程麗霞

(太原工業(yè)學(xué)院 機械工程系，山西 太原 030008)

0 引言

我國人口基數(shù)大，農(nóng)業(yè)用地數(shù)量緊張，雖然目前已經(jīng)解決了溫飽問題，但吃的健康和安全才是現(xiàn)在人們更為關(guān)注的問題。冬季人們對新鮮蔬菜以及其他植物的需求依然很高，但受傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的限制，該需求無法得到解決。大棚的出現(xiàn)為緩解此問題提供了較好的條件，但是其效果有限，而智能溫室成為更好的選擇。國內(nèi)外的智能溫室技術(shù)在不斷發(fā)展，有些發(fā)達國家已經(jīng)實現(xiàn)了智能的現(xiàn)代化溫室。雖然我國的智能溫室技術(shù)也在不斷發(fā)展，但與國外相比較，在一些關(guān)鍵技術(shù)上仍處于較低的水平，普通塑料大棚較為常見，智能溫室依然沒有得到普及。為了促進我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展以及滿足廣大人民的生活需求，研究一套簡便而高效的智能溫室系統(tǒng)十分必要。本文設(shè)計了一種基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)，根據(jù)智能溫室的技術(shù)要求，確定了需要檢測的溫室環(huán)境參數(shù)與控制方法，利用組態(tài)王對溫室的監(jiān)控界面進行了繪制，同時利用仿真軟件對基于PLC的梯形圖進行了仿真檢驗，為智能溫室的設(shè)計提供了一種新的思路。

1 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

溫室為作物的生長創(chuàng)造合適的環(huán)境，使它能夠擺脫自然環(huán)境和氣候變化的束縛。智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)要能夠監(jiān)控溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強度、土壤水分等。結(jié)合生產(chǎn)實際，該系統(tǒng)分為自動和手動兩種操作方式，這兩種操作方式之間可以互相切換。日常生產(chǎn)常使用自動模式，當(dāng)處于該工作模式時，PLC會根據(jù)設(shè)置的參數(shù)與環(huán)境參數(shù)進行分析比較，自動決策后使執(zhí)行元件動作，從而使溫室的環(huán)境參數(shù)滿足作物的生長要求。手動控制模式是在需要檢測與維護或有特殊情況發(fā)生時使用，手動控制模式又分為本地控制和遠程控制兩種。整個智能溫室系統(tǒng)分為檢測部分、執(zhí)行機構(gòu)部分和監(jiān)控部分。檢測部分主要由各種傳感器構(gòu)成，實現(xiàn)對溫室環(huán)境因素的自動檢測。執(zhí)行機構(gòu)包括通風(fēng)扇、加熱器、卷簾電機等，可根據(jù)處理器的運算結(jié)果通過不同的執(zhí)行機構(gòu)動作來實現(xiàn)對溫室參數(shù)的調(diào)控。監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機與PLC，PLC通過檢測機構(gòu)傳回的實時數(shù)據(jù)與上位機進行通訊，完成自動調(diào)整相應(yīng)信息的過程。該系統(tǒng)主要包括啟動與停止按鈕、模式轉(zhuǎn)換開關(guān)、傳感器、執(zhí)行元件、狀態(tài)指示燈、各類限位開關(guān)等。當(dāng)溫室在初始狀態(tài)下，各執(zhí)行元件處于不工作狀態(tài)，遮光簾關(guān)閉，保溫層關(guān)閉；通過手動控制與自動控制選擇開關(guān)確定工作模式，如果選擇自動模式，按下啟動按鈕后，溫室進入自動運行模式，各執(zhí)行元件自動工作，對應(yīng)的狀態(tài)指示燈顯示工作狀態(tài)，按下停止按鈕時，整個系統(tǒng)停止工作。

2 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

在作物的生長過程中，有許多因素都對其有較大的影響，但在智能控制過程中，并不能對所有的影響因素都進行檢測和控制，因此選擇主要的影響因素作為檢測對象，并選擇適合于整個系統(tǒng)使用的檢測器件。溫室系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)主要有空氣溫度、空氣濕度、光照強度、二氧化碳濃度、土壤溫度和土壤濕度等，根據(jù)這些檢測參數(shù)確定相應(yīng)的傳感器。最終確定了檢測空氣溫度和濕度的傳感器型號為SHT75,它通過與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，將檢測的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存入存儲器中，并對測量的數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，提高了檢測精度與速率。光照傳感器選擇了型號為TSL230的傳感器，它可以將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，該傳感器具有三個量程，可以根據(jù)使用場合來選擇合適的檔位，電流輸出范圍為4 mA～20 mA。檢測二氧化碳濃度的傳感器選擇的型號為RS-CO2，其性能優(yōu)良，具有靈敏的檢測元件，整體密封好，能夠在高溫高濕度的場合工作，同時具有較高的可靠性[1]。檢測土壤濕度的傳感器選擇的型號為ZKYC-8FF,其密封性好，可直接埋入土壤中使用，且耐腐蝕，測量精度高，響應(yīng)速度快。

