基于PLC 的農業溫室智能控制系統設計

張希康，李澤滔

（貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025）

0 引 言

農業發展是中國未來可持續發展的重中之重，作為農業大國，農業種植技術的發展在國民經濟發展中占據著很大的比例，實現智慧農業是中國未來農業發展的必然趨勢。目前，農業溫室前景好，種植業成為了最重要的發展之一［1－2］。但目前中國許多農業種植技術仍然是從國外引進的，盡管自動化程度有所提高，實現了智能控制的需求，卻在諸多方面存在著不足，一方面設備成本較高，不利于普及；另一方面，由于是從國外引進的設備，其控制系統的設計大多是根據國外氣候條件設計的，這與中國自然環境氣候明顯不符［3］。因此，從世界各地引進的諸多設備，大量農作物出現了“水土不服”，產出效益低下的情況。

基于這種狀況，本設計從中國實際情況出發，結合PLC、上位機組態、以及物聯網3 種技術，開發出了一套具有成本較低、普適性較強、智能化成度水平較高的高性價比溫室種植設備。

1 系統總體設計

本次系統一共采用了4 種類型的模擬量傳感器：溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器以及二氧化碳傳感器，并且將4 個傳感器收集到的模擬量數據通過擴展的模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊轉化為PLC 可以識別的數字量；通過PLC 控制鍋爐、遮陽幕、保溫幕以及排風機4 個執行機構來維持溫室內的溫度；最后，通過下位機WINCC 設計人機交互界面，設定所需的溫室環境參數，執行實時監控。為了避免后期某一器件出現故障，不能保證自動控制的正常運行，該控制系統還通過選擇開關，實現了手／自動兩種模式的切換。

系統的總體結構框架如圖1 所示。

圖1 系統總體結構框架圖Fig.1 The overall structure of the system

2 硬件設計

2.1 傳感器的選型

溫度濕度傳感器：系統選用由瑞士盛思瑞（Sensirion）傳感器公司生產的SHTIX 系列新型集成溫濕度傳感器，可以實現對溫度和濕度兩種參數同時進行實時檢測。

根據系統要求，控制的溫度范圍以及濕度范圍分別為：5 ℃～55 ℃，0%～100%RH，且要求選用的傳感器具有體積小、靈敏度高、測試電路簡單，輸出電壓值較大，故系統選用由瑞士盛思瑞（Sensirion）傳感器公司生產的SHTIX 系列新型集成溫濕度傳感器，可以實現對溫度和濕度兩種參數同時進行實時檢測。

其主要技術參數如下：

（1）測溫區間和測濕區間分別為：－40 ℃～123.8 ℃（默認－40 ℃～＋80 ℃）和0%－100%RH；

（2）測濕精度以及測溫精度分別為：±4.S%RH和±0.5 ℃（25 ℃）；

（3）易于連接（2－wire），傳輸效率高；

（4）采用全量程標定、兩線數字輸出的方式，能耗較低、自動休眠；

（5）相對濕度分辨率和相對溫度分辨率為：0.05%RH 和0.01 ℃；時間響應的典型值與響應區間分別為：5 s 和5～30 s。

光照度傳感器：為了便于安裝和增加光照傳感器的使用年限，本次設計選用檢測探頭外部為壁掛防水外殼封裝的新型NHZD203T 光照度傳感器，其測量輸出值單位為Lux。

其主要技術參數如下：

（1）能耗較低，最大可輸出1.2 W 的電流功率；

（2）運行時需提供穩定的24 V 直流電壓源；

（3）具有0～200 000Lux 的超高精度檢測范圍；

（4）可輸出4～20 mA 范圍內的電信號；

（5）易于操作，外接設備較少；

（6）響應較快，其測量精度為0.07。

二氧化碳傳感器：為盡可能使控制系統結構緊湊、重量輕，滿足對檢測和分辨率的高精度需求，系統采用由紅外線檢測儀、調制器以及電子放大器等電子元器件共同組成的微型、高精度的NH－ZI4A 型二氧化碳氣體傳感器。該傳感器不僅能很好適用于溫室環境，還能在一定程度上進行室內溫度補償，其輸出值的電流范圍為4～20 mA。

其主要技術參數如下：

（1）需外接24 V 直流電壓源；

（2）可測量0～500 ppm 變化范圍內的CO2；

（3）測量精度值可達±（40 ppm＋3%F.S）（25 ℃）；

（4）輸出平均電流值小于85 mA；

（5）響應時間小于90 s。

2.2 控制器設計

控制器主要由數據采集模塊，控制模塊以及報警模塊3 大部分組成。控制器的主要任務是通過控制鍋爐、遮陽幕、保溫幕以及排風機的啟停來維持溫室內的溫度值和濕度值，從而保證農作物生長的條件。

