基于PLC的智能温室大棚环境控制系统的设计

黄孝平

摘要：PLC （可编程控制器）是一种新型的通用自动控制装置，它能将传感器技术、继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，具有易于编程、可扩展性强、可靠性高等优点，适宜长期连续工作，非常适合高效温室的控制要求。设计了一种基于PLC的智能温室大棚环境控制系统，可实现对温室的温度、湿度、光照度、风速等参数实时采集和控制。

关键词：PLC 温室大棚 环境控制装置

一、引言

温室大棚是用于植物生长与农业生产的保护设施，利用溫室大棚的气候效应与隔离效果进行农业生产，起到旱涝保收、空间隔绝、反季节调控等作用。因此，准确、及时地掌握温室大棚的环境数据，做到科学适时调控，成为温室大棚生产中提高产量、品质，抑制各种病害发生的重要环节。但由于我国温室大棚发展较晚，大多是在参考借鉴国外技术的基础上自行开发的，在设备配套能力、环境调控技术、机械化与自动化程度、作物栽培与管理等方面的科技含量与技术水平还存在一定差距，难以最大限度地发挥温室的技术特点，也无法实现温室生产的经济效益最大化，致使我国温室大棚种植面积虽然位居世界第一，但产品产量与质量并不理想。温室大棚环境控制装置主要用来对温室环境（气象环境和栽培环境）进行监测和控制。以蔬菜温室大棚为例，温室内监测项目包括室内气温、水温、土壤温度、相对空气湿度、保温状况、CO2浓度。室外监测项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。温室环境控制装置的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了极大的方便。

PLC是一种新型的通用自动控制装置，它将传感器技术、继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，具有易于编程、可扩展性强、可靠性高等优点，适宜长期连续工作，非常适合智能温室大棚的控制要求。

二、国内外研究现状

西方发达国家如美国、荷兰、以色列、英国、加拿大、日本等在现代温室监控技术上起步比较早，都大力发展集约化的温室产业，温室内的温度、湿度、光照度、C02浓度、水、气、营养液等实现计算机调控。随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以计算机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入网络化、智能化阶段。

近年来，我国温室控制技术发展迅速，以及有大量的商业化产品，这些产品可以实现对温室大棚内的光照度、温度、湿度、CO2浓度等环境因素进行检测和控制，并且已经逐步发展到智能化控制阶段，但由于价格等方面的原因，普及率并不高，所以开发价格低廉，且肯有较强实用性的智能温室大棚控制装置是非常必要的。

三、智能温室大棚的环境控制装置和控制方案

1.系统硬件结构

智能温室大棚的环境控制系统就是依据室内外装设的温湿度传感器、光照传感器、风速传感器等采集或观测的温室内外的温度、湿度、光照强度、风速等环境参数信息。通过控制设备对温室大棚环境进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要，为作物的生长发育提供最适宜的生态环境，以大幅度提高作物的产量和品质。系统硬件结构示意图如图1所示。 2.系统控制方案

智能温室大棚的环境控制系统采用自动与手动互相切换控制两种方式来实现对温室的自动控制，提高设备运动的可靠性。在运行的时候可以通过按钮对这两种控制方式进行切换，用模拟传感器采集现场的温湿度、光照度、风速和风向等环境因子数据以及用行程、限位开关检测控制系统的开关状态，采集到的数据和状态送PLC相应的寄存器保存以备利用。

（1）自动控制模式。采用PLC通过传感器对环境参数进行检测，并对其设定上限值和下限值，当检测到某一值超过设定值，便发出信号自动对驱动设备进行启动和关闭，从而使温室大棚的环境参数控制在设定的范围内。其运行成本较低，可大大节约劳动力，降低劳动者的劳动强度。

（2）手动控制模式。手动控制简单可靠，由继电器、接触器、按钮、限位开关等电气元器件组成。

根据广西南宁市的历史气象数据和气候特点，分析温室的控制对象及其影响因素。由传感器釆集的存储在PLC指定数据寄存器中的温度、湿度、光照强度、风速和风向值以及根据生产经验设置的各参数的上下限，决定各输出机构的输出状态。由于各环境参数的耦合关系，某一环控设备的启闭会对多个环境因子产生影响针对这些情况，釆取以下相应的措施：①根据时间的不同（季节）、环境参数的重要性不同，设置不同的优先级。在冬季温室环境控制系统中，默认为温度控制优先的原则，在温度条件满足后，再来满足湿度条件。如温度过低、湿度过大的情况下，以加温为主导，只有当温度上升到一定值后，才能通风降湿，另一方面，温度提高本身可以使相对湿度降低。在夏季降温加湿的过程中，采用以湿度优先的原则。当湿度过小时，开启湿帘风机加湿装置。②温度、湿度釆用联合控制策略。③考虑意外情况的影响，如湿度低于湿度下限时，釆用报警输出的方式由人工操作湿帘设备。光照强度大于光强上限时，打开内外遮阳网。

