基于PLC與W inCC的立體溫室種植控制系統設計

羅 野，王 維

（常熟理工學院 電氣與自動化工程學院，江蘇 常熟 215500）

基于PLC與W inCC的立體溫室種植控制系統設計

羅 野，王 維

（常熟理工學院 電氣與自動化工程學院，江蘇 常熟 215500）

立體溫室種植控制系統通過科學技術改變作物的生長環境，降低氣候變化給作物帶來的影響，提高作物的品質和產量、充分利用時空資源。本系統的硬件部分主要由S7-200PLC、環境傳感器、各執行機構組成，采用WinCC上位機軟件進行實時監控，自動化程度高、實用性強。

立體溫室；S7-200PLC；WinCC監控

1 控制系統的總體設計

基于PLC與WinCC的立體種植環境控制系統是現代化設施農業和立體種植相結合的立體溫室。控制系統的硬件部分主要由環境傳感器、PLC和各執行機構組成，用來檢測溫室內部溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度和光照度等環境參數，完成溫室內部遮陽簾控制、側窗的開閉驅動、溫室控制、水泵、二氧化碳補氣閥、補光燈等執行設備進行控制。

圖1 系統的總體設計

控制系統的主要控制對象是室內的溫度、土壤濕度、光照度和二氧化碳濃度等環境參數，運用溫度傳感器、光照度傳感器、濕度傳感器和二氧化碳傳感器來對各個環境因子進行檢測。本系統的溫度調節主要通過熱風機和冷風機的驅動和停止來進行，濕度調節主要通過滴灌系統的工作來進行，光照度調節主要通過遮陽簾的收放和補光燈開關的來進行，二氧化碳濃度調節主要通過通風口的開關和電磁閥控制二氧化碳儲氣罐的出氣量多少來進行。本系統的總體設計方案如圖1所示。

2 系統硬件配置

根據系統需求列出輸入信號和輸出信號。輸入數字信號按鈕輸入信號：手動/自動切換按鈕、總啟動按鈕、總停止按鈕、通風口開閉按鈕、熱風機手動啟動按鈕、冷風機手動啟動按鈕、遮陽簾手動啟動按鈕、遮陽簾手動關閉按鈕、補光燈手動啟動按鈕、水泵1#手動啟動按鈕、水泵2#手動啟動按鈕、水泵3#手動啟動按鈕、二氧化碳儲氣罐按鈕，共計十三個。

輸出數字信號：各設備的接觸器通電信號：通風口接觸器、遮陽簾開簾接觸器、遮陽簾關簾接觸器、熱風機接觸器、冷風機接觸器、水泵1#接觸器、水泵2#接觸器、水泵3#接觸器、補光燈接觸器、二氧化碳儲氣罐接觸器，共計十個。輸入模擬信號：各傳感器檢測到的模擬信號通過變送器輸入：溫度傳感器輸入的溫度信號、濕度傳感器1輸入的濕度信號、濕度傳感器2輸入的濕度信號、濕度傳感器3輸入的濕度信號、光照度傳感器輸入的光照信號、二氧化碳傳感器輸入的二氧化碳信號，共計留六個。輸出模擬信號：輸出模擬信號通過PLC中PID運算后輸出：傳給五個變頻器的信號、傳給一個電動調節閥的信號，共計六個。選擇擴展模塊：一個模擬量擴展模塊EM231CN、一個模擬量擴展模塊EM232 CN和一個模擬量擴展模塊EM235 CN，其中EM231 CN擴展模塊是4路模擬量輸入模塊，EM232 CN擴展模塊是2路模擬量輸出模塊，EM235 CN擴展模塊是4路模擬量輸入/1路模擬量輸出模塊。各環境傳感器的選型：溫度傳感器、濕度傳感器、光照度感

器、二氧化碳傳感器。執行器件的選擇：變頻器的選型、電動調節閥的選型、熱風機的選型、冷風機的選型、水泵的選型、遮陽簾的選型、補光燈的選型。上位機對下位機PLC進行程序的編程，接著將編好的程序下載到PLC中，各種擴展模塊、指示燈、按鈕、執行器件以及各個環境傳感器連接到PLC的相應端口。完成硬件接線。

