基于PLC与WinCC组态软件的智能温室控制系统设计

2015-01-14刘永华

农业科技与装备 2014年10期

摘要：对温室环境中温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因子进行调控是实现设施作物生产高产、优质、高效的关键。以WinCC组态软件为上位机编程软件，以PLC为控制器，设计一种基于PLC的智能温室控制系统。该系统人机界面友好，性能稳定可靠，性价比高，能很好地实现对智能温室环境因子的自动控制，满足温室作物生长环境控制要求。

关键词：控制系统；PLC；WinCC组态；智能温室

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）10-0020-03

温室综合利用新材料、自动控制、环境工程、生物工程等相关技术，在局部环境调控温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液养分等环境因子，以创造作物生长最适宜的环境条件。温室栽培改变了传统农业生产模式，打破了植物生长的地域和时空界限，推动了农业生产和社会文明的发展。现代温室越来越广泛地应用于设施农业生产中，温室生产成为现代农业的标志。随着现代农业的发展，特别是随着农业人口向城市转移，对农业自动化的要求越来越高，温室技术也逐步向智能化方向发展。本课题采用基于西门子公司S7-200系列的可编程控制器（PLC）和WinCC组态软件的温室环境控制系统设计方案，利用传感器自动采集温室环境参数，对温室环境实现智能化控制。通过采用组态软件完成控制系统的组态设计，实现了控制系统操作的人性化和过程的可视化。

1 温室环境控制要求及总体控制方案

总体上来讲，温室环境中涉及很多环境因子，而且这些环境因子之间是相互作用的，要更好地制定相应的调控策略，就必须了解温室内部各环境因子之间的关系。影响作物生长发育的环境因子主要有温度、湿度、光照强度和CO2浓度等，因此温室控制主要针对以上气候因子进行智能控制。温度调控主要是通过加热系统与冷却系统来进行，冬天采用加热装置如热水管道加热，夏季高温采用开天窗、开启帘幕系统、湿帘—风机系统等来进行降温。湿度调控通过风机系统和喷灌系统来实现。CO2浓度调控通过风机系统及利用电磁阀控制二氧化碳储液罐来实现。光照调控可利用遮幕系统以及人工光源来进行控制。

本研究设计的控制系统是由上位机和下位机组成的智能温室控制系统。上位机为一台 PC机，下位机采用德国西门子PLC，CPU选用226。下位机的功能是实现对各栋温室环境参数的检测与控制，通过温度、湿度、CO2浓度、光照强度等传感器将模拟量信号经EM231模块转换成数字信号，把这些数据暂时储存起来并与相应的给定值进行比较，经过控制计算，发出相应的控制信号来控制加热系统、通风系统、帘幕系统、CO2施放装置、喷灌系统等执行机构的动作，实现对温室环境的调控，以满足温室内作物生长发育的需要。上位机通过串行通讯接口分别读取各个温室的数据，并完成数据的统计分析、显示、编辑、存储以及打印输出等操作。控制系统的原理如图1所示。 2 硬件系统设计

2.1 系统的主电路和控制电路

主电路主要是通过交流接触器、继电器来对风机电机、湿帘潜水泵、遮幕电机、天窗电机等实现控制，图2为部分主电路原理图。为提高系统的可靠性，采用手动和自动控制两种模式，供使用者自由切换控制电路。以内遮阴电机控制电路（如图3所示）为例，手动控制模式由旋钮开关来手动控制遮幕机的张开或收缩；而采用PLC进行自动控制，可通过PLC程序控制PLC输出点信号的通断来控制1KA1和1KA2，从而自动控制遮幕机的张开或收缩。

2.2 PLC外部接线

根据温室控制的功能要求，进行PLC的I/O地址分配，然后画出CPU226的外部接线（如图4所示）。输入端将采集到外界的信号输送给PLC，通过PLC程序运行，输出端根据输出信号控制相应的接触器，从而控制风机—湿帘系统、喷灌系统、补光系统、遮幕系统等执行机构。传感器采集的信号一般以模拟信号输出，要将这些模拟量进行采样并输入PLC，必须先对这些模拟量进行模/数（A/D）转换。EM231为模拟量输入模块，能实现将采集的模拟信号转换为PLC能接收的数字量信号，EM231模块与传感器及PLC的连接如图4所示。

3 软件设计

软件设计包括上位机软件和下位机软件。上位机软件采用WinCC flexible组态软件进行编程，下位机软件采用STEP7-Micro/WIN进行编程。

3.1 WinCC组态软件

SIMATIC WinCC flexible是西门子公司开发的上位机组态软件，主要用于对生产过程进行监控，能提供对工业自动化系统进行监视、控制、管理和集成等一系列的功能，同时也为用户实现这些功能的组态过程提供了丰富及易于使用的手段和工具。WinCC flexible是在被广泛认可的ProTool组态软件的基础上发展起来的，并与ProTool保持了一致性，可以非常方便地将ProTool组态的项目移植到WinCC flexible中。WinCC flexible具有开放简易的扩展功能，带有VB脚本功能，集成ActiveX控件，可以将人机界面集成到TCP/IP网络。

作为一款监控软件，WinCC flexible主要实现以下功能：1）实时显示温室设备的工作状态。能够实时显示温室环境的温度、湿度、光照、CO2浓度等环境信息，并可查询历史环境参数和实时曲线。2）设置了登陆用户、退出用户、修改密码等功能。用户通过用户名和密码可以登录系统，并通过控件来操控温室执行机构，实现温室环境的调控。3）修改环境参数设置。可以通过设置环境参数的最高限和最低限，将被控制对象设置在合适的范围。

3.2 下位机程序设计

下位机软件设计采用西门子STEP7-Micro/WIN V4.0来实现。STEP7-Micro/WIN编程软件能完成PLC应用程序的开发，如创建用户程序、修改和编辑用户程序；也可以直接用软件设置PLC的工作方式和参数，以及运行监控等。

4 系统运行及试验分析

本控制系统通过软硬件开发、实验室模拟测试，最后在生产型温室进行安装调试。试验中系统在手动控制与自动控制两种模式下能正常工作，手动控制可以通过手动按钮实现对相应控制机构实现开启与关闭，自动控制状态下通过对待测参数控制量的设定来自动实现温室环境的控制。系统能实现环境参数的自动采集，实时显示并自动记录温室环境温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因子。试验期间，PLC系统运行可靠，硬件系统没有出现任何故障，软件系统也正常运行。各执行机构按照设定的温湿度值适时准确动作。在上位机与下位机通过串行口通讯期间，没有发生通讯中断、系统无法运行等状况。试验结果表明，将系统应用于温室控制系统工作正常，性能稳定可靠。

5 结论

针对现代温室所存在的问题，采用PLC和WinCC组态软件技术开发温室智能控制系统。自2010年运行以来，系统硬件运转正常，性能稳定可靠，软件系统人机界面友好，操作便捷，适合在温室控制系统中应用。

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Abstract： In the greenhouse environment， to control environmental factors， such as temperature， humidity， light， CO2 concentration etc.， is the key of achieving high yield， high quality and high efficiency. This article expounds a design of an intelligent greenhouse control system based on PLC， this system uses WinCC configuration software as PC programming software， uses PLC as controller. It has friendly interface. Its stability and performance are reliable， and its price is reasonable. It can realize the automatic control of the environmental factors in intelligent greenhouse.

Key words： control system； PLC； WinCC configuration； intelligent greenhouse