基于PLC的智能温室环境控制系统设计*

王志国，齐 铁，王 伟，关 闯

(绥化学院)

0 引言

智能温室也叫自动化温室，是指配备了由自动控制设备的高科技农业生产环境，是近些年发展起来的一种新型农业技术，具有资源节约和生产高效的特点.该文使用PLC作为系统智能控制核心，把温室的温度、湿度和光照等作为系统的环境因子进行研究，使用自动控制技术设计了基于PLC的智能温室环境自动控制系统.

1 系统控制方案与硬件设计

1.1 系统控制方案

本系统的设计采用手动控制与自动控制相结合的方式，日常运行采用自动控制方式，需要时可以使用控制按钮切换为手动控制，以提高整套控制设备的可靠性.系统的手动控制方式简单可靠，由设备控制开关、继电器、交流接触器、设备运行限位开关等电气元件构成;自动控制方式采用基于PLC的自动控制系统，使用传感器采集温室的环境因子数据，对环境数据进行监测和分析，并对环境因子设定数据的上限和下限，当系统监测到某一环境因子数值超过或者低于设定值，PLC便发出信号控制相应设备进行动作，从而达到控制温室环境因子稳定在预先设定的数值范围内.本系统设备简单，运行成本低，可以节约温室管理的劳动力和劳动强度.

1.2 系统硬件设计

智能温室环境控制系统是温室自动控制的中心，由传感器、检测电路、接口电路、现场控制系统组成.其中，传感器的任务是把与作物有关的现场环境因子，如温度、湿度、光照度等，转换为数字量传送给PLC，由PLC完成对环境因子数据的分析，并且根据预先设定的阀值，采用PID算法产生智能决策，然后将产生的控制信号传给相应的继电器以驱动执行器，如电机，电磁阀，补光灯等，实现智能温室环境的自动控制，结构如图1所示.

图1 控制系统结构图

1.3 传感器选型

1.3.1 温湿度传感器

温湿度传感器采用复合型设计，使用高分子薄膜湿敏电容为湿敏元件、铂电阻为温敏元件.该传感器温度测量范围为-40～120℃，湿度测量范围0～100%Rh，具有量程范围宽、测量精度高、响应时间短、使用方便的特点.

1.3.2 光照传感器

光照度传感器采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器光照强度测量元件，具有测量范围宽、线形度好、防水性强、使用方便、传输距离远的特点.

2 系统软件设计

2.1 控制算法研究

在连续控制系统中常常采用PID控制方式，其控制规律为:

将上式离散化之后，表达式如下:

式中，e(k)为第k次采样时的偏差值;e(k-1)为第(k-1)次采样时的偏差值;u(k)为第k次采样时调节器的输出;KP为比例系数;

智能温室环境控制系统是一个基于农业生产管理的自动化系统，由于农业生产不需要非常精确的控制，作物对各环境因子的要求不是特别的精确，只要一个区间即可，比如农作物对温室的温度只要求在某一个生长时间段内保持在某一个区间内，该作物就可以正常地生长.因此，环境控制系统不需要对温室中的环境因子进行精确控制，使用PID控制算法，主要研究算法中的微分部分，建立符合条件的微分方程如下:

微分方程说明:K为温室的固定放大系数;Ts为温室的时间常数;Tf为温室外部热量转换为送风温度产生的变化数值;Tn为温室室内的环境温度.

2.2 PLC控制软件设计

2.2.1 设计原则

智能温室环境控制系统使用PLC作为控制核心，通过继电器控制相应设备，具体设备的设计原则如下:(1)为了防止设备误动，使用自锁电路解决问题;(2)系统具备自诊断功能，使用PLC自身功能解决问题;(3)温室设有8个或者更多的天窗，天窗受电机控制，当温度超过设定的温度时，PLC发出打开天窗的信号，通过继电器控制天窗电机打开天窗，通过形成开关控制电机的停止;(4)如果温室温度进一步升高，达到一定的数值，打开风机，温室中装有2组风机，根据温度控制打开的数量;(5)如果温度进一步升高，可以打开湿帘水泵，通过湿帘进一步降低温度;(6)系统具有自动/手动切换功能，可以利用开关柜上的一个开关作为PLC手动/自动控制的输入信号，实现自动控制程序到手动的转换;(7)温室湿度降低到一定程度，打开湿帘水泵;(8)通过光照传感器检测阳光照度，如果超过一定数值，打开遮阳网.

2.2.2 软件设计

智能温室环境控制系统中对天窗、风机、遮阳帘、湿帘的控制是通过PLC，根据传感器检测的数据和一定的算法，发出控制信号，然后通过继电器控制相应机构和设备的启停.温度升高时的算法程序流程图如图2所示.

图2 温度升高时PLC控制算法程序流程图

算法说明:首先扫描温度、湿度和光照度传感器，然后使用PID控制算法，利用上面的微分方程，根据设定的温度、湿度和光照度的阀值，PLC首先判断是否需要打开天窗，如果需要发出打开天窗的信号;然后判断是否需要打开风机，如果需要打开风机;接着根据温度和湿度的设定判断是否需要打开湿帘，如果需要发出打开湿帘电磁阀的信号;最后根据温度和光照度判断是否需要打开遮阳帘，如果需要打开遮阳帘启动开关.

2.3 组态软件设计

系统使用组态软件作为现实输出和监控软件，组态软件从PLC中实时收集传感器采集的环境数据，然后通过网络传输到客户计算机并显示监控数据内容.

2.3.1 远程监视

组态软件通过网络远程监视温室的环境数据，包括温度、湿度和光照强度，还可以监控所有控制设备的状态，如果发现问题可以及时报警.

2.3.2 数据统计

组态软件可以根据监测的温室环境数据，进行月份、周和日的统计，给出数据的最大值、最小值和平均值，必要时还可以生成曲线.

3 结语

随着我国农业科技的发展，智能温室控制必将成为高纬度地区的发展趋势.该文设计了一种基于PLC的智能温室环境控制系统，通过对温室环境因子的分析，分析了系统控制算法的微分方程，并设计了系统的软、硬件结构，目前系统原型已取得成功.经过测试，系统具有可靠性高、使用方便的特点，在实际的温室应用中取得了良好的控制效果，具有一定的推广价值.

［1］ 邓璐娟，张侃谕，龚幼民.智能控制技术在农业工程中的应用［J］.现代化农业，2003(12):1-3.

［2］ 王立舒，杨广林，徐向峰，等.日光温室温、湿度模糊控制系统研究［J］.东北农业大学学报，2005，36(5):625-627.

［3］ 杨卫中.温室环境智能控制关键技术研究与开发［D］.北京:中国农业大学，2006.