基于菲尼克斯PLC的花卉溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我國是農(nóng)業(yè)大國，但是種植方法設(shè)備簡單，管理技術(shù)品種相對落后；傳統(tǒng)的棚內(nèi)的濕度、灌溉等均是通過人工控制的，不可避免有測控精度低、勞動強(qiáng)度大及由于測控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失。因此，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)濕度的含量，使大棚內(nèi)形成有利于植物生長的環(huán)境，是提高經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)。

一、花卉溫室控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1、控制需求分析

溫室氣候生態(tài)的主要特征是其封閉性，同時(shí)具有可控性。溫室栽培花卉必須進(jìn)行通過人工調(diào)節(jié)來有效的改善溫室內(nèi)部的氣候生態(tài)條件，控制要求主要有體現(xiàn)在幾個(gè)方面：

（1）空氣溫度控制

溫度控制是溫室管理中的重要環(huán)節(jié)。一般只要室內(nèi)溫度超過花卉要求的溫度時(shí)，就應(yīng)及時(shí)通風(fēng)降溫，尤其當(dāng)外界溫度超過15℃時(shí)，更應(yīng)加大通風(fēng)口，延長通風(fēng)時(shí)間，且溫度越高，越要加強(qiáng)通風(fēng)換氣。如果室內(nèi)溫度過低時(shí)，則需要加熱升溫。

（2）空氣濕度控制

溫室內(nèi)濕度往往較外界高，因此要格外注意，保持溫室內(nèi)環(huán)境濕度處于有利于花卉生長的程度。在澆水上應(yīng)根據(jù)見干見濕的原則進(jìn)行，適當(dāng)減少澆灌的次數(shù)，還要注意降低室內(nèi)水分蒸發(fā)，改善通風(fēng)條件，增加門窗的開啟時(shí)間，保持室內(nèi)的相對干燥。

（3）光照度控制

光照是植物生長不可或缺的元素之一。當(dāng)溫室內(nèi)光照不能滿足花木生長所需時(shí)，必須進(jìn)行人工補(bǔ)光，以延長光照時(shí)間，提高光照度。補(bǔ)光措施主要用于長日照花卉，通過補(bǔ)光處理可使其提早開花。另外，冬季雨雪天光照不足，可采用人工補(bǔ)光促使花卉正常生長和開花。夏季往往光照時(shí)間過長，造成室溫過高，光度過強(qiáng)，對喜陰開花植物生長不利，需用遮陽網(wǎng)來調(diào)節(jié)光照度，以達(dá)到最適狀態(tài)。許多短日照花卉，應(yīng)用遮光的方法來縮短光照，達(dá)到提前開花的目的。遮光處理時(shí)間一般根據(jù)花卉種類而定。

（4）報(bào)警功能

高溫（高濕）報(bào)警

系統(tǒng)處于高溫（高濕）狀態(tài)且在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有回到設(shè)定范圍內(nèi)，此時(shí)系統(tǒng)自動報(bào)警。

水箱低水位報(bào)警

為了防止水源處水位過低，水泵出現(xiàn)干抽現(xiàn)象，需要進(jìn)行水源水位檢測，若水位過低，則系統(tǒng)自動預(yù)警。

2、花卉溫室控制系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)：

系統(tǒng)由信號采集單元、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，相互傳遞信號來完成對溫室內(nèi)的環(huán)境的控制，維持溫室內(nèi)部環(huán)境的平衡。通過溫濕度傳感器和光照度傳感器組成的信號采集單元，來對溫室內(nèi)的濕度、溫度、光照度信號進(jìn)行采集并將探測到的信號傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，由控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后將命令下達(dá)給由風(fēng)機(jī)、水泵、電磁閥、加熱器所組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境。

系統(tǒng)通過PLC來控制并主導(dǎo)各個(gè)單獨(dú)元件之間的聯(lián)系處理好各種情況下元件的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)利用PLC把傳感器采集的有關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把這些數(shù)據(jù)暫存起來，與給定值進(jìn)行比較，經(jīng)一定的邏輯處理后，給出相應(yīng)的控制信號進(jìn)行控制。傳感器將溫度、空氣濕度和土壤濕度、CO2濃度等轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)運(yùn)算放大器組成的信號處理電路變需要的電壓信號。系統(tǒng)工作時(shí)，PLC通過傳感器來測量溫室內(nèi)的相應(yīng)數(shù)據(jù)并與設(shè)定值比較，如果溫室內(nèi)的環(huán)境超過了設(shè)定范圍的上下限值，PLC就輸出指令，控制接通相應(yīng)的設(shè)備；當(dāng)溫室的環(huán)境條件在設(shè)定范圍內(nèi)，PLC就輸出指令，切斷設(shè)備電源。

