農(nóng)村蔬菜大棚溫室的智能控制設(shè)計(jì)初探

岳 睿

（1.無(wú)錫市環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，江蘇 無(wú)錫 214153；2.無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

引言

人們對(duì)水果蔬菜等農(nóng)作物的需求越來(lái)越大，對(duì)品質(zhì)的要求越來(lái)越高。不同的農(nóng)作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境和氣候的要求都是不一樣的，而生長(zhǎng)環(huán)境直接影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)；不同地區(qū)不同季節(jié)的環(huán)境和氣候有很大變化。所以為了克服外界氣候和環(huán)境對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，減少不利因素的存在，增加反季節(jié)的新鮮農(nóng)產(chǎn)品，充分利用資源，發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，必須采用現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室大棚來(lái)保證農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，將智能化、自動(dòng)化、機(jī)械化等科技化的技術(shù)應(yīng)用到溫室大棚中，形成智能化的溫室控制系統(tǒng)也是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)業(yè)效率、滿足社會(huì)需求的需要。PLC作為一種先進(jìn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其應(yīng)用非常廣泛，再結(jié)合溫度傳感器、濕度傳感器及輔助的人機(jī)交互和通信技術(shù),就能夠有效地控制農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的主要環(huán)境條件，這樣有助于溫室種植的發(fā)展,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體介紹

1.1 系統(tǒng)總體

本設(shè)計(jì)采用三菱PLC設(shè)計(jì)出溫室大棚系統(tǒng)大體模型，PLC能通過(guò)溫度傳感器和溫度變送器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，PLC與PC機(jī)組成溫室大棚中的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，接收溫度傳感器傳來(lái)的實(shí)時(shí)溫度信息，將溫度信息送入PLC中，經(jīng)過(guò)PLC的邏輯處理，然后對(duì)執(zhí)行的設(shè)備發(fā)出邏輯指令，通過(guò)執(zhí)行指令進(jìn)而控制電機(jī)的開關(guān)，達(dá)到對(duì)溫室大棚中的溫度進(jìn)行調(diào)控。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有主要功能以下：

（1）對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)督和顯示：利用LED顯示屏將溫室大棚內(nèi)的溫室實(shí)時(shí)地讀取并顯示出來(lái)，及時(shí)地將溫室內(nèi)的溫度反饋出來(lái)。

（2）溫度采集功能：利用溫度傳感器測(cè)量實(shí)時(shí)溫度，通過(guò)測(cè)量值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的數(shù)據(jù)。

（3）自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的溫度：可以把溫度控制在一個(gè)自定義溫度范圍內(nèi)。

（4）手動(dòng)控制和調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的溫度：可以手動(dòng)控制和調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的溫度。

（5）電路保護(hù)：通過(guò)漏電開關(guān)、熱繼電器、熔斷器等電路保護(hù)設(shè)施，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

溫室大棚的邏輯部分主要由PLC來(lái)完成，通過(guò)溫度傳感器對(duì)周圍環(huán)境溫度的采集，將測(cè)量值傳進(jìn)PLC與設(shè)定值比較，若測(cè)量值比設(shè)定值上限高則啟動(dòng)冷風(fēng)機(jī)，若低于設(shè)定值下限則啟動(dòng)加熱器，當(dāng)測(cè)量值處于定制范圍內(nèi)則兩臺(tái)電機(jī)都不啟動(dòng)，處于等待下一次判斷。當(dāng)需要手動(dòng)控制溫度時(shí)，亦可選擇手動(dòng)擋進(jìn)行手動(dòng)控制溫度的高低。PLC是整個(gè)設(shè)計(jì)的邏輯控制中心，加熱器和冷風(fēng)機(jī)溫度調(diào)節(jié)的上溫降溫模塊，是溫度控制和調(diào)節(jié)的重要組成部分。溫度傳感器和變送器是溫度采集模塊的主要部分，各模塊互相做工作共同組成溫室大棚的控制系統(tǒng)。

1.3.2 組成結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)設(shè)定了自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，自動(dòng)控制是結(jié)合溫度采集模塊一起進(jìn)行控制溫室的溫度在設(shè)定值左右；而手動(dòng)控制是通過(guò)手動(dòng)通斷升溫模塊或降溫模塊來(lái)達(dá)到升溫或降溫；控制器是選擇PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算，是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。液晶顯示是通過(guò)溫度采集的模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到的當(dāng)前溫度值，加熱模塊和降溫模塊，主要是根據(jù)自動(dòng)控制或手動(dòng)控制來(lái)控制開關(guān)的通斷啟動(dòng)電機(jī)，從而升高或降低溫度。本系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)村蔬菜大棚溫控系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)的組成結(jié)構(gòu)主要由邏輯控制中心——PLC，溫度采集傳模塊、顯示模塊、外接的升溫模塊和降溫模塊等部分組成，其中控制中心為設(shè)計(jì)的核心。

