基于觸摸屏和PLC的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐惠敏，占玲玲

（衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州324000）

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，近年來隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化程度的不斷提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作也經(jīng)歷了由小到大的模式變化。溫室大棚作為一種先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備，依據(jù)植物的有效生長參數(shù)，利用其棚內(nèi)設(shè)置的相關(guān)設(shè)備創(chuàng)造出最適宜植物生長的氣候條件和生存環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物在生長過程中自動(dòng)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物最優(yōu)生長，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

某現(xiàn)代花卉種植基地現(xiàn)有的溫室大棚技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)陋，缺乏配套設(shè)施，只能在一定程度上減少人力勞動(dòng)，且缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，需要專業(yè)技術(shù)人員在旁經(jīng)常監(jiān)視觀察，生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高。蘆薈是一種常綠的多肉質(zhì)植物，具有良好的觀賞、藥用和食用價(jià)值，一直備受人們的喜愛，本次設(shè)計(jì)的溫室大棚控制系統(tǒng)是針對(duì)蘆薈作為主要培植作物設(shè)計(jì)的，蘆薈溫室大棚控制系統(tǒng)以三菱FX3U-48MR的PLC為控制核心，同時(shí)配備三菱觸摸屏人機(jī)界面GT1150-QBBD-C，對(duì)溫室大棚內(nèi)的通風(fēng)機(jī)、加熱器和遮陽簾等的工作情況，土壤和空氣的溫度、濕度及二氧化碳濃度等進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，溫室大棚控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集和處理，自動(dòng)與設(shè)定的蘆薈生長環(huán)境參數(shù)范圍值進(jìn)行比較分析，當(dāng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)低于或高于預(yù)設(shè)值時(shí)，則發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并通過PLC驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的自動(dòng)化控制。

圖1 溫室大棚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為方便溫室大棚系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，提高硬件設(shè)備運(yùn)作的可靠性，本次設(shè)計(jì)的溫室大棚控制系統(tǒng)共設(shè)置了自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式。自動(dòng)控制模式是通過現(xiàn)場(chǎng)采集溫度、光照度等傳感器采集溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)與設(shè)定的蘆薈生長參數(shù)上下限值進(jìn)行比較，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，進(jìn)行參數(shù)自動(dòng)調(diào)控。手動(dòng)控制模式則是通過用戶手動(dòng)點(diǎn)擊觸摸屏控制界面設(shè)置的模擬開關(guān)，進(jìn)行手動(dòng)控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如打開遮陽簾，起動(dòng)冷風(fēng)機(jī)、起動(dòng)水泵、打開CO2添加器，打開通風(fēng)扇等，便于溫室控制的系統(tǒng)安裝調(diào)試或根據(jù)不同作物的種植需求進(jìn)行合理調(diào)整。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇

由于溫室大棚的環(huán)境因素錯(cuò)綜復(fù)雜，為了保證所選傳感器檢測(cè)的準(zhǔn)確性，傳感器必須滿足線性度好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)并具有一定的防水功能等要求。通常植物只有在環(huán)境溫度達(dá)到其生長溫度要求的最低溫度以上，植物才開始生長；若環(huán)境溫度超過其最高溫度限制則將停止生長或處于休眠狀態(tài)。蘆薈的最適宜生長的環(huán)境溫度范圍是白天為20～30℃，夜間為14～17℃，低于10℃出現(xiàn)基本停止生長，在低于0℃時(shí)，蘆薈葉肉將因受凍出現(xiàn)全部萎蔫甚至死亡，選用一體式熱電阻溫度傳感器Pt100檢測(cè)溫度。土壤的濕度控制對(duì)植物生長也極其重要，水分過多，易引起爛根。蘆薈生長的最適濕度范圍為45～85%RH，選用深圳新生代新能源公司生產(chǎn)的土壤水分檢測(cè)變送器，輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)。

