基于PLC与W inCC的立体温室种植控制系统设计

罗 野，王 维

（常熟理工学院 电气与自动化工程学院，江苏 常熟 215500）

基于PLC与W inCC的立体温室种植控制系统设计

罗 野，王 维

（常熟理工学院 电气与自动化工程学院，江苏 常熟 215500）

立体温室种植控制系统通过科学技术改变作物的生长环境，降低气候变化给作物带来的影响，提高作物的品质和产量、充分利用时空资源。本系统的硬件部分主要由S7-200PLC、环境传感器、各执行机构组成，采用WinCC上位机软件进行实时监控，自动化程度高、实用性强。

立体温室；S7-200PLC；WinCC监控

1 控制系统的总体设计

基于PLC与WinCC的立体种植环境控制系统是现代化设施农业和立体种植相结合的立体温室。控制系统的硬件部分主要由环境传感器、PLC和各执行机构组成，用来检测温室内部温度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照度等环境参数，完成温室内部遮阳帘控制、侧窗的开闭驱动、温室控制、水泵、二氧化碳补气阀、补光灯等执行设备进行控制。

图1 系统的总体设计

控制系统的主要控制对象是室内的温度、土壤湿度、光照度和二氧化碳浓度等环境参数，运用温度传感器、光照度传感器、湿度传感器和二氧化碳传感器来对各个环境因子进行检测。本系统的温度调节主要通过热风机和冷风机的驱动和停止来进行，湿度调节主要通过滴灌系统的工作来进行，光照度调节主要通过遮阳帘的收放和补光灯开关的来进行，二氧化碳浓度调节主要通过通风口的开关和电磁阀控制二氧化碳储气罐的出气量多少来进行。本系统的总体设计方案如图1所示。

2 系统硬件配置

根据系统需求列出输入信号和输出信号。输入数字信号按钮输入信号：手动/自动切换按钮、总启动按钮、总停止按钮、通风口开闭按钮、热风机手动启动按钮、冷风机手动启动按钮、遮阳帘手动启动按钮、遮阳帘手动关闭按钮、补光灯手动启动按钮、水泵1#手动启动按钮、水泵2#手动启动按钮、水泵3#手动启动按钮、二氧化碳储气罐按钮，共计十三个。

输出数字信号：各设备的接触器通电信号：通风口接触器、遮阳帘开帘接触器、遮阳帘关帘接触器、热风机接触器、冷风机接触器、水泵1#接触器、水泵2#接触器、水泵3#接触器、补光灯接触器、二氧化碳储气罐接触器，共计十个。输入模拟信号：各传感器检测到的模拟信号通过变送器输入：温度传感器输入的温度信号、湿度传感器1输入的湿度信号、湿度传感器2输入的湿度信号、湿度传感器3输入的湿度信号、光照度传感器输入的光照信号、二氧化碳传感器输入的二氧化碳信号，共计留六个。输出模拟信号：输出模拟信号通过PLC中PID运算后输出：传给五个变频器的信号、传给一个电动调节阀的信号，共计六个。选择扩展模块：一个模拟量扩展模块EM231CN、一个模拟量扩展模块EM232 CN和一个模拟量扩展模块EM235 CN，其中EM231 CN扩展模块是4路模拟量输入模块，EM232 CN扩展模块是2路模拟量输出模块，EM235 CN扩展模块是4路模拟量输入/1路模拟量输出模块。各环境传感器的选型：温度传感器、湿度传感器、光照度感

器、二氧化碳传感器。执行器件的选择：变频器的选型、电动调节阀的选型、热风机的选型、冷风机的选型、水泵的选型、遮阳帘的选型、补光灯的选型。上位机对下位机PLC进行程序的编程，接着将编好的程序下载到PLC中，各种扩展模块、指示灯、按钮、执行器件以及各个环境传感器连接到PLC的相应端口。完成硬件接线。