自動(dòng)控制：通過(guò)溫度采集模塊收集的溫室的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)PLC模擬量輸入模塊AD輸入到PLC中，經(jīng)過(guò)PLC邏輯比較與設(shè)定值比較，輸出開關(guān)量進(jìn)而對(duì)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制通斷。具體來(lái)說(shuō)就是按下啟動(dòng)按鈕之后，系統(tǒng)各模塊啟動(dòng)等待指令，接收有溫度傳感器檢測(cè)到的溫度信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部處理，有輸出模塊輸出控制信號(hào)，以控制外部的執(zhí)行器件。如果溫度過(guò)高，就會(huì)驅(qū)動(dòng)抽風(fēng)機(jī)，通過(guò)抽風(fēng)機(jī)來(lái)降低溫室大棚內(nèi)的溫度；如果溫度過(guò)低，就會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)熱片，來(lái)調(diào)節(jié)溫室大棚溫度。顯示模塊根據(jù)溫度傳感采集到的模擬量，顯示出當(dāng)前的實(shí)時(shí)溫度。

手動(dòng)控制：可以由人為意識(shí)控制，通過(guò)控制輸入直接控制輸出，進(jìn)而控制電機(jī)啟動(dòng)與停止，來(lái)達(dá)到設(shè)定溫度。手動(dòng)控制主要是輔助自動(dòng)控制，使得系統(tǒng)對(duì)溫度的控制能夠靈活且人性化。

2.溫室大棚系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本節(jié)從硬件來(lái)介紹溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要介紹硬件的特性、參數(shù)、功能、選型及組裝連接。

2.1 溫室大棚的控制器PLC選型

本次設(shè)計(jì)用到的國(guó)產(chǎn)工控式PLC是三菱PLC的FX2N型。FX2N系列時(shí)FX系列PLC家族中相對(duì)較先進(jìn)的系列之一，具有高速處理程序及可擴(kuò)展單個(gè)特殊功能模塊等特點(diǎn)，給工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供靈活性、控制能力和擴(kuò)展能力。主要性能如下：

（1）可擴(kuò)展特殊功能模塊I/O；

（2）邏輯運(yùn)算快速；

（3）快速斷開端子；

（4）時(shí)鐘功能和小時(shí)表功能；

（5）持續(xù)掃描功能；

（6）在線編輯；

（7）穩(wěn)定性高。

選擇的型號(hào)為FX2N-ZK2N-10MR-2DA最佳，可編程控制器內(nèi)部的中斷程序多達(dá)4個(gè)。具有豐富的功能，比如AD轉(zhuǎn)換輸入、DA轉(zhuǎn)換輸出、PID調(diào)節(jié)功能、高速計(jì)數(shù)器功能、通訊功能以及數(shù)據(jù)處理功能等。能和上位機(jī)進(jìn)行通訊。該款PLC由直流電源24V供電，其型號(hào)為晶體管輸出型。當(dāng)時(shí)在選型時(shí)考慮了I/O預(yù)留，所以在選型時(shí)選用了6點(diǎn)數(shù)字量輸入、4點(diǎn)數(shù)字量輸出、2點(diǎn)模擬量輸入、2點(diǎn)com輸入、1點(diǎn)模擬量輸出的PLC，尺寸大小為95mm×90mm×30mm,帶有一個(gè)232串口。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器是指能溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，本次選取的溫度傳感器為熱電阻Pt100溫度傳感器探頭，Pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表。其工作原理是金屬隨著溫度的變化，其電阻值也發(fā)生變化，熱電阻的溫度系數(shù)可分為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)。正溫度系數(shù)：溫度升高，阻值升高；溫度降低，阻值下降。負(fù)溫度系數(shù)：溫度升高，阻值下降；溫度降低，阻值上升。熱電阻Pt100熱電阻傳感器帶溫度傳感器的變送器的，一般由常感器和信號(hào)變送器兩部分組成。熱電阻Pt100熱電阻傳感器主要參數(shù)：

（1）響應(yīng)時(shí)間：1～1.5秒；

（2）精度等級(jí)：A0.2級(jí)；

（3）工作溫度范圍：-50℃～200℃。

2.3 溫度變送器

本設(shè)計(jì)選擇的導(dǎo)軌式一體溫度變送器模塊4～20mA變送器。其輸出二線制4～20mA輸出，輸入是溫度傳感器Pt100熱電阻。Pt100熱電阻溫度變送器直接安裝于Pt100熱電阻接線盒內(nèi)將熱電阻Pt100的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為二線制4～20mA輸出。不僅可用于工業(yè)過(guò)程溫度參數(shù)的測(cè)量和控制，也可以用于家居應(yīng)用控制。變送器通常和溫度傳感器結(jié)合使用，溫度傳感器提供輸入信號(hào)，變送器把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為二線制輸出。溫度變送器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要是由測(cè)量單元、信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換單元三部分組成。導(dǎo)軌式一體溫度變送器模塊4～20mA溫度傳感器變送器不僅有高精度、高線性度、反干擾性高、響應(yīng)速度快，對(duì)環(huán)境要求較低，還具有可靠性好、良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、滯后小等特點(diǎn)。適合溫室大棚的使用。該變送器的主要參數(shù)如下：

