興寧市技工學(xué)校 林益宏 賴亦環(huán)

一、引言

溫室種植是我國(guó)推進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)過(guò)程中極其重要的一環(huán)，利用溫室人為改善種植環(huán)境，使經(jīng)濟(jì)作物的種植擺脫溫度、濕度、季節(jié)、地域等的限制，實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量的提升，滿足人民日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)生活需求，具有重要意義和研究?jī)r(jià)值。

目前我國(guó)溫室環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域，仍大量使用最原始的人工監(jiān)控；農(nóng)戶根據(jù)溫室大棚內(nèi)的溫濕度計(jì)，對(duì)照作物適宜的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行人工調(diào)節(jié)；人工調(diào)節(jié)往往具有時(shí)延性，且常常矯枉過(guò)正，控制精度較低，實(shí)時(shí)性差；而在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用已十分成熟，其中以美國(guó)、荷蘭、日本等國(guó)為代表，其產(chǎn)品可監(jiān)控溫室運(yùn)行狀況，設(shè)置控制參數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的調(diào)控，且做到了較高的控制精度和穩(wěn)定性；但國(guó)外公司的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，且漢化功能不完整，對(duì)農(nóng)戶使用操作的要求較高，不適宜在國(guó)內(nèi)大幅推廣。

因此，本文擬設(shè)計(jì)一款基于PLC和HMI人機(jī)界面的溫度環(huán)境智能控制系統(tǒng)，以彌補(bǔ)我國(guó)在溫室環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域的不足，幫助農(nóng)戶和中小村鎮(zhèn)農(nóng)企增產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的智能化生產(chǎn)管理，推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程。

二、溫室控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

結(jié)合我國(guó)中小型農(nóng)戶也村鎮(zhèn)農(nóng)企多的特點(diǎn)，并切合農(nóng)戶的操作習(xí)慣，為了實(shí)現(xiàn)溫室大棚中的空氣溫濕度、土壤溫濕度等關(guān)鍵變量的控制，本文的設(shè)計(jì)需求為一款操作簡(jiǎn)單、界面友好、穩(wěn)定性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)的實(shí)時(shí)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，并具有自動(dòng)運(yùn)行模式和手動(dòng)運(yùn)行模式，具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

1.空氣溫度控制

采用加熱/風(fēng)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)，控制溫度；即當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，開(kāi)啟冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，開(kāi)啟暖風(fēng)機(jī)/熱光燈進(jìn)行加溫；由系統(tǒng)中傳感器獲取控制信息，并由PLC發(fā)出指令啟動(dòng)/停止，并用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。

2.空氣濕度控制

濕度控制采用加濕器/通風(fēng)的方式實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)空氣濕度；即當(dāng)濕度過(guò)高時(shí)，采取通風(fēng)措施，打開(kāi)風(fēng)機(jī)；濕度低時(shí)，溫室加濕器裝置啟動(dòng)，增加濕度；由系統(tǒng)中傳感器獲取控制信息，并由PLC發(fā)出指令啟動(dòng)/停止，并用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。

3.土壤濕度控制

土壤濕度控制使用滴灌裝置實(shí)現(xiàn)；當(dāng)土壤濕度過(guò)低，啟動(dòng)滴灌裝置進(jìn)行處理；當(dāng)土壤濕度過(guò)高，停止滴灌，讓土壤中水分被植被吸收和蒸發(fā)，調(diào)節(jié)土壤濕度。

4.土壤溫度控制

當(dāng)土壤溫度傳感器檢測(cè)土壤溫度異常時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)土壤溫度控制儀，進(jìn)行土壤的升溫或降溫操作，調(diào)節(jié)土壤溫度。

