基于PLC的温室大棚控制系统设计*

穆 彤，杨 杰，牛永江

(天水师范学院 机电与汽车工程学院，甘肃 天水 741001)

0 引 言

农业温室智能控制是现阶段设施农业种植与农业生产的关键部分,是中国能够有效提高农作物生产率,保证农作物品质的重要工具[1-3]。在农作物的生长过程中，对环境进行实时监测和有效控制对其生长发育具有非常重要的意义。相关研究表明：农作物的产量与净光合速率、气孔导度及水分利用率之间存在极显著正相关关系[4-5]。光合作用与农作物产量息息相关，适宜的温度、湿度环境能在很大程度上提高其自身光合潜能的施展。而胞间二氧化碳浓度作为植物光合作用的主要反应物之一，其含量的变化可反映植物叶片光合作用的进程。植物在阳光与水的作用下，将大气中的二氧化碳转化为化学能来存储，以维持自身的生长，但若二氧化碳的浓度太高，便有可能让地球变得更加干燥，反而对植物产生更加深远、复杂的不利影响。在较高二氧化碳浓度环境下，植物对水的利用效率更高，并且随着温度的升高，水的损失有所减少。因此，笔者所监测和控制的对象主要考虑大棚的温度、湿度和二氧化碳浓度。

传统的温室大棚对农作物的环境很难及时调节，对于温度、湿度、二氧化碳浓度等的分析更加不易实现。为此，从智能化控制的角度出发，笔者通过PLC对温室大棚的温度、湿度和二氧化碳浓度等环境参数进行监测、分析与控制，实现温室大棚的自动化管理和控制，提高农作物产量和经济效益。

1 总体方案设计

1.1 总体框架

文中以PLC为控制器，数字量输入采集信号通过旋钮、按钮、光电开关等获取，模拟量输入采集信号由温度传感器、二氧化碳浓度传感器和湿度传感器获取，大棚采用采取全密封型设计。整个控制系统通过监控中心进行实时监测，由温度传感器、湿度传感器和二氧化碳浓度传感器采集大棚内环境数据，并通过PLC控制三色灯和电磁阀、风机、电机、伺服电机、加热器等执行机构完成控制数字量输出。温室大棚的上方安装有喷淋系统，并在温室大棚入口与出口各安装风机1台。从而实现当二氧化碳浓度监控系统及温、湿度监控系统报警后，温度调节系统和湿度调节系统能够自动启动对大棚环境进行调节。控制结构图如图1所示。

图1 控制结构图

1.2 控制系统及其组成的选型

此系统采用SIMATIC S7-1200PLC，CPU模块为1214C。伺服采用西门子V90三相400 V高惯量伺服驱动系统，带增量式编码器，选用PTI版本、脉冲+方向的位置控制模式。伺服主要参数设定：将P29003的值设为0，外部脉冲位置控制；将P29010的值设为0，脉冲+方向控制模式；选用24 V单端脉冲输入，电子齿轮比分子定为1，分母定位5。交流接触器选用德力西CJX2s 1810，220 V线圈电压，承受电流18 A。温度传感器选用PT100铂热电阻，选择量程为0～50 ℃，输出信号4～20 mA；二氧化碳浓度传感器选用普锐森社MQ137，量程选择为0～50 ppm，输出信号4～20 mA；湿度传感器选用隆旅LS-I-50KG型传感器。

2 控制系统实施方案

2.1 监控中心

监控中心由SM1214CDC/DC/DCPLC和精智面板TP900组成，在博图平台中对需要的硬件进行组态，在网络视图中将CPU模块和触摸屏的PROFINET接口连接，并完成相应的属性设置。网络视图组态如图2所示。

图2 网络视图组态

硬件监控显示基于博图平台仿真和触摸屏仿真实现，当PLCSIM中I1.1置位，模拟打开自动控制模式，若此时，PLC监测到温室大棚的二氧化碳浓度、湿度、温度等参数超过上限，仿真界面对应棒状图变为红色，系统自动开启调节模式，入口风机、出口风机旋转，上水、喷淋执行相应动作，直至调节到合适的环境参数后恢复，棒状图变为蓝色。

2.2 控制系统原理及流程

对温室大棚内的温度、湿度和二氧化碳浓度等参数实施控制的具体方案是：当温室大棚内二氧化碳浓度超过设定浓度时，开启进口风机，当浓度下降到设定初始值，停止室内空气调节；当系统温度低于设置初始温度启动加热系统，打开加热器预热，10 s后开启风机加速空气流通，促进大棚内各部分温度迅速达到要求温度，当温度达到设定要求后关闭加热器，风机继续工作直至加热器停止后停止工作。当系统温度高于设定的最高温度进行降温启动，打开风机、喷头喷水，达到设定最低温度，停止风机、喷淋；湿度传感器监测棚内土壤湿度，当湿度突破设定下限时，喷淋系统工作。控制流程图如图3所示。

图3 控制流程图

2.3 硬件设计

此系统采用工业现场总线，搭建监控网络，利用PC、PLC和HMI完成现场数据监测，通过各类传感器接收相关数据信息，再用PLC数字量/模拟量模块对温度、湿度、二氧化碳浓度等现场数据进行采集处理，并通过程序判别实现对变频器、交流电机、水位开关电磁阀的控制。上位机采用WINCC完成PLC的触摸屏设计，在PLCSIM中改变模拟量对应的数字量的值使温度超过上限，当温度及二氧化碳浓度超过上限通过颜色进行监控并控制风机和喷淋系统执行相应的操作。自动控制水位由两个鸭嘴式浮球水位开关控制，初始状态时水箱内水位在低水位与高水位之间，当水位低于低水位时，低水位开关不触发，常闭接通水箱注水电磁阀打开，完成水箱注水工作，由于线圈自锁，水位上升低水位开关触发，常闭断开电磁阀不停止工作，直到高水位开关触发，其常闭断开，线圈停止工作，注水电磁阀停止工作。温室大棚中间的护栏有三个作用，它既用来隔离也用来给两侧的农作物供水灌溉。

2.4 软件核心控制过程

(1)时间记录模块

将本地时间写入到PLC的CPU当中，过程如图4所示，其内容是在PLC上电的第一扫描周期将当地时间写入到DTL格式的数据块当中，完成后再将这个数据块写入到PLC的系统本地时间，然后再读取本地时间，用读取出来时间参数与程序中设定的参数比较，完成一些与时间相关的工作内容，例如固定时间段的自动灌溉任务。

图4 写入本地时间梯形图

(2)风机控制

控制入口风机工作的梯形图如图5所示，在温度过高、过低和二氧化碳浓度超标的情况下，入口处的风机都会启动，且当温度过低时加热器加热10 s后入口风机才开始工作。

图5 入口风机梯形图

(3)灌溉及喷淋控制

图6为水箱水位控制的梯形图，该程序块实现农作物的灌溉。当液位低于低水位时，低水位开关闭合，水箱电磁阀打开，直至液位到达高水位时关闭水箱电磁阀。图7为喷淋控制程序，主要通过控制电磁阀的启停来控制喷淋，当温度过高或者需要手动喷淋的时候可以控制其打开喷淋。

图6 水箱水位控制梯形图

图7 喷淋控制梯形图

3 总 结

文中在充分调研温度、湿度及二氧化碳浓度对农作物影响程度的基础上，利用PLC控制器监测环境参数，并通过程序控制伺服电机、电磁阀等执行部件完成了温室大棚环境参数的自动调节，实现了温室大棚的自动化管理和控制。该系统控制逻辑简单、稳定性好，对推进温室大棚的智能化控制、实现农业现代化具有重要意义。