3 控制系统的程序设计

程序的设计控制系统设有手动和自动两种工作模式，其中手动模式是为了应付一些突发情况的，自动模式则是该控制系统正常工作下的状态。在自动模式下，运行主程序可调用子程序，子程序为温度PID子程序、湿度PID子程序、光照度PID子程序和二氧化碳浓度PID子程序，各个环境传感器将检测到的室内温度、土壤湿度、光照度和二氧化碳浓度等值经A/D转换模块输入到PLC中与系统的设定值进行比较，并将测量值进行PID控制运算，是测量值和设定值相当，然后将运算后的测量值经D/A转换模块后输送入各执行设备。当系统的测量温度值高于设定值，则PLC就会发出相应的控制指令使冷风机工作，使室内温度降至设定值；如果系统的测量温度值低于设定值，则PLC就会发出相应的控制指令使冷风机停止运行并使热风机工作，使室内温度升至设定值。如果系统的测量土壤湿度值低于设定值，则系统中的控滴灌系统就会工作，使土壤湿度达到设定值；如果系统的测量土壤湿度值高于设定值，则系统中的滴灌系统停止运行，使土壤湿度升至设定值。如果系统的测量光照度值高于设定值，则系统中的遮阳帘就会放下，使室内光照度降至设定值；如果系统的测量光照度值低于设定值，系统中的遮阳帘收起并补光灯开始工作，使室内光照度升至设定值。如果系统的测量二氧化碳浓度值低于设定值，则PLC就会发出相应的控制指令使电动调节阀工作，从而使二氧化碳储气罐向室内输送二氧化碳，使室内二氧化碳浓度升至设定值，如果系统的测量温度值高于设定值，则PLC就会发出相应的控制指令使电动调节阀停止工作，使室内二氧化碳浓度降至设定值。

4 W inCC界面设计及调试运行

WinCC作为控制系统的上位机，很方便地将标准的用户程序结合起来，建立人机界面，从而能够准确地满足生产要求，同时它也是第一个使用最新32位技术的过程监控系统。上位机与PLC连接软件，必须通过另一款软件进行连接。在本课题的控制系统中，选择西门子OPC软件PC ACCESS V1.0作为连接软件。WinCC所需监控的变量也必须在此软件中进行建立，然后通过导入实现WinCC内变量的创建。系统画面的设计分为画面建立、画面编辑、动画连接三个步骤。建立的“新农业立体种植环境控制系统”的画面如图2所示。

图2 新农业立体种植环境控制系统

图3 WinCC运行曲线

进行画面绘制及组态，对画面进行监控。通过观察监控中相应的输入输出量调整试验，进行PID参数的整定，观察每个输入输出量、画面上设备工作状态、数据显示等。各个控制变量中的PID参数经验数据反映在WinCC运行曲线图中，如图3所示。

5 结语

通过科学技术改变作物的生长环境降低气候变化给作物带来的影响，从而提高作物的品质和产量，而且能够充分利用时空资源，节约土地资源。控制系统不仅操作简单、运行方便、自动化程度高、实用性很强，而且有良好的监控界面，能实现可视化的监控和管理。有很广的应用范围，并具有良好的经济效益。

［1］韩战涛.西门子S7-200PLC编程与工程实例详解［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［2］郑凤翼.案例分析西门子S7-200系列PLC应用程序设计［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［3］陈广庆，孙爱芹，徐克宝.基于PLC的组态软件的温室控制系统的设计［J］.安徽农业科学，2010，38（34）：19827-19828.

［4］王广海，吕恩利，陆华忠，等.基于PLC的果蔬气调保鲜环境自动调控系统的设计［J］.江苏农业科学，2015，43（3）：368-372.

［5］陈会莲，谷明月，郑艳博，等.基于PLC温湿度自动控制系统的设计［J］.中国农机化学报，2015，（3）.

Design of Three-dimensional Greenhouse Plant Control System based on PLC and W inCC

LUO Ye，WANG Wei
（School of Electrical and Automation Engineering，Changshu Technology Institute，Changshou，Jiangsu 215500，China）

Three-dimensional greenhouse plant control system can be used to change the growth environment of crops through science and technology，which reduces the effects of climate change on crops，improves the crops quality and yield，and makes fulluse of time and space.The hardware of this system ismainly composed of S7-200PLC and environmentalsensors，actuators.AndWinCCPCsoftware isused to carry out real-timemonitoring，which hasahigh degreeofautomation and usability.

three-dimensionