基于國產PLC的光伏供電溫室控制系統設計與實現

范哲超　陸明

摘要：采用國內主流可編程控制技術和太陽能光伏發電技術，結合傳感器技術和自動檢測技術，分析影響溫室作物生長的因素，并進行優化調節控制，降低人力資源成本，實現專業化、精準化的農業生產管理。分析溫室控制系統組成、硬件設計、實時監控和供電問題，設計溫室環境控制柜、光伏供電柜和觸摸屏用戶界面，完全實現國有化設計和自主知識產權。經實地測試，數據采集精準，系統運行穩定，環境調節有效，可以滿足現代化溫室智能管理，在技術提升方面具備較強的可塑性，對北方地區環境具有廣泛適應性。

關鍵詞：溫室；自動控制系統；PLC；光伏供電

中圖分類號： TP273；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0223-05

隨著社會經濟和科學技術協同發展，現代設施農業已經成為各地區重點發展的創收項目。根據內蒙古自治區“8337”發展思路，以“把該區建成綠色農畜產品生產加工輸出基地”為重點，不斷創新農業生產經營方式，大力支持建設現代農業生產日光溫室項目[1]。然而目前在內蒙古自治區推廣溫室項目主要有如下制約因素：第一，該區地處北方，冬季溫度大部分時間在0 ℃以下，自然環境對溫室生產種植影響較大；第二，該區溫室結構簡單，絕大部分是塑料溫室，以日光溫室為主；第三，該區溫室自動化水平低，環境調控水平落后，控制系統依賴國外設備或器件，操作困難，人機交互性差[2-3]。本研究設計基于國產PLC的光伏供電溫室控制系統，旨在實現對溫室多環境量的有效控制。

1系統組成[LL]

該系統使用溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、壓力傳感器采集或監測溫室內的溫度、濕度、光照度、滴灌壓力等環境參數信息，采用國產可編程控制器，驅動控制變頻器、通風扇、遮陽簾、交換風機、冷水泵、熱水泵、灌噴水泵、補光燈等多種設備，有效調節溫室氣候，為作物生長發育提供最適宜的生態環境，大幅提高作物的產量和品質。開發獨立光伏輔助供電系統將太陽能轉換為電能，既綠色環保又節能減排。設計觸摸屏監控程序，可實現控制系統操作人性化和過程可視化[4-5]。

考慮到溫室實際生產的安全性與可靠性，設計手動和自動2種工作模式，自動工作模式是周期性的PLC控制模式；手動工作模式是在出現突發事件時，手動操作控制執行器件工作。溫室控制系統組成如圖1所示。

2硬件設計

溫室控制系統硬件電路主要包括PLC輸入和輸出控制電路、環境量采集、轉換電路、光伏供電電路。

PLC控制電路主要解決溫室環境量調節控制、變頻恒壓灌溉、設備通訊等問題。PLC控制電路選用增強型國產化臺達PLC DVP32ES2作為核心旗艦級，該PLC帶有A/D和D/A轉換單元，內建1組RS-232，2組RS-485通訊端口，提供32點I/O接口，其功能均滿足系統設計要求。通過外接多種接觸器和繼電器，控制遮陽步進電機、通風風機、滴灌噴淋電磁閥、冷熱水電磁閥、變頻器、水泵等設備，實現相應操作功能。PLC控制電路接線圖如圖2所示[6]。

環境量采集及轉換電路主要解決溫室內溫度、濕度、光照、壓力等環境量的自動檢測問題，選用臺達高性能數模轉換器DVP 06XA-E2，將4路傳感器采集的4～20 mA電流模擬量轉換為PLC能夠處理的數字信號，環境量采集統一選用輸入電壓24 V，輸出為4～20 mA電流信號的傳感器和變送器。溫室外溫度采集選用臺達溫度控制器DTC1000，外接熱電偶傳感器Pt100，實現溫室內外溫度采集處理，量程-50～150 ℃，測量精度為±0.5 ℃。溫室內溫度、濕度采集選用溫濕度變送器，溫度量程-40～80 ℃，濕度量程0～100% RH（工作環境-40～80 ℃），濕度精度±3% RH（20%～95%RH，20 ℃）。光照度采集采用光照變送器65 535 LUX，測量范圍0～65 535 LX、最大允許誤差7%、操作環境-20～70 ℃，0～80% HP。壓力采集電路選用YB-131型壓力傳感器，壓力范圍0～0.6 MPa、精度0.5%。環境量采集及轉換電路接線圖如圖3所示[7]。

