基于PLC 的智能溫室大棚控制系統(tǒng)設計

張建猛，徐文杰

（漢江師范學院 物理與電子工程學院，湖北十堰， 442000）

0 引言

農(nóng)業(yè)是我國的第一產(chǎn)業(yè)，也是國民經(jīng)濟的基礎，但是由于各種原因，能用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地面積不是很高[1]。農(nóng)作物的生長受環(huán)境的制約，傳統(tǒng)的種植技術無法很好地改變這一現(xiàn)象。溫室技術可以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫自然條件的制約，實現(xiàn)反季節(jié)生產(chǎn)。為進一步提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質量，以傳統(tǒng)溫室大棚技術為基礎，融入計算機技術、傳感器技術以及自動控制技術，對環(huán)境因素進行控制來達到最優(yōu)的植物生長環(huán)境。通過一系列現(xiàn)代化科技手段進一步調節(jié)生長因子，消除季節(jié)、區(qū)域等外界因素的影響，人工營造一個更適合農(nóng)作物生長的自然環(huán)境，以此最大化提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。智能溫室大棚技術是進一步提高農(nóng)業(yè)發(fā)展質量的核心，也是農(nóng)業(yè)自動生產(chǎn)領域的一大重點研究對象[2]。

1 系統(tǒng)控制要求及結構

加熱管道，畫面中部仿真程序正常運行，點動停止按鈕停止運行。

（4）對參數(shù)限值進行設定，可自行配置二氧化碳濃度限位、光照強度限位、空氣濕度限位以及溫度上下限，給溫室大棚傳感器程序監(jiān)測到的實際值作對比，為自動控制運行時提供動作信號。對實際值進行監(jiān)測與收集，并反饋給控制程序，可人為手動調控實際值，以達到模擬現(xiàn)實中溫室大棚受環(huán)境影響的目的。

（5）在手動運行模式下再次點擊手動按鈕，手動按鈕顯示置換為自動狀態(tài)，即可切換至自動模式，系統(tǒng)自動檢測實際值并進行控制。自動運行時，系統(tǒng)將實時監(jiān)測實際值，并將監(jiān)測到的實際值與設定值上下限進行對比，處于設定范圍內控制設備不動作，不足或超過設定值，相應控制設備動作。

（6）為了應對突發(fā)情況，自動控制模式下，可以強行切換至手動控制模式，對控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行人為干預。

■1.1 控制要求

■1.2 系統(tǒng)結構

（1）控制程序處于初始化狀態(tài)時，觸摸屏面板左下方的設定參數(shù)欄與右方實際數(shù)據(jù)欄為任意值，運行指示燈處于熄滅狀態(tài)，中央仿真畫面處于不動作狀態(tài)，操控面板手動自動檔位不亮并且初始為手動狀態(tài)。

（2）通過觸摸屏能對執(zhí)行設備的運行實況進行實時監(jiān)控，手自動按鈕文字點動即可切換，遮陽電機運行表現(xiàn)形式為綠幕向下覆蓋，加濕風扇運行表現(xiàn)形式為轉動，加熱裝置運行時熱管由白變紅，二氧化碳輸入運行時則氣管由白變藍，補光燈啟動由黑轉白。

（3）系統(tǒng)運行模式可控，初始為手動模式，檢測控制裝備是否處于正常狀態(tài)，點動啟動按鈕啟動指示燈亮，可手動控制電機運行。在手動控制模式下依次點動二氧化碳輸氣管道、補光燈、加濕風扇、遮陽電機以及

圖1 PLC 控制系統(tǒng)硬件結構圖

智能溫室大棚控制系統(tǒng)在HMI 仿真界面配置有控制面板：可手自動切換控制模式，啟停，并含有補氣按鈕，補光按鈕，升降溫按鈕，加濕按鈕能通過點動人為控制運行設備。參數(shù)設定界面：可設置濕度限位值、光照強度限位值、二氧化碳濃度限位值以及溫度的上下限位值，供設備傳感器監(jiān)測到的實際值作對比[3]；實際值顯示與輸入：可將溫室大棚內環(huán)境參數(shù)實時顯示，在模擬狀態(tài)下可拉動進度條人為給定溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度實際值；以及仿真動畫界面：大棚動畫按真實狀態(tài)繪制，設計精美并且通俗易懂，可供操作者明確觀測到大棚內運行狀況。

