張建猛，徐文杰

（漢江師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北十堰， 442000）

0 引言

農(nóng)業(yè)是我國的第一產(chǎn)業(yè)，也是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，但是由于各種原因，能用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地面積不是很高[1]。農(nóng)作物的生長受環(huán)境的制約，傳統(tǒng)的種植技術(shù)無法很好地改變這一現(xiàn)象。溫室技術(shù)可以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫自然條件的制約，實(shí)現(xiàn)反季節(jié)生產(chǎn)。為進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量，以傳統(tǒng)溫室大棚技術(shù)為基礎(chǔ)，融入計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及自動控制技術(shù)，對環(huán)境因素進(jìn)行控制來達(dá)到最優(yōu)的植物生長環(huán)境。通過一系列現(xiàn)代化科技手段進(jìn)一步調(diào)節(jié)生長因子，消除季節(jié)、區(qū)域等外界因素的影響，人工營造一個(gè)更適合農(nóng)作物生長的自然環(huán)境，以此最大化提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。智能溫室大棚技術(shù)是進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)發(fā)展質(zhì)量的核心，也是農(nóng)業(yè)自動生產(chǎn)領(lǐng)域的一大重點(diǎn)研究對象[2]。

1 系統(tǒng)控制要求及結(jié)構(gòu)

加熱管道，畫面中部仿真程序正常運(yùn)行，點(diǎn)動停止按鈕停止運(yùn)行。

（4）對參數(shù)限值進(jìn)行設(shè)定，可自行配置二氧化碳濃度限位、光照強(qiáng)度限位、空氣濕度限位以及溫度上下限，給溫室大棚傳感器程序監(jiān)測到的實(shí)際值作對比，為自動控制運(yùn)行時(shí)提供動作信號。對實(shí)際值進(jìn)行監(jiān)測與收集，并反饋給控制程序，可人為手動調(diào)控實(shí)際值，以達(dá)到模擬現(xiàn)實(shí)中溫室大棚受環(huán)境影響的目的。

（5）在手動運(yùn)行模式下再次點(diǎn)擊手動按鈕，手動按鈕顯示置換為自動狀態(tài)，即可切換至自動模式，系統(tǒng)自動檢測實(shí)際值并進(jìn)行控制。自動運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)際值，并將監(jiān)測到的實(shí)際值與設(shè)定值上下限進(jìn)行對比，處于設(shè)定范圍內(nèi)控制設(shè)備不動作，不足或超過設(shè)定值，相應(yīng)控制設(shè)備動作。

（6）為了應(yīng)對突發(fā)情況，自動控制模式下，可以強(qiáng)行切換至手動控制模式，對控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行人為干預(yù)。

■1.1 控制要求

■1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）控制程序處于初始化狀態(tài)時(shí)，觸摸屏面板左下方的設(shè)定參數(shù)欄與右方實(shí)際數(shù)據(jù)欄為任意值，運(yùn)行指示燈處于熄滅狀態(tài)，中央仿真畫面處于不動作狀態(tài)，操控面板手動自動檔位不亮并且初始為手動狀態(tài)。

（2）通過觸摸屏能對執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行實(shí)況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，手自動按鈕文字點(diǎn)動即可切換，遮陽電機(jī)運(yùn)行表現(xiàn)形式為綠幕向下覆蓋，加濕風(fēng)扇運(yùn)行表現(xiàn)形式為轉(zhuǎn)動，加熱裝置運(yùn)行時(shí)熱管由白變紅，二氧化碳輸入運(yùn)行時(shí)則氣管由白變藍(lán)，補(bǔ)光燈啟動由黑轉(zhuǎn)白。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行模式可控，初始為手動模式，檢測控制裝備是否處于正常狀態(tài)，點(diǎn)動啟動按鈕啟動指示燈亮，可手動控制電機(jī)運(yùn)行。在手動控制模式下依次點(diǎn)動二氧化碳輸氣管道、補(bǔ)光燈、加濕風(fēng)扇、遮陽電機(jī)以及

