黃孝平

摘要：PLC （可編程控制器）是一種新型的通用自動(dòng)控制裝置，它能將傳感器技術(shù)、繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有易于編程、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作，非常適合高效溫室的控制要求。設(shè)計(jì)了一種基于PLC的智能溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的溫度、濕度、光照度、風(fēng)速等參數(shù)實(shí)時(shí)采集和控制。

關(guān)鍵詞：PLC 溫室大棚 環(huán)境控制裝置

一、引言

溫室大棚是用于植物生長(zhǎng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的保護(hù)設(shè)施，利用溫室大棚的氣候效應(yīng)與隔離效果進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，起到旱澇保收、空間隔絕、反季節(jié)調(diào)控等作用。因此，準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握溫室大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)，做到科學(xué)適時(shí)調(diào)控，成為溫室大棚生產(chǎn)中提高產(chǎn)量、品質(zhì)，抑制各種病害發(fā)生的重要環(huán)節(jié)。但由于我國(guó)溫室大棚發(fā)展較晚，大多是在參考借鑒國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上自行開(kāi)發(fā)的，在設(shè)備配套能力、環(huán)境調(diào)控技術(shù)、機(jī)械化與自動(dòng)化程度、作物栽培與管理等方面的科技含量與技術(shù)水平還存在一定差距，難以最大限度地發(fā)揮溫室的技術(shù)特點(diǎn)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益最大化，致使我國(guó)溫室大棚種植面積雖然位居世界第一，但產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量并不理想。溫室大棚環(huán)境控制裝置主要用來(lái)對(duì)溫室環(huán)境（氣象環(huán)境和栽培環(huán)境）進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。以蔬菜溫室大棚為例，溫室內(nèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括室內(nèi)氣溫、水溫、土壤溫度、相對(duì)空氣濕度、保溫狀況、CO2濃度。室外監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括大氣溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速、相對(duì)濕度等。溫室環(huán)境控制裝置的應(yīng)用給種植者帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益，提高了決策水平，減輕了技術(shù)管理工作量，同時(shí)也為種植帶來(lái)了極大的方便。

PLC是一種新型的通用自動(dòng)控制裝置，它將傳感器技術(shù)、繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有易于編程、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適宜長(zhǎng)期連續(xù)工作，非常適合智能溫室大棚的控制要求。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、荷蘭、以色列、英國(guó)、加拿大、日本等在現(xiàn)代溫室監(jiān)控技術(shù)上起步比較早，都大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度、C02濃度、水、氣、營(yíng)養(yǎng)液等實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)調(diào)控。隨著微型計(jì)算機(jī)日新月異的進(jìn)步和價(jià)格大幅度下降，以及對(duì)溫室控制要求的提高，以計(jì)算機(jī)為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在歐美得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并邁入網(wǎng)絡(luò)化、智能化階段。

近年來(lái)，我國(guó)溫室控制技術(shù)發(fā)展迅速，以及有大量的商業(yè)化產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)的光照度、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境因素進(jìn)行檢測(cè)和控制，并且已經(jīng)逐步發(fā)展到智能化控制階段，但由于價(jià)格等方面的原因，普及率并不高，所以開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉，且肯有較強(qiáng)實(shí)用性的智能溫室大棚控制裝置是非常必要的。

三、智能溫室大棚的環(huán)境控制裝置和控制方案

1.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能溫室大棚的環(huán)境控制系統(tǒng)就是依據(jù)室內(nèi)外裝設(shè)的溫濕度傳感器、光照傳感器、風(fēng)速傳感器等采集或觀測(cè)的溫室內(nèi)外的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)信息。通過(guò)控制設(shè)備對(duì)溫室大棚環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)控制以達(dá)到栽培作物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，為作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供最適宜的生態(tài)環(huán)境，以大幅度提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 2.系統(tǒng)控制方案

