选择PLC进行逻辑运算，是整个设计的核心。液晶显示是通过温度采集的模块的模数转换后，再经过运算得到的当前温度值，加热模块和降温模块，主要是根据自动控制或手动控制来控制开关的通断启动电机，从而升高或降低温度。本系统的组成结构如图1所示。

图1 农村蔬菜大棚温控系统组成

本设计的组成结构主要由逻辑控制中心——PLC，温度采集传模块、显示模块、外接的升温模块和降温模块等部分组成，其中控制中心为设计的核心。

自动控制：通过温度采集模块收集的温室的温度数据，通过PLC模拟量输入模块AD输入到PLC中，经过PLC逻辑比较与设定值比较，输出开关量进而对执行设备进行控制通断。具体来说就是按下启动按钮之后，系统各模块启动等待指令，接收有温度传感器检测到的温度信号，然后经过PLC内部处理，有输出模块输出控制信号，以控制外部的执行器件。如果温度过高，就会驱动抽风机，通过抽风机来降低温室大棚内的温度；如果温度过低，就会驱动发热片，来调节温室大棚温度。显示模块根据温度传感采集到的模拟量，显示出当前的实时温度。

手动控制：可以由人为意识控制，通过控制输入直接控制输出，进而控制电机启动与停止，来达到设定温度。手动控制主要是辅助自动控制，使得系统对温度的控制能够灵活且人性化。

2.温室大棚系统硬件设计

本节从硬件来介绍温室大棚系统设计，主要介绍硬件的特性、参数、功能、选型及组装连接。

2.1 温室大棚的控制器PLC选型

本次设计用到的国产工控式PLC是三菱PLC的FX2N型。FX2N系列时FX系列PLC家族中相对较先进的系列之一，具有高速处理程序及可扩展单个特殊功能模块等特点，给工业自动化应用提供灵活性、控制能力和扩展能力。主要性能如下：

（1）可扩展特殊功能模块I/O；

（2）逻辑运算快速；

（3）快速断开端子；

（4）时钟功能和小时表功能；

（5）持续扫描功能；

（6）在线编辑；

（7）稳定性高。

选择的型号为FX2N-ZK2N-10MR-2DA最佳，可编程控制器内部的中断程序多达4个。具有丰富的功能，比如AD转换输入、DA转换输出、PID调节功能、高速计数器功能、通讯功能以及数据处理功能等。能和上位机进行通讯。该款PLC由直流电源24V供电，其型号为晶体管输出型。当时在选型时考虑了I/O预留，所以在选型时选用了6点数字量输入、4点数字量输出、2点模拟量输入、2点com输入、1点模拟量输出的PLC，尺寸大小为95mm×90mm×30mm,带有一个232串口。

2.2 温度传感器

温度传感器是指能温度并转换成可用输出信号的传感器，本次选取的温度传感器为热电阻Pt100温度传感器探头，Pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。其工作原理是金属随着温度的变化，其电阻值也发生变化，热电阻的温度系数可分为正温度系数和负温度系数。正温度系数：温度升高，阻值升高；温度降低，阻值下降。负温度系数：温度升高，阻值下降；温度降低，阻值上升。热电阻Pt100热电阻传感器带温度传感器的变送器的，一般由常感器和信号变送器两部分组成。热电阻Pt100热电阻传感器主要参数：

（1）响应时间：1～1.5秒；

（2）精度等级：A0.2级；

（3）工作温度范围：-50℃～200℃。

2.3 温度变送器

本设计选择的导轨式一体温度变送器模块4～20mA变送器。其输出二线制4～20mA输出，输入是温度传感器Pt100热电阻。Pt100热电阻温度变送器直接安装于Pt100热电阻接线盒内将热电阻Pt100的电阻信号转化为二线制4～20mA输出。不仅可用于工业过程温度参数的测量和控制，也可以用于家居应用控制。变送器通常和温度传感器结合使用，温度传感器提供输入信号，变送器把输入信号转化为二线制输出。温度变送器的信号转换器主要是由测量单元、信号处理和转换单元三部分组成。导轨式一体温度变送器模块4～20mA温度传感器变送器不仅有高精度、高线性度、反干扰性高、响应速度快，对环境要求较低，还具有可靠性好、良好的长期稳定性、滞后小等特点。适合温室大棚的使用。该变送器的主要参数如下：

