基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的設計

丁莉君

摘 要：智能溫室控制系統(tǒng)采用三菱FX2N-48MR型可編程序控制器（PLC）作為控制中心，其監(jiān)控項目包括溫度、空氣濕度、CO2濃度、光照強度等。操作人員可以通過智能溫室中對應的開關對溫室內的各種環(huán)境因素進行手動控制，還可以由微型自動循跡小車（AGV）采集溫室內的各種環(huán)境因素，將數據傳輸給主控PLC。PLC將各項數據分別求平均值后與設定范圍做比較，自動做出相應判斷，啟停相應的環(huán)境調控設備，進行智能溫室的自動控制。

關鍵詞：PLC 智能溫室 控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0032-02

智能溫室是一種現代化的生產技術，其綜合了傳感器技術、通信技術、控制技術等。在培育經濟價值較高且栽培難度大的盆栽作物時，智能溫室發(fā)揮著至關重要的作用。相比傳統(tǒng)溫室，智能溫室不但能夠實現對溫度、濕度、CO2濃度等因素的監(jiān)控，還能對數據進行記錄、儲存、分析，形成數據庫，以便于工作人員改進種植技術[1-3]。

1 PLC的硬件設計

1.1 PLC的選型

1.1.1 PLC輸入輸出點數的估算

PLC選型時要根據系統(tǒng)的設計要求，統(tǒng)計輸入/輸出（I/O）點數，考慮網絡功能和擴展功能。系統(tǒng)的I/O點數是根據所設計智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的輸入開關點數和輸出執(zhí)行部件數的實際需要，再加上10%～15%的備用量來確定，方便突發(fā)情況或以后增加新功能新設備。系統(tǒng)監(jiān)控的溫室參數有溫度、濕度、CO2濃度、光照強度和調控相應環(huán)境因素的執(zhí)行設備。

本系統(tǒng)的開關量輸入輸出點數統(tǒng)計如表1所示。

1.1.2 用戶程序儲存容量估算

在PLC選型時，除了對I/O點數進行統(tǒng)計，還要對其程序儲存容量進行計算。通常估算程序存儲容量的基本公式為：存儲容量（字節(jié)）=（開關量I/O點數×10+模擬量I/O通道數×100）×130%。本系統(tǒng)同時采集溫度、濕度、CO2濃度、光照強度4路模擬量和22個開關量輸入點，15個繼電器輸出點，所以存儲容量=1001B，再考慮備用量，初步估計需要1200B。

通過上述計算，三菱FX1N-40MR可以滿足I/O點數要求，但后期系統(tǒng)升級潛力低，且考慮到網絡功能和編程指令的區(qū)別，功能更為強大的FX2N-48MR和FX1N-40MR價格上也相差不多。因此，本系統(tǒng)選用三菱FX2N-48MR型PLC，該PLC為交流電源直流輸入型，24個輸入點數，24個繼電器輸出點數，完全滿足設計需求，不需要擴展單元[4]。

1.2 模擬量輸入模塊的選型

對于溫度、濕度、CO2濃度、光照強度這4種環(huán)境參數，需要模數轉換功能模塊來實現采集，系統(tǒng)最終選擇了三菱FX2N-4AD模擬量輸入功能模塊。FX2N-4AD有CH1～CH44個通道，每個通道都可進行AD轉換，分辨率為12位，采集信號為電壓時為-10～+10V，分辨率為5mV。采集信號為電流時為4～20mA或-20～20mA，分辨率為20μA。 FX2N-4AD內部有32個16位的緩沖寄存器（BFM），用于與主機交換數據。通過擴展電纜連接到FX2N-48MR基本單元的0號位置，由PLC內部總線傳輸數據[1]。

1.3 PLC的硬件連接

1.3.1 PLC連接端

FX2N-48MR采用直流24V電源供電，電源輸入連接端位于PLC基本單元的左上方，COM口接地，開關量輸入端位于PLC的上部，繼電器輸出位于PLC下部，輸出公共連接端為“COM1”等，不同控制端的輸出公共端應該相互獨立。