智能溫室大棚的環(huán)境控制系統(tǒng)采用自動(dòng)與手動(dòng)互相切換控制兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的自動(dòng)控制，提高設(shè)備運(yùn)動(dòng)的可靠性。在運(yùn)行的時(shí)候可以通過(guò)按鈕對(duì)這兩種控制方式進(jìn)行切換，用模擬傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度、光照度、風(fēng)速和風(fēng)向等環(huán)境因子數(shù)據(jù)以及用行程、限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，采集到的數(shù)據(jù)和狀態(tài)送PLC相應(yīng)的寄存器保存以備利用。

（1）自動(dòng)控制模式。采用PLC通過(guò)傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)其設(shè)定上限值和下限值，當(dāng)檢測(cè)到某一值超過(guò)設(shè)定值，便發(fā)出信號(hào)自動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉，從而使溫室大棚的環(huán)境參數(shù)控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。其運(yùn)行成本較低，可大大節(jié)約勞動(dòng)力，降低勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）手動(dòng)控制模式。手動(dòng)控制簡(jiǎn)單可靠，由繼電器、接觸器、按鈕、限位開(kāi)關(guān)等電氣元器件組成。

根據(jù)廣西南寧市的歷史氣象數(shù)據(jù)和氣候特點(diǎn)，分析溫室的控制對(duì)象及其影響因素。由傳感器釆集的存儲(chǔ)在PLC指定數(shù)據(jù)寄存器中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速和風(fēng)向值以及根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的各參數(shù)的上下限，決定各輸出機(jī)構(gòu)的輸出狀態(tài)。由于各環(huán)境參數(shù)的耦合關(guān)系，某一環(huán)控設(shè)備的啟閉會(huì)對(duì)多個(gè)環(huán)境因子產(chǎn)生影響針對(duì)這些情況，釆取以下相應(yīng)的措施：①根據(jù)時(shí)間的不同（季節(jié)）、環(huán)境參數(shù)的重要性不同，設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)。在冬季溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中，默認(rèn)為溫度控制優(yōu)先的原則，在溫度條件滿足后，再來(lái)滿足濕度條件。如溫度過(guò)低、濕度過(guò)大的情況下，以加溫為主導(dǎo)，只有當(dāng)溫度上升到一定值后，才能通風(fēng)降濕，另一方面，溫度提高本身可以使相對(duì)濕度降低。在夏季降溫加濕的過(guò)程中，采用以濕度優(yōu)先的原則。當(dāng)濕度過(guò)小時(shí)，開(kāi)啟濕簾風(fēng)機(jī)加濕裝置。②溫度、濕度釆用聯(lián)合控制策略。③考慮意外情況的影響，如濕度低于濕度下限時(shí)，釆用報(bào)警輸出的方式由人工操作濕簾設(shè)備。光照強(qiáng)度大于光強(qiáng)上限時(shí)，打開(kāi)內(nèi)外遮陽(yáng)網(wǎng)。

四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1.軟件的設(shè)計(jì)要求和主要功能

根據(jù)基本要求和技術(shù)要求列出以下幾點(diǎn)：①防止接點(diǎn)誤動(dòng)作，利用自鎖電路可防止接點(diǎn)誤動(dòng)作。②系統(tǒng)自診斷功能，PLC本身具有此項(xiàng)功能。③風(fēng)機(jī)控制。溫室內(nèi)的風(fēng)機(jī)，能同時(shí)啟動(dòng)與停止，當(dāng)溫室內(nèi)的溫度超出預(yù)定值時(shí)，受PLC的控制先是天窗自動(dòng)打開(kāi)，延時(shí)5秒后風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，再延時(shí)5秒后濕簾泵啟動(dòng)，從而溫室的溫度降低。④天窗控制，溫室中設(shè)有4個(gè)天窗，天窗受電機(jī)控制，通過(guò)電機(jī)限位的設(shè)定來(lái)控制天窗的行程。⑤系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)控制，可利用一個(gè)開(kāi)關(guān)量作為PLC的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制程序的轉(zhuǎn)換。⑥濕簾泵控制。⑦遮陽(yáng)網(wǎng)控制。⑧可擴(kuò)展性，在PLC中預(yù)留一定的存儲(chǔ)空間和端口。