根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)主要組成部分包括空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、PLC主控制器、模擬量處理模塊、HMI人機(jī)界面、溫室暖光燈、冷熱調(diào)溫風(fēng)機(jī)、加濕器、滴灌設(shè)施等設(shè)備組成，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所研究的系統(tǒng)是以PLC為控制核心，配備HMI人機(jī)界面，并與諸多參數(shù)監(jiān)控的傳感器、調(diào)節(jié)裝置一起構(gòu)成了系統(tǒng)的主體；系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式，模式選擇由操作人員通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換；系統(tǒng)采用市電220AC供電，經(jīng)市電進(jìn)入后分為兩路，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，分為自動(dòng)/手動(dòng)兩種工作模式；手動(dòng)工作模式下，用戶直接控制各子功能按鍵的通斷來(lái)調(diào)控溫室環(huán)境。自動(dòng)模式下，手動(dòng)回路斷電，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)工作狀態(tài)，由程序邏輯進(jìn)行判斷從而調(diào)控溫室環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本文中選用的PLC是三菱的PLC-FX2N系列；FX2N系列是三菱公司推出的小型PLC，此型號(hào)具有很高的性價(jià)比，支持豐富的指令功能，編程開(kāi)發(fā)界面友好，比較符合東方人使用習(xí)慣；FX2N系列PLC具有豐富的系統(tǒng)資源和可擴(kuò)展資源，可滿足本系統(tǒng)的使用需求。

本文中需要使用到測(cè)量室溫的溫濕度傳感器，我們選用功耗低、測(cè)量精度高、可靠性高的模擬量傳感器4-20MA；其量程范圍可達(dá)到-50°C-70°C，在溫室環(huán)境控制中廣泛應(yīng)用。

本文中需要使用到數(shù)組土壤溫濕度傳感器，主要從來(lái)測(cè)量單位土壤內(nèi)所含的水分。在本系統(tǒng)中，選型以模擬量控制的FDR型土壤溫度/濕度傳感器；其具有很低的功耗，測(cè)量精度相對(duì)較高、穩(wěn)定可靠，且其受土壤環(huán)境影響較小，適應(yīng)各種土質(zhì)。

圖2 主程序設(shè)計(jì)流程圖

四、軟件與組態(tài)設(shè)計(jì)

1.主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，主控PLC執(zhí)行程序，循環(huán)執(zhí)行各個(gè)子模塊監(jiān)控程序。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，對(duì)各個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行初始狀態(tài)檢測(cè)，對(duì)寄存器值進(jìn)行復(fù)位。然后程序讀取出操作人員預(yù)先設(shè)置的控制參數(shù)，如空氣溫度上下限、報(bào)警值、參數(shù)采集頻率、監(jiān)控時(shí)間等。初始化后，程序分別依次進(jìn)入各個(gè)控制子程序，進(jìn)行某個(gè)參數(shù)的詳細(xì)控制階段，由傳感器采集實(shí)時(shí)的參數(shù)數(shù)據(jù)，程序分析后依照差值對(duì)參數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，操作人員可以使用HMI人機(jī)界面隊(duì)PLC中數(shù)據(jù)寄存器的監(jiān)控參數(shù)數(shù)值進(jìn)行修改，修改后程序會(huì)根據(jù)用戶需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2所示為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主程序設(shè)計(jì)流程圖。

2.上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)

依照本文所需設(shè)計(jì)的內(nèi)容，傳感器主要檢測(cè)空氣溫度/空氣濕度/土壤溫度/土壤濕度四個(gè)變量參數(shù)，上位機(jī)組態(tài)軟件綜合各參數(shù)狀態(tài)、自動(dòng)/手動(dòng)工作模式控制、參數(shù)實(shí)時(shí)曲線、功能開(kāi)關(guān)等界面。

五、結(jié)語(yǔ)

利用PLC技術(shù)進(jìn)行溫室環(huán)境控制，不僅具有很高的可靠性，且對(duì)于經(jīng)濟(jì)作物的生長(zhǎng)具有較好的保障；本文針對(duì)溫室控制系統(tǒng)這一領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛調(diào)研，在國(guó)內(nèi)外溫室設(shè)施的發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)溫室設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀和農(nóng)戶/中小型村鎮(zhèn)農(nóng)企的溫室環(huán)境調(diào)控實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出一款基于PLC和組態(tài)軟件的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，具有良好的交互界面，操作簡(jiǎn)單，在節(jié)約能耗的同時(shí)提升溫控效率，相對(duì)于傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢(shì)，可帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為廣大學(xué)者提供了思路。