基于PL C 的農業大棚溫濕度檢測控制系統設計與研究

李旺昆

（廣西科技大學鹿山學院，廣西 柳州 545616）

0 緒論

（1）課題研究的背景

農業大棚是農業技術中一種比較常見的作業方式， 通過塑料或者玻璃等透光隔溫材料將農業土地包圍起來， 達到溫度和濕度的相對恒定， 其一般不受季節和外界環境等因素的影響， 自己是一個獨立的循環系統。 所以在大棚中需要對各種數據量進行人為的監控，包括溫度、濕度等，以保證農作物的正常和快速生長，提高農業產品的產量。 因此，擬開發一種基于PLC控制的農業大棚的溫度和濕度自動控制系統， 對大棚中的各項參數進行自動調節及控制輸出， 達到穩定的數據效果。

（2）PLC 概 述

PLC 全 稱 為 可 編 程 控 制 器 （Programmable Controller），是一種由計算機發展而來專門用于工業控制以及多為邏輯運算工作場合的一種小型的計算機系統，具有較高的穩定性及可靠性。 隨著控制技術發展，PLC 將信息采集、信息計算、邏輯輸出、通訊網絡等所有數據集于一身， 真正的成為了一款工業計算機，受到廣大PLC 的客戶青睞。 PLC 主要包括：輸入、輸出、CPU 計算、通訊、電源部分幾個大的板塊。

1 設計方案分析

1.1 制定方案預期目標

（1）利用溫度傳感器、濕度傳感器檢測農業大棚中的溫度參數讀取到PLC 中；（2） 通過組態王設定農作物生長需要的溫度參數、濕度參數寫入到PLC 中；（3）PLC 根據反饋的溫度、 濕度參數與設定值進行比較得出運算結果；（5） 控制大棚的溫度和濕度保持在恒定值；（6） 組態顯示與PLC 運行同步， 組態程序記錄數據。

1.2 制定設計方案框架結構

根據制定方案預期目標的各項要求， 完成設計系統總體方案如圖1 所示。

2 硬件系統設計

2.1 控制器PLC 的選型以及外圍電路設計

PLC 硬件的選擇主要分為I/O 點數的計算、特殊功能的考慮、供電電源的選擇和價格優勢。

（1）輸入輸出（I/O）點數估算。 輸入、輸出點數的應根據設備選型來確定， 輸入根據操作輸入的數量來確定， 輸出根據控制設備的數量來確定， 在確定了基本數量的輸入/輸出點后，在此基礎上富裕百分之十的數量進行備用。

（2）CPU 計算量的選擇。CPU 的計算主要是針對系統中有無除數字量以外的其它變量形式， 尤其是整數形式以及浮點數形式的計算與比較， 因為PLC 屬于邏輯控制器一類， 所以對這些非數字量數據的處理能力相對比較弱小， 簡單小型的PLC 一般不支持浮點數的運算， 中型PLC 對運算的速度及運算容量有一定的閑置， 運算命令的使用會增加PLC 的系統循環掃描的時間，加重PLC 的工作負擔，主要影響是對PLC 的循環周期造成影響，造成控制功能的滯后。

（3）控制功能的選擇。控制的功能包括是否有無特殊控制技術，如高速計數，編碼器輸入燈，若沒有符合一般邏輯的PLC 即可。

（4）機型的選擇。 包括品牌的選取，國內和國外的PLC 的種類繁多， 再眾多的PLC 需根據實際成本來選擇一款實用并且實惠的機型。根據對I/O 點數的統計、CPU 的計算容量估算等內容， 擬選用的PLC 控制器為西門子的S7200PLC， 該型號的I/O 點數滿足本次設計要求。

2.2 傳感器的選型與設計

（1）溫度傳感器。 PLC 的控制系統中，數字量的輸入與輸出可以直接引入PLC 本體或者擴展模塊的輸入與輸出接口， 每個數字量都是PLC 的一個端口， 但模擬量的輸入需要進行AD 轉換，PLC 才能讀取得到，所以溫度傳感器使用模擬量輸出形式的傳感器， 模擬量輸出形式為0--10V 的類型， 選擇傳感器型號為歐姆龍的ES1B-120C