1.3.2 基本單元與FX2N-4AD特殊模塊的連接

PLC基本單元的DC24V電源輸出給FX2N-4AD擴展模塊供電，即基本模塊24+連接FX2N-4AD的24+，基本單元的COM連接FX2N-4AD的24-，由內置連接電纜傳輸信號。

1.3.3 FX2N-4AD與傳感器的連接

FX2N-4AD是FX系列PLC的模擬量輸入特殊功能模塊，其通過擴展電纜與PLC主機相連，4個通道的外部連接則根據外部輸入電壓或電流量的不同而不同。

外部輸入為電壓量信號，則將信號的+、-極分別與模塊V+和VI-相連；若外部輸入為電流量信號，則需要把V+和I+相連；如有過多的干擾信號，應將系統(tǒng)機殼的FG端與FX2N-4AD的接地端相連。

1.3.4 PLC基本單元與執(zhí)行件的連接

本系統(tǒng)的執(zhí)行部件分為四大類：（1）控制直流減速電機：天窗、側窗電機；（2）控制三相交流電機：通風風機；（3）控制AC220V交流電機：遮陽網電機、濕簾水泵；（4）控制電磁繼電器：補光燈、CO2發(fā)生器、加濕器、加熱器[2]。

系統(tǒng)硬件接線圖如圖1所示。

2 PLC的軟件設計

2.1 數據采集模塊設計

溫室環(huán)境參數的采集是通過FX2N-4AD同時采集4路電壓信號，其中CH1采集溫度，CH2采集空氣濕度，CH3采集CO2濃度，CH4采集光照強度，然后分別存入PLC的寄存器D0～D3，平均取樣次數為4次。

2.2 自動控制模塊設計

智能溫室中的影響因素有溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等，其中最重要的環(huán)境因素是溫度，因此自動控制模塊的設計以溫度控制為例，其他影響因素的控制模塊設計思路與此基本相同。智能溫室的溫度控制裝置包括濕簾、通風機、加熱器和遮陽網[2]。

2.2.1 PLC控制濕簾啟動或加熱器啟動

溫室內溫度高于設定溫度，PLC控制濕簾啟動給溫室降溫；當溫度低于設定溫度，PLC控制加熱器使溫室升溫。程序設計中需利用比較指令按比較結果分別控制濕簾和加熱器動作。

2.2.2 通風變速控制

本設計使用變頻器控制通風風機的轉速，設置低、中、高3個檔位。以盆栽多肉植物為例，夏季最佳生長溫度在26℃～30℃之間，溫度超過45℃時控制通風機高檔位運行迅速降溫，溫度在38℃～45℃時中檔位運行降溫，溫度在30℃～38℃時低檔位運行，其程序梯形圖及調試過程如圖2所示。

3 手動控制模塊設計

該模塊設計以天窗直流減速電機正反轉手動控制程序為例。天窗直流減速電機分別由X002、X003和X004控制正轉、反轉和停止，天窗開窗行程限位開關為X005，關窗行程開關接口為X006，程序中設置了電機正反轉互鎖環(huán)節(jié)，并且程序要求停止2s后才能重新啟動電機，防止電機過熱。

4 結語

溫室環(huán)境是一個復雜的大系統(tǒng)，溫室環(huán)境控制涉及控制工程、氣象學、農業(yè)技術、電子技術、熱力學、流體力學等多學科的知識和技術，涉及學科多、工作量大，本系統(tǒng)還有很多可以進一步開發(fā)和優(yōu)化技術環(huán)節(jié)。

參考文獻

[1] 時啟凡.基于PLC的盆摘作物智能溫室控制系統(tǒng)[D].東北農業(yè)大學，2015.

[2] 何川.基于PLC的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)[D].成都電子科技大學，2013.

[3] 舒宇.基于PLC的花卉溫室自動控制系統(tǒng)研究[D].云南大學，2013.

[4] 李繼強.基于單片機控制的一款電動小車的設計[J].硅谷，2012（23）：51-52.