菇房溫濕度控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李海蕓，岳舒婷，董楸煌

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002)

菇房是專門用來(lái)生產(chǎn)食用菌的溫室[1-2]。在國(guó)外，對(duì)于溫室的研究比國(guó)內(nèi)要早且成果也較為豐富，如美國(guó)、荷蘭等國(guó)家。美國(guó)最早將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于溫室中，它研究并開(kāi)發(fā)的現(xiàn)代化溫室可以根據(jù)作物各階段生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境的不同要求通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制與管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)二氧化碳濃度、溫度、濕度等諸多環(huán)境因子進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)作物全天性高效生產(chǎn)[3]。荷蘭的玻璃溫室享譽(yù)全球，20世紀(jì)以來(lái)，荷蘭的農(nóng)民將一百多年前的溫室技術(shù)慢慢地由簡(jiǎn)變繁，逐步走向現(xiàn)代化，而且對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的控制已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[4]。

本文設(shè)計(jì)的溫濕度控制系統(tǒng)以西門子系列S7-200PLC為主要控制元件，通過(guò)PLC加溫降溫、加濕降濕元器件來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。整個(gè)硬件系統(tǒng)搭建起來(lái)成本低廉，只要在上位機(jī)修改程序就可以調(diào)整為食用菌每一個(gè)階段生長(zhǎng)的溫濕度要求，操作方便。

1 系統(tǒng)自動(dòng)化控制方案

控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示，在上位機(jī)編寫好控制程序之后與下位機(jī)PLC通過(guò)串口進(jìn)行連接[5]，開(kāi)關(guān)按鈕等連接至PLC輸入端口，溫濕度傳感器采集菇房溫濕度信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送至PLC，通過(guò)運(yùn)行程序?qū)ν獠繄?zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制[6-8]，實(shí)現(xiàn)對(duì)菇房溫濕度環(huán)境因子調(diào)控。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖Fig.1 Overall structure diagram of network communication control system

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用西門子S7-200系列CPU224 AC/DC/RLY的PLC作為控制器，控制相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行指示燈、水泵電磁繼電器、風(fēng)機(jī)電磁繼電器等,可以滿足菇房?jī)?nèi)加溫降溫、加濕降濕控制系統(tǒng)使用要求。具體的控制系統(tǒng)電路連接如圖2所示，輸入端I1.0外接硬件系統(tǒng)總開(kāi)關(guān)，由24 V開(kāi)關(guān)電源供電，輸出端Q0.0-Q0.6外接負(fù)載，負(fù)載另一端與PLC的N端相接，對(duì)應(yīng)的公共端1L、2L與PLC的L1端相連。擴(kuò)展模塊EM231由CPU224自帶24 V傳感器電源供電，溫濕度傳感器的信號(hào)端分別于模塊上部的A+、A-、B+、B-相連，其它未用到的通道做短接處理[9]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram of the control system

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的控制程序分為濕度和溫度兩大部分，其功能如下：

(1)濕度控制程序流程如圖3(a)所示。調(diào)用子程序?qū)⒉杉降臐穸刃盘?hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與設(shè)定濕度范圍進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際濕度值低于設(shè)定值下限時(shí)，PLC根據(jù)用戶所編寫的程序命令輸出點(diǎn)動(dòng)作，使得水泵開(kāi)始工作為菇房進(jìn)行加濕。當(dāng)實(shí)際濕度值高于設(shè)定值上限時(shí)，PLC根據(jù)用戶所編寫的程序命令輸出點(diǎn)動(dòng)作，使得冷風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作為菇房降濕。

(2)溫度控制程序流程如圖3(b)所示。溫度控制程序與濕度控制程序相類似。

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Flowchart of the control system program

3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用西門子SMART LINE 1000 IE觸摸屏。SIMATIC Wincc Flexible是組態(tài)西門子觸摸屏的軟件，可用于集成組態(tài)所有新型操作面板，實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)視設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)在運(yùn)行中能夠方便查看參數(shù)狀態(tài)，畫面顯示各執(zhí)行元件運(yùn)行狀態(tài)、時(shí)間、溫濕度參數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果[10-11]。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控主界面如圖4所示，主要包括：參數(shù)設(shè)置界面和實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。參數(shù)設(shè)置界面主要是對(duì)菇房溫濕度的范圍進(jìn)行設(shè)定與修改；實(shí)時(shí)監(jiān)控界面主要是用來(lái)顯示當(dāng)前菇房的溫濕度值以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，若各執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒(méi)有正常運(yùn)行可以按下急停按鈕停止系統(tǒng)運(yùn)行。

圖4 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控主界面圖Fig.4 Main interface of system real-time monitoring

采用的串口連接通信方式在控制系統(tǒng)的上下位機(jī)通訊流暢，SMART 1000 IE控制平臺(tái)不僅能穩(wěn)定地讀取PLC的運(yùn)行數(shù)據(jù)，還能快速響應(yīng)對(duì)PLC發(fā)送指令。在觸摸屏對(duì)下位機(jī)的控制過(guò)程中不僅可以實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)，還可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

4 試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證基于PLC的菇房溫濕度控制系統(tǒng)的性能，在長(zhǎng)10 m的菇房室內(nèi)，距離風(fēng)機(jī)位置每隔1 m布置測(cè)量點(diǎn)，對(duì)溫濕度值進(jìn)行多次測(cè)量取平均值并記錄，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差在0.09～0.20，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的濕度標(biāo)準(zhǔn)差在0.07～0.32，菇房環(huán)境溫濕度值幾乎都在設(shè)置數(shù)值范圍內(nèi)，基本達(dá)到控制效果。

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.5 Test data graph

5 結(jié)論

本文通過(guò)串口連接的方法，系統(tǒng)通信有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。設(shè)計(jì)了疊裝式PLC控制系統(tǒng)，且該菇房溫濕度控制系統(tǒng)穩(wěn)定，為后續(xù)系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)打下基礎(chǔ)。觸摸屏作為整套控制系統(tǒng)的集控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了菇房脫離計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)控制。利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件建立菇房溫濕度數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的科學(xué)管理。