當(dāng)溫室內(nèi)的溫度高于實際生產(chǎn)需求時需采取降溫措施，主要方式為通風(fēng)與遮陽；當(dāng)溫室內(nèi)的溫度低于實際生產(chǎn)需求時需采取保溫措施。溫室環(huán)境中濕度高于作物生長所需，可通過通風(fēng)來解決；當(dāng)溫室中環(huán)境濕度低于所需值，則通過運作濕水簾來加濕。當(dāng)夜晚等光照強度不足時，需要通過補光燈給作物補光。當(dāng)環(huán)境中二氧化碳濃度低于需求值時，可采取通風(fēng)與二氧化碳發(fā)生器來補充。為了使溫室中溫濕度等參數(shù)分布均勻，還需在室內(nèi)采用循環(huán)機構(gòu)。這些執(zhí)行元件并非獨立運行，單一元件動作時會對其他環(huán)境因素產(chǎn)生影響，所以使各執(zhí)行元件相互協(xié)作共同運作，從而為作物創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境。在溫室系統(tǒng)的電路設(shè)計中，部分執(zhí)行元件采用了啟停電路，如暖風(fēng)機、補光燈、通風(fēng)機和二氧化碳發(fā)生器等；另外一些執(zhí)行元件采用了正反轉(zhuǎn)電路，如遮陽簾和保溫層。啟動這種執(zhí)行元件，到達一定位置后會觸發(fā)限位開關(guān)停止動作，當(dāng)啟動反轉(zhuǎn)按鈕后，執(zhí)行元件反向動作，到達一定位置后停止。

3 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

由于PLC具有體積小、可靠性高、方便易用等特點，被用于各種工業(yè)生產(chǎn)中[2]。本設(shè)計選用了西門子S7-200系列的PLC，型號為CPU226。一個智能溫室系統(tǒng)涉及到的輸入設(shè)備有啟動按鈕1個、停止按鈕1個、急停按鈕1個、切換開關(guān)1個、限位開關(guān)4個、傳感器4個(溫濕度、二氧化碳、光照、土壤濕度)、手動模式下執(zhí)行元件開關(guān)9個(暖風(fēng)機、保溫層的正反轉(zhuǎn)、遮陽簾的正反轉(zhuǎn)、加濕器、補光燈、通風(fēng)機、噴淋機)，共計輸入21個。系統(tǒng)涉及到的輸出設(shè)備有24 V繼電器7個、啟動指示燈1個、停止指示燈1個、設(shè)備運行指示燈9個、急停輸出1個，共計輸出19個。經(jīng)統(tǒng)計，輸入有4個模擬信號、17個數(shù)字信號，輸出全為數(shù)字信號。為了滿足輸出數(shù)量，選擇增加數(shù)字量混合模塊EM223-8;為了滿足模擬量的輸入，選擇增加模擬量輸入模塊EM231-8。選擇的擴展模塊大于實際所需，一方面是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面是為以后的系統(tǒng)升級預(yù)留端口。為了方便編程，需要對輸入、輸出量進行I/O地址分配，主要輸入量和輸出量的I/O地址分配分別如表1和表2所示。

表1 輸入量I/O地址分配

表2 輸出量I/O地址分配

在實現(xiàn)溫室智能控制的過程中應(yīng)滿足如下要求：在所有接觸器的使用中，系統(tǒng)應(yīng)具有互鎖機制，同時具備自動診斷功能。該系統(tǒng)設(shè)有通風(fēng)系統(tǒng)、加濕器、補光燈、遮陽簾和保溫層等。系統(tǒng)開始運行后，采集溫室中的主要環(huán)境因素，此時各類傳感器工作，將收集到的信息轉(zhuǎn)換為模擬量信號，經(jīng)過處理后，模擬信號從PLC的模擬量擴展模塊EM231-8中輸入，EM231-8將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，PLC將此信號與預(yù)設(shè)定的范圍進行比較，當(dāng)在設(shè)定范圍內(nèi)時，PLC不會控制執(zhí)行元件動作，當(dāng)高于或者低于這個設(shè)定范圍時，PLC將會控制對應(yīng)的執(zhí)行元件動作，從而使溫室中的主要環(huán)境參數(shù)達到作物適應(yīng)生長的范圍。溫室監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 溫室監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