2.1溫度控制

與其他因素相比大棚內(nèi)的溫度相對是比較容易控制的，主要包括三方面：保溫、降溫、升溫。

1）保溫：采用軟玻璃設(shè)計(jì)取代了原有大棚的薄膜設(shè)計(jì)更好突出了保溫效果，同時(shí)相較于傳統(tǒng)大棚也增加了堅(jiān)固性、可靠性。

2）降溫：保護(hù)設(shè)施內(nèi)降溫最簡單的途徑是通風(fēng)和噴霧吸熱，但在溫度過高，只依靠通風(fēng)無法滿足需要的情況下可以采取噴霧吸熱降溫，待大棚內(nèi)溫度滿足設(shè)定條件時(shí)噴霧停止。

3）升溫：我國傳統(tǒng)的單屋面溫室，大多采用爐灶煤火加溫，近年來也有采用鍋爐水暖加溫或地?zé)崴訙氐摹４笮瓦B棟溫室，則多采用集中供暖方式的水暖加溫，也有部分采用熱水或蒸汽轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)的采暖方式。我采用的是地暖加熱，一方面節(jié)約能源，也可以保持土地溫度，一舉兩得。

2.2 濕度控制

1）濕度過高：在溫室中去濕常用以下三種方式：加熱控制法、吸附法-化學(xué)除濕器、排濕換氣。考慮溫室是反季節(jié)的，所以溫室里的濕度會與季節(jié)濕度形成很大的落差，尤其是冬季，在排濕換氣無效是就會采用吸附法，大幅度的控制濕度。

2）濕度過低：一般常用的方法是水噴霧法和蒸汽加濕。在溫室中一般采取水噴霧法進(jìn)行加濕。蒸汽加濕法一般會對溫室作物造成傷害因此不予采用。

2.3 光照度控制

在一般情況下針對冬天光照時(shí)間較短的問題，系統(tǒng)采用補(bǔ)光法，即當(dāng)光照時(shí)間不足或光照度不夠時(shí)會啟動日光燈進(jìn)行補(bǔ)光。夏季過長日照影響作物時(shí)用遮陽網(wǎng)遮擋，以適宜的光照來促進(jìn)作物的生長。

2.4 CO2控制

當(dāng)CO2過高時(shí)，如果風(fēng)扇和天窗不能使CO2迅速的降到正常的范圍，過高的CO2會使植物的氣孔關(guān)閉，使植物死亡，這時(shí)便會啟動報(bào)警裝置，人為地將CO2降下來。如果CO2過低，氣動閥便會啟動，提供CO2，以便于植物的吸收。如果種植面積很大，使得CO2不能很快的擴(kuò)散到各個(gè)角落，這時(shí)便會啟動風(fēng)機(jī)，使得CO2更好的擴(kuò)散。

2.5 土壤濕度控制

測出了空氣中的濕度，為了更好地控制溫室內(nèi)的濕度，考慮到土壤中的水分也會隨著蒸發(fā)揮發(fā)到空氣中去，從而增加空氣濕度?？紤]到這個(gè)問題，我們增加了土壤濕度傳感器，以利于控制土壤里的濕度，當(dāng)土壤的濕度過高時(shí)便會發(fā)生爛根的情況，所以這時(shí)適時(shí)的增加室內(nèi)的溫度，過段時(shí)間開窗通風(fēng)，降低溫室內(nèi)的濕度。相反如果土壤濕度不足，便會使植物很快的枯死，這時(shí)開啟水泵進(jìn)行噴灑，增加土壤濕度。

