基于PLC與W inCC的立體溫室種植控制系統(tǒng)設(shè)計

羅 野，王 維

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

基于PLC與W inCC的立體溫室種植控制系統(tǒng)設(shè)計

羅 野，王 維

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

立體溫室種植控制系統(tǒng)通過科學(xué)技術(shù)改變作物的生長環(huán)境，降低氣候變化給作物帶來的影響，提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量、充分利用時空資源。本系統(tǒng)的硬件部分主要由S7-200PLC、環(huán)境傳感器、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，采用WinCC上位機(jī)軟件進(jìn)行實時監(jiān)控，自動化程度高、實用性強(qiáng)。

立體溫室；S7-200PLC；WinCC監(jiān)控

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

基于PLC與WinCC的立體種植環(huán)境控制系統(tǒng)是現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)和立體種植相結(jié)合的立體溫室?？刂葡到y(tǒng)的硬件部分主要由環(huán)境傳感器、PLC和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，用來檢測溫室內(nèi)部溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度和光照度等環(huán)境參數(shù)，完成溫室內(nèi)部遮陽簾控制、側(cè)窗的開閉驅(qū)動、溫室控制、水泵、二氧化碳補(bǔ)氣閥、補(bǔ)光燈等執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

控制系統(tǒng)的主要控制對象是室內(nèi)的溫度、土壤濕度、光照度和二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，運用溫度傳感器、光照度傳感器、濕度傳感器和二氧化碳傳感器來對各個環(huán)境因子進(jìn)行檢測。本系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)主要通過熱風(fēng)機(jī)和冷風(fēng)機(jī)的驅(qū)動和停止來進(jìn)行，濕度調(diào)節(jié)主要通過滴灌系統(tǒng)的工作來進(jìn)行，光照度調(diào)節(jié)主要通過遮陽簾的收放和補(bǔ)光燈開關(guān)的來進(jìn)行，二氧化碳濃度調(diào)節(jié)主要通過通風(fēng)口的開關(guān)和電磁閥控制二氧化碳儲氣罐的出氣量多少來進(jìn)行。本系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)系統(tǒng)需求列出輸入信號和輸出信號。輸入數(shù)字信號按鈕輸入信號：手動/自動切換按鈕、總啟動按鈕、總停止按鈕、通風(fēng)口開閉按鈕、熱風(fēng)機(jī)手動啟動按鈕、冷風(fēng)機(jī)手動啟動按鈕、遮陽簾手動啟動按鈕、遮陽簾手動關(guān)閉按鈕、補(bǔ)光燈手動啟動按鈕、水泵1#手動啟動按鈕、水泵2#手動啟動按鈕、水泵3#手動啟動按鈕、二氧化碳儲氣罐按鈕，共計十三個。

輸出數(shù)字信號：各設(shè)備的接觸器通電信號：通風(fēng)口接觸器、遮陽簾開簾接觸器、遮陽簾關(guān)簾接觸器、熱風(fēng)機(jī)接觸器、冷風(fēng)機(jī)接觸器、水泵1#接觸器、水泵2#接觸器、水泵3#接觸器、補(bǔ)光燈接觸器、二氧化碳儲氣罐接觸器，共計十個。輸入模擬信號：各傳感器檢測到的模擬信號通過變送器輸入：溫度傳感器輸入的溫度信號、濕度傳感器1輸入的濕度信號、濕度傳感器2輸入的濕度信號、濕度傳感器3輸入的濕度信號、光照度傳感器輸入的光照信號、二氧化碳傳感器輸入的二氧化碳信號，共計留六個。輸出模擬信號：輸出模擬信號通過PLC中PID運算后輸出：傳給五個變頻器的信號、傳給一個電動調(diào)節(jié)閥的信號，共計六個。選擇擴(kuò)展模塊：一個模擬量擴(kuò)展模塊EM231CN、一個模擬量擴(kuò)展模塊EM232 CN和一個模擬量擴(kuò)展模塊EM235 CN，其中EM231 CN擴(kuò)展模塊是4路模擬量輸入模塊，EM232 CN擴(kuò)展模塊是2路模擬量輸出模塊，EM235 CN擴(kuò)展模塊是4路模擬量輸入/1路模擬量輸出模塊。各環(huán)境傳感器的選型：溫度傳感器、濕度傳感器、光照度感

器、二氧化碳傳感器。執(zhí)行器件的選擇：變頻器的選型、電動調(diào)節(jié)閥的選型、熱風(fēng)機(jī)的選型、冷風(fēng)機(jī)的選型、水泵的選型、遮陽簾的選型、補(bǔ)光燈的選型。上位機(jī)對下位機(jī)PLC進(jìn)行程序的編程，接著將編好的程序下載到PLC中，各種擴(kuò)展模塊、指示燈、按鈕、執(zhí)行器件以及各個環(huán)境傳感器連接到PLC的相應(yīng)端口。完成硬件接線。