（1）輸入信號(hào)：熱電阻信號(hào)輸入；

（2）輸出信號(hào)：4～20mA；

（3）負(fù)載電阻：0～500Ω；

（4）額定電壓：24VDC；

（5）熱電阻溫度變送器精度：0.2%FS；

（6）溫度穩(wěn)定性：零點(diǎn)漂移，標(biāo)準(zhǔn)0.05%FS/℃，量程漂移，標(biāo)準(zhǔn)0.002%FS/℃；

（7）溫度變送器功耗:≤0.5W。

2.4 升溫模塊和降溫模塊

2.4.1 升溫模塊

升溫模塊選擇的是220V伏恒溫工業(yè)PTC絕緣空氣加熱器，工業(yè)PTC加熱器，采用波紋加熱片，與空氣接觸面積大，高效率低功耗。發(fā)熱片擦愛(ài)用絕緣型PTC，表面不帶電不發(fā)紅，提高安全級(jí)別。PTC材料是很多工業(yè)加溫的的優(yōu)選材料。具有安全級(jí)別性能高、耐高溫性強(qiáng)、耐腐蝕型高和使用壽命長(zhǎng)久等特點(diǎn)。伏恒溫PTC絕緣空氣風(fēng)扇加熱器烘干器主要參數(shù)入下：

（1）額定電壓：220V ；

（2）額定功率：≤500W；

（3）加熱空間：≤10立方米 ；

（4）耐溫極限：120度；

（5）重量：1.2千克；

（6）規(guī)格：絕緣型波紋加熱器；

（7）加熱器尺寸：125×80×104mm。

2.4.2 降溫模塊

降溫模塊選擇的的是工業(yè)級(jí)吸煙儀風(fēng)扇，是220V的迅速散熱抽風(fēng)機(jī)，雙面保護(hù)網(wǎng)，加強(qiáng)了安全性和抽風(fēng)機(jī)的質(zhì)量。優(yōu)點(diǎn)就是體積小、功率低、轉(zhuǎn)速快、散熱快速、易于安裝等等。以下為抽風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)：

（1）額定電壓：220V～240V；

（2）額定頻率：50/60Hz；

（3）額定功率≤30W；

（4）轉(zhuǎn)速：2650/3050(R/min)；

（5）300W風(fēng)扇加熱器尺寸：120×120×38mm（含支架尺寸）。

2.5 硬件的搭建與接線

本硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分：硬件底盤、系統(tǒng)控制面板、溫室模型、操作臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)的供電電壓為24V低壓，通過(guò)輸入220V的市電進(jìn)行整流，輸出24V的直流電給各個(gè)低壓器件供電。為安全起見系統(tǒng)供電總開關(guān)采用空氣開關(guān)。為了使整個(gè)系統(tǒng)的器件布置安排有條理和移動(dòng)方便，整個(gè)硬件系統(tǒng)都在一個(gè)一層底盤組裝，使用三合板作為底盤，三合板具有表面平整、體重輕便且價(jià)格優(yōu)惠的特點(diǎn)。底盤的規(guī)格是60cm×40cm，剛好適合整個(gè)系統(tǒng)的模塊擺設(shè),一層的設(shè)計(jì)方便溫室與控制面板連接，簡(jiǎn)單且美觀。

3.蔬菜溫室大棚系統(tǒng)工作流程

本設(shè)計(jì)主要是溫度采集和PLC的邏輯運(yùn)算，將溫度傳感器采集到的測(cè)量值通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電量，傳給PLC與設(shè)定值（期望值）比較，根據(jù)與設(shè)定值高低比較，來(lái)發(fā)送指令控制抽風(fēng)機(jī)與電熱器的啟動(dòng)與關(guān)閉,循環(huán)掃描，不斷控制溫度在一個(gè)恒值范圍。溫室大棚工作流程如圖2所示。

圖2 PLC工作流程圖

PLC通過(guò)循環(huán)掃描檢查溫室大棚的溫度及時(shí)地送入到PLC中，并與設(shè)定值比較，若高于設(shè)定值則關(guān)閉電熱器打開抽風(fēng)機(jī)降溫,若低于設(shè)定值則關(guān)閉抽風(fēng)機(jī)打開電熱器升高溫度,本設(shè)計(jì)采用雙控制，手動(dòng)控制及自動(dòng)控制。可以通過(guò)手動(dòng)控制打開或關(guān)閉電機(jī)，兩種控制方式互相獨(dú)立，相輔相成。

4.結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)為使用三菱FX2N型PLC，完成了溫室大棚控制系統(tǒng)的基本恒定溫度設(shè)計(jì)。設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，自動(dòng)控制方式是正常運(yùn)行狀態(tài)，手動(dòng)模式用于應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。在利用自動(dòng)控制還是手動(dòng)控制的控制效果基本上達(dá)到了要求，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的溫度采集、PLC指令邏輯兩方面的結(jié)合，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。當(dāng)然，由于溫度傳感器測(cè)量的精確度的原因，以及缺少精密的PLC控制模塊等多方面影響，設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)也存在稍微不足的地方。