基于西門子PLC的智能溫室控制系統(tǒng)設計

周 敏， 韓宇光， 王軍安， 朱廷賀

(華東理工大學 自動化系， 上海 200237)

0 引 言

溫室技術是國際上農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，自從改革開放以來，我國也在積極發(fā)展溫室技術。目前我國發(fā)展應用較多的有塑料大棚、日光溫室及連棟溫室，但在智能溫室方面還稍顯不足。與國際水平相比，我們的硬件設施基本上能與國際接軌，但在智能化控制系統(tǒng)方面還與發(fā)達國家有較大差距[1]。根據(jù)我國目前的這一需求，我們設計了基于西門子PLC的智能溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單、易于維護、可靠性強，能適應溫室惡劣的環(huán)境。與目前市場上大多數(shù)的單片機溫室控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)擴展性更好，開發(fā)周期更短且更容易監(jiān)控[2]。

1 智能溫室控制系統(tǒng)

1.1 簡 介

智能溫室控制系統(tǒng)通過自動控制調(diào)節(jié)溫室的相關變量，例如光照、溫度、濕度等，以此來創(chuàng)造出更有利于農(nóng)作物生長的環(huán)境，以此提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時也節(jié)省了人力。

1.2 總體方案設計

系統(tǒng)采用的可編程控制器為S7-200系列中的CPU 224 CN AC/DC/RLY，型號為6ES7214-1BD23-0XB8 。其規(guī)格為CPU224 繼電器輸出，有14個輸入口，10個輸出口。系統(tǒng)中采用的組態(tài)軟件是亞控科技的組態(tài)王Jingview6.53，提供了進行數(shù)據(jù)匯總、分析和管理的有效平臺，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控[3-5]。

溫室智能控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

1.3 硬件設計

智能溫室系統(tǒng)中裝有溫度檢測變送器，溫度傳感器，通過檢測得到一個溫差值，存儲在PLC中的模擬量模塊中。同時，系統(tǒng)中裝有兩個光照信號的傳感器，分別檢測外部光強和內(nèi)部光強。將兩個光照強度經(jīng)比較后送入PLC中一個開關量，該開關量表示的是內(nèi)外光照強度的相對大小[6-7]。

智能溫室系統(tǒng)中有4個執(zhí)行器：① 電機，控制遮光簾的打開及關閉；② 風機，控制溫室中的通風；③ 日光燈，在光照不足的情況下打開，模擬日光；④ 加熱器，在室內(nèi)溫度低的情況下加熱。這4個執(zhí)行器的執(zhí)行動作受以上2個控制信號的綜合影響，溫度與光照的控制作用是同時產(chǎn)生的。存儲在PLC模擬量模塊中的溫差值經(jīng)過PID運算后輸出控制信號來控制加熱器的電壓，實現(xiàn)對溫度的自動調(diào)節(jié)[8-10]。同時系統(tǒng)還會讀取光照信號的開關量的值，結合溫差信號來控制電機的正反轉(zhuǎn)、風機以及日光燈的打開及關斷。

此外，系統(tǒng)中還設有報警裝置，當溫室內(nèi)的溫度高于正常值時，報警燈會亮并以1Hz的頻率閃爍直到室內(nèi)溫度恢復正常值。

1.4 軟件設計

上位機選用個人計算機(PC機)，主要用于通訊、數(shù)據(jù)處理、對溫室系統(tǒng)進行監(jiān)測與控制?？梢杂肒ingview建立操作界面，顯示實時曲線和參數(shù)以及歷史曲線和參數(shù)，方便操作員的操作，便于分析溫室系統(tǒng)的總體運行狀況。下位機選用西門子S7-200系列的小型PLC，用戶程序大小有8 192 B，用戶數(shù)據(jù)有5 120 B，可以永久存儲，最多可擴展7個模塊[11-12]。

軟件設計首先要建立上位機與下位機之間的通訊，我們采用PC/PPI適配器連接安裝了STEP 7的計算機的RS-232C接口和PLC的RS-485接口[13]。計算機一側的通信速率為19.2 kbit/s或187.5 kbit/s，PLC一側的通信速率為1.2～115.2 kbit/s。除了PC適配器，還需要一根標準的RS-232C通信電纜。我們采用的編程軟件是STEP7 Micro，它是西門子S7-200的編程軟件。STEP 7可以進行硬件配置和參數(shù)設置，以及通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護等。如果要實現(xiàn)遠程監(jiān)控，可以設置遠程調(diào)制解調(diào)器，以便將本地S7-200 PLC與遠程設備連接。

1.4.1PLC編程

系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動、手動的無擾動切換，因此在編程時要實現(xiàn)既可以手動控制又可以自動控制。程序流程如圖2所示。

1.4.2組態(tài)軟件設計

組態(tài)軟件采用亞控科技的組態(tài)王Kingview6.53，界面設計如圖3所示。功能如下：

(1) 該控制界面可以動態(tài)顯示溫室系統(tǒng)中的各類參數(shù)，如光照強度，溫度等，便于實時監(jiān)控。這些參數(shù)由傳感器檢測出來，并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入到下位機中，進而被上位機調(diào)用。

(2) 上位機具有手動/自動功能，操作員可以強制修改參數(shù)，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的手動控制。方便有經(jīng)驗的農(nóng)業(yè)專家根據(jù)季節(jié)、氣候等變化對控制系統(tǒng)做出適當調(diào)整，創(chuàng)造更加適合作物生長的環(huán)境。

(3) 上位機可以記憶參數(shù)的歷史曲線，可以進行查詢，根據(jù)歷史曲線分析系統(tǒng)的控制指標，總結控制規(guī)律，有助于提高系統(tǒng)的控制性能[14-16]。

2 運行結果與分析

在控制界面上有手動/自動切換按鈕，切換到手動狀態(tài)時，可以手動控制遮光簾、加熱、通風及照明，并在監(jiān)控界面上動態(tài)顯示運行狀態(tài)；切換到自動狀態(tài)時，通過監(jiān)控界面設定溫室的溫度值，可以由編寫的西門子PLC的PID調(diào)節(jié)程序調(diào)節(jié)溫度值逐漸趨向于設定值，即達到作物生長的最佳環(huán)境，實時溫度曲線如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)界面設計

圖4 實時溫度曲線

3 結 語

溫室智能控制系統(tǒng)受到越來越多人的關注，在農(nóng)業(yè)領域的應用也越來越廣泛。本文以PLC和組態(tài)王為核心設計了智能溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的擴展性好，適合多種作物生產(chǎn)環(huán)境的調(diào)節(jié)與控制。通過編寫PLC程序，運用PID算法來控制溫度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定運行。并且通過組態(tài)，實現(xiàn)了手動控制與自動控制的結合，兩者相輔相成，既可以將有關農(nóng)業(yè)的專業(yè)知識運用到系統(tǒng)中去，使溫室控制更加科學，又可以節(jié)省人力，實現(xiàn)全程監(jiān)控，減少損失。

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