基于PL C 的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

李旺昆

（廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 緒論

（1）課題研究的背景

農(nóng)業(yè)大棚是農(nóng)業(yè)技術(shù)中一種比較常見的作業(yè)方式， 通過塑料或者玻璃等透光隔溫材料將農(nóng)業(yè)土地包圍起來， 達(dá)到溫度和濕度的相對(duì)恒定， 其一般不受季節(jié)和外界環(huán)境等因素的影響， 自己是一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)。 所以在大棚中需要對(duì)各種數(shù)據(jù)量進(jìn)行人為的監(jiān)控，包括溫度、濕度等，以保證農(nóng)作物的正常和快速生長(zhǎng)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量。 因此，擬開發(fā)一種基于PLC控制的農(nóng)業(yè)大棚的溫度和濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)， 對(duì)大棚中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)及控制輸出， 達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)效果。

（2）PLC 概 述

PLC 全 稱 為 可 編 程 控 制 器 （Programmable Controller），是一種由計(jì)算機(jī)發(fā)展而來專門用于工業(yè)控制以及多為邏輯運(yùn)算工作場(chǎng)合的一種小型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有較高的穩(wěn)定性及可靠性。 隨著控制技術(shù)發(fā)展，PLC 將信息采集、信息計(jì)算、邏輯輸出、通訊網(wǎng)絡(luò)等所有數(shù)據(jù)集于一身， 真正的成為了一款工業(yè)計(jì)算機(jī)，受到廣大PLC 的客戶青睞。 PLC 主要包括：輸入、輸出、CPU 計(jì)算、通訊、電源部分幾個(gè)大的板塊。

1 設(shè)計(jì)方案分析

1.1 制定方案預(yù)期目標(biāo)

（1）利用溫度傳感器、濕度傳感器檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚中的溫度參數(shù)讀取到PLC 中；（2） 通過組態(tài)王設(shè)定農(nóng)作物生長(zhǎng)需要的溫度參數(shù)、濕度參數(shù)寫入到PLC 中；（3）PLC 根據(jù)反饋的溫度、 濕度參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出運(yùn)算結(jié)果；（5） 控制大棚的溫度和濕度保持在恒定值；（6） 組態(tài)顯示與PLC 運(yùn)行同步， 組態(tài)程序記錄數(shù)據(jù)。

1.2 制定設(shè)計(jì)方案框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)制定方案預(yù)期目標(biāo)的各項(xiàng)要求， 完成設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案如圖1 所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制器PLC 的選型以及外圍電路設(shè)計(jì)

PLC 硬件的選擇主要分為I/O 點(diǎn)數(shù)的計(jì)算、特殊功能的考慮、供電電源的選擇和價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

（1）輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)估算。 輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的應(yīng)根據(jù)設(shè)備選型來確定， 輸入根據(jù)操作輸入的數(shù)量來確定， 輸出根據(jù)控制設(shè)備的數(shù)量來確定， 在確定了基本數(shù)量的輸入/輸出點(diǎn)后，在此基礎(chǔ)上富裕百分之十的數(shù)量進(jìn)行備用。

（2）CPU 計(jì)算量的選擇。CPU 的計(jì)算主要是針對(duì)系統(tǒng)中有無除數(shù)字量以外的其它變量形式， 尤其是整數(shù)形式以及浮點(diǎn)數(shù)形式的計(jì)算與比較， 因?yàn)镻LC 屬于邏輯控制器一類， 所以對(duì)這些非數(shù)字量數(shù)據(jù)的處理能力相對(duì)比較弱小， 簡(jiǎn)單小型的PLC 一般不支持浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算， 中型PLC 對(duì)運(yùn)算的速度及運(yùn)算容量有一定的閑置， 運(yùn)算命令的使用會(huì)增加PLC 的系統(tǒng)循環(huán)掃描的時(shí)間，加重PLC 的工作負(fù)擔(dān)，主要影響是對(duì)PLC 的循環(huán)周期造成影響，造成控制功能的滯后。

（3）控制功能的選擇?？刂频墓δ馨ㄊ欠裼袩o特殊控制技術(shù)，如高速計(jì)數(shù)，編碼器輸入燈，若沒有符合一般邏輯的PLC 即可。

（4）機(jī)型的選擇。 包括品牌的選取，國(guó)內(nèi)和國(guó)外的PLC 的種類繁多， 再眾多的PLC 需根據(jù)實(shí)際成本來選擇一款實(shí)用并且實(shí)惠的機(jī)型。根據(jù)對(duì)I/O 點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)、CPU 的計(jì)算容量估算等內(nèi)容， 擬選用的PLC 控制器為西門子的S7200PLC， 該型號(hào)的I/O 點(diǎn)數(shù)滿足本次設(shè)計(jì)要求。

2.2 傳感器的選型與設(shè)計(jì)

（1）溫度傳感器。 PLC 的控制系統(tǒng)中，數(shù)字量的輸入與輸出可以直接引入PLC 本體或者擴(kuò)展模塊的輸入與輸出接口， 每個(gè)數(shù)字量都是PLC 的一個(gè)端口， 但模擬量的輸入需要進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，PLC 才能讀取得到，所以溫度傳感器使用模擬量輸出形式的傳感器， 模擬量輸出形式為0--10V 的類型， 選擇傳感器型號(hào)為歐姆龍的ES1B-120C

（2）濕度傳感器同樣使用使用模擬量形式通過AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 選擇歐姆龍型號(hào)：ES2-THB