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計

程序的設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)有手動和自動兩種工作模式，其中手動模式是為了應(yīng)付一些突發(fā)情況的，自動模式則是該控制系統(tǒng)正常工作下的狀態(tài)。在自動模式下，運行主程序可調(diào)用子程序，子程序為溫度PID子程序、濕度PID子程序、光照度PID子程序和二氧化碳濃度PID子程序，各個環(huán)境傳感器將檢測到的室內(nèi)溫度、土壤濕度、光照度和二氧化碳濃度等值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入到PLC中與系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，并將測量值進(jìn)行PID控制運算，是測量值和設(shè)定值相當(dāng)，然后將運算后的測量值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊后輸送入各執(zhí)行設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)的測量溫度值高于設(shè)定值，則PLC就會發(fā)出相應(yīng)的控制指令使冷風(fēng)機(jī)工作，使室內(nèi)溫度降至設(shè)定值；如果系統(tǒng)的測量溫度值低于設(shè)定值，則PLC就會發(fā)出相應(yīng)的控制指令使冷風(fēng)機(jī)停止運行并使熱風(fēng)機(jī)工作，使室內(nèi)溫度升至設(shè)定值。如果系統(tǒng)的測量土壤濕度值低于設(shè)定值，則系統(tǒng)中的控滴灌系統(tǒng)就會工作，使土壤濕度達(dá)到設(shè)定值；如果系統(tǒng)的測量土壤濕度值高于設(shè)定值，則系統(tǒng)中的滴灌系統(tǒng)停止運行，使土壤濕度升至設(shè)定值。如果系統(tǒng)的測量光照度值高于設(shè)定值，則系統(tǒng)中的遮陽簾就會放下，使室內(nèi)光照度降至設(shè)定值；如果系統(tǒng)的測量光照度值低于設(shè)定值，系統(tǒng)中的遮陽簾收起并補(bǔ)光燈開始工作，使室內(nèi)光照度升至設(shè)定值。如果系統(tǒng)的測量二氧化碳濃度值低于設(shè)定值，則PLC就會發(fā)出相應(yīng)的控制指令使電動調(diào)節(jié)閥工作，從而使二氧化碳儲氣罐向室內(nèi)輸送二氧化碳，使室內(nèi)二氧化碳濃度升至設(shè)定值，如果系統(tǒng)的測量溫度值高于設(shè)定值，則PLC就會發(fā)出相應(yīng)的控制指令使電動調(diào)節(jié)閥停止工作，使室內(nèi)二氧化碳濃度降至設(shè)定值。

4 W inCC界面設(shè)計及調(diào)試運行

WinCC作為控制系統(tǒng)的上位機(jī)，很方便地將標(biāo)準(zhǔn)的用戶程序結(jié)合起來，建立人機(jī)界面，從而能夠準(zhǔn)確地滿足生產(chǎn)要求，同時它也是第一個使用最新32位技術(shù)的過程監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)與PLC連接軟件，必須通過另一款軟件進(jìn)行連接。在本課題的控制系統(tǒng)中，選擇西門子OPC軟件PC ACCESS V1.0作為連接軟件。WinCC所需監(jiān)控的變量也必須在此軟件中進(jìn)行建立，然后通過導(dǎo)入實現(xiàn)WinCC內(nèi)變量的創(chuàng)建。系統(tǒng)畫面的設(shè)計分為畫面建立、畫面編輯、動畫連接三個步驟。建立的“新農(nóng)業(yè)立體種植環(huán)境控制系統(tǒng)”的畫面如圖2所示。

圖2 新農(nóng)業(yè)立體種植環(huán)境控制系統(tǒng)

圖3 WinCC運行曲線

進(jìn)行畫面繪制及組態(tài)，對畫面進(jìn)行監(jiān)控。通過觀察監(jiān)控中相應(yīng)的輸入輸出量調(diào)整試驗，進(jìn)行PID參數(shù)的整定，觀察每個輸入輸出量、畫面上設(shè)備工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)顯示等。各個控制變量中的PID參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)反映在WinCC運行曲線圖中，如圖3所示。

5 結(jié)語

通過科學(xué)技術(shù)改變作物的生長環(huán)境降低氣候變化給作物帶來的影響，從而提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，而且能夠充分利用時空資源，節(jié)約土地資源?？刂葡到y(tǒng)不僅操作簡單、運行方便、自動化程度高、實用性很強(qiáng)，而且有良好的監(jiān)控界面，能實現(xiàn)可視化的監(jiān)控和管理。有很廣的應(yīng)用范圍，并具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］韓戰(zhàn)濤.西門子S7-200PLC編程與工程實例詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［2］鄭鳳翼.案例分析西門子S7-200系列PLC應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［3］陳廣慶，孫愛芹，徐克寶.基于PLC的組態(tài)軟件的溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（34）：19827-19828.

［4］王廣海，呂恩利，陸華忠，等.基于PLC的果蔬氣調(diào)保鮮環(huán)境自動調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（3）：368-372.

［5］陳會蓮，谷明月，鄭艷博，等.基于PLC溫濕度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2015，（3）.

Design of Three-dimensional Greenhouse Plant Control System based on PLC and W inCC

LUO Ye，WANG Wei
（School of Electrical and Automation Engineering，Changshu Technology Institute，Changshou，Jiangsu 215500，China）

Three-dimensional greenhouse plant control system can be used to change the growth environment of crops through science and technology，which reduces the effects of climate change on crops，improves the crops quality and yield，and makes fulluse of time and space.The hardware of this system ismainly composed of S7-200PLC and environmentalsensors，actuators.AndWinCCPCsoftware isused to carry out real-timemonitoring，which hasahigh degreeofautomation and usability.

three-dimensionalgreenhouse；S7-200PLC；WinCCmonitoring

TP273-5

A

2095-980X（2016）11-0045-02

2016-09-15

羅野（1965-），女，遼寧本溪人，大學(xué)本科，高級實驗師，主要從事電氣控制及實踐教學(xué)工作。