黃 鈔

（四川省蠶絲學(xué)校，四川 南充 637000）

我國的溫室自動控制相關(guān)系統(tǒng)化研究比西方發(fā)達(dá)國家起步晚。優(yōu)良的現(xiàn)代溫室設(shè)計(jì)可以提供一個不受外界條件影響的、獨(dú)立的且最適合農(nóng)作物生長的環(huán)境。在溫室內(nèi)，可以人為控制溫濕度、光照強(qiáng)度、時間、水、肥等環(huán)境條件，讓農(nóng)作物的生產(chǎn)不再受地域、季節(jié)、種植輪次等的限制，可以大幅度提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。雖然溫室環(huán)境自動控制技術(shù)在我國的研究中已經(jīng)有了一些成果，但我國對于在溫室系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所使用到的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及自動控制技術(shù)等掌握的還不夠熟練。所以對溫濕度環(huán)境的設(shè)計(jì)研究，對于我國農(nóng)業(yè)綜合實(shí)力的提升有著重要意義。

1 基于PLC的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

1.1 設(shè)計(jì)目的

在整個溫度環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先要明確設(shè)計(jì)的目標(biāo)、對象、要求等。對于一般的農(nóng)業(yè)種植戶和中小農(nóng)業(yè)企業(yè)而言，只需要一個簡單的操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高控制精度、功能種類多、可以擴(kuò)展以及操作方便即可。最好可以通過PLC技術(shù)控制傳感器、算數(shù)邏輯、通用電氣設(shè)備、觸摸屏等，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的整體控制。

1.2 控制措施的選擇

為滿足對溫室大棚內(nèi)的土壤濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因素的智能調(diào)控，在選擇控制措施時，就要挑選符合這些環(huán)境因素的措施，同時對成本上進(jìn)行二次考慮。

1.2.1 土壤濕度控制措施

滴、噴灌是最常見的控制土壤濕度的方法。根據(jù)大棚內(nèi)作物的實(shí)際種植方法，綜合考慮對農(nóng)作物采用滴灌或噴灌。對于種植同一種作物的大棚，也可以采用滴灌噴灌組合的方法控制土壤濕度，并可以通過PLC系統(tǒng)擴(kuò)展輸入輸出以及對程序進(jìn)行實(shí)時修改。

1.2.2 空氣溫濕度控制措施

對空氣溫濕度的控制可以通過通風(fēng)與加溫、噴灌組合的方式實(shí)現(xiàn)，溫度高或者濕度高時通過排風(fēng)的方式，對大棚進(jìn)行降溫、降濕處理，通風(fēng)設(shè)備可選擇普通風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)等。溫度低時，利用加溫設(shè)備進(jìn)行升溫處理，加溫設(shè)備可選擇大棚加熱燈、暖風(fēng)機(jī)、鍋爐等加熱設(shè)備，具體選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。而空氣濕度低時，則采用噴灌的方法，提高空氣濕度。

1.2.3 光照強(qiáng)度控制措施

通常利用紅色和藍(lán)色LED補(bǔ)光燈實(shí)現(xiàn)。紅色燈和藍(lán)色燈的配比間距需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓庹諒?qiáng)度、作物的需求進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與安裝。

1.3 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

整個控制系統(tǒng)主體是PLC系統(tǒng)，通過空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度傳感器提供溫室環(huán)境的相關(guān)參數(shù)信息。PLC可編程控制器、觸摸屏、保溫?zé)簟⒀a(bǔ)光燈，風(fēng)機(jī)等設(shè)備對溫室內(nèi)的環(huán)境因素進(jìn)行控制和調(diào)整。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)可以對溫室環(huán)境進(jìn)行自動補(bǔ)光及通風(fēng)以及自動保溫、自動噴滴灌等。并且有自動和手動兩種操作模式可選擇，在手動模式控制下，撥動開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光、滴灌、通風(fēng)等功能；而在自動模式下，則只需要PLC系統(tǒng)進(jìn)行自動控制，讓溫室環(huán)境達(dá)到設(shè)定的溫度，濕度以及光照條件等。自動模式通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可以與手動模式相互切換。自動模式運(yùn)行時，手動控制默認(rèn)斷開，且用戶可以在觸摸屏上直接設(shè)置對應(yīng)農(nóng)作物所需要的生長環(huán)境數(shù)值，再通過各個傳感器測得的實(shí)際數(shù)據(jù)，返回到PLC系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)對實(shí)際參數(shù)進(jìn)行分析后，輸出對應(yīng)的控制信號，從而實(shí)現(xiàn)對溫室中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)。