光合作用是植物進(jìn)行有機(jī)物合成并促進(jìn)自身生長的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要涉及光照強(qiáng)度和CO2濃度的檢測(cè)。蘆薈是喜光植物，最適合的光照度為30 000～60 000 Lx，CO2濃度范圍為468～676 ppm，可選用性價(jià)比極高的JCJ100P型照度變送器和穩(wěn)定性好的EE82二氧化碳變送器。在土壤、水肥變化較快的溫室大棚環(huán)境中，傳統(tǒng)的采樣測(cè)土配肥方式耗費(fèi)時(shí)間長，且測(cè)量精度受人為因素影響大，土壤肥料的檢測(cè)可采用SSIOT-SOIL-NPK檢測(cè)氮、磷、鉀含量。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

蘆薈溫室大棚對(duì)室內(nèi)光照度、溫度、濕度、CO2濃度、土壤肥料的調(diào)整，需要選用合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成。采用安裝遮陽簾可以減弱光照度并輔助降低溫室內(nèi)溫度，光照不足時(shí)可采用補(bǔ)光燈增加光照強(qiáng)度。為確保蘆薈在適合的溫度和濕度范圍內(nèi)快速生長，采用熱風(fēng)機(jī)和加熱器對(duì)溫室大棚進(jìn)行增溫和降濕。CO2的濃度調(diào)節(jié)則可以采用CO2添加器和通風(fēng)扇完成，當(dāng)CO2濃度過低時(shí)，采用CO2添加器提高濃度，當(dāng)CO2濃度過高時(shí)，需采用通風(fēng)扇加強(qiáng)通風(fēng)，以降低CO2的濃度，使其控制在合適范圍之內(nèi)。為保證提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中灌溉用水效率，采用霧噴裝置和噴灌裝置進(jìn)行節(jié)水澆灌，利用小型潛水泵為霧噴裝置和噴灌裝置提供供水壓力，土壤肥料不夠時(shí)，根據(jù)需要添加鉀、氮或磷肥，經(jīng)攪拌電機(jī)將肥料攪拌均勻后經(jīng)噴灌裝置進(jìn)行施肥。

2.3 PLC的選擇

PLC在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、通用性能好、功能完善，使用和維修方便等特點(diǎn)，也適用于溫室大棚控制系統(tǒng)的復(fù)雜控制需求。本次設(shè)計(jì)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，自動(dòng)控制模式需要根據(jù)各個(gè)傳感器采集的參數(shù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，比較后通過對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，要求所選PLC必須具備良好性能。本次設(shè)計(jì)選用運(yùn)行速度快、功能完善和集成度高的三菱FX3u-48MR的PLC主控模塊，為滿足系統(tǒng)模擬量輸入需要，再選用2個(gè)FX3U-4AD模擬量輸入模塊組成溫室大棚PLC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的輸入/輸出外部接線圖如圖2所示。

圖2 外部接線圖

根據(jù)蘆薈溫室大棚控制系統(tǒng)要求，輸入元件中開關(guān)量設(shè)有起動(dòng)按鈕、停止按鈕和急停按鈕等總控按鈕三個(gè)和遮陽簾限位開關(guān)六個(gè)，輸入模擬量包括空氣濕度和溫度檢測(cè)、土壤溫度和濕度檢測(cè)、CO2濃度檢測(cè)、光照度檢測(cè)、土壤肥料檢測(cè)共七個(gè)，輸入模擬量需在FX3U-4AD模塊完成輸入轉(zhuǎn)換。FX3U-4AD模擬量輸入模塊可選用的模擬值范圍可以是DC電壓－10 V-10 V，也可以是電流4～20 mA.考慮檢測(cè)需要，在本設(shè)計(jì)選用FX3U-4AD的輸入模擬量采用4～20 mA電流，該模塊通過PLC內(nèi)部的24 V直流電壓直接供電，各個(gè)通道分別連接CO2、光照、溫度和土壤濕度傳感器。輸出元件主要有冷風(fēng)機(jī)、通風(fēng)扇、遮陽簾、噴灌裝置等共十八個(gè)輸出，具體接線如圖2所示。手動(dòng)控制模式中的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)控制通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)，無需另設(shè)實(shí)物按鈕控制。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