系統(tǒng)通過PLC來控制并主導(dǎo)各個(gè)單獨(dú)元件之間的聯(lián)系處理好各種情況下元件的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)利用PLC把傳感器采集的有關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把這些數(shù)據(jù)暫存起來，與給定值進(jìn)行比較，經(jīng)一定的邏輯處理后，給出相應(yīng)的控制信號進(jìn)行控制。傳感器將溫度、濕度等轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)運(yùn)算放大器組成的信號處理電路變換成壓頻轉(zhuǎn)換器（V/F）需要的電壓信號。系統(tǒng)工作時(shí)，PLC通過傳感器來測量溫室內(nèi)的相應(yīng)數(shù)據(jù)并與設(shè)定值比較，如果溫室內(nèi)的環(huán)境超過了設(shè)定范圍的上下限值，PLC就輸出指令，控制接通相應(yīng)的設(shè)備；當(dāng)溫室的環(huán)境條件在設(shè)定范圍內(nèi)，PLC就輸出指令，切斷設(shè)備電源。

二、花卉溫室控制系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)

1、花卉溫室控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與安裝

本系統(tǒng)主電路由一個(gè)空氣開關(guān)保護(hù)，通過繼電器控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。繼電器的控制信號則由菲尼克斯PLC輸出提供。開關(guān)電源是為各傳感器提供24V而采用的。系統(tǒng)電氣安裝布置圖如圖2所示。

2、花卉溫室控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)能自動控制棚體內(nèi)部的空氣濕度和土壤濕度，改善了植物生長的環(huán)境，克服了現(xiàn)有技術(shù)中人工控制的效率低和成本高的缺陷，控制精度高，而且采用太陽能電池板可以收集太陽能，有效節(jié)約了電能，通過收集雨水從而節(jié)約了水能，集水箱的頂部和集水槽的頂部的網(wǎng)罩防止落葉落入，通過迷霧噴頭改善棚體內(nèi)的空氣濕度，出風(fēng)風(fēng)機(jī)和進(jìn)風(fēng)電機(jī)從而形成棚體內(nèi)的空氣流動，也有效的改善棚體內(nèi)的空氣濕度，通過報(bào)警器可以提醒農(nóng)作人員及時(shí)對集水箱內(nèi)的水進(jìn)行人工加水或者人工排水；采用陽光板設(shè)計(jì)取代了原有大棚的薄膜設(shè)計(jì)更好突出了保溫效果，同時(shí)相較于傳統(tǒng)大棚也增加了堅(jiān)固性和可靠性。

該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的溫室管理系統(tǒng)來說，可以降低約60%人工成本；根據(jù)溫度濕度同時(shí)偏高或者同時(shí)偏低時(shí)以溫度優(yōu)先的原則，以及除濕降溫風(fēng)機(jī)共用的特點(diǎn)，有效降低了投入和運(yùn)行成本；雨水收集等功能使該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保。經(jīng)過與傳統(tǒng)溫室對比發(fā)現(xiàn)可以節(jié)能達(dá)30%以上。

該系統(tǒng)灌溉方式采用定時(shí)滴灌方式，并增加進(jìn)行雨水收集功能，有效合理利用水資源；將溫室的外形進(jìn)行改變用更加立體的框架取代了原始的半圓柱形的傳統(tǒng)溫室，使雨水收集變得方便簡介通過在溫室邊緣添加簡單的水管使雨水順著水管流入水箱，從而減少水資源的浪費(fèi)。

執(zhí)行元件重復(fù)利用，通過程序控制使執(zhí)行元件可以完成不同的組合，實(shí)現(xiàn)不同的功能，有效降低運(yùn)營成本；在傳統(tǒng)溫室中一般也都會采用成對的風(fēng)機(jī)來對溫室內(nèi)降溫通風(fēng)，并且也可以取得較好的效果，但是在我們的溫室之中采用了三臺風(fēng)機(jī)，正常降溫通風(fēng)時(shí)只起動2臺風(fēng)機(jī)，但是當(dāng)溫室溫度低時(shí)不僅僅啟用電熱片同時(shí)使用另外1臺風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)，從而突出了加溫保溫效果。

溫濕度控制采用自動延時(shí)功能，有效避免執(zhí)行元件的重復(fù)工作，從而降低能耗；軟玻璃取代傳統(tǒng)薄膜，可以更好地實(shí)現(xiàn)保溫保濕功能，同時(shí)更加堅(jiān)固，耐用。

（作者單位：江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院）