3 控制系統的程序設計

程序的設計控制系統設有手動和自動兩種工作模式，其中手動模式是為了應付一些突發情況的，自動模式則是該控制系統正常工作下的狀態。在自動模式下，運行主程序可調用子程序，子程序為溫度PID子程序、濕度PID子程序、光照度PID子程序和二氧化碳濃度PID子程序，各個環境傳感器將檢測到的室內溫度、土壤濕度、光照度和二氧化碳濃度等值經A/D轉換模塊輸入到PLC中與系統的設定值進行比較，并將測量值進行PID控制運算，是測量值和設定值相當，然后將運算后的測量值經D/A轉換模塊后輸送入各執行設備。當系統的測量溫度值高于設定值，則PLC就會發出相應的控制指令使冷風機工作，使室內溫度降至設定值；如果系統的測量溫度值低于設定值，則PLC就會發出相應的控制指令使冷風機停止運行并使熱風機工作，使室內溫度升至設定值。如果系統的測量土壤濕度值低于設定值，則系統中的控滴灌系統就會工作，使土壤濕度達到設定值；如果系統的測量土壤濕度值高于設定值，則系統中的滴灌系統停止運行，使土壤濕度升至設定值。如果系統的測量光照度值高于設定值，則系統中的遮陽簾就會放下，使室內光照度降至設定值；如果系統的測量光照度值低于設定值，系統中的遮陽簾收起并補光燈開始工作，使室內光照度升至設定值。如果系統的測量二氧化碳濃度值低于設定值，則PLC就會發出相應的控制指令使電動調節閥工作，從而使二氧化碳儲氣罐向室內輸送二氧化碳，使室內二氧化碳濃度升至設定值，如果系統的測量溫度值高于設定值，則PLC就會發出相應的控制指令使電動調節閥停止工作，使室內二氧化碳濃度降至設定值。

4 W inCC界面設計及調試運行

WinCC作為控制系統的上位機，很方便地將標準的用戶程序結合起來，建立人機界面，從而能夠準確地滿足生產要求，同時它也是第一個使用最新32位技術的過程監控系統。上位機與PLC連接軟件，必須通過另一款軟件進行連接。在本課題的控制系統中，選擇西門子OPC軟件PC ACCESS V1.0作為連接軟件。WinCC所需監控的變量也必須在此軟件中進行建立，然后通過導入實現WinCC內變量的創建。系統畫面的設計分為畫面建立、畫面編輯、動畫連接三個步驟。建立的“新農業立體種植環境控制系統”的畫面如圖2所示。

圖2 新農業立體種植環境控制系統

圖3 WinCC運行曲線

進行畫面繪制及組態，對畫面進行監控。通過觀察監控中相應的輸入輸出量調整試驗，進行PID參數的整定，觀察每個輸入輸出量、畫面上設備工作狀態、數據顯示等。各個控制變量中的PID參數經驗數據反映在WinCC運行曲線圖中，如圖3所示。

5 結語

通過科學技術改變作物的生長環境降低氣候變化給作物帶來的影響，從而提高作物的品質和產量，而且能夠充分利用時空資源，節約土地資源。控制系統不僅操作簡單、運行方便、自動化程度高、實用性很強，而且有良好的監控界面，能實現可視化的監控和管理。有很廣的應用范圍，并具有良好的經濟效益。

［1］韓戰濤.西門子S7-200PLC編程與工程實例詳解［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［2］鄭鳳翼.案例分析西門子S7-200系列PLC應用程序設計［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［3］陳廣慶，孫愛芹，徐克寶.基于PLC的組態軟件的溫室控制系統的設計［J］.安徽農業科學，2010，38（34）：19827-19828.

［4］王廣海，呂恩利，陸華忠，等.基于PLC的果蔬氣調保鮮環境自動調控系統的設計［J］.江蘇農業科學，2015，43（3）：368-372.

［5］陳會蓮，谷明月，鄭艷博，等.基于PLC溫濕度自動控制系統的設計［J］.中國農機化學報，2015，（3）.

Design of Three-dimensional Greenhouse Plant Control System based on PLC and W inCC

LUO Ye，WANG Wei
（School of Electrical and Automation Engineering，Changshu Technology Institute，Changshou，Jiangsu 215500，China）

Three-dimensional greenhouse plant control system can be used to change the growth environment of crops through science and technology，which reduces the effects of climate change on crops，improves the crops quality and yield，and makes fulluse of time and space.The hardware of this system ismainly composed of S7-200PLC and environmentalsensors，actuators.AndWinCCPCsoftware isused to carry out real-timemonitoring，which hasahigh degreeofautomation and usability.

three-dimensionalgreenhouse；S7-200PLC；WinCCmonitoring

TP273-5

A

2095-980X（2016）11-0045-02

2016-09-15

羅野（1965-），女，遼寧本溪人，大學本科，高級實驗師，主要從事電氣控制及實踐教學工作。