圖1 PLC 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

智能溫室大棚控制系統(tǒng)在HMI 仿真界面配置有控制面板：可手自動切換控制模式，啟停，并含有補(bǔ)氣按鈕，補(bǔ)光按鈕，升降溫按鈕，加濕按鈕能通過點(diǎn)動人為控制運(yùn)行設(shè)備。參數(shù)設(shè)定界面：可設(shè)置濕度限位值、光照強(qiáng)度限位值、二氧化碳濃度限位值以及溫度的上下限位值，供設(shè)備傳感器監(jiān)測到的實(shí)際值作對比[3]；實(shí)際值顯示與輸入：可將溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，在模擬狀態(tài)下可拉動進(jìn)度條人為給定溫度、濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度實(shí)際值；以及仿真動畫界面：大棚動畫按真實(shí)狀態(tài)繪制，設(shè)計(jì)精美并且通俗易懂，可供操作者明確觀測到大棚內(nèi)運(yùn)行狀況。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 硬件選型

（1）確定IO 設(shè)備

輸入設(shè)備：8 個(gè)數(shù)字量點(diǎn)動控制按鈕（分別為手自動模式切換按鈕、啟停按鈕、補(bǔ)光按鈕、補(bǔ)充二氧化碳按鈕、加濕按鈕、遮陽降溫按鈕和加熱升溫按鈕），4 個(gè)可拖動調(diào)整參數(shù)的給定輸入量（分別為溫度實(shí)際值、濕度實(shí)際值、光照強(qiáng)度實(shí)際值和二氧化碳實(shí)際值），以及一個(gè)存儲并區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)塊_1”，供編程時(shí)挑選使用。

輸出設(shè)備： 6 個(gè)24V 數(shù)字量輸出設(shè)備（分別為遮陽卷簾電機(jī)、加熱氣管、加濕風(fēng)扇、補(bǔ)充二氧化碳?xì)夤?、補(bǔ)光燈和系統(tǒng)運(yùn)行指示燈）。

（2）PLC 的選型

在溫室大棚控制系統(tǒng)中，PLC 控制器是整個(gè)調(diào)控系統(tǒng)的核心裝備。在市面上所能供給的PLC 型號多且雜，因而在選擇上較為困難。在此選用PLC 是西門子S7-1200 DC/DC/DC 系列，主要由中央處理單元（CPU）、數(shù)字量輸入模塊（DI）、數(shù)字量輸出模塊（DO）、模擬量輸入模塊（AI）、模擬量輸出模塊（AO）、數(shù)據(jù)通訊模塊、特殊模塊（快速計(jì)數(shù)模塊等）、電源模塊、機(jī)架、外部設(shè)備、編程器（或裝有PLC 編程軟件的電腦）等組成[4]。CPU 采用直流24V 供電，集成了以太網(wǎng)接口、HMI 人機(jī)交互觸摸屏和RS485 接口，并帶有以太網(wǎng)通信端口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能。RS485 接口支持Modbus-PTU 協(xié)議及自由口通信。

■2.2 IO 分配

基于實(shí)際情況，本文采用上位機(jī)傳感器與下位機(jī)PLC作為控制核心智能自動溫室控制系統(tǒng)，界面友好且操作簡單，運(yùn)行可靠，系統(tǒng)控制方式按要求設(shè)計(jì)。對于程序而言，與變量表建立在線聯(lián)系之后，可將硬件組態(tài)和程序下載到PLC 中[5]。即可通過變量表監(jiān)控界面在線調(diào)控程序，可用于監(jiān)視和修改變量值。使用變量表并簡潔明了輸入與輸出變量，有助于查找并發(fā)現(xiàn)程序問題，本課題由溫度傳感器、濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器以及二氧化碳濃度傳感器四個(gè)數(shù)字量輸入，以及手自動切換和啟動暫停兩個(gè)數(shù)字量輸入，同時(shí)有遮陽電機(jī)等八個(gè)控制裝置以及系統(tǒng)運(yùn)行指示燈共九個(gè)數(shù)字量輸出，變量表如表1 所示。