2 硬件設計

■2.1 硬件選型

（1）確定IO 設備

輸入設備：8 個數(shù)字量點動控制按鈕（分別為手自動模式切換按鈕、啟停按鈕、補光按鈕、補充二氧化碳按鈕、加濕按鈕、遮陽降溫按鈕和加熱升溫按鈕），4 個可拖動調整參數(shù)的給定輸入量（分別為溫度實際值、濕度實際值、光照強度實際值和二氧化碳實際值），以及一個存儲并區(qū)分數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)塊_1”，供編程時挑選使用。

輸出設備： 6 個24V 數(shù)字量輸出設備（分別為遮陽卷簾電機、加熱氣管、加濕風扇、補充二氧化碳氣管、補光燈和系統(tǒng)運行指示燈）。

（2）PLC 的選型

在溫室大棚控制系統(tǒng)中，PLC 控制器是整個調控系統(tǒng)的核心裝備。在市面上所能供給的PLC 型號多且雜，因而在選擇上較為困難。在此選用PLC 是西門子S7-1200 DC/DC/DC 系列，主要由中央處理單元（CPU）、數(shù)字量輸入模塊（DI）、數(shù)字量輸出模塊（DO）、模擬量輸入模塊（AI）、模擬量輸出模塊（AO）、數(shù)據(jù)通訊模塊、特殊模塊（快速計數(shù)模塊等）、電源模塊、機架、外部設備、編程器（或裝有PLC 編程軟件的電腦）等組成[4]。CPU 采用直流24V 供電，集成了以太網(wǎng)接口、HMI 人機交互觸摸屏和RS485 接口，并帶有以太網(wǎng)通信端口，集成了強大的以太網(wǎng)通信功能。RS485 接口支持Modbus-PTU 協(xié)議及自由口通信。

■2.2 IO 分配

基于實際情況，本文采用上位機傳感器與下位機PLC作為控制核心智能自動溫室控制系統(tǒng)，界面友好且操作簡單，運行可靠，系統(tǒng)控制方式按要求設計。對于程序而言，與變量表建立在線聯(lián)系之后，可將硬件組態(tài)和程序下載到PLC 中[5]。即可通過變量表監(jiān)控界面在線調控程序，可用于監(jiān)視和修改變量值。使用變量表并簡潔明了輸入與輸出變量，有助于查找并發(fā)現(xiàn)程序問題，本課題由溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器以及二氧化碳濃度傳感器四個數(shù)字量輸入，以及手自動切換和啟動暫停兩個數(shù)字量輸入，同時有遮陽電機等八個控制裝置以及系統(tǒng)運行指示燈共九個數(shù)字量輸出，變量表如表1 所示。

表1 輸入/輸出端口分配表

3 軟件設計及核心控制程序

■3.1 軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分設計包括上位機HMI 人機交互界面設計和控制程序設計兩部分?？刂瞥绦虿扇∧K化設計，包括系統(tǒng)初始化程序模塊、手自動切換模塊、手動控制模塊、實際值與給定值對比模塊、自動控制模塊以及動畫變量控制模塊，采取模塊化設計是將控制程序按照不同控制功能進行設計，主要目的是使程序簡潔清晰?？刂瞥绦蛑饕康氖菫閷崿F(xiàn)溫室大棚中對影響作物生長的相應因素進行實時監(jiān)測與控制。傳感器程序將采集到的實時數(shù)據(jù)傳送到對比模塊，再將所接收的數(shù)據(jù)與設定值進行對比，測量到的實際值如果不足下限或超過上限，PLC 將運行執(zhí)行程序，并控制相應電機動作。軟件配置部分將設置觸摸屏和西門子S7 1200 PLC 連接，并選擇通訊方式為以太網(wǎng)通信，觸摸屏IP 地址設定為：192.168.0.2。設置好變量和報警文本，觸摸屏中變量要和PLC 中的變量要一一對應[6]。

智能溫室大棚控制系統(tǒng)的監(jiān)測與控制現(xiàn)場參數(shù)可以在人機界面的主頁面顯示，檢測裝置的設定值與實際值可手動輸入調整，當系統(tǒng)啟動后實時進行對比。當切換到手動檔時，可直接點動電機控制運行。程序結構如圖2 所示。

圖2 PLC 程序結構圖

■3.2 核心控制程序

（1）手自動切換模塊

手自動切換模塊如圖3 所示。系統(tǒng)運行指示燈在系統(tǒng)自動啟動時亮起，自動停止時熄滅，手動自動變量分為兩個數(shù)據(jù)塊，互相之間實現(xiàn)自鎖，以達到切換時點動控制。

圖3 手自動切換模塊

（2）手動控制模塊

手動控制模塊如圖4 所示。手動控制單獨編入數(shù)據(jù)塊1，手自動切換至手動時，調用數(shù)據(jù)塊1 中手動控制變量，以加熱程序為例：手動情況下，“數(shù)據(jù)塊_1”手動加熱啟停為 1 時，“加熱”啟動，為 0 時，“加熱”停止，從而達到加熱溫室大棚內環(huán)境的效果。