2.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中對(duì)風(fēng)扇、天窗、側(cè)窗、環(huán)流風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)幕和濕簾泵的控制是通過(guò)PLC發(fā)出開(kāi)關(guān)指令，通過(guò)交流接觸器控制相關(guān)機(jī)構(gòu)的啟停。由于PLC檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的靈敏度，能夠把溫室內(nèi)的擾動(dòng)快速反應(yīng)出來(lái)，同時(shí)由于溫室較大的傳遞滯后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁，從而影響使用壽命。為此，在程序中加有時(shí)間可調(diào)的延時(shí)模塊，使用時(shí)可根據(jù)具體情況調(diào)整延時(shí)，使控制效果達(dá)到最佳。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。利用FPWINGR軟件采用梯形圖語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)的程序，以溫度控制為例。

3.系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件是可以從可編程控制器以及各種數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，然后發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行是否正常的一種軟件包。本系統(tǒng)中的監(jiān)控界面采用的是組態(tài)王kingview6.55，通過(guò)與PLC進(jìn)行通信，用于遠(yuǎn)距離溫室監(jiān)控，溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的不間斷連續(xù)收集、整理、統(tǒng)計(jì)、制圖以及溫室設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線記錄。其主要功能如下：

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)視功能。它可以通過(guò)通訊線遠(yuǎn)程監(jiān)視多座溫室的當(dāng)前狀態(tài)，包括戶外溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨雪信號(hào)、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、控制器溫度、獨(dú)立通風(fēng)窗的位置和開(kāi)關(guān)狀態(tài)、內(nèi)外遮陽(yáng)簾的位置和開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及風(fēng)扇、濕簾、微霧、加熱器、環(huán)流風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、水暖三通閥的狀態(tài)和多種形式的報(bào)警監(jiān)視。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。它可以統(tǒng)計(jì)任意時(shí)刻的戶外溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、C02濃度等全月、全周、全日的和本時(shí)段的最大值、最小值和平均值。

（3）溫室設(shè)備運(yùn)行記錄功能。它能在線記錄各溫室設(shè)備狀態(tài)變化時(shí)的時(shí)間、當(dāng)前狀態(tài)和位置、當(dāng)前目標(biāo)溫度、室內(nèi)溫度、目標(biāo)濕度和室內(nèi)濕度，并能打一印輸出。

（4）遠(yuǎn)程設(shè)定功能，可以通過(guò)通訊線遠(yuǎn)程修改可編程控制器的全部設(shè)定參數(shù)。

（5）生成曲線圖功能，它能以平面圖或者立體圖的方式同時(shí)繪制任意時(shí)刻的戶外溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、目標(biāo)溫度、室內(nèi)溫度、目標(biāo)濕度、室內(nèi)濕度、CO2濃度等全年、全月、全周、全日的變化曲線并打印輸出。

五、結(jié)論

溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本研究選擇了溫度、濕度、太陽(yáng)能總輻射和風(fēng)速影響等對(duì)溫室環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室溫度、濕度、光照度、風(fēng)速等參數(shù)實(shí)時(shí)采集、人機(jī)交互模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊，可實(shí)現(xiàn)曲線圖或報(bào)表形式顯示歷史溫室環(huán)境參數(shù)。各模塊采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，具有良好的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。PLC工作性能穩(wěn)定，能夠長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)傳感器信號(hào)并記錄數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要設(shè)置傳感器信號(hào)釆集頻率，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，能有效提高溫室大棚的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳小偉，史志中，鐘志堂.國(guó)內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，（04）：1-7+18.

[2]劉永華.基于PLC與WinCC組態(tài)軟件的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014，（10）：20-22.

[3]王鑫，崔忠林，劉建.基于STC12C5A16S2的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，（20）：24-26+29.

[4]狄敬國(guó)，李秀美.基于PLC、變頻器和腿屏技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2012，（05）：39-41

[5]張亞娟，劉寒冰.基于PLC和組態(tài)軟件的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，（06）：1983-1985+1989.

[6]蔣蔚，王克明，張兆莉.水泵給水系統(tǒng)的PLC變頻恒壓控制與組態(tài)監(jiān)測(cè)[J].機(jī)床與液壓，2008，（07）：344-347.