王海旭

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元628000）

近年來，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，東部地區(qū)先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)傳播到了西部地區(qū)。以四川廣元為例，廣元作為革命老區(qū)，紅色土壤深厚，作為川陜甘結(jié)合部位的區(qū)域中心城市，正是西部開發(fā)的重要節(jié)點(diǎn)之一。農(nóng)業(yè)作為立國之本，更是西部城市的基本保障。目前，在農(nóng)業(yè)智能化的技術(shù)中，有智能機(jī)械化技術(shù)、智能滴灌技術(shù)以及農(nóng)業(yè)大棚智能控制技術(shù)，農(nóng)業(yè)大棚在四川各地區(qū)的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，但是筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，通過控制器進(jìn)行智能調(diào)溫的大棚較少。將PLC控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的溫濕度及光照等參數(shù)的控制[1]，使農(nóng)作物在適宜的條件下生長(zhǎng)，將極大地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[2]。

1 基于PLC的大棚溫室控制方案

通過西門子S7-200PLC對(duì)大棚的溫濕度及光照進(jìn)行控制，通過空氣溫度傳感器、土壤濕度傳感器和光敏傳感器進(jìn)行PLC輸入量的檢測(cè)，信號(hào)經(jīng)過模擬量輸入模塊調(diào)理后輸入到PLC的輸入位[3]。相關(guān)地址接口及功能如表1所示。

表1 PLC輸入輸出地址及功能

1）通過溫度傳感器對(duì)空氣溫度進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)溫度高于設(shè)定值，則PLC控制器啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，對(duì)大棚進(jìn)行通風(fēng)換氣降溫；若檢測(cè)溫度低于設(shè)定值，則PLC控制器關(guān)閉風(fēng)機(jī)，使大棚在光照下逐漸回溫。

2）通過濕度傳感器對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)濕度高于設(shè)定值，則PLC控制器輸出電信號(hào)，關(guān)閉控制澆灌的電磁閥門，使土壤濕度在溫度作用下逐漸減?。蝗魴z測(cè)濕度低于設(shè)定值，則PLC控制器輸出電信號(hào)，開啟控制澆灌的電磁閥門，使水流進(jìn)入土壤，逐漸使土壤濕度達(dá)到理想水平。

3）通過光敏傳感器對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)到的光照強(qiáng)度高于設(shè)定值，則PLC控制器打開遮陽棚，使大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度降低；若檢測(cè)到的光照強(qiáng)度低于設(shè)定值，則PLC控制器關(guān)閉遮陽棚，使大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度升高[4-5]。

2 系統(tǒng)原理

以土壤濕度控制為例，闡明該系統(tǒng)原理，溫度與光照控制與此類似，不再贅述。因?yàn)橥寥罎穸鹊淖兓瘯?huì)使電子式濕度傳感器從土壤中吸水而引起本身電容、電阻值的變化，通過這種變化可達(dá)到測(cè)量的目的。因此，使用濕度傳感器檢測(cè)并確定土壤濕度。首先，把濕度傳感器檢測(cè)到的電信號(hào)送到PLC，在PLC中對(duì)設(shè)定的濕度值和檢測(cè)到的值進(jìn)行比較，得到偏差。然后，將偏差結(jié)果輸出，對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其根據(jù)濕度大小輸出不同的控制信號(hào)。最后，通過該控制電信號(hào)對(duì)電控的電磁閥進(jìn)行通斷電設(shè)置。此電磁閥可采用三位電磁閥，即全開、全閉、半開三種狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)灌溉水管的閥門開度，達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)水量的目的[6]。控制土壤濕度的系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

圖1 PLC控制土壤濕度原理

3 系統(tǒng)模擬量接口設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，由于檢測(cè)的量是溫度、濕度、光照的模擬量，故必須采用S7-200PLC的模擬量接口進(jìn)行模擬量的輸入和輸出，選用S7-200PLC的模擬量擴(kuò)展模塊為EM235，該模塊含有4路模擬量的輸入和1路模擬量的輸出[7]，足夠用于農(nóng)業(yè)大棚中同時(shí)對(duì)溫度、濕度、光照三個(gè)模擬量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。EM235的數(shù)據(jù)格式為12位，第1路模擬量的輸入通道的接口為RA、A+、A-，第2路模擬量的輸入通道的接口為RB、B+、B-，第3路模擬量的輸入通道的接口為RC、C+、C-，第4路模擬量的輸入通道的接口為RD、D+、D-[8]。1路模擬量輸出接口為MO、VO、IO。