2 硬件選擇

2.1 基礎(chǔ)配件

2.1.1 FX2N-32MR型PLC控制器

PLC控制器的中文名稱為可編程邏輯控制器，選用FX2N系列作為系統(tǒng)核心，因?yàn)檫@個型號的PLC控制器性價(jià)比高，指令功能全面可以滿足預(yù)案中各種功能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 HMI觸摸屏

液晶顯示器是一種功耗低的顯示器件，它可以很好地與組態(tài)軟件結(jié)合，并且有利于監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行與日常觀測。TPC7062KXLCD顯示屏內(nèi)含有一套低功耗的嵌入式CPU，擁有極其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，符合本系統(tǒng)的人機(jī)界面運(yùn)行要求。

2.2 傳感器

2.2.1 溫濕度傳感器

在選擇溫濕度傳感器時，要滿足特定溫室環(huán)境控制設(shè)計(jì)的需求，同時需要兼顧功耗低、準(zhǔn)確性高、易安裝以及穩(wěn)定性強(qiáng)，擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。采用雙路模擬量輸出的4-20MA型壁掛式溫濕度傳感器。采集到溫室中的溫濕度后，通過模擬量塊A轉(zhuǎn)換后再傳遞給PLC。

2.2.2 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器可以測量到土壤容積含水量，土壤濕度傳感器頻域型與時域型最為常見。經(jīng)過綜合考慮選擇頻域型，作為本控制系統(tǒng)的土壤濕度傳感器，同樣采集到的土壤濕度信息需要通過模擬量塊轉(zhuǎn)換后，傳遞給PLC系統(tǒng)。

2.2.3 光照強(qiáng)度傳感器

作物的生長大都需要進(jìn)行光合作用，植物的光合作用需要適當(dāng)濃度的二氧化碳以及一定的環(huán)境溫度，并且光照強(qiáng)度要達(dá)到一定的強(qiáng)度植物才能順利生長。將光照強(qiáng)度控制在作物生長需要的范圍內(nèi)，可以增加溫室作物的產(chǎn)量。綜合成本以及實(shí)際情況，本系統(tǒng)選用光敏電阻傳感器。光敏電阻傳感器是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，該傳感器的敏感波長與農(nóng)作物所需波長較為契合，比較適合進(jìn)行光照強(qiáng)度的檢測。

2.3 調(diào)控設(shè)備

2.3.1 加熱設(shè)備

主要驗(yàn)證控制系統(tǒng)能否正?？刂萍訜嵩O(shè)備，并對加熱設(shè)備的增溫效果進(jìn)行評測。

2.3.2 補(bǔ)光設(shè)備

補(bǔ)光設(shè)備主要補(bǔ)充植物光合作用所需要的紅光和藍(lán)光，選用低壓12 V 5050型高粱植物生長補(bǔ)光LED燈帶，紅藍(lán)光比例設(shè)為4∶1。

2.3.3 通風(fēng)設(shè)備

為滿足降溫降濕的要求，選用SF 12025AT型滾珠軸承風(fēng)扇作為通風(fēng)設(shè)備。風(fēng)扇框架采用鋁合金壓鑄，防腐蝕性優(yōu)良，耐高溫。