蘆薈溫室大棚的控制系統(tǒng)包括光照度控制、溫度和濕度控制、CO2濃度控制和土壤肥料控制等多個(gè)模塊組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求將傳感器采集的各環(huán)境參數(shù)的實(shí)測(cè)值與用戶給出的上下限設(shè)定值進(jìn)行比較，確定各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出狀態(tài)。但由于植物生長環(huán)境各個(gè)參數(shù)的相互聯(lián)系、相互作用，即如果改變其中一個(gè)參數(shù)可能會(huì)對(duì)其他一些參數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。所以在控制某一個(gè)參數(shù)時(shí)必須考慮是否會(huì)影響其他參數(shù)變化。

溫度和濕度控制模塊是溫室大棚控制的核心控制環(huán)節(jié)，通過分析蘆薈的生長參數(shù)特性，了解其生長參數(shù)間的相互影響關(guān)系。溫度和濕度的控制過程中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)間動(dòng)作過程如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各傳感器先初始化，然后采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，與事先設(shè)定的參數(shù)范圍值進(jìn)行比較，若溫度過低則要升溫，可以采用開啟熱風(fēng)機(jī)和加熱器配合通風(fēng)扇一起工作，具體可以根據(jù)目標(biāo)設(shè)定溫度與實(shí)際室溫的偏差及室溫的變化進(jìn)行控制，持續(xù)一段時(shí)間后溫度值達(dá)到預(yù)定值，則關(guān)閉加熱器、熱風(fēng)機(jī)和通風(fēng)扇，濕度的控制過程與溫度控制類似。

圖3 溫度濕度控制模塊程序流程圖

傳感器的數(shù)據(jù)采集是將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度等模擬量信號(hào)經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后送入PLC.由圖2可知空氣溫度/濕度傳感器、土壤溫度/濕度傳感器的檢測(cè)信號(hào)接入0#模擬量模塊FX3U-4AD，模擬量模塊將采集檢測(cè)所得溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變換成能被FX3U-48MR主控模塊識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)于PLC的數(shù)據(jù)寄存器D102～D105中，蘆薈溫室大棚中的溫度和濕度數(shù)據(jù)采集的PLC控制程序如圖4所示。1#模擬量模塊FX3U-4AD傳感器數(shù)據(jù)采集過程與0#模擬量模塊基本一致。

圖4 溫度濕度數(shù)據(jù)采集

光照度控制由光照度傳感器采集光照值，針對(duì)不同的季節(jié)和一天的不同時(shí)間段，根據(jù)太陽光照度，與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，如果光照度過高，自動(dòng)打開遮陽簾；如低于設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)關(guān)閉遮陽板并采用補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光。CO2濃度控制要求CO2濃度高于植物CO2濃度上限，開啟通風(fēng)扇；CO2濃度低于植物CO2濃度下限，開啟CO2添加器和通風(fēng)扇。噴灌控制是通過傳感器采集土壤濕度信息與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，如高于設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)關(guān)閉灌溉水泵電機(jī)，如低于設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)啟動(dòng)灌溉水泵。