（1）输入信号：热电阻信号输入；

（2）输出信号：4～20mA；

（3）负载电阻：0～500Ω；

（4）额定电压：24VDC；

（5）热电阻温度变送器精度：0.2%FS；

（6）温度稳定性：零点漂移，标准0.05%FS/℃，量程漂移，标准0.002%FS/℃；

（7）温度变送器功耗:≤0.5W。

2.4 升温模块和降温模块

2.4.1 升温模块

升温模块选择的是220V伏恒温工业PTC绝缘空气加热器，工业PTC加热器，采用波纹加热片，与空气接触面积大，高效率低功耗。发热片擦爱用绝缘型PTC，表面不带电不发红，提高安全级别。PTC材料是很多工业加温的的优选材料。具有安全级别性能高、耐高温性强、耐腐蚀型高和使用寿命长久等特点。伏恒温PTC绝缘空气风扇加热器烘干器主要参数入下：

（1）额定电压：220V ；

（2）额定功率：≤500W；

（3）加热空间：≤10立方米 ；

（4）耐温极限：120度；

（5）重量：1.2千克；

（6）规格：绝缘型波纹加热器；

（7）加热器尺寸：125×80×104mm。

2.4.2 降温模块

降温模块选择的的是工业级吸烟仪风扇，是220V的迅速散热抽风机，双面保护网，加强了安全性和抽风机的质量。优点就是体积小、功率低、转速快、散热快速、易于安装等等。以下为抽风机的主要参数：

（1）额定电压：220V～240V；

（2）额定频率：50/60Hz；

（3）额定功率≤30W；

（4）转速：2650/3050(R/min)；

（5）300W风扇加热器尺寸：120×120×38mm（含支架尺寸）。

2.5 硬件的搭建与接线

本硬件系统的设计结构主要包括以下几部分：硬件底盘、系统控制面板、温室模型、操作台。控制系统的供电电压为24V低压，通过输入220V的市电进行整流，输出24V的直流电给各个低压器件供电。为安全起见系统供电总开关采用空气开关。为了使整个系统的器件布置安排有条理和移动方便，整个硬件系统都在一个一层底盘组装，使用三合板作为底盘，三合板具有表面平整、体重轻便且价格优惠的特点。底盘的规格是60cm×40cm，刚好适合整个系统的模块摆设,一层的设计方便温室与控制面板连接，简单且美观。

3.蔬菜温室大棚系统工作流程

本设计主要是温度采集和PLC的逻辑运算，将温度传感器采集到的测量值通过变送器转换成标准的电量，传给PLC与设定值（期望值）比较，根据与设定值高低比较，来发送指令控制抽风机与电热器的启动与关闭,循环扫描，不断控制温度在一个恒值范围。温室大棚工作流程如图2所示。

图2 PLC工作流程图

PLC通过循环扫描检查温室大棚的温度及时地送入到PLC中，并与设定值比较，若高于设定值则关闭电热器打开抽风机降温,若低于设定值则关闭抽风机打开电热器升高温度,本设计采用双控制，手动控制及自动控制。可以通过手动控制打开或关闭电机，两种控制方式互相独立，相辅相成。

4.结语

本设计为使用三菱FX2N型PLC，完成了温室大棚控制系统的基本恒定温度设计。设有手动和自动两种控制方式，自动控制方式是正常运行状态，手动模式用于应对突发情况。在利用自动控制还是手动控制的控制效果基本上达到了要求，通过对系统的温度采集、PLC指令逻辑两方面的结合，设计出的系统达到了预期的效果。当然，由于温度传感器测量的精确度的原因，以及缺少精密的PLC控制模块等多方面影响，设计出来的系统也存在稍微不足的地方。