2.3 低壓電器件選擇

低壓電器在控制系統(tǒng)中主要作為電路的輔助保護(hù)使用、輸入點(diǎn)的輸入、輸出點(diǎn)的中轉(zhuǎn)等作用，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要有以下幾種類型。

（1）斷路器。低壓斷路器主要用作電路中主回路系統(tǒng)電源的開關(guān)作用， 并且?guī)в羞^載以及短路功能，斷路器使用兩種脫扣保護(hù)法方式， 一種是熱磁脫扣，一種是智能脫扣， 在普通配電系統(tǒng)中使用熱磁脫扣作為保護(hù)既可。 在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主回路以及在額定電壓為AC380V 的電源回路中都使用斷路器， 選型為施耐德GV2 系列。

（2） 熔斷器。 熔斷器也是一種短路以及過載的保護(hù)， 它使用短路或過載的過程中電流產(chǎn)生的熱量來將通電回路的熔體進(jìn)行融化， 從而切斷回路。 在接觸器的控制回路中使用熔斷器作為小型繼電器的保護(hù)措施，熔斷器型號(hào)為RT45。

（3）交流接觸器。交流接觸器的作用為工作元件的通斷控制， 尤其在大負(fù)載的時(shí)候接通時(shí)伴有大電流的通過， 如電機(jī)的啟動(dòng)沖擊電流， 接觸器的觸電經(jīng)過特殊材質(zhì)的處理， 可以承受瞬間大電流的產(chǎn)生。 在電機(jī)控制回路中使用接觸器作為電機(jī)的控制。 接觸器型號(hào)為施耐德LC1-D09M7C。

（4） 控制按鈕。 控制按鈕主要用于系統(tǒng)的操作輸入，以及故障復(fù)位等。

2.4 通信部分

通訊設(shè)定使用S7200 的PPI 通訊模式，通訊方式選擇RS232，同樣也可以使用通用的485 通訊協(xié)議，其原理基本一樣都是基于串口的一種通訊方式， 計(jì)算機(jī)通訊端口為COM 口， 現(xiàn)代的電腦一般沒有COM 口的硬件設(shè)定，可以使用USB 轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)COM 口，不過需要安裝驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.5 執(zhí)行原件控制回路

PLC 輸出端控制為小型繼電器， 電壓等級(jí)為DC24V， 控制電機(jī)的主接觸器的電壓為AC220V， 設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用小型繼電器作為控制電機(jī)主接觸器， 系統(tǒng)所有接觸器的控制回路上增設(shè)斷路器作為電路短路及過流的保護(hù)。 此電路部分還包括控制電源的設(shè)計(jì)， 由一單獨(dú)的接觸器進(jìn)行控制， 當(dāng)控制電源接通， 控制電源接觸器KA1 接通并且保持，通后其它回路的接觸器方可以有電源進(jìn)行輸出， 當(dāng)系統(tǒng)有事故發(fā)生的時(shí)候可按下緊急停止按鈕KA0，控制電源接觸器斷開，同時(shí)切斷所有輸出接觸器的電源，以保護(hù)系統(tǒng)的安全。

3 組態(tài)仿真

3.1 組態(tài)王介紹

組態(tài)王kingview6.55 是一款基于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件， 可以安裝在普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上作為上位機(jī)進(jìn)行使用， 可以和各種PLC 以及支持通訊的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)。 在界面編輯中， 為開發(fā)者準(zhǔn)備了大量的圖形庫資料以及功能元器件選擇， 如果還是不能滿足對(duì)畫面質(zhì)量以及豐富性的要求， 還可以增加外部設(shè)備的圖片以及動(dòng)畫等內(nèi)容。

3.2 組態(tài)王程序設(shè)計(jì)流程

組態(tài)王程序的建立主要通過數(shù)據(jù)詞典和顯示畫面兩大部分組成， 配合完整的通訊設(shè)置既可完成一個(gè)組態(tài)通訊的工程。

（1）建立組態(tài)工程。 首先建立工程項(xiàng)目，項(xiàng)目類型有新建工程和模板工程兩種， 新建工程為未經(jīng)處理的空白工程， 需要用戶從頭開發(fā)， 模板工程已經(jīng)對(duì)工程做了相應(yīng)的優(yōu)化， 用戶可以引用模板工程生成新的工程，在新工程基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，從而縮短了開發(fā)工期。

（3）定義數(shù)據(jù)庫。 在數(shù)據(jù)庫組態(tài)中新建數(shù)據(jù)點(diǎn)，建立數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)候需輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)的名稱、 選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)的類型、 定義數(shù)據(jù)的范圍等內(nèi)容， 然后將數(shù)據(jù)點(diǎn)與已經(jīng)組態(tài)的I/O 設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是通過各種器件聯(lián)合使用的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的， 只有充分了解和掌握有關(guān)PLC、組態(tài)集散控制系統(tǒng)、溫濕度傳感器及其各部分之間的關(guān)系才能完成設(shè)計(jì)， 具備高性能、速度快特點(diǎn)。 另外， 本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究也存在一些需要改進(jìn)的問題， 比如環(huán)境監(jiān)測(cè)的范圍有限， 如大棚空間過大的就會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不及時(shí)等問題。 后期有待完善的地方， 比如加入多個(gè)溫濕度傳感器分布在農(nóng)業(yè)大棚的各個(gè)角落， 通過這樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚各個(gè)角落的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集。