四、系统的软件设计

1.软件的设计要求和主要功能

根据基本要求和技术要求列出以下几点：①防止接点误动作，利用自锁电路可防止接点误动作。②系统自诊断功能，PLC本身具有此项功能。③风机控制。温室内的风机，能同时启动与停止，当温室内的温度超出预定值时，受PLC的控制先是天窗自动打开，延时5秒后风机启动，再延时5秒后湿帘泵启动，从而温室的温度降低。④天窗控制，温室中设有4个天窗，天窗受电机控制，通过电机限位的设定来控制天窗的行程。⑤系统自动/手动控制，可利用一个开关量作为PLC的输入信号，实现控制程序的转换。⑥湿帘泵控制。⑦遮阳网控制。⑧可扩展性，在PLC中预留一定的存储空间和端口。

2.控制系统软件设计

系统中对风扇、天窗、侧窗、环流风机、遮阳幕和湿帘泵的控制是通过PLC发出开关指令，通过交流接触器控制相关机构的启停。由于PLC检测系统具有较高的灵敏度，能够把温室内的扰动快速反应出来，同时由于温室较大的传递滞后，执行机构动作频繁，从而影响使用寿命。为此，在程序中加有时间可调的延时模块，使用时可根据具体情况调整延时，使控制效果达到最佳。系统流程图如图2所示。利用FPWINGR软件采用梯形图语言编写系统的程序，以温度控制为例。

3.系统的组态监控软件的设计

组态软件是可以从可编程控制器以及各种数据采集卡等设备中实时采集数据，然后发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包。本系统中的监控界面采用的是组态王kingview6.55，通过与PLC进行通信，用于远距离温室监控，温室环境数据的不间断连续收集、整理、统计、制图以及温室设备运行状态的在线记录。其主要功能如下：

（1）远程监视功能。它可以通过通讯线远程监视多座温室的当前状态，包括户外温度、光照强度、风速、风向、雨雪信号、室内温度、室内湿度、控制器温度、独立通风窗的位置和开关状态、内外遮阳帘的位置和开关状态以及风扇、湿帘、微雾、加热器、环流风扇、补光灯、水暖三通阀的状态和多种形式的报警监视。

（2）数据统计功能。它可以统计任意时刻的户外温度、光照强度、风速、室内温度、室内湿度、C02浓度等全月、全周、全日的和本时段的最大值、最小值和平均值。

（3）温室设备运行记录功能。它能在线记录各温室设备状态变化时的时间、当前状态和位置、当前目标温度、室内温度、目标湿度和室内湿度，并能打一印输出。

（4）远程设定功能，可以通过通讯线远程修改可编程控制器的全部设定参数。

（5）生成曲线图功能，它能以平面图或者立体图的方式同时绘制任意时刻的户外温度、光照强度、风速、目标温度、室内温度、目标湿度、室内湿度、CO2浓度等全年、全月、全周、全日的变化曲线并打印输出。

五、结论

温室大棚环境控制系统是一个复杂的系统工程，本研究选择了温度、湿度、太阳能总辐射和风速影响等对温室环境系统进行调控，实现了对温室温度、湿度、光照度、风速等参数实时采集、人机交互模块、执行机构控制模块，可实现曲线图或报表形式显示历史温室环境参数。各模块采用结构化设计，具有良好的扩展性和稳定性。PLC工作性能稳定，能够长时间检测传感器信号并记录数据，可以根据需要设置传感器信号釆集频率，并将数据存入数据库中，能有效提高温室大棚的生产效率和经济效益，具有较好的实用价值。

参考文献：

[1]吴小伟，史志中，钟志堂.国内温室环境在线控制系统的研究进展[J].农机化研究，2013，（04）：1-7+18.

[2]刘永华.基于PLC与WinCC组态软件的智能温室控制系统设计[J].农业科技与装备，2014，（10）：20-22.

[3]王鑫，崔忠林，刘建.基于STC12C5A16S2的温度采集系统的设计[J].微型机与应用，2012，（20）：24-26+29.

[4]狄敬国，李秀美.基于PLC、变频器和腿屏技术的温室大棚控制系统设计[J].农业装备技术，2012，（05）：39-41

[5]张亚娟，刘寒冰.基于PLC和组态软件的大棚环境监测系统设计[J].计算机测量与控制，2015，（06）：1983-1985+1989.

[6]蔣蔚，王克明，张兆莉.水泵给水系统的PLC变频恒压控制与组态监测[J].机床与液压，2008，（07）：344-347.