穆 彤，楊 杰，牛永江

(天水師范學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，甘肅 天水 741001)

0 引 言

農(nóng)業(yè)溫室智能控制是現(xiàn)階段設(shè)施農(nóng)業(yè)種植與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵部分,是中國(guó)能夠有效提高農(nóng)作物生產(chǎn)率,保證農(nóng)作物品質(zhì)的重要工具[1-3]。在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效控制對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育具有非常重要的意義。相關(guān)研究表明：農(nóng)作物的產(chǎn)量與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及水分利用率之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系[4-5]。光合作用與農(nóng)作物產(chǎn)量息息相關(guān)，適宜的溫度、濕度環(huán)境能在很大程度上提高其自身光合潛能的施展。而胞間二氧化碳濃度作為植物光合作用的主要反應(yīng)物之一，其含量的變化可反映植物葉片光合作用的進(jìn)程。植物在陽(yáng)光與水的作用下，將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)能來(lái)存儲(chǔ)，以維持自身的生長(zhǎng)，但若二氧化碳的濃度太高，便有可能讓地球變得更加干燥，反而對(duì)植物產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)、復(fù)雜的不利影響。在較高二氧化碳濃度環(huán)境下，植物對(duì)水的利用效率更高，并且隨著溫度的升高，水的損失有所減少。因此，筆者所監(jiān)測(cè)和控制的對(duì)象主要考慮大棚的溫度、濕度和二氧化碳濃度。

傳統(tǒng)的溫室大棚對(duì)農(nóng)作物的環(huán)境很難及時(shí)調(diào)節(jié)，對(duì)于溫度、濕度、二氧化碳濃度等的分析更加不易實(shí)現(xiàn)。為此，從智能化控制的角度出發(fā)，筆者通過(guò)PLC對(duì)溫室大棚的溫度、濕度和二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析與控制，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的自動(dòng)化管理和控制，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

文中以PLC為控制器，數(shù)字量輸入采集信號(hào)通過(guò)旋鈕、按鈕、光電開(kāi)關(guān)等獲取，模擬量輸入采集信號(hào)由溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和濕度傳感器獲取，大棚采用采取全密封型設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由溫度傳感器、濕度傳感器和二氧化碳濃度傳感器采集大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)PLC控制三色燈和電磁閥、風(fēng)機(jī)、電機(jī)、伺服電機(jī)、加熱器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制數(shù)字量輸出。溫室大棚的上方安裝有噴淋系統(tǒng)，并在溫室大棚入口與出口各安裝風(fēng)機(jī)1臺(tái)。從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)二氧化碳濃度監(jiān)控系統(tǒng)及溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警后，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制系統(tǒng)及其組成的選型

此系統(tǒng)采用SIMATIC S7-1200PLC，CPU模塊為1214C。伺服采用西門子V90三相400 V高慣量伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，帶增量式編碼器，選用PTI版本、脈沖+方向的位置控制模式。伺服主要參數(shù)設(shè)定：將P29003的值設(shè)為0，外部脈沖位置控制；將P29010的值設(shè)為0，脈沖+方向控制模式；選用24 V單端脈沖輸入，電子齒輪比分子定為1，分母定位5。交流接觸器選用德力西CJX2s 1810，220 V線圈電壓，承受電流18 A。溫度傳感器選用PT100鉑熱電阻，選擇量程為0～50 ℃，輸出信號(hào)4～20 mA；二氧化碳濃度傳感器選用普銳森社MQ137，量程選擇為0～50 ppm，輸出信號(hào)4～20 mA；濕度傳感器選用隆旅LS-I-50KG型傳感器。

2 控制系統(tǒng)實(shí)施方案

2.1 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心由SM1214CDC/DC/DCPLC和精智面板TP900組成，在博圖平臺(tái)中對(duì)需要的硬件進(jìn)行組態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)視圖中將CPU模塊和觸摸屏的PROFINET接口連接，并完成相應(yīng)的屬性設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)視圖組態(tài)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)視圖組態(tài)

硬件監(jiān)控顯示基于博圖平臺(tái)仿真和觸摸屏仿真實(shí)現(xiàn)，當(dāng)PLCSIM中I1.1置位，模擬打開(kāi)自動(dòng)控制模式，若此時(shí)，PLC監(jiān)測(cè)到溫室大棚的二氧化碳濃度、濕度、溫度等參數(shù)超過(guò)上限，仿真界面對(duì)應(yīng)棒狀圖變?yōu)榧t色，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟調(diào)節(jié)模式，入口風(fēng)機(jī)、出口風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，上水、噴淋執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，直至調(diào)節(jié)到合適的環(huán)境參數(shù)后恢復(fù)，棒狀圖變?yōu)樗{(lán)色。