表1 輸入/輸出端口分配表

3 軟件設(shè)計(jì)及核心控制程序

■3.1 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)包括上位機(jī)HMI 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和控制程序設(shè)計(jì)兩部分?？刂瞥绦虿扇∧K化設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)初始化程序模塊、手自動切換模塊、手動控制模塊、實(shí)際值與給定值對比模塊、自動控制模塊以及動畫變量控制模塊，采取模塊化設(shè)計(jì)是將控制程序按照不同控制功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要目的是使程序簡潔清晰?？刂瞥绦蛑饕康氖菫閷?shí)現(xiàn)溫室大棚中對影響作物生長的相應(yīng)因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。傳感器程序?qū)⒉杉降膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到對比模塊，再將所接收的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行對比，測量到的實(shí)際值如果不足下限或超過上限，PLC 將運(yùn)行執(zhí)行程序，并控制相應(yīng)電機(jī)動作。軟件配置部分將設(shè)置觸摸屏和西門子S7 1200 PLC 連接，并選擇通訊方式為以太網(wǎng)通信，觸摸屏IP 地址設(shè)定為：192.168.0.2。設(shè)置好變量和報(bào)警文本，觸摸屏中變量要和PLC 中的變量要一一對應(yīng)[6]。

智能溫室大棚控制系統(tǒng)的監(jiān)測與控制現(xiàn)場參數(shù)可以在人機(jī)界面的主頁面顯示，檢測裝置的設(shè)定值與實(shí)際值可手動輸入調(diào)整，當(dāng)系統(tǒng)啟動后實(shí)時(shí)進(jìn)行對比。當(dāng)切換到手動檔時(shí)，可直接點(diǎn)動電機(jī)控制運(yùn)行。程序結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 PLC 程序結(jié)構(gòu)圖

■3.2 核心控制程序

（1）手自動切換模塊

手自動切換模塊如圖3 所示。系統(tǒng)運(yùn)行指示燈在系統(tǒng)自動啟動時(shí)亮起，自動停止時(shí)熄滅，手動自動變量分為兩個(gè)數(shù)據(jù)塊，互相之間實(shí)現(xiàn)自鎖，以達(dá)到切換時(shí)點(diǎn)動控制。

圖3 手自動切換模塊

（2）手動控制模塊

手動控制模塊如圖4 所示。手動控制單獨(dú)編入數(shù)據(jù)塊1，手自動切換至手動時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)塊1 中手動控制變量，以加熱程序?yàn)槔菏謩忧闆r下，“數(shù)據(jù)塊_1”手動加熱啟停為 1 時(shí)，“加熱”啟動，為 0 時(shí)，“加熱”停止，從而達(dá)到加熱溫室大棚內(nèi)環(huán)境的效果。

圖4 手動控制模塊加熱程序

（2）實(shí)際值與給定值對比模塊

如圖5 模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序中，數(shù)據(jù)對比程序作為對模擬量進(jìn)行工程量的轉(zhuǎn)換程序，本文選擇了模擬量處理指令NORM_X（標(biāo)準(zhǔn)化）和SCALE_X（縮放），以此來將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。所有模擬量信號均為 4-20MA 信號，對應(yīng)5530-27648；NORM_X 中，OUT 是輸出0-1.0 的實(shí)數(shù)；SCALE_X 中，MIN-max 是量程，OUT 是輸出的實(shí)際值。

