基于PLC的智能溫室控制系統設計

金龍國

（青島職業技術學院，山東 青島 266555）

我國是農業大國，農業現代化是我國現代化建設的基礎與支撐，通過在農業生產中融合運用信息技術手段，能夠提高農業生產效率，補齊農村人力資源短板問題，實現我國農業生產由勞動密集型產業向技術密集型產業轉型發展。在農業產業中，溫室大棚技術廣泛應用于蔬菜、水果生產中，可在不適應植物生長的季節提供適宜植物生長人造環境，實現農作物反季節生長和產出。農業現代化建設背景下，溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照等農業環境信息和人工條件干預要求不斷提高，如何實現溫室控制系統自動化監測、控制，是實現農作物優質、高產的重要保障。本文基于S7－226CPU、winccflexible組態和溫濕度、光照、CO2濃度傳感器等組成智能溫室控制系統，可實現溫室環境自動化監測與控制。

1 溫室總體控制方案設計

由于農作物生長周期對環境的要求具有非線性、時變性等特點，加之溫室室內面積較大，環境要素分布不均，農作物生長發育周期內對土壤中水分、無機鹽等物質需求不同，因此，溫室環境控制需要實現溫室環境動態監測與控制。

結合溫室控制系統要求，本研究針對影響農作物生長的關鍵因子進行監控和控制，基于S7－226CPU，模擬量模塊選用EM231、溫濕度傳感器選用HMD40Y傳感器、光照傳感器選用LC－GZ1傳感器、CO2濃度傳感器選用DCO2－T8傳感器、系統監控界面選用winfccflexible組態系統。控制系統總體方案如圖1所示，執行機構為電機、電磁閥，控制對象為遮陽簾、加熱器、通風機和水泵等。

圖1 控制系統總體方案

根據系統總體設計，該系統由四個部分組成，即溫度控制、濕度控制、光照強度控制、CO2控制系統，各控制系統均配置傳感器以動態獲取溫室環境參數，可對參數進行實時監控。當參數達到控制系統中預設參數時，系統自動聯動溫室內外執行機構，以此實現溫室環境自動化控制，滿足溫室農作物生長環境需求，實現溫室環境控制智能化、自動化。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件總體設計

溫室大棚控制系統硬件設計包括主電路和控制電路設計，主電路包括多個中間繼電器，可實現天窗電機、前后側窗電機、遮陽簾電機、加濕水泵、CO2等調節。控制電路基于226電路和EM231電路進行設計，226輸入端接入行程開關與按鈕，輸出端接24V中間繼電器，可借助中間繼電器觸點實現主電路交流接觸器通斷控制。

2.2 主電路設計與PLC電路設計

226為模塊－控制器一體化可編程控制器，可借助編程器將用戶程序寫入存儲器內。S7－226PLC控制器具有24路數字量輸入和16路數字量輸出，可滿足溫室控制系統自動化控制需求。由于通風窗電機、遮陽簾電機、水泵電機除功率不同外，均配有限位開關，需實現電機正反轉和停止功能，因此，其工作電路設計相似。本系統中QK為總開關，執行機構的啟閉均由其實現和控制。QF0為總分斷器、QF1－QF4為分斷路器、FR1－FR4為熱繼電器，可實現電機過載保護功能。KM1－KM8為交流接觸器主觸頭，主要實現執行機構在啟停和電機正反轉、停止功能。

PLC控制電路設計時，PLC的I／O地址分配根據實際需求制定I／O地址分配表。EM231與傳感器接口電路如圖2所示。

圖2 EM231與傳感器接口電路

根據系統主電路設計思路，執行機構可分為正反轉電機和開關控制設備，正反轉電機如遮陽簾、水泵等，此類電機需實現正反轉和停止功能，應配置限位開關。開關控制設備包括冷風機、通風機等。