2.2 控制系統(tǒng)原理及流程

對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度和二氧化碳濃度等參數(shù)實(shí)施控制的具體方案是：當(dāng)溫室大棚內(nèi)二氧化碳濃度超過(guò)設(shè)定濃度時(shí)，開(kāi)啟進(jìn)口風(fēng)機(jī)，當(dāng)濃度下降到設(shè)定初始值，停止室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)；當(dāng)系統(tǒng)溫度低于設(shè)置初始溫度啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，打開(kāi)加熱器預(yù)熱，10 s后開(kāi)啟風(fēng)機(jī)加速空氣流通，促進(jìn)大棚內(nèi)各部分溫度迅速達(dá)到要求溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定要求后關(guān)閉加熱器，風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作直至加熱器停止后停止工作。當(dāng)系統(tǒng)溫度高于設(shè)定的最高溫度進(jìn)行降溫啟動(dòng)，打開(kāi)風(fēng)機(jī)、噴頭噴水，達(dá)到設(shè)定最低溫度，停止風(fēng)機(jī)、噴淋；濕度傳感器監(jiān)測(cè)棚內(nèi)土壤濕度，當(dāng)濕度突破設(shè)定下限時(shí)，噴淋系統(tǒng)工作?？刂屏鞒虉D如圖3所示。

圖3 控制流程圖

2.3 硬件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，搭建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，利用PC、PLC和HMI完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)各類傳感器接收相關(guān)數(shù)據(jù)信息，再用PLC數(shù)字量/模擬量模塊對(duì)溫度、濕度、二氧化碳濃度等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，并通過(guò)程序判別實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器、交流電機(jī)、水位開(kāi)關(guān)電磁閥的控制。上位機(jī)采用WINCC完成PLC的觸摸屏設(shè)計(jì)，在PLCSIM中改變模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字量的值使溫度超過(guò)上限，當(dāng)溫度及二氧化碳濃度超過(guò)上限通過(guò)顏色進(jìn)行監(jiān)控并控制風(fēng)機(jī)和噴淋系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作。自動(dòng)控制水位由兩個(gè)鴨嘴式浮球水位開(kāi)關(guān)控制，初始狀態(tài)時(shí)水箱內(nèi)水位在低水位與高水位之間，當(dāng)水位低于低水位時(shí)，低水位開(kāi)關(guān)不觸發(fā)，常閉接通水箱注水電磁閥打開(kāi)，完成水箱注水工作，由于線圈自鎖，水位上升低水位開(kāi)關(guān)觸發(fā)，常閉斷開(kāi)電磁閥不停止工作，直到高水位開(kāi)關(guān)觸發(fā)，其常閉斷開(kāi)，線圈停止工作，注水電磁閥停止工作。溫室大棚中間的護(hù)欄有三個(gè)作用，它既用來(lái)隔離也用來(lái)給兩側(cè)的農(nóng)作物供水灌溉。

2.4 軟件核心控制過(guò)程

(1)時(shí)間記錄模塊

將本地時(shí)間寫入到PLC的CPU當(dāng)中，過(guò)程如圖4所示，其內(nèi)容是在PLC上電的第一掃描周期將當(dāng)?shù)貢r(shí)間寫入到DTL格式的數(shù)據(jù)塊當(dāng)中，完成后再將這個(gè)數(shù)據(jù)塊寫入到PLC的系統(tǒng)本地時(shí)間，然后再讀取本地時(shí)間，用讀取出來(lái)時(shí)間參數(shù)與程序中設(shè)定的參數(shù)比較，完成一些與時(shí)間相關(guān)的工作內(nèi)容，例如固定時(shí)間段的自動(dòng)灌溉任務(wù)。

圖4 寫入本地時(shí)間梯形圖

(2)風(fēng)機(jī)控制

控制入口風(fēng)機(jī)工作的梯形圖如圖5所示，在溫度過(guò)高、過(guò)低和二氧化碳濃度超標(biāo)的情況下，入口處的風(fēng)機(jī)都會(huì)啟動(dòng)，且當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)加熱器加熱10 s后入口風(fēng)機(jī)才開(kāi)始工作。

圖5 入口風(fēng)機(jī)梯形圖

(3)灌溉及噴淋控制

圖6為水箱水位控制的梯形圖，該程序塊實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的灌溉。當(dāng)液位低于低水位時(shí)，低水位開(kāi)關(guān)閉合，水箱電磁閥打開(kāi)，直至液位到達(dá)高水位時(shí)關(guān)閉水箱電磁閥。圖7為噴淋控制程序，主要通過(guò)控制電磁閥的啟停來(lái)控制噴淋，當(dāng)溫度過(guò)高或者需要手動(dòng)噴淋的時(shí)候可以控制其打開(kāi)噴淋。

圖6 水箱水位控制梯形圖

圖7 噴淋控制梯形圖

3 總 結(jié)

文中在充分調(diào)研溫度、濕度及二氧化碳濃度對(duì)農(nóng)作物影響程度的基礎(chǔ)上，利用PLC控制器監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)程序控制伺服電機(jī)、電磁閥等執(zhí)行部件完成了溫室大棚環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚的自動(dòng)化管理和控制。該系統(tǒng)控制邏輯簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，對(duì)推進(jìn)溫室大棚的智能化控制、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。