基于PLC的溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卞和營(yíng)　王軍敏

摘要在溫室大棚控制系統(tǒng)中，對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境因子如溫度、濕度、CO2濃度及光照度等的有效控制是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)及高效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)了溫室總體控制方案，應(yīng)用S7-CPU226、EM231和HMD40Y等設(shè)備構(gòu)建了PLC溫室控制系統(tǒng)，編寫了各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制程序和模糊算法相關(guān)程序，并應(yīng)用wincc flexible組態(tài)了該控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中溫度、濕度、CO2濃度及光照度等環(huán)境因子的有效控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，較好地滿足溫室作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求。

關(guān)鍵詞溫室；自動(dòng)控制系統(tǒng)；PLC；監(jiān)控

中圖分類號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）04-01247-03

基金項(xiàng)目河南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（132102110173）；河南省高等學(xué)校骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目（2010GGJS212）。

作者簡(jiǎn)介卞和營(yíng)（1971-），男，河南蘭考人，副教授，碩士，從事智能控制理論及應(yīng)用方面的研究。

當(dāng)今農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)越來越受到重視，而溫室大棚是高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，因此研究開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情、性能優(yōu)越、低成本且運(yùn)行可靠的溫室控制系統(tǒng)是當(dāng)前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題[1]。溫室控制系統(tǒng)主要是通過對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境因子如溫度、濕度、CO2濃度、土壤pH及光照度等的有效控制來實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)及高效生產(chǎn)[2-4]。為此，筆者在對(duì)多個(gè)溫室環(huán)境因子深入分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用S7-CPU226、EM231和HMD40Y等設(shè)備構(gòu)建了PLC溫室控制系統(tǒng)。由于溫室系統(tǒng)是一個(gè)多變量、時(shí)變、非線性、強(qiáng)耦合、大慣性的復(fù)雜系統(tǒng)[5]，在PLC編程中對(duì)溫濕度的控制引入了模糊控制算法，并對(duì)溫濕度的控制效果進(jìn)行了實(shí)際觀測(cè)；應(yīng)用wincc flexible組態(tài)了該控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中設(shè)定的幾種環(huán)境因子的有效控制，滿足溫室作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求。

1溫室總體控制方案設(shè)計(jì)

該研究主要針對(duì)影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵環(huán)境因子如溫濕度、光照和CO2濃度等進(jìn)行控制，控制器應(yīng)用西門子S7-CPU226， 模擬量模塊選用EM231，溫濕度、光照和CO2濃度傳感器選用的型號(hào)分別為HMD40Y、LC-GZ1和DCO2-T8。此外，應(yīng)用wincc flexible組態(tài)該系統(tǒng)的監(jiān)控界面。溫室總體控制方案設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1中執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為各種電機(jī)和電磁閥，被控對(duì)象為前天窗、天窗、后天窗、遮陽簾、加熱器、通風(fēng)機(jī)和水泵等。

2硬件電路設(shè)計(jì)

溫室大棚控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)包括主電路和控制電路的設(shè)計(jì)，主電路主要應(yīng)用多個(gè)交流接觸器如KM1、KM2等來實(shí)現(xiàn)對(duì)前側(cè)窗電機(jī)、天窗電機(jī)、后側(cè)窗電機(jī)、遮陽簾電機(jī)、加濕水泵等的控制；控制電路主要是對(duì)CPU226的外部接線電路和EM231與傳感器的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在CPU226的輸入端接按鈕和行程開關(guān)，輸出端接24 V的中間繼電器，利用中間繼電器的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路中交流接觸器的通斷控制。

2.1主電路設(shè)計(jì)由于篇幅限制，在此僅給出前側(cè)窗電機(jī)和天窗電機(jī)控制的主電路，其他電機(jī)的控制電路類同。主電路如圖2所示[6]。

2.2 PLC控制電路設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC的I/O地址分配表。根據(jù)溫室控制實(shí)際需要，制定的PLC的I/O地址分配如表1所示[7]。

2.2.2 CPU226外部接線。在PLC的I/O地址分配基礎(chǔ)上，繪制的CPU226外部接線如圖3所示[7]。

2.2.3 EM231與傳感器的接口電路。模擬量模塊EM231與溫濕度、CO2濃度、光照度傳感器的接口電路如圖4所示。

3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是PLC控制程序編寫和監(jiān)控界面的組態(tài)，該研究在實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度程序的編寫時(shí)引入了模糊控制算法[8-9]。

3.2溫濕度控制程序設(shè)計(jì)在采用模糊控制算法的情況下，以溫度為22 ℃和濕度為70%的情況編寫相應(yīng)的PLC程序，溫度為22 ℃對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為17 664，濕度70%對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為24 320。編寫的模糊控制查詢程序如下：

計(jì)的監(jiān)控界面能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚控制情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，譬如現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)監(jiān)控界面，如圖5所示。

4 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試

控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，以溫濕度為例，隨機(jī)選取某一天采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測(cè)試時(shí)的起始溫度和濕度分別為32 ℃和52%，溫度和濕度控制設(shè)定值分別為22 ℃和70%，采樣時(shí)間間隔均為5 min，根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖6所示。

5結(jié)論

應(yīng)用S7-CPU226、EM231和HMD40Y等設(shè)備構(gòu)建了PLC溫室控制系統(tǒng)，并在溫濕度的控制程序中引入了模糊控制算法，編寫了各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制程序和模糊算法相關(guān)程序，并應(yīng)用wincc flexible組態(tài)了該控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面，對(duì)溫濕度進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中設(shè)定的幾種環(huán)境因子的有效控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，較好地滿足溫室作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求。

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