遮陽簾為正反轉設備，該設備設計時，K1為自動、手動切換開關。自動控制狀態下，中間接觸器KM15通電時遮陽簾開啟，中間接觸器KM16通電時遮陽簾閉合。在手動狀態下，按下SB1按鈕，接觸器KM1通電，指示燈L1亮起，KM1常開觸點閉合，實現遮陽簾自鎖功能，電機正轉后帶動遮陽簾打開。當遮陽簾開啟至限位位置后，觸發限位開關SQ1，常閉觸點斷開，KM1失電，遮陽簾電機停止轉動。SB3按鈕主要用于急停操作，當按下該按鈕后KM1失電（如圖3所示）。

圖3 遮陽簾控制電路

開關控制設備電路設計時，以通風機為例，K1為手動自動切換開關。在自動控制狀態下，由PLC組控制器控制中間接觸器KM23通電，常開觸點閉合后通風機運行。手動狀態下，SB13為啟動按鈕、SB14為停止按鈕。當手動按下SB13時，接觸器KM9通電，指示燈L9亮起，KM9常開觸點閉合后自鎖，通風機運行。當按下SB14時，KM9線圈失電，通風機停止運行（如圖4所示）。

圖4 通風機控制電路

2.3 傳感器選型與控制

（1）傳感器選型

本系統中，傳感器包括土壤濕度、光照強度、溫度和CO2傳感器等。土壤濕度傳感器選用JX85－3001－TH型土壤濕度傳感器，其原理是濕敏電容，當土壤濕度發生變化時，在濕敏電容介質發生變化，傳感器將信號傳送給PLC，由PLC控制水泵和噴水管噴灌。土壤濕度傳感器工作電壓12V～24VDC，工作電流50mA，電壓輸出12V。

光照強度傳感器選用FZN－3001－1－GZ數字型傳感器，其原理是光敏電阻作為傳感器元件，當傳感器檢測到光照強度變化時，光敏電阻值發生變化，其電壓輸出不同，當溫室環境光照強度較低時，自動開啟補光燈，當環境光照強度較大時自動關閉。光照傳感器工作電壓為12V～24VDC，工作電流50uA，功耗5W。

溫度開關選用HS1101數字型濕度傳感器，其原理是以雙金屬片作為感溫元件的濕度開關，當溫度升高至動作溫度值時，開關元件受熱產生動作，打開或閉合觸點，以此實現電路通斷，起到熱保護作用。當溫度降至設定濕度時自動閉合或斷開觸點。溫度開關傳感器工作電壓為12V～24VDC，工作電流50uA，電壓輸出12V。

二氧化碳傳感器選用PR－3002－CO2傳感器，其原理是采用高靈敏度在氣體監測探頭，通過檢測溫室CO2濃度聯動儲氣裝置調節CO2濃度。傳感器工作電壓12V～24VDC，工作電流50uA，電壓輸出12V。

（2）溫度傳感器控制邏輯

溫室溫度控制時，結合溫室內植物生長溫度控制要求，可將溫室溫度調節分為溫度保持、升溫和冷卻三種情況。溫室外部覆蓋保溫隔熱性能良好的保溫層或保溫膜，溫室內部采用中央供暖方式，實現溫室供暖，夏季溫度較高且自然通風不能有效冷卻時，借助遮陽簾和溫室外墻循環水冷卻方法實現溫室溫度控制。當溫度調節控制模式為自動控制模式時，檢測到溫室內溫度高于30℃時，通風機和冷風機開啟。當溫度低于10℃時，通風機反轉開啟，冷風機關閉。

（3）濕度調節邏輯

溫室內濕度控制包括土壤濕度和空氣濕度控制兩個方面，濕度控制主要實現增濕和干燥兩個功能。其中，增濕主要通過噴灌方法調節，除濕主要通過通風除濕方法調節。當土壤濕度傳感器檢測到土壤干燥系數大于2000時，干燥開關閉合，在噴水管開啟。當土壤潮濕系數低于500時，噴水泵停止工作。

（4）溫度與濕度耦合

由于溫度與濕度存在耦合關系，因此，溫度與濕度控制時應根據不同情況調節和控制。如冬季寒冷天氣情況下，溫度控制優先級高于濕度，當出現這低溫高濕情況時，系統應優先實現升溫，加速空氣中水分揮發。在夏季炎熱情況下，濕度調節優先級高于溫度。

