陳 哲，李德英，劉衛(wèi)兵，丁玉雄

（湖南信息學院 電子信息學院，長沙 410151）

目前我國面臨著土地資源匱乏、人均耕地嚴重不足、耕地退化等問題，為了解決這些問題，我們必須要加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量，克服季節(jié)和地理位置等。溫室大棚作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的主要部分之一，對其實現(xiàn)智能化的控制與監(jiān)控能夠使農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境達到最適值，從而可提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和數(shù)量，提高經(jīng)濟效益。PLC具有很強的抗干擾能力、并且能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產(chǎn)過程和執(zhí)行機構(gòu)[1-2]。觸摸屏是現(xiàn)代社會中主要的人機交流設備，可實現(xiàn)遠程控制、報警提示、實時監(jiān)控等功能，將PLC作為下位機，觸摸屏作為上位機，可降低成本，易實現(xiàn)溫室大棚的智能化控制[3]。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)的方案設計以西瓜的生長環(huán)境需求為例，對其溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等生產(chǎn)參數(shù)進行控制與監(jiān)控，提高西瓜的生產(chǎn)質(zhì)量。西瓜的甜度主要是由葡萄糖、蔗糖、果糖等糖類的多少來決定的，而糖類的產(chǎn)生主要是通過光合作用，因此為了提高光合作用，需要有效地提高光照強度與二氧化碳的濃度。同樣，在西瓜生產(chǎn)中為了保證所播種的西瓜生產(chǎn)量能實現(xiàn)最大化，需對溫度、濕度、土地肥沃度等進行控制[4]。西瓜溫室大棚中采用西門子S7-1200 PLC為控制核心，采用KTP700 Basic觸摸屏做人機界面，對溫室大棚內(nèi)的加熱器、冷風機、通風設備等裝置實行控制與監(jiān)控[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖Fig.1 System overall design block diagram

系統(tǒng)運行時，變送器將會檢測大棚內(nèi)各種環(huán)境變量，然后將檢測值進行處理、轉(zhuǎn)化、傳送給PLC，最后PLC控制對應執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)溫室大棚的自動控制[6]。二氧化碳變送器將大棚空氣內(nèi)的二氧化碳濃度值直接轉(zhuǎn)化為0～10 V的標準電壓傳給PLC控制器，然后PLC將檢測值與預設值進行比較，若大于4000 ppm則啟動通風設備降低濃度，若小于1000 ppm則啟動二氧化碳產(chǎn)生裝置提高濃度。由于西瓜的生長溫度最適合值在27℃左右，光飽和點為8×104lx，因此使用PLC1200中的溫度PID與光照PID來控制這2個變量，從而使溫度和光照達到最適值[7]。由于溫室大棚內(nèi)的環(huán)境是復雜多變的，防止某個變量超過限定值而引起西瓜生長不良，需要增加報警裝置以便提醒工作人員。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 變送器的選擇

由于溫室大棚內(nèi)的環(huán)境變量在一天的時間里是錯綜復雜的，并且對檢測值的精度要求較高，變送器必須滿足輸出信號線性好、精度高、防雨雪等要求[7]。本系統(tǒng)采用的變送器屬于建大仁科品牌，具體型號與測量范圍如下所示。

溫濕度變送器：RS-WS-V10-2-7，溫度測量范圍值-20℃～60℃，濕度0%RH～80%RH。

二氧化碳變送器：RS-CO2-V10-2-7，二氧化碳檢測值范圍0～5000 ppm。

光照強度變送器：RS-GZ-V10-2-7，0～20×104lx。

2.2 PLC的選擇

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、功能完善、適用性強等特點，也適用于溫室大棚這種錯綜復雜的控制系統(tǒng)[8-9]。本次設計的溫室大棚對于溫度和光照都采用PID進行精準調(diào)節(jié)，設定值都處于西瓜生長發(fā)育的最適值。而針對濕度和二氧化碳濃度的調(diào)節(jié)，需要變送器將采集的信息與預設值進行對比，比較后再通過對應的執(zhí)行機構(gòu)來調(diào)節(jié)。因此選擇使用靈活、功能強大、可滿足各種需求的西門子新產(chǎn)品S7-1200-CPU1214-DC/DC/DC型PLC，由于系統(tǒng)中需要4個模擬量輸入和3個模擬量輸出模塊，而CPU1214自帶2個模擬量輸入模塊，故還需增加型號為SM-1231-AI和SM-1232-AQ模擬量擴展模塊[10-11]。具體硬件接線如圖2所示。

圖2 PLC輸入輸出點分配及外部接線圖Fig.2 PLC input and output point distribution and external wiring diagram