將溫度傳感器檢測(cè)得到的電壓信號(hào)或電流信號(hào)作為模擬量通過接口RA、A+、A-，該接口分別作為模擬量的信號(hào)端子、-10 V~+10 V的電壓正極或0~20 mA電流正極，以及電壓或電流的負(fù)極，經(jīng)過PLC運(yùn)算轉(zhuǎn)換，通過模擬量的輸出接口對(duì)外部變頻器閥門進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)了灌溉水管的閥門開度，達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)水量的目的。同理，將濕度傳感器檢測(cè)得到的電壓信號(hào)或電流信號(hào)作為模擬量通過接口RB、B+、B-，該接口分別作為模擬量的信號(hào)端子、-10 V~+10 V的電壓正極或0~20 mA電流正極，以及電壓或電流的負(fù)極，經(jīng)過PLC運(yùn)算轉(zhuǎn)換，通過模擬量的輸出接口對(duì)外部變頻器風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)了風(fēng)機(jī)的開閉，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。同理，將光敏傳感器檢測(cè)得到的電壓信號(hào)或電流信號(hào)作為模擬量通過接口RC、C+、C-，該接口分別作為模擬量的信號(hào)端子、-10 V~+10 V的電壓正極或0~20 mA電流正極，以及電壓或電流的負(fù)極，經(jīng)過PLC運(yùn)算轉(zhuǎn)換，通過模擬量的輸出接口對(duì)外部變頻器遮陽棚進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)了遮陽棚的開閉，達(dá)到調(diào)節(jié)控制光照的目的。EM235的模擬量輸入輸出接線示意圖，如圖2所示。

圖2 EM235的模擬量輸入輸出接線示意圖

4 程序流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始運(yùn)行后，將傳感器檢測(cè)到的值送入PLC中，在PLC中進(jìn)行判定，判定結(jié)果有兩種情況：1）當(dāng)前值和設(shè)定值一樣時(shí)，程序直接返回檢測(cè)；2）當(dāng)前值和設(shè)定值不一樣時(shí)，系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)到的值進(jìn)行運(yùn)算，將偏差轉(zhuǎn)換成模擬量輸入的電信號(hào)，調(diào)節(jié)被控對(duì)象，改變被控量的大小，直到檢測(cè)值和設(shè)定值一樣。

系統(tǒng)根據(jù)情況調(diào)節(jié)，控制模擬量的大小，直到恢復(fù)到設(shè)定值，以溫度控制為例，程序流程圖如圖3所示，濕度與光照控制與此類似。系統(tǒng)開始正常運(yùn)行后，溫度傳感器開始實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，當(dāng)測(cè)得的溫度符合設(shè)定值時(shí)，PLC控制器判斷不需要執(zhí)行后續(xù)操作，則跳轉(zhuǎn)到程序的開始位置，繼續(xù)檢測(cè)溫度；當(dāng)測(cè)得的溫度不符合設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫度；調(diào)節(jié)后進(jìn)一步檢測(cè)溫度，判斷溫度是否符合設(shè)定值，進(jìn)行循環(huán)判斷。

圖3 以溫度控制為例，系統(tǒng)程序流程圖

同理，進(jìn)行濕度判斷時(shí)，系統(tǒng)開始正常運(yùn)行后，濕度傳感器開始實(shí)時(shí)檢測(cè)濕度，當(dāng)測(cè)得的濕度符合設(shè)定值時(shí)，PLC控制器判斷不需要執(zhí)行后續(xù)操作，則跳轉(zhuǎn)到程序的開始位置，繼續(xù)檢測(cè)濕度；當(dāng)測(cè)得的濕度值不符合設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)變頻器閥門進(jìn)行灌溉澆水，進(jìn)而調(diào)節(jié)濕度；調(diào)節(jié)后進(jìn)一步檢測(cè)土壤濕度，判斷濕度是否符合設(shè)定值，進(jìn)行循環(huán)判斷。同理，進(jìn)行光照強(qiáng)度判斷時(shí)，系統(tǒng)開始正常運(yùn)行后，光敏傳感器開始實(shí)時(shí)檢測(cè)光照強(qiáng)度，當(dāng)測(cè)得的光照強(qiáng)度符合設(shè)定值時(shí)，PLC控制器判斷不需要執(zhí)行后續(xù)操作，則跳轉(zhuǎn)到程序的開始位置，繼續(xù)檢測(cè)光照強(qiáng)度；當(dāng)測(cè)得的光照強(qiáng)度不符合設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)節(jié)遮光棚的開閉，進(jìn)而調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度；調(diào)節(jié)后進(jìn)一步檢測(cè)光照強(qiáng)度，判斷光照強(qiáng)度是否符合設(shè)定值，進(jìn)行循環(huán)判斷。

5 研究總結(jié)

該系統(tǒng)通過西門子S7-200PLC實(shí)現(xiàn)智能大棚溫室控制，分為3路模擬量的輸入，而所加的EM235有4路模擬量輸入模塊，符合要求。通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析并對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度等進(jìn)行了控制。使用PLC進(jìn)行控制，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，控制邏輯簡(jiǎn)潔易懂，便于設(shè)備的后期維護(hù)和檢修。對(duì)于響應(yīng)我國的西部大開發(fā)戰(zhàn)略，將革命老區(qū)廣元的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提升到新的高度具有重要意義。