（3）自動控制模塊

如圖6 溫度控制遮陽電機(jī)程序所示，系統(tǒng)處于自動狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)“數(shù)據(jù)塊_1”溫度上限設(shè)定值小于“數(shù)據(jù)塊_1”溫度模擬值或者“數(shù)據(jù)塊_1”光照強(qiáng)度設(shè)定值小于“數(shù)據(jù)塊_1”光照強(qiáng)度模擬值，“遮陽電機(jī)”啟動；當(dāng)“數(shù)據(jù)塊_1”光照強(qiáng)度設(shè)定值大于等于“數(shù)據(jù)塊_1”光照強(qiáng)度模擬值并且“數(shù)據(jù)塊_1”溫度下限設(shè)定值大于“數(shù)據(jù)塊_1”溫度模擬值時(shí)，“遮陽電機(jī)”停止。

圖6 自動控制遮陽電機(jī)程序

4 仿真監(jiān)控與實(shí)物調(diào)試

■4.1 仿真監(jiān)控

對程序控制功能的驗(yàn)證，需要用到觸摸屏仿真。利用現(xiàn)場仿真動畫，建立了一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并模擬傳感器對現(xiàn)場的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，并利用程序識別、對比并做出相應(yīng)動作。在這一系統(tǒng)中主要采用不同機(jī)位對系統(tǒng)進(jìn)行控制的方案，即上位機(jī)使用HMI 組態(tài)軟件，下位機(jī)使用PLC 的模式，將PLC 控制可靠性的特點(diǎn)發(fā)揮到極致，有效監(jiān)控溫室環(huán)境。變量表如圖7 所示。

圖7 變量SIM 表

智能溫室大棚的核心部分是PLC 控制器，選用型號為西門子S7-1200 系列中的1215CDC/DC/DC，觸摸屏選用西門子KTP700 Basic 精簡觸摸屏，利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)兩者的通信。先在博圖V15.1 軟件部分完成硬件的組態(tài)，再添加觸摸屏控制面板規(guī)格與型號，然后將兩部分連接，并于觸摸屏中配置動畫參數(shù)。圖8 為組態(tài)動畫監(jiān)控部分，可實(shí)時(shí)監(jiān)測溫室大棚內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)實(shí)際值，并且能與設(shè)定值相對比，在自動運(yùn)行模式下便可做出相應(yīng)動作，以保證溫室大棚穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 監(jiān)控畫面

■4.2 實(shí)物調(diào)試

調(diào)試時(shí)啟動控制程序CPU 與HMI 仿真觸摸屏，檢查程序無缺失、觸摸屏與CPU 連接無誤后啟動仿真并下載復(fù)位運(yùn)行。進(jìn)入仿真配置界面，點(diǎn)動啟動按鈕啟動知識燈是否亮起，參數(shù)設(shè)定是否能手動輸入，實(shí)際值部分需保證顯示正常，手/自動控制按鈕按下是否出現(xiàn)動畫切換。手動模式下點(diǎn)動控制按鈕時(shí)觸摸屏中仿真動畫相應(yīng)電機(jī)是否正常動作；自動模式下實(shí)際值未達(dá)到設(shè)定下限位與超出上限位時(shí)仿真動畫對應(yīng)電機(jī)是否正常動作。

5 結(jié)語

本文選用S7-1200PLC 作為控制器，結(jié)合PLC 控制技術(shù)、觸摸屏技術(shù)與電氣控制技術(shù)，通過傳感器等電器元件對控制系統(tǒng)內(nèi)的溫濕度等因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)通過觸摸屏對采集信號實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測與反饋控制，并對現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。考慮到室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控需求，在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)一步增強(qiáng)了監(jiān)控方面的精細(xì)化設(shè)計(jì)，最大限度實(shí)現(xiàn)環(huán)境的合理掌控，始終讓設(shè)備處于一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。相關(guān)的信息實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示，相關(guān)參數(shù)設(shè)定操作簡單快捷，系統(tǒng)運(yùn)行模式可自行切換，上位機(jī)界面清晰，控制系統(tǒng)的自動化程度較高。