（5）光照調節與控制

光照強度調節與控制時，本系統采用補光燈、遮光板控制方法實現溫室內光照強度調節，即通過控制遮陽簾、補光燈啟閉實現光照強度控制。當系統切換至自動控制模式時，光照強度傳感器檢測到光照強度低于50時，遮陽簾在反轉不關閉，并聯動啟動補光燈。當光照強度超過200時，遮陽簾正轉開啟，冷風機關閉。

（6）CO2濃度調節與控制

由于溫室冬季和春季均為封閉狀態，棚內CO2峰谷值差異較大。中午時，溫室內農作物進行有機物合成，CO2被農作物吸收，濃度下降。空氣中CO2濃度不能滿足農作物光合作用要求。當傳感器檢測到CO2濃度過低時，控制系統自動聯動儲氣裝置增加溫室內CO2濃度。當CO2濃度調節為自動控制模式、CO2濃度超過2000時，O2儲氣裝置開啟。當CO2濃度低于500時，CO2儲氣裝置開啟，O2裝置停止。

2.4 通信單元設計

本系統中，通信單元采用FS15402 C－NET通信適配器，借助通信轉換模塊，可將PLC組成多系統通訊網絡，以此實現多個溫室控制系統自動化控制。通訊單元采用5V直流電電源供電，功率1W，最大通信距離為2km，具備過熱保護功能。

3 系統調試

3.1 程序運行調試

本系統運行調試時，采用S7－200仿真軟件進行控制程序仿真與調試，該仿真軟件支持常用的位觸電指令、定時器、計數器等指令，可實現邏輯運算指令、比較指令和常見的數學運算指令，并具備信號輸入開關和LED輸出顯示功能。當設計好溫室控制系統運行邏輯后，檢查PLC、傳感器接線無誤后，即可將系統程序導入到軟件中。程序調試時，打開仿真軟件載入程序，點擊啟動按鈕，仿真軟件運行燈亮起，按要求操作輸入點，觀察輸出點輸出情況，觀察輸出燈是否亮起。

本系統中，I0.0為手動自動切換電路，當I0.1＝1時，Q1.1通電，啟動燈亮起。當I0.0＝1且I0／2＝1時，中間繼電器M0.1通電，系統運行模式切換為手動模式（如圖5所示）。

圖5 控制系統手動控制模式仿真調試

當系統運行在手動模式時，可通過控制相應的手動操作按鈕實現相應設備運行控制。如遮陽簾正轉按鈕為10.5，其限位開關為10.3，當遮陽簾安正轉按鈕和限位開關均閉合時，M0.4中間繼電器通電，遮陽簾正轉。當手動按鈕I1.1閉合時，中間繼電器M1.2通電，補光燈開啟（如圖6所示）。

圖6 控制系統自動控制仿真調試

系統運行在自動控制模式下時，當I0.0＝1且I0.1＝1，中間繼電器 M0.0 通電。當溫度超過30℃時，高溫開關I1.4閉合，中間繼電器M0.2閉合，通風機正轉，冷風機開啟。

3.2 系統實際運行測試

本系統投入運行后，隨機選取溫室24h溫濕度數據進行分析。測試開始時，起始溫度和濕度分別為32℃和52%，當溫度和濕度工作設定值設置為22℃和70%時，采樣間隔為5min，繪制系統控制曲線，根據溫室溫度、濕度變化情況可知，當系統啟動后，30min左右即可達到設定值，約10min后達到預定值穩定狀態（如圖7所示），系統控制效果良好。

圖7 系統運行中溫濕度控制曲線

4 結論

本系統中，基于PLC系統、傳感器、執行機構組成溫室控制系統，可實現溫室溫度、濕度、光照、CO2濃度等環境數據的自動化采集、調節，通過采集溫室內環境數據并轉換為電流信號后傳至PLC控制器，PLC控制器根據運行邏輯將環境參數與設定值進行對比、處理，輸出執行機構開關量，可實現執行機構運行邏輯、開關閉合的自動化控制。系統運行情況表明，該系統能夠實現溫室內特定環境因素數據的動態采集和有效控制，較好滿足了溫室農作物對生長環境的要求。