4 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸摸屏界面是用戶控制溫室大棚有效運(yùn)作的主要交互通道，界面設(shè)計(jì)要求在使用過程中用戶可以提高控制效率。本次設(shè)計(jì)選用性價(jià)比高的三菱觸摸屏GT1150-QBBD-C，該觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)了顯示、運(yùn)算和通訊全方位高速運(yùn)行。觸摸屏的界面設(shè)計(jì)采用三菱觸摸屏用戶畫面制作軟件GT Designer3對(duì)溫室大棚觸摸屏控制界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于溫室大棚系統(tǒng)需要對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等多個(gè)環(huán)境因素進(jìn)行了檢測(cè)和控制，在觸摸屏界面設(shè)計(jì)時(shí)，需設(shè)計(jì)總控制、溫度/濕度控制、光照度控制、CO2濃度控制等功能模塊。各功能模塊控制界面按照控制要求分成為手動(dòng)和自動(dòng)控制區(qū)域。自動(dòng)控制區(qū)域環(huán)境參數(shù)設(shè)有上下限值設(shè)置、實(shí)測(cè)值顯示等。手動(dòng)控制區(qū)域設(shè)置了熱風(fēng)機(jī)、加熱器、通風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、遮陽簾、CO2添加器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手動(dòng)控制按鈕和工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)。光照強(qiáng)度控制界面和CO2濃度控制界面如圖5、6所示，控制區(qū)中設(shè)有上下限值設(shè)置、實(shí)測(cè)值顯示和手動(dòng)控制按鈕和狀態(tài)顯示，右下角設(shè)置了手動(dòng)/自動(dòng)切換開關(guān)，用戶可進(jìn)行控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換，界面中的“返回”按鈕是方便用戶返回總控制界面，有利于整個(gè)系統(tǒng)不同模塊之間的快速切換控制。

圖5 光照強(qiáng)度控制界面

圖6 CO2濃度控制界面

觸摸屏操作界面設(shè)計(jì)完成后，觸摸屏畫面制作軟件GT Designer3下的的模擬器GT Simulator3可以直接連接到GX Works2編程環(huán)境下的GX Simulator2中，可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏畫面和PLC程序同時(shí)進(jìn)行模擬仿真。打開設(shè)計(jì)完成的PLC程序和觸摸屏程序，選擇“模擬開始/停止”，等待參數(shù)、程序?qū)懭胪瓿桑鐖D7所示。

圖7 PLC程序?qū)懭?/p>

模擬仿真調(diào)試除了總控制界面的外，最主要的是針對(duì)CO2濃度、光照度、溫度/濕度等多個(gè)控制模塊的模擬仿真。對(duì)蘆薈溫室大棚中CO2濃度調(diào)節(jié)的仿真過程如圖8所示，通過觸摸屏畫面設(shè)置CO2濃度值，當(dāng)蘆薈溫室大棚內(nèi)的CO2濃度偏低時(shí)，圖中實(shí)測(cè)D115中的數(shù)據(jù)小于最低的CO2濃度要求時(shí)，在自動(dòng)控制狀態(tài)下輔助繼電器的常開觸點(diǎn)M135閉合，CO2添加器Y015開始工作添加CO2，當(dāng)CO2濃度達(dá)到合適范圍后則自動(dòng)關(guān)閉CO2添加器。當(dāng)CO2濃度偏高時(shí)，自動(dòng)控制狀態(tài)下輔助繼電器的常開觸點(diǎn)M137閉合。通風(fēng)扇Y002開始工作，降低CO2濃度，CO2濃度達(dá)到合適范圍則自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)扇，其他控制模塊的仿真過程與上述類似。通過觸摸屏畫面和PLC程序的一起模擬仿真調(diào)試，PLC程序的功能和觸摸屏的畫面均能滿足設(shè)計(jì)要求，確保了控制程序的正確性和控制系統(tǒng)的可靠性，為蘆薈的快速生長創(chuàng)造了良好條件，觸摸屏的應(yīng)用提高了蘆薈溫室大棚系統(tǒng)的控制效率。

圖8 CO2濃度調(diào)節(jié)仿真

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)采用三菱FX3U-48MR的PLC結(jié)合三菱觸摸屏GT1150-QBBD-C構(gòu)建了蘆薈溫室大棚控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了蘆薈生長各個(gè)環(huán)境因數(shù)如溫度、濕度、CO2濃度等的有效控制，設(shè)計(jì)的溫室調(diào)控功能可以最大程度地滿足蘆薈溫室大棚用戶需求，為蘆薈的高效栽培提供良好環(huán)境，具有增加產(chǎn)量、調(diào)節(jié)生產(chǎn)周期、改善蘆薈的品質(zhì)和提高經(jīng)濟(jì)收益優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)操作控制方便，工作穩(wěn)定性好，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有借鑒意義。