圖4 手動控制模塊加熱程序

（2）實際值與給定值對比模塊

如圖5 模擬量數(shù)據(jù)轉換程序中，數(shù)據(jù)對比程序作為對模擬量進行工程量的轉換程序，本文選擇了模擬量處理指令NORM_X（標準化）和SCALE_X（縮放），以此來將兩組數(shù)據(jù)進行對比。所有模擬量信號均為 4-20MA 信號，對應5530-27648；NORM_X 中，OUT 是輸出0-1.0 的實數(shù)；SCALE_X 中，MIN-max 是量程，OUT 是輸出的實際值。

（3）自動控制模塊

如圖6 溫度控制遮陽電機程序所示，系統(tǒng)處于自動狀態(tài)運行時，當“數(shù)據(jù)塊_1”溫度上限設定值小于“數(shù)據(jù)塊_1”溫度模擬值或者“數(shù)據(jù)塊_1”光照強度設定值小于“數(shù)據(jù)塊_1”光照強度模擬值，“遮陽電機”啟動；當“數(shù)據(jù)塊_1”光照強度設定值大于等于“數(shù)據(jù)塊_1”光照強度模擬值并且“數(shù)據(jù)塊_1”溫度下限設定值大于“數(shù)據(jù)塊_1”溫度模擬值時，“遮陽電機”停止。

圖6 自動控制遮陽電機程序

4 仿真監(jiān)控與實物調試

■4.1 仿真監(jiān)控

對程序控制功能的驗證，需要用到觸摸屏仿真。利用現(xiàn)場仿真動畫，建立了一個監(jiān)控網(wǎng)絡，可對現(xiàn)場進行實時監(jiān)測，并模擬傳感器對現(xiàn)場的溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度等進行數(shù)據(jù)采集、處理，并利用程序識別、對比并做出相應動作。在這一系統(tǒng)中主要采用不同機位對系統(tǒng)進行控制的方案，即上位機使用HMI 組態(tài)軟件，下位機使用PLC 的模式，將PLC 控制可靠性的特點發(fā)揮到極致，有效監(jiān)控溫室環(huán)境。變量表如圖7 所示。

圖7 變量SIM 表

智能溫室大棚的核心部分是PLC 控制器，選用型號為西門子S7-1200 系列中的1215CDC/DC/DC，觸摸屏選用西門子KTP700 Basic 精簡觸摸屏，利用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)兩者的通信。先在博圖V15.1 軟件部分完成硬件的組態(tài)，再添加觸摸屏控制面板規(guī)格與型號，然后將兩部分連接，并于觸摸屏中配置動畫參數(shù)。圖8 為組態(tài)動畫監(jiān)控部分，可實時監(jiān)測溫室大棚內各項參數(shù)實際值，并且能與設定值相對比，在自動運行模式下便可做出相應動作，以保證溫室大棚穩(wěn)定運行。

圖8 監(jiān)控畫面

■4.2 實物調試

調試時啟動控制程序CPU 與HMI 仿真觸摸屏，檢查程序無缺失、觸摸屏與CPU 連接無誤后啟動仿真并下載復位運行。進入仿真配置界面，點動啟動按鈕啟動知識燈是否亮起，參數(shù)設定是否能手動輸入，實際值部分需保證顯示正常，手/自動控制按鈕按下是否出現(xiàn)動畫切換。手動模式下點動控制按鈕時觸摸屏中仿真動畫相應電機是否正常動作；自動模式下實際值未達到設定下限位與超出上限位時仿真動畫對應電機是否正常動作。

5 結語

本文選用S7-1200PLC 作為控制器，結合PLC 控制技術、觸摸屏技術與電氣控制技術，通過傳感器等電器元件對控制系統(tǒng)內的溫濕度等因素數(shù)據(jù)進行采集，同時通過觸摸屏對采集信號實現(xiàn)實時檢測與反饋控制，并對現(xiàn)場執(zhí)行設備的運行狀況進行實時監(jiān)控?？紤]到室內環(huán)境的監(jiān)控需求，在設計過程中進一步增強了監(jiān)控方面的精細化設計，最大限度實現(xiàn)環(huán)境的合理掌控，始終讓設備處于一個穩(wěn)定運行的狀態(tài)。相關的信息實現(xiàn)了實時顯示，相關參數(shù)設定操作簡單快捷，系統(tǒng)運行模式可自行切換，上位機界面清晰，控制系統(tǒng)的自動化程度較高。