基于PLC的溫濕度控制系統設計與實現

黃 鈔

（四川省蠶絲學校，四川 南充 637000）

我國的溫室自動控制相關系統化研究比西方發達國家起步晚。優良的現代溫室設計可以提供一個不受外界條件影響的、獨立的且最適合農作物生長的環境。在溫室內，可以人為控制溫濕度、光照強度、時間、水、肥等環境條件，讓農作物的生產不再受地域、季節、種植輪次等的限制，可以大幅度提升農業生產率。雖然溫室環境自動控制技術在我國的研究中已經有了一些成果，但我國對于在溫室系統設計中所使用到的計算機技術、傳感器技術以及自動控制技術等掌握的還不夠熟練。所以對溫濕度環境的設計研究，對于我國農業綜合實力的提升有著重要意義。

1 基于PLC的溫濕度控制系統設計的基礎

1.1 設計目的

在整個溫度環境控制系統的設計中，首先要明確設計的目標、對象、要求等。對于一般的農業種植戶和中小農業企業而言，只需要一個簡單的操作系統，可以實現高控制精度、功能種類多、可以擴展以及操作方便即可。最好可以通過PLC技術控制傳感器、算數邏輯、通用電氣設備、觸摸屏等，實現對溫室環境參數的整體控制。

1.2 控制措施的選擇

為滿足對溫室大棚內的土壤濕度、空氣溫濕度、光照強度等環境因素的智能調控，在選擇控制措施時，就要挑選符合這些環境因素的措施，同時對成本上進行二次考慮。

1.2.1 土壤濕度控制措施

滴、噴灌是最常見的控制土壤濕度的方法。根據大棚內作物的實際種植方法，綜合考慮對農作物采用滴灌或噴灌。對于種植同一種作物的大棚，也可以采用滴灌噴灌組合的方法控制土壤濕度，并可以通過PLC系統擴展輸入輸出以及對程序進行實時修改。

1.2.2 空氣溫濕度控制措施

對空氣溫濕度的控制可以通過通風與加溫、噴灌組合的方式實現，溫度高或者濕度高時通過排風的方式，對大棚進行降溫、降濕處理，通風設備可選擇普通風機、冷風機等。溫度低時，利用加溫設備進行升溫處理，加溫設備可選擇大棚加熱燈、暖風機、鍋爐等加熱設備，具體選擇應根據實際情況確定。而空氣濕度低時，則采用噴灌的方法，提高空氣濕度。

1.2.3 光照強度控制措施

通常利用紅色和藍色LED補光燈實現。紅色燈和藍色燈的配比間距需要根據當地的光照強度、作物的需求進行科學設計與安裝。

1.3 系統功能與結構

整個控制系統主體是PLC系統，通過空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度傳感器提供溫室環境的相關參數信息。PLC可編程控制器、觸摸屏、保溫燈、補光燈，風機等設備對溫室內的環境因素進行控制和調整。整體系統結構如圖1所示。

圖1 整體系統結構

該系統可以對溫室環境進行自動補光及通風以及自動保溫、自動噴滴灌等。并且有自動和手動兩種操作模式可選擇，在手動模式控制下，撥動開關從而實現補光、滴灌、通風等功能；而在自動模式下，則只需要PLC系統進行自動控制，讓溫室環境達到設定的溫度，濕度以及光照條件等。自動模式通過轉換開關可以與手動模式相互切換。自動模式運行時，手動控制默認斷開，且用戶可以在觸摸屏上直接設置對應農作物所需要的生長環境數值，再通過各個傳感器測得的實際數據，返回到PLC系統，經過系統對實際參數進行分析后，輸出對應的控制信號，從而實現對溫室中的溫度、濕度、光照強度等環境參數的調節。

2 硬件選擇

2.1 基礎配件

2.1.1 FX2N-32MR型PLC控制器

PLC控制器的中文名稱為可編程邏輯控制器，選用FX2N系列作為系統核心，因為這個型號的PLC控制器性價比高，指令功能全面可以滿足預案中各種功能設計的實現。

2.1.2 HMI觸摸屏

液晶顯示器是一種功耗低的顯示器件，它可以很好地與組態軟件結合，并且有利于監控系統的運行與日常觀測。TPC7062KXLCD顯示屏內含有一套低功耗的嵌入式CPU，擁有極其強大的數據處理功能，符合本系統的人機界面運行要求。

2.2 傳感器

2.2.1 溫濕度傳感器

在選擇溫濕度傳感器時，要滿足特定溫室環境控制設計的需求，同時需要兼顧功耗低、準確性高、易安裝以及穩定性強，擴展性好等特點。采用雙路模擬量輸出的4-20MA型壁掛式溫濕度傳感器。采集到溫室中的溫濕度后，通過模擬量塊A轉換后再傳遞給PLC。

2.2.2 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器可以測量到土壤容積含水量，土壤濕度傳感器頻域型與時域型最為常見。經過綜合考慮選擇頻域型，作為本控制系統的土壤濕度傳感器，同樣采集到的土壤濕度信息需要通過模擬量塊轉換后，傳遞給PLC系統。

