基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁莉君

摘 要：智能溫室控制系統(tǒng)采用三菱FX2N-48MR型可編程序控制器（PLC）作為控制中心，其監(jiān)控項(xiàng)目包括溫度、空氣濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等。操作人員可以通過智能溫室中對(duì)應(yīng)的開關(guān)對(duì)溫室內(nèi)的各種環(huán)境因素進(jìn)行手動(dòng)控制，還可以由微型自動(dòng)循跡小車（AGV）采集溫室內(nèi)的各種環(huán)境因素，將數(shù)據(jù)傳輸給主控PLC。PLC將各項(xiàng)數(shù)據(jù)分別求平均值后與設(shè)定范圍做比較，自動(dòng)做出相應(yīng)判斷，啟停相應(yīng)的環(huán)境調(diào)控設(shè)備，進(jìn)行智能溫室的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：PLC 智能溫室 控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）02（a）-0032-02

智能溫室是一種現(xiàn)代化的生產(chǎn)技術(shù)，其綜合了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等。在培育經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高且栽培難度大的盆栽作物時(shí)，智能溫室發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。相比傳統(tǒng)溫室，智能溫室不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、濕度、CO2濃度等因素的監(jiān)控，還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、儲(chǔ)存、分析，形成數(shù)據(jù)庫，以便于工作人員改進(jìn)種植技術(shù)[1-3]。

1 PLC的硬件設(shè)計(jì)

1.1 PLC的選型

1.1.1 PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)的估算

PLC選型時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，統(tǒng)計(jì)輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)，考慮網(wǎng)絡(luò)功能和擴(kuò)展功能。系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)所設(shè)計(jì)智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的輸入開關(guān)點(diǎn)數(shù)和輸出執(zhí)行部件數(shù)的實(shí)際需要，再加上10%～15%的備用量來確定，方便突發(fā)情況或以后增加新功能新設(shè)備。系統(tǒng)監(jiān)控的溫室參數(shù)有溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度和調(diào)控相應(yīng)環(huán)境因素的執(zhí)行設(shè)備。

本系統(tǒng)的開關(guān)量輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

1.1.2 用戶程序儲(chǔ)存容量估算

在PLC選型時(shí)，除了對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，還要對(duì)其程序儲(chǔ)存容量進(jìn)行計(jì)算。通常估算程序存儲(chǔ)容量的基本公式為：存儲(chǔ)容量（字節(jié)）=（開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)×10+模擬量I/O通道數(shù)×100）×130%。本系統(tǒng)同時(shí)采集溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度4路模擬量和22個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，15個(gè)繼電器輸出點(diǎn)，所以存儲(chǔ)容量=1001B，再考慮備用量，初步估計(jì)需要1200B。

通過上述計(jì)算，三菱FX1N-40MR可以滿足I/O點(diǎn)數(shù)要求，但后期系統(tǒng)升級(jí)潛力低，且考慮到網(wǎng)絡(luò)功能和編程指令的區(qū)別，功能更為強(qiáng)大的FX2N-48MR和FX1N-40MR價(jià)格上也相差不多。因此，本系統(tǒng)選用三菱FX2N-48MR型PLC，該P(yáng)LC為交流電源直流輸入型，24個(gè)輸入點(diǎn)數(shù)，24個(gè)繼電器輸出點(diǎn)數(shù)，完全滿足設(shè)計(jì)需求，不需要擴(kuò)展單元[4]。

1.2 模擬量輸入模塊的選型

對(duì)于溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度這4種環(huán)境參數(shù)，需要模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊來實(shí)現(xiàn)采集，系統(tǒng)最終選擇了三菱FX2N-4AD模擬量輸入功能模塊。FX2N-4AD有CH1～CH44個(gè)通道，每個(gè)通道都可進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，分辨率為12位，采集信號(hào)為電壓時(shí)為-10～+10V，分辨率為5mV。采集信號(hào)為電流時(shí)為4～20mA或-20～20mA，分辨率為20μA。 FX2N-4AD內(nèi)部有32個(gè)16位的緩沖寄存器（BFM），用于與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。通過擴(kuò)展電纜連接到FX2N-48MR基本單元的0號(hào)位置，由PLC內(nèi)部總線傳輸數(shù)據(jù)[1]。

1.3 PLC的硬件連接

1.3.1 PLC連接端

FX2N-48MR采用直流24V電源供電，電源輸入連接端位于PLC基本單元的左上方，COM口接地，開關(guān)量輸入端位于PLC的上部，繼電器輸出位于PLC下部，輸出公共連接端為“COM1”等，不同控制端的輸出公共端應(yīng)該相互獨(dú)立。

