基于S7-1200 PLC與觸摸屏的西瓜溫室大棚智能控制

陳 哲，李德英，劉衛(wèi)兵，丁玉雄

（湖南信息學(xué)院 電子信息學(xué)院，長沙 410151）

目前我國面臨著土地資源匱乏、人均耕地嚴重不足、耕地退化等問題，為了解決這些問題，我們必須要加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量，克服季節(jié)和地理位置等。溫室大棚作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的主要部分之一，對其實現(xiàn)智能化的控制與監(jiān)控能夠使農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境達到最適值，從而可提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和數(shù)量，提高經(jīng)濟效益。PLC具有很強的抗干擾能力、并且能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產(chǎn)過程和執(zhí)行機構(gòu)[1-2]。觸摸屏是現(xiàn)代社會中主要的人機交流設(shè)備，可實現(xiàn)遠程控制、報警提示、實時監(jiān)控等功能，將PLC作為下位機，觸摸屏作為上位機，可降低成本，易實現(xiàn)溫室大棚的智能化控制[3]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)的方案設(shè)計以西瓜的生長環(huán)境需求為例，對其溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等生產(chǎn)參數(shù)進行控制與監(jiān)控，提高西瓜的生產(chǎn)質(zhì)量。西瓜的甜度主要是由葡萄糖、蔗糖、果糖等糖類的多少來決定的，而糖類的產(chǎn)生主要是通過光合作用，因此為了提高光合作用，需要有效地提高光照強度與二氧化碳的濃度。同樣，在西瓜生產(chǎn)中為了保證所播種的西瓜生產(chǎn)量能實現(xiàn)最大化，需對溫度、濕度、土地肥沃度等進行控制[4]。西瓜溫室大棚中采用西門子S7-1200 PLC為控制核心，采用KTP700 Basic觸摸屏做人機界面，對溫室大棚內(nèi)的加熱器、冷風機、通風設(shè)備等裝置實行控制與監(jiān)控[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 System overall design block diagram

系統(tǒng)運行時，變送器將會檢測大棚內(nèi)各種環(huán)境變量，然后將檢測值進行處理、轉(zhuǎn)化、傳送給PLC，最后PLC控制對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)溫室大棚的自動控制[6]。二氧化碳變送器將大棚空氣內(nèi)的二氧化碳濃度值直接轉(zhuǎn)化為0～10 V的標準電壓傳給PLC控制器，然后PLC將檢測值與預(yù)設(shè)值進行比較，若大于4000 ppm則啟動通風設(shè)備降低濃度，若小于1000 ppm則啟動二氧化碳產(chǎn)生裝置提高濃度。由于西瓜的生長溫度最適合值在27℃左右，光飽和點為8×104lx，因此使用PLC1200中的溫度PID與光照PID來控制這2個變量，從而使溫度和光照達到最適值[7]。由于溫室大棚內(nèi)的環(huán)境是復(fù)雜多變的，防止某個變量超過限定值而引起西瓜生長不良，需要增加報警裝置以便提醒工作人員。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 變送器的選擇

由于溫室大棚內(nèi)的環(huán)境變量在一天的時間里是錯綜復(fù)雜的，并且對檢測值的精度要求較高，變送器必須滿足輸出信號線性好、精度高、防雨雪等要求[7]。本系統(tǒng)采用的變送器屬于建大仁科品牌，具體型號與測量范圍如下所示。

溫濕度變送器：RS-WS-V10-2-7，溫度測量范圍值-20℃～60℃，濕度0%RH～80%RH。

二氧化碳變送器：RS-CO2-V10-2-7，二氧化碳檢測值范圍0～5000 ppm。

光照強度變送器：RS-GZ-V10-2-7，0～20×104lx。

2.2 PLC的選擇

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、功能完善、適用性強等特點，也適用于溫室大棚這種錯綜復(fù)雜的控制系統(tǒng)[8-9]。本次設(shè)計的溫室大棚對于溫度和光照都采用PID進行精準調(diào)節(jié)，設(shè)定值都處于西瓜生長發(fā)育的最適值。而針對濕度和二氧化碳濃度的調(diào)節(jié)，需要變送器將采集的信息與預(yù)設(shè)值進行對比，比較后再通過對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)來調(diào)節(jié)。因此選擇使用靈活、功能強大、可滿足各種需求的西門子新產(chǎn)品S7-1200-CPU1214-DC/DC/DC型PLC，由于系統(tǒng)中需要4個模擬量輸入和3個模擬量輸出模塊，而CPU1214自帶2個模擬量輸入模塊，故還需增加型號為SM-1231-AI和SM-1232-AQ模擬量擴展模塊[10-11]。具體硬件接線如圖2所示。

圖2 PLC輸入輸出點分配及外部接線圖Fig.2 PLC input and output point distribution and external wiring diagram

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計思路

程序設(shè)計流程如圖3所示。系統(tǒng)程序設(shè)計采用博途V14作為編程軟件，如圖4所示，在主函數(shù)中調(diào)用了4個FC功能塊。當啟動按鈕I0.0按下時輔助繼電器M50.0閉合，此時4個FC功能塊同時運行來調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境變量。若按下I0.1輔助繼電器M50.0斷開，4個FC功能塊同時停止，此時系統(tǒng)關(guān)閉等待下一次啟動。