光伏供電電路主要為溫室控制系統提供輔助電源，正常情況下使用工頻供電，斷電情況下切換光伏供電，進一步對比分析計算溫室控制系統的工作負荷和耗電量。光伏供電電路主要采用屹晶微電子國產EG8030數字化三相純正弦波逆變發生器芯片為核心，該芯片能夠采集電流信號、溫度信號、三相電壓信號，生成高精度、失真和諧波都很小的三相SPWM信號，具有輸出穩壓和各項保護功能，自主設計三相純正弦波逆變功率板和驅動板，組成三相逆變電路。光伏儲能單元使用太陽能電池板和鉛酸蓄電池，通過智能光伏控制器實現 1 kW 獨立型交直流混合光伏供電系統，光伏供電系統電路如圖4所示。

3程序設計

根據溫室控制系統要求，利用臺達PLC的編程軟件WPLsoft開發PLC程序，主要包括報警程序、遮陽簾控制程序、灌溉噴淋控制程序，溫濕度控制程序以及變頻器、溫度控制器、觸摸屏等控制通信程序，PLC和A/D轉換器I/O端子分配如表1所示。

嚴格按照系統功能設計程序邏輯，以溫度控制程序為例，檢測溫度高于設定值，PLC就會發出相應的指令控制開啟通風機和水泵循環冷水；當測量值低于設定值，則打開循環熱水泵和熱風機對溫室進行加溫，同時考慮各環境參數之間的耦合關系。某一設備的開關會對多個環境因子產生影響，例如打開熱交換風機增加溫度，但同時濕度也降低，給溫度控制帶來了負面影響。針對以上情況，根據環境因子的重要性不同，設置不同的優先級，即溫度>濕度>光照強度。根據優先級關系的降溫控制程序如圖5所示[8]。

開發設計PID恒壓滴灌控制程序，采用臺達VFD007EL43A三相380 V、750 W變頻器和德國威樂PW-176EAH、最大揚程14 m、三相功率290 W水泵，當A/D轉換器采集的實際水泵壓力信號與給定值壓力信號有偏差時，執行PID運算程序，穩定控制變頻器輸出頻率，實現恒壓滴灌、噴淋，保證植物的正常攝水量和溫室內濕度控制，變頻器通訊程序如圖6所示，PID控制程序如圖7所示。endprint

4觸摸屏設計

溫室控制系統使用臺達DOP-B07S411觸摸屏作為用戶界面，利用臺達DOPSoft軟件開發自動控制、手動控制、數據監控、歷史曲線、報警記錄等5個用戶界面（圖8至圖11）。

用戶可以通過自動控制界面設定溫度、濕度、光照度、遮掩網電機速度、噴淋壓力、灌溉壓力、灌溉啟動/停止時間、優先通風降溫時間和報警延遲時間等參數，實時觀測室內溫度、室外溫度、濕度、光照強度、水泵壓力、輸出頻率，輸出電流和母線電壓等數據；可通過手動界面操作通風、降溫、加熱、噴淋、灌溉、遮陽等功能，調控溫室環境因素，使作物達到最佳生長狀態[9]。

數據監控界面在線記錄溫室當前溫度、濕度、光照度，用戶可以實時觀測各參數的變化情況。歷史曲線界面記錄溫室內溫度、濕度、光照度、水泵壓力和溫室外溫度，主要用于分析溫室內環境因素的變化趨勢。報警界面主要記錄報警事件，提醒用戶及時處理險情，保證作物正常生長[10]。

5運行結果

本系統在察哈爾現代農業示范園區草莓日光溫室試運行，春季設置溫室內溫度18～25 ℃，相對濕度不低于70%，每日補光2 h，經測試采用溫室控制系統的草莓作物成長成熟期比傳統日光溫室縮減10 d左右，產量提高30%左右，草莓肉質口感明顯改善。結果表明，溫室控制系統運行穩定，環境調節效果明顯，不受外界氣候影響，功率低、耗電少，光伏充放供電4 h以上，觸摸屏界面友好，易于操作，國產化程度高，性價比好，實際應用價值很高（圖12）。

參考文獻：

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[6]卞和營，王軍敏. 基于PLC的溫室大棚自動控制系統設計[J]. 安徽農業科學，2014，42（4）：1247-1249.

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[10]田茸，李虹，張寧. 基于MCGS溫室監控系統的設計研究[J]. 北方園藝，2013（24）：211-214.endprint