2.3.4 噴滴灌設(shè)備

結(jié)合溫室環(huán)境中的實(shí)際情況，并考慮成本造價(jià)后，采用微型循環(huán)潛水泵進(jìn)行噴灌。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC的編程軟件選擇GX Developer編程軟件支持多種型號，并且程序仿真方便，支持雙向編譯，虛擬仿真也無需過多操作即可進(jìn)行，可實(shí)時進(jìn)行程序調(diào)試，還可以對實(shí)現(xiàn)程序的儲存、診斷、打印等多種功能。手動控制指令不進(jìn)入自動控制板塊，通過手動控制信號直接輸出并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只需要考慮各個傳感器采集數(shù)據(jù)的輸入即可。由于PLC系統(tǒng)是順序掃描，利用順序控制的方法，將整個程序分為兩個部分，主程序負(fù)責(zé)對信息的采集以及應(yīng)急情況的處理，而副程序主要對每個板塊進(jìn)行管理。在控制程序中，需要設(shè)定一個上限值與下限值為極高/極低溫度的報(bào)警值。

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

當(dāng)控制系統(tǒng)處于自動運(yùn)行狀態(tài)時，自動控制回路閉合，PLC系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式。首先系統(tǒng)對各個模塊初始化，再讀取程序中設(shè)置的限定值以及溫度參數(shù)等，然后再進(jìn)入對應(yīng)條件控制的子程序中，對采集到的數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較并輸出判斷后得出的執(zhí)行指令。利用輔助繼電器M8000對環(huán)境溫度、濕度上下限、土壤溫濕度設(shè)定一個限定值，常見農(nóng)業(yè)大棚設(shè)置的溫度上限值為45℃，下限一般為10℃、濕度為20%～60%。在初始設(shè)定之后，可以通過觸摸屏對該數(shù)據(jù)進(jìn)行在線修改。主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 PLC程序設(shè)計(jì)流程圖

3.1.2 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)

當(dāng)傳感器測得的實(shí)際值高于或低于設(shè)定上下限值時，報(bào)警子程序可以通過PLC功能指令ZCP來判斷是否超出設(shè)定值，同時對應(yīng)的警示燈也會同步啟動。

3.1.3 溫度控制子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過傳感器對當(dāng)前溫室的溫度進(jìn)行測量并利用判斷程序進(jìn)行判定，當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限值時，即調(diào)用控制命令啟動加熱裝置，提高溫室的溫度。當(dāng)溫度高于設(shè)定的上限值時，智能控制加熱裝置的關(guān)閉同時降溫裝置開啟。如果溫度處于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則繼續(xù)該循環(huán)進(jìn)行檢測直至溫濕度超出設(shè)定范圍。

3.1.4 濕度控制子程序設(shè)計(jì)

一旦檢測到室內(nèi)濕度高于設(shè)定上限值時，便會智能控制通風(fēng)裝置開啟，調(diào)節(jié)溫室濕度，相反當(dāng)室內(nèi)濕度低于設(shè)定下限值時，系統(tǒng)調(diào)控噴灌裝置打開，提高溫室濕度。若濕度當(dāng)前只處于預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則繼續(xù)該循環(huán)進(jìn)行檢測直至濕度超出設(shè)置范圍。

3.2 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

3.2.1 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制，可提供快速自動控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能，并可以應(yīng)用于多種數(shù)據(jù)采集以及過程控制領(lǐng)域。根據(jù)設(shè)計(jì)需要以及實(shí)際情況，采用北京昆侖通泰的嵌入板組態(tài)軟件配合TPC7062k觸摸屏實(shí)現(xiàn)PLC智能溫濕度人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。首先在組態(tài)軟件中建立溫室控制系統(tǒng)工程，TPC類型選擇為TPC7062k。然后分別建立空氣溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)、溫濕度曲線以及溫濕度歷史曲線窗口。

3.2.2 觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏上需要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)手/自動控制狀態(tài)的切換，將采集到的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度等在觸摸屏上展現(xiàn)出來。設(shè)計(jì)外部控制按鈕的組態(tài)對象，設(shè)置加熱設(shè)備、補(bǔ)光設(shè)備、風(fēng)扇以及噴滴灌設(shè)備的手動開關(guān)，防止電子設(shè)備失靈導(dǎo)致的無法控制的情況。

4 結(jié)束語

我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)大量份額。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷普及，溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，特別是溫室規(guī)模栽培，但設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，主要原因是水分、溫度、光照等參數(shù)的變化，迅速檢測到大量的水分、溫度、光照等參數(shù)并能通過智能技術(shù)及時采取有效措施，具有很高的檢測效率和推廣價(jià)值。