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 程序設計思路

程序設計流程如圖3所示。系統(tǒng)程序設計采用博途V14作為編程軟件，如圖4所示，在主函數(shù)中調(diào)用了4個FC功能塊。當啟動按鈕I0.0按下時輔助繼電器M50.0閉合，此時4個FC功能塊同時運行來調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境變量。若按下I0.1輔助繼電器M50.0斷開，4個FC功能塊同時停止，此時系統(tǒng)關閉等待下一次啟動。

圖3 程序設計流程Fig.3 Programming flow chart

圖4 PLC部分梯形圖Fig.4 PLC part ladder diagram

3.2 PID介紹

S7-1200中PID指令提供了一種可對溫度過程進行集成調(diào)節(jié)的PID_Temp，可用于純加熱或加熱/制冷應用，并且也提供了一種通用型的PID_Compact，PID回路參數(shù)如表1所示，算法公式如下所示：

表1 PID回路參數(shù)表Tab.1 PID loop parameter

3.3 功能塊FC的設計

此控制系統(tǒng)中有溫度PID功能模塊、光照PID功能模塊、濕度控制功能模塊、二氧化碳控制功能模塊，下面依次介紹4種模塊的設計思路。

3.3.1 溫度PID功能模塊

此模塊中只需調(diào)用1個專門的溫度PID，根據(jù)需求設定PID的設定值、模擬量輸入地址值、模擬量加熱和制冷輸出地址值等等。

3.3.2 光照PID功能模塊

此模塊調(diào)用的PID為通用型，設定參數(shù)如圖5所示[12]。

早晨太陽剛升起的時候光照強度大約為1000～10000 lx，設定實時光照值超過5000 lx時，置位輔助繼電器M19.0，此時PID手動模式關閉，啟動補光裝置調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的光照強度值[13]。西瓜一天所需要的光照強度值為11 h，當時間達到11 h需將輔助繼電器M19.0復位，讓PID進入手動模式，手動模式下運行13 h再一次置位M19.0進入自動模式，整個調(diào)節(jié)過程依次循環(huán)。當光照強度過高或光照強度過低時啟動報警裝置，提醒工作人員需對設備進行檢查。

圖5 PID程序Fig.5 PID program

3.3.3 其他功能模塊

濕度和二氧化碳控制模塊的設計思路是一致的，通過變送器所采集的實時數(shù)據(jù)與事先設定的參數(shù)范圍進行比較，若比較結(jié)果過低啟動曬水和二氧化碳產(chǎn)生裝置，若比較結(jié)果過高啟動通風設備，持續(xù)一段時間后濕度和二氧化碳的濃度達到設定的范圍值時關閉對應的執(zhí)行機構(gòu)。當變送器采集回的濕度和二氧化碳濃度過高時，啟動報警裝置[14]。

4 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設計

觸摸屏具有簡單易用、靈活性高、價格較低等特點，是當今社會進行人機界面交換的主要設備。本文采用西門子觸摸屏KTP700 Basic。

由于溫室大棚內(nèi)的環(huán)境復雜多變，需對溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等進行監(jiān)視與調(diào)節(jié)。設置畫面時，對功能框設置為輸入和輸出的功能，這樣功能框既能監(jiān)視變送器測的數(shù)據(jù)又能手動更改數(shù)據(jù)，環(huán)境參數(shù)設有上限值、下限值、實時值等。同時在畫面中設計報警顯示、啟動和停止開關[15]。觸摸屏監(jiān)控畫面如圖6、圖7所示。

圖6 觸摸屏設置畫面Fig.6 Touch screen setting screen

圖7 觸摸屏切換畫面Fig.7 Touch screen switching screen

5 實驗結(jié)果展示

取溫度PID為例，實驗曲線如圖8所示。當溫度升高時，模擬量制冷輸出增大，由于系統(tǒng)會存在滯后性所以要過段時間溫度才能降低，系統(tǒng)運行直到檢測值在設定值左右時，并且模擬量輸出與輸入都處于初始狀態(tài)時，系統(tǒng)才達到穩(wěn)定。圖9所示為二氧化碳與濕度的調(diào)節(jié)結(jié)果。

圖8 實驗曲線Fig.8 Experimental curve

圖9 二氧化碳與濕度的調(diào)節(jié)結(jié)果Fig.9 Regulation of carbon dioxide and humidity

6 結(jié)語

本文設計采用西門子新產(chǎn)品S7-1200 PLC，采用博途V14編程軟件編程，用KTP700 Basic觸摸屏對溫室大棚的環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控與調(diào)節(jié)，使用PID運算實現(xiàn)了對西瓜大棚的各個環(huán)境參數(shù)的有效控制，尤其是光照強度與溫度這2個環(huán)境變量進行了精準調(diào)節(jié)，使得西瓜的生長質(zhì)量、產(chǎn)量大福提高。如今西門子公司已經(jīng)不再生產(chǎn)200型的PLC，而該系統(tǒng)的設計采用的是1200型的PLC，此控制可以推廣到其他蔬菜、苗圃等溫室大棚，對當今農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有借鑒意義。