工控組態(tài)軟件為工程人員提供了一種工具和方法，可以靈活地建立一套工業(yè)自動監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)王軟件是我國開發(fā)較早的一種組態(tài)軟件，界面靈活并具有很好的通信功能，主要由工程管理器、工程瀏覽器和畫面運行系統(tǒng)三部分構(gòu)成[3]。本系統(tǒng)采用的組態(tài)軟件為組態(tài)王6.55，上位機需要完成溫室中主要環(huán)境參數(shù)的實時顯示、溫室中所有執(zhí)行元件的當(dāng)前運行狀態(tài)顯示、手自動切換按鈕顯示、各主要環(huán)境參數(shù)的歷史曲線顯示等。上位機需要與PLC進行連接，首先完成上位機與PLC之間的接線，PLC通過串行接口與上位機進行連接；隨后進入組態(tài)王軟件中進行PLC型號選擇，在組態(tài)王軟件的工程瀏覽器點擊COM1，點擊新建設(shè)備項，給設(shè)備分配正確的地址，從而實現(xiàn)組態(tài)王軟件與PLC之間的通訊。通過組態(tài)王建立的監(jiān)控畫面，能夠反映溫室系統(tǒng)中各環(huán)境參數(shù)的設(shè)定值及實時數(shù)據(jù)、各執(zhí)行元件當(dāng)前的運行狀態(tài)、手動模式與自動模式的切換等。為了實現(xiàn)溫室系統(tǒng)的遠程操作，設(shè)置了手動模式與自動模式，操作人員不僅可以在現(xiàn)場操作，還可在控制室進行遠程操作，兩種操作模式可以互相切換。智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的模擬仿真

在系統(tǒng)設(shè)計完成后，采用S7-200的仿真軟件對PLC程序系統(tǒng)圖進行仿真。在仿真軟件中，選擇型號為S7-200CPU226的PLC，拓展模塊選擇EM223的數(shù)字量模塊與EM231的模擬量模塊[4]。將編譯好的梯形圖載入到模擬PLC中，點擊運行程序，監(jiān)控各I/O端口的運行狀況是否與設(shè)計意圖一致，監(jiān)控系統(tǒng)的仿真界面如圖3所示。當(dāng)按下啟動按鈕，梯形圖監(jiān)控中M0.0中間繼電器導(dǎo)通，同時Q0.0得電，啟動指示燈點亮，按下SB2整個系統(tǒng)停止工作，Q0.1點亮，停止指示燈亮。系統(tǒng)默認(rèn)的工作模式為自動模式，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)SB4后，監(jiān)控畫面中I0.3導(dǎo)通，M0.1導(dǎo)通，切換為手動運行模式。在手動模式下，撥動通風(fēng)機開關(guān)SB9，監(jiān)控畫面中I1.4得電，M0.6得電，通風(fēng)機工作。暖風(fēng)機、加濕器、補光燈、噴淋器的啟停方式與此類似。手動模式下，按下遮陽網(wǎng)正轉(zhuǎn)按鈕SB5，監(jiān)控畫面中I0.4得電，M0.2得電后同時自鎖，運行到限位開關(guān)SQ1(手動撥動開關(guān)模擬)后I0.6斷開，M0.2失電，遮陽網(wǎng)停止。按下遮陽網(wǎng)反轉(zhuǎn)按鈕SB6，監(jiān)控畫面中I0.5得電，M0.3得電后同時自鎖，運行到限位開關(guān)SQ2(手動撥動開關(guān)模擬)后I0.7斷開，M0.3失電，遮陽網(wǎng)停止。將手動模式切換為自動模式后，監(jiān)控畫面中M0.1失電，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為自動運行模式，手動輸入模擬溫度高于設(shè)定值30 ℃后(模擬量電壓為1.5 V)，比較器得電，M1.3得電，通風(fēng)機工作。低于設(shè)定值20 ℃后(模擬量電壓為1 V),暖風(fēng)機工作。當(dāng)按下急停按鈕SB3后，監(jiān)控畫面中所有輸出失電，I0.2得電，M2.5得電后同時自鎖，蜂鳴器Q1.6與警示燈Q0.2得電后工作。按下停止按鈕后，監(jiān)控畫面中I0.1斷開，蜂鳴器Q1.6與警示燈Q0.2熄滅。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠模擬溫室的運行情況，驗證了所編程序的正確性。

圖3 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的仿真界面

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于PLC的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，確定了智能溫室系統(tǒng)的主要環(huán)境參數(shù)和檢測方法，選擇了西門子S7-200CPU226的PLC作為控制器，同時采用組態(tài)王軟件對溫室的監(jiān)控界面進行繪制，最后利用仿真軟件對梯形圖進行檢驗，驗證了程序的正確性。本設(shè)計對今后智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)有一定的借鑒意義。