圖3 程序設(shè)計流程Fig.3 Programming flow chart

圖4 PLC部分梯形圖Fig.4 PLC part ladder diagram

3.2 PID介紹

S7-1200中PID指令提供了一種可對溫度過程進行集成調(diào)節(jié)的PID_Temp，可用于純加熱或加熱/制冷應(yīng)用，并且也提供了一種通用型的PID_Compact，PID回路參數(shù)如表1所示，算法公式如下所示：

表1 PID回路參數(shù)表Tab.1 PID loop parameter

3.3 功能塊FC的設(shè)計

此控制系統(tǒng)中有溫度PID功能模塊、光照PID功能模塊、濕度控制功能模塊、二氧化碳控制功能模塊，下面依次介紹4種模塊的設(shè)計思路。

3.3.1 溫度PID功能模塊

此模塊中只需調(diào)用1個專門的溫度PID，根據(jù)需求設(shè)定PID的設(shè)定值、模擬量輸入地址值、模擬量加熱和制冷輸出地址值等等。

3.3.2 光照PID功能模塊

此模塊調(diào)用的PID為通用型，設(shè)定參數(shù)如圖5所示[12]。

早晨太陽剛升起的時候光照強度大約為1000～10000 lx，設(shè)定實時光照值超過5000 lx時，置位輔助繼電器M19.0，此時PID手動模式關(guān)閉，啟動補光裝置調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的光照強度值[13]。西瓜一天所需要的光照強度值為11 h，當時間達到11 h需將輔助繼電器M19.0復(fù)位，讓PID進入手動模式，手動模式下運行13 h再一次置位M19.0進入自動模式，整個調(diào)節(jié)過程依次循環(huán)。當光照強度過高或光照強度過低時啟動報警裝置，提醒工作人員需對設(shè)備進行檢查。

圖5 PID程序Fig.5 PID program

3.3.3 其他功能模塊

濕度和二氧化碳控制模塊的設(shè)計思路是一致的，通過變送器所采集的實時數(shù)據(jù)與事先設(shè)定的參數(shù)范圍進行比較，若比較結(jié)果過低啟動曬水和二氧化碳產(chǎn)生裝置，若比較結(jié)果過高啟動通風設(shè)備，持續(xù)一段時間后濕度和二氧化碳的濃度達到設(shè)定的范圍值時關(guān)閉對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。當變送器采集回的濕度和二氧化碳濃度過高時，啟動報警裝置[14]。

4 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

觸摸屏具有簡單易用、靈活性高、價格較低等特點，是當今社會進行人機界面交換的主要設(shè)備。本文采用西門子觸摸屏KTP700 Basic。

由于溫室大棚內(nèi)的環(huán)境復(fù)雜多變，需對溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等進行監(jiān)視與調(diào)節(jié)。設(shè)置畫面時，對功能框設(shè)置為輸入和輸出的功能，這樣功能框既能監(jiān)視變送器測的數(shù)據(jù)又能手動更改數(shù)據(jù)，環(huán)境參數(shù)設(shè)有上限值、下限值、實時值等。同時在畫面中設(shè)計報警顯示、啟動和停止開關(guān)[15]。觸摸屏監(jiān)控畫面如圖6、圖7所示。

圖6 觸摸屏設(shè)置畫面Fig.6 Touch screen setting screen

圖7 觸摸屏切換畫面Fig.7 Touch screen switching screen

5 實驗結(jié)果展示

取溫度PID為例，實驗曲線如圖8所示。當溫度升高時，模擬量制冷輸出增大，由于系統(tǒng)會存在滯后性所以要過段時間溫度才能降低，系統(tǒng)運行直到檢測值在設(shè)定值左右時，并且模擬量輸出與輸入都處于初始狀態(tài)時，系統(tǒng)才達到穩(wěn)定。圖9所示為二氧化碳與濕度的調(diào)節(jié)結(jié)果。

圖8 實驗曲線Fig.8 Experimental curve

圖9 二氧化碳與濕度的調(diào)節(jié)結(jié)果Fig.9 Regulation of carbon dioxide and humidity

6 結(jié)語

本文設(shè)計采用西門子新產(chǎn)品S7-1200 PLC，采用博途V14編程軟件編程，用KTP700 Basic觸摸屏對溫室大棚的環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控與調(diào)節(jié)，使用PID運算實現(xiàn)了對西瓜大棚的各個環(huán)境參數(shù)的有效控制，尤其是光照強度與溫度這2個環(huán)境變量進行了精準調(diào)節(jié)，使得西瓜的生長質(zhì)量、產(chǎn)量大福提高。如今西門子公司已經(jīng)不再生產(chǎn)200型的PLC，而該系統(tǒng)的設(shè)計采用的是1200型的PLC，此控制可以推廣到其他蔬菜、苗圃等溫室大棚，對當今農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有借鑒意義。