1.3.2 基本單元與FX2N-4AD特殊模塊的連接

PLC基本單元的DC24V電源輸出給FX2N-4AD擴(kuò)展模塊供電，即基本模塊24+連接FX2N-4AD的24+，基本單元的COM連接FX2N-4AD的24-，由內(nèi)置連接電纜傳輸信號(hào)。

1.3.3 FX2N-4AD與傳感器的連接

FX2N-4AD是FX系列PLC的模擬量輸入特殊功能模塊，其通過擴(kuò)展電纜與PLC主機(jī)相連，4個(gè)通道的外部連接則根據(jù)外部輸入電壓或電流量的不同而不同。

外部輸入為電壓量信號(hào)，則將信號(hào)的+、-極分別與模塊V+和VI-相連；若外部輸入為電流量信號(hào)，則需要把V+和I+相連；如有過多的干擾信號(hào)，應(yīng)將系統(tǒng)機(jī)殼的FG端與FX2N-4AD的接地端相連。

1.3.4 PLC基本單元與執(zhí)行件的連接

本系統(tǒng)的執(zhí)行部件分為四大類：（1）控制直流減速電機(jī)：天窗、側(cè)窗電機(jī)；（2）控制三相交流電機(jī)：通風(fēng)風(fēng)機(jī)；（3）控制AC220V交流電機(jī)：遮陽網(wǎng)電機(jī)、濕簾水泵；（4）控制電磁繼電器：補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器、加濕器、加熱器[2]。

系統(tǒng)硬件接線圖如圖1所示。

2 PLC的軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

溫室環(huán)境參數(shù)的采集是通過FX2N-4AD同時(shí)采集4路電壓信號(hào)，其中CH1采集溫度，CH2采集空氣濕度，CH3采集CO2濃度，CH4采集光照強(qiáng)度，然后分別存入PLC的寄存器D0～D3，平均取樣次數(shù)為4次。

2.2 自動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

智能溫室中的影響因素有溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等，其中最重要的環(huán)境因素是溫度，因此自動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)以溫度控制為例，其他影響因素的控制模塊設(shè)計(jì)思路與此基本相同。智能溫室的溫度控制裝置包括濕簾、通風(fēng)機(jī)、加熱器和遮陽網(wǎng)[2]。

2.2.1 PLC控制濕簾啟動(dòng)或加熱器啟動(dòng)

溫室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度，PLC控制濕簾啟動(dòng)給溫室降溫；當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度，PLC控制加熱器使溫室升溫。程序設(shè)計(jì)中需利用比較指令按比較結(jié)果分別控制濕簾和加熱器動(dòng)作。

2.2.2 通風(fēng)變速控制

本設(shè)計(jì)使用變頻器控制通風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，設(shè)置低、中、高3個(gè)檔位。以盆栽多肉植物為例，夏季最佳生長溫度在26℃～30℃之間，溫度超過45℃時(shí)控制通風(fēng)機(jī)高檔位運(yùn)行迅速降溫，溫度在38℃～45℃時(shí)中檔位運(yùn)行降溫，溫度在30℃～38℃時(shí)低檔位運(yùn)行，其程序梯形圖及調(diào)試過程如圖2所示。

3 手動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

該模塊設(shè)計(jì)以天窗直流減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)手動(dòng)控制程序?yàn)槔Ｌ齑爸绷鳒p速電機(jī)分別由X002、X003和X004控制正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，天窗開窗行程限位開關(guān)為X005，關(guān)窗行程開關(guān)接口為X006，程序中設(shè)置了電機(jī)正反轉(zhuǎn)互鎖環(huán)節(jié)，并且程序要求停止2s后才能重新啟動(dòng)電機(jī)，防止電機(jī)過熱。

4 結(jié)語

溫室環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，溫室環(huán)境控制涉及控制工程、氣象學(xué)、農(nóng)業(yè)技術(shù)、電子技術(shù)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，涉及學(xué)科多、工作量大，本系統(tǒng)還有很多可以進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化技術(shù)環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1] 時(shí)啟凡.基于PLC的盆摘作物智能溫室控制系統(tǒng)[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[2] 何川.基于PLC的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)[D].成都電子科技大學(xué)，2013.

[3] 舒宇.基于PLC的花卉溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D].云南大學(xué)，2013.

[4] 李繼強(qiáng).基于單片機(jī)控制的一款電動(dòng)小車的設(shè)計(jì)[J].硅谷，2012（23）：51-52.