（2）濕度傳感器同樣使用使用模擬量形式通過AD轉換后進行數據傳送。 選擇歐姆龍型號：ES2-THB

2.3 低壓電器件選擇

低壓電器在控制系統中主要作為電路的輔助保護使用、輸入點的輸入、輸出點的中轉等作用，在本系統設計中主要有以下幾種類型。

（1）斷路器。低壓斷路器主要用作電路中主回路系統電源的開關作用， 并且帶有過載以及短路功能，斷路器使用兩種脫扣保護法方式， 一種是熱磁脫扣，一種是智能脫扣， 在普通配電系統中使用熱磁脫扣作為保護既可。 在驅動電機的主回路以及在額定電壓為AC380V 的電源回路中都使用斷路器， 選型為施耐德GV2 系列。

（2） 熔斷器。 熔斷器也是一種短路以及過載的保護， 它使用短路或過載的過程中電流產生的熱量來將通電回路的熔體進行融化， 從而切斷回路。 在接觸器的控制回路中使用熔斷器作為小型繼電器的保護措施，熔斷器型號為RT45。

（3）交流接觸器。交流接觸器的作用為工作元件的通斷控制， 尤其在大負載的時候接通時伴有大電流的通過， 如電機的啟動沖擊電流， 接觸器的觸電經過特殊材質的處理， 可以承受瞬間大電流的產生。 在電機控制回路中使用接觸器作為電機的控制。 接觸器型號為施耐德LC1-D09M7C。

（4） 控制按鈕。 控制按鈕主要用于系統的操作輸入，以及故障復位等。

2.4 通信部分

通訊設定使用S7200 的PPI 通訊模式，通訊方式選擇RS232，同樣也可以使用通用的485 通訊協議，其原理基本一樣都是基于串口的一種通訊方式， 計算機通訊端口為COM 口， 現代的電腦一般沒有COM 口的硬件設定，可以使用USB 轉換為對應COM 口，不過需要安裝驅動軟件進行轉換。

2.5 執行原件控制回路

PLC 輸出端控制為小型繼電器， 電壓等級為DC24V， 控制電機的主接觸器的電壓為AC220V， 設計系統使用小型繼電器作為控制電機主接觸器， 系統所有接觸器的控制回路上增設斷路器作為電路短路及過流的保護。 此電路部分還包括控制電源的設計， 由一單獨的接觸器進行控制， 當控制電源接通， 控制電源接觸器KA1 接通并且保持，通后其它回路的接觸器方可以有電源進行輸出， 當系統有事故發生的時候可按下緊急停止按鈕KA0，控制電源接觸器斷開，同時切斷所有輸出接觸器的電源，以保護系統的安全。

3 組態仿真

3.1 組態王介紹

組態王kingview6.55 是一款基于計算機控制系統的組態軟件， 可以安裝在普通的計算機系統上作為上位機進行使用， 可以和各種PLC 以及支持通訊的設備進行聯機。 在界面編輯中， 為開發者準備了大量的圖形庫資料以及功能元器件選擇， 如果還是不能滿足對畫面質量以及豐富性的要求， 還可以增加外部設備的圖片以及動畫等內容。

3.2 組態王程序設計流程

組態王程序的建立主要通過數據詞典和顯示畫面兩大部分組成， 配合完整的通訊設置既可完成一個組態通訊的工程。

（1）建立組態工程。 首先建立工程項目，項目類型有新建工程和模板工程兩種， 新建工程為未經處理的空白工程， 需要用戶從頭開發， 模板工程已經對工程做了相應的優化， 用戶可以引用模板工程生成新的工程，在新工程基礎上進行修改，從而縮短了開發工期。

（3）定義數據庫。 在數據庫組態中新建數據點，建立數據點的時候需輸入數據點的名稱、 選擇數據點的類型、 定義數據的范圍等內容， 然后將數據點與已經組態的I/O 設備進行關聯。

4 結束語

本文設計的農業大棚溫濕度監測控制系統是通過各種器件聯合使用的基礎上設計而成的， 只有充分了解和掌握有關PLC、組態集散控制系統、溫濕度傳感器及其各部分之間的關系才能完成設計， 具備高性能、速度快特點。 另外， 本次系統設計研究也存在一些需要改進的問題， 比如環境監測的范圍有限， 如大棚空間過大的就會出現監測數據不及時等問題。 后期有待完善的地方， 比如加入多個溫濕度傳感器分布在農業大棚的各個角落， 通過這樣就能實現對大棚各個角落的數據精準采集。