2.2.3 光照強度傳感器

作物的生長大都需要進行光合作用，植物的光合作用需要適當濃度的二氧化碳以及一定的環境溫度，并且光照強度要達到一定的強度植物才能順利生長。將光照強度控制在作物生長需要的范圍內，可以增加溫室作物的產量。綜合成本以及實際情況，本系統選用光敏電阻傳感器。光敏電阻傳感器是一種將光信號轉換為電信號的傳感器，該傳感器的敏感波長與農作物所需波長較為契合，比較適合進行光照強度的檢測。

2.3 調控設備

2.3.1 加熱設備

主要驗證控制系統能否正常控制加熱設備，并對加熱設備的增溫效果進行評測。

2.3.2 補光設備

補光設備主要補充植物光合作用所需要的紅光和藍光，選用低壓12 V 5050型高粱植物生長補光LED燈帶，紅藍光比例設為4∶1。

2.3.3 通風設備

為滿足降溫降濕的要求，選用SF 12025AT型滾珠軸承風扇作為通風設備。風扇框架采用鋁合金壓鑄，防腐蝕性優良，耐高溫。

2.3.4 噴滴灌設備

結合溫室環境中的實際情況，并考慮成本造價后，采用微型循環潛水泵進行噴灌。

3 系統軟件

3.1 PLC程序設計

下位機PLC的編程軟件選擇GX Developer編程軟件支持多種型號，并且程序仿真方便，支持雙向編譯，虛擬仿真也無需過多操作即可進行，可實時進行程序調試，還可以對實現程序的儲存、診斷、打印等多種功能。手動控制指令不進入自動控制板塊，通過手動控制信號直接輸出并作用于執行機構，只需要考慮各個傳感器采集數據的輸入即可。由于PLC系統是順序掃描，利用順序控制的方法，將整個程序分為兩個部分，主程序負責對信息的采集以及應急情況的處理，而副程序主要對每個板塊進行管理。在控制程序中，需要設定一個上限值與下限值為極高/極低溫度的報警值。

3.1.1 主程序設計

當控制系統處于自動運行狀態時，自動控制回路閉合，PLC系統進入正常工作模式。首先系統對各個模塊初始化，再讀取程序中設置的限定值以及溫度參數等，然后再進入對應條件控制的子程序中，對采集到的數值與設定值進行比較并輸出判斷后得出的執行指令。利用輔助繼電器M8000對環境溫度、濕度上下限、土壤溫濕度設定一個限定值，常見農業大棚設置的溫度上限值為45℃，下限一般為10℃、濕度為20%～60%。在初始設定之后，可以通過觸摸屏對該數據進行在線修改。主程序設計流程圖如圖2所示。

圖2 PLC程序設計流程圖

3.1.2 報警子程序設計

當傳感器測得的實際值高于或低于設定上下限值時，報警子程序可以通過PLC功能指令ZCP來判斷是否超出設定值，同時對應的警示燈也會同步啟動。

3.1.3 溫度控制子程序設計

系統通過傳感器對當前溫室的溫度進行測量并利用判斷程序進行判定，當溫度低于設定的下限值時，即調用控制命令啟動加熱裝置，提高溫室的溫度。當溫度高于設定的上限值時，智能控制加熱裝置的關閉同時降溫裝置開啟。如果溫度處于預設范圍內，則繼續該循環進行檢測直至溫濕度超出設定范圍。

3.1.4 濕度控制子程序設計

一旦檢測到室內濕度高于設定上限值時，便會智能控制通風裝置開啟，調節溫室濕度，相反當室內濕度低于設定下限值時，系統調控噴灌裝置打開，提高溫室濕度。若濕度當前只處于預設范圍內，則繼續該循環進行檢測直至濕度超出設置范圍。

3.2 組態界面設計

3.2.1 組態軟件設計

組態軟件可以進行數據采集與監視控制，可提供快速自動控制系統的監控功能，并可以應用于多種數據采集以及過程控制領域。根據設計需要以及實際情況，采用北京昆侖通泰的嵌入板組態軟件配合TPC7062k觸摸屏實現PLC智能溫濕度人機交互界面的設計。首先在組態軟件中建立溫室控制系統工程，TPC類型選擇為TPC7062k。然后分別建立空氣溫濕度監控系統、溫濕度曲線以及溫濕度歷史曲線窗口。

3.2.2 觸摸屏設計

觸摸屏上需要實現設計手/自動控制狀態的切換，將采集到的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度等在觸摸屏上展現出來。設計外部控制按鈕的組態對象，設置加熱設備、補光設備、風扇以及噴滴灌設備的手動開關，防止電子設備失靈導致的無法控制的情況。

4 結束語

我國作為農業大國，農業生產在國民經濟中占據大量份額。隨著設施農業技術的不斷普及，溫室產業發展迅速，特別是溫室規模栽培，但設施農業的現代應用技術發展迅速，主要原因是水分、溫度、光照等參數的變化，迅速檢測到大量的水分、溫度、光照等參數并能通過智能技術及時采取有效措施，具有很高的檢測效率和推廣價值。