數據采集模塊的主要任務是進行溫室環境參數的采集，傳感器在獲取環境參數后，通過擴展的模擬量模塊進行轉換，輸入到PLC 中；PLC 將采集到的參數和上位機所設置的參數進行比較，不同的比較結果進入不同的狀態，相應的執行裝置在對應的狀態下開始動作，直到所有參數在預先所設定的區間內。報警模塊是當各環境因素超出所設定的范圍時，系統自動報警。

控制器的端口接線圖如圖2 所示。

圖2 控制器端口接線圖Fig.2 The wiring diagram of controller port

根據農業溫室的種植需求，本系統選用具有40個I／O 點的S7－200 CPU226CN PLC 作為主控制器，該控制器能同時擴展7 個模塊，具有24 個輸入點位，16 個輸出點位，可存儲10KB 容量的數據。此外，為了增強控制器的通信能力，還采用了雙通訊口的通訊方式。

模塊的選型主要是根據設計所需的數字量與模擬量端口的多少而決定的，本次設計選用了EM235模擬量輸入模塊和EM221 數字量輸入模塊，與PLC的連接方式如圖3 所示。

圖3 采集模塊連接圖Fig.3 Controller port distribution

2.3 I／O 地址分配

由于控制器自身只攜帶一定量的I／O 點，因此需額外加裝EM235 和EM221 兩個擴展模塊來滿足溫室控制系統的功能需要。

EM221 是擁有8 個輸入點的數字量輸入擴展模塊，運行時需為其提供穩定的24V 直流電壓源；EM235 為擁有可擴展4 個模擬量輸入的模擬量模塊，內部采用光耦隔離。其模擬量信號的輸入方式為差分方式輸入，輸入響應值為1.5ms，電流值輸入范圍為4－20mA。輸出電壓值精度較高，其精度可達滿量程的±0.5%左右。測量精度也較高，通常情況誤差值不高于0.5%［4］。

輸入輸出點代碼和地址編號見表1。

表1 輸入輸出點代碼和地址編號Tab.1 Code and address number of input and output point

3 軟件設計

3.1 溫度控制程序設計

系統啟動后，程序將判斷當前實際溫度值是否在用戶預先設定的溫度區間范圍內，當PLC 接收到的值低于用戶設定的下限溫度時，系統將發出指令使各個有助于溫度上升的機構開始動作，直到溫度高于設定的下限。同理，當傳感器采集到的溫度高于用戶設定范圍時，系統會自動控制升溫，這樣溫度的變化幅度始終都在一定的范圍內，避免了極端溫度值的出現，保證了農作物的正常生長。溫度控制程序的流程圖，如圖4 所示。

圖4 溫度控制流程圖Fig.4 Temperature control flow chart

3.2 報警程序設計

系統啟動初始化后，開始采集溫度值、濕度值、二氧化碳值以及光照強度值，采集值與設定范圍比較，超出上限或者低于下限時均產生報警信號。

報警程序流程圖如圖5 所示。

圖5 報警程序流程圖Fig.5 Alarm program flow chart

以溫度報警為例，Q0.6、Q0.7 和Q1.0 分別為溫度正常、溫度低于下限、溫度高于上限時的報警指示燈地址編號，當達到報警值時，相應的報警指示燈就會點亮。

3.3 采集程序設計

傳感器將采集到的環境參數經過變送器的輸出，變為電流、電壓信號；通過擴展的EM235模擬量輸入模塊將電流信號轉換為數字信號，傳送到PLC，實現溫室的智能控制。

以溫度采集為例，溫度采集梯形圖如圖6 所示，傳感器會通過變送器將在溫室中檢測到的溫度轉換為4～20 mA 的電流信號輸入到模擬量模塊，轉化為PLC 內部可識別的數字信號，緊接著傳遞給PLC 的CPU。

圖6 溫度采集梯形圖Fig.6 Temperature acquisition trapezoid diagram

4 可視化界面

首先，上位機WINCC與控制器PLC 的通信采用OPC 通信方式，并通過在OPC 上定義PLC 的輸入輸出變量，再在WINCC 上調用OPC 中定義好的變量組，從而建立PLC 同WINCC 之間的通信。

其次，通過WINCC 建立人機界面，如圖7 所示，可以觀察溫室大棚里的運行狀態，也可以通過WINCC 界面直接控制溫室大棚，打開溫室內的各種設備，以及修改參數，還可以通過各種數據曲線，觀察植物生長的狀態，達到智能化生產的目的。

圖7 WINCC 人機主界面Fig.7 Main interface of WINCC man－machine

5 結束語

本次設計采用S7－200PLC控制器，設計了一套現代智能化的農業溫室控制系統。通過傳感器將采集到的各種模擬量數據傳遞給模擬量模塊，再轉換為數字信號傳遞給PLC，利用PLC 控制系統各種執行機構。該系統不僅有效緩解了溫室種植人員的勞動強度，提高了溫室種植效率，還基本實現了現代農業溫室控制智能化，滿足了現代化農業溫室智能控制的各項指標要求。