菇房温湿度控制及监测系统设计与试验

李海芸，岳舒婷，董楸煌

(1.福建农林大学 机电工程学院，福建 福州 350002；2.现代农业装备福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002)

菇房是专门用来生产食用菌的温室[1-2]。在国外，对于温室的研究比国内要早且成果也较为丰富，如美国、荷兰等国家。美国最早将计算机应用于温室中，它研究并开发的现代化温室可以根据作物各阶段生长对环境的不同要求通过计算机进行控制与管理，实现对温室内二氧化碳浓度、温度、湿度等诸多环境因子进行自动化控制，实现作物全天性高效生产[3]。荷兰的玻璃温室享誉全球，20世纪以来，荷兰的农民将一百多年前的温室技术慢慢地由简变繁，逐步走向现代化，而且对作物生长环境的控制已经全面实现自动化[4]。

本文设计的温湿度控制系统以西门子系列S7-200PLC为主要控制元件，通过PLC加温降温、加湿降湿元器件来达到设计的目的。整个硬件系统搭建起来成本低廉，只要在上位机修改程序就可以调整为食用菌每一个阶段生长的温湿度要求，操作方便。

1 系统自动化控制方案

控制系统总体框架如图1所示，在上位机编写好控制程序之后与下位机PLC通过串口进行连接[5]，开关按钮等连接至PLC输入端口，温湿度传感器采集菇房温湿度信号通过A/D转换后送至PLC，通过运行程序对外部执行机构进行控制[6-8]，实现对菇房温湿度环境因子调控。

图1 控制系统总体结构框架图Fig.1 Overall structure diagram of network communication control system

2 控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计

系统硬件采用西门子S7-200系列CPU224 AC/DC/RLY的PLC作为控制器，控制相对应的运行指示灯、水泵电磁继电器、风机电磁继电器等,可以满足菇房内加温降温、加湿降湿控制系统使用要求。具体的控制系统电路连接如图2所示，输入端I1.0外接硬件系统总开关，由24 V开关电源供电，输出端Q0.0-Q0.6外接负载，负载另一端与PLC的N端相接，对应的公共端1L、2L与PLC的L1端相连。扩展模块EM231由CPU224自带24 V传感器电源供电，温湿度传感器的信号端分别于模块上部的A+、A-、B+、B-相连，其它未用到的通道做短接处理[9]。

图2 控制系统硬件电路图Fig.2 Hardware circuit diagram of the control system

2.2 控制系统软件设计

控制系统的控制程序分为湿度和温度两大部分，其功能如下：

(1)湿度控制程序流程如图3(a)所示。调用子程序将采集到的湿度信号经A/D转换与设定湿度范围进行比较，当实际湿度值低于设定值下限时，PLC根据用户所编写的程序命令输出点动作，使得水泵开始工作为菇房进行加湿。当实际湿度值高于设定值上限时，PLC根据用户所编写的程序命令输出点动作，使得冷风机开始工作为菇房降湿。

(2)温度控制程序流程如图3(b)所示。温度控制程序与湿度控制程序相类似。

图3 控制系统程序流程图Fig.3 Flowchart of the control system program

3 上位机监测界面设计

本设计选用西门子SMART LINE 1000 IE触摸屏。SIMATIC Wincc Flexible是组态西门子触摸屏的软件，可用于集成组态所有新型操作面板，实现控制和监视设备。控制系统在运行中能够方便查看参数状态，画面显示各执行元件运行状态、时间、温湿度参数，达到实时监控的效果[10-11]。系统实时监控主界面如图4所示，主要包括：参数设置界面和实时监控界面。参数设置界面主要是对菇房温湿度的范围进行设定与修改；实时监控界面主要是用来显示当前菇房的温湿度值以及各执行机构的运行状态，若各执行机构没有正常运行可以按下急停按钮停止系统运行。

图4 系统实时监控主界面图Fig.4 Main interface of system real-time monitoring

采用的串口连接通信方式在控制系统的上下位机通讯流畅，SMART 1000 IE控制平台不仅能稳定地读取PLC的运行数据，还能快速响应对PLC发送指令。在触摸屏对下位机的控制过程中不仅可以实时记录系统数据，还可以利用数据库对数据进行查看。

4 试验与分析

为验证基于PLC的菇房温湿度控制系统的性能，在长10 m的菇房室内，距离风机位置每隔1 m布置测量点，对温湿度值进行多次测量取平均值并记录，试验数据结果如图5所示。各个测点的温度标准差在0.09～0.20，各个测点的湿度标准差在0.07～0.32，菇房环境温湿度值几乎都在设置数值范围内，基本达到控制效果。

图5 试验数据曲线图Fig.5 Test data graph

5 结论

本文通过串口连接的方法，系统通信有较强的适应能力。设计了叠装式PLC控制系统，且该菇房温湿度控制系统稳定，为后续系统的进一步改进打下基础。触摸屏作为整套控制系统的集控平台，实现了菇房脱离计算机对现场环境实时控制。利用Access数据库软件建立菇房温湿度数据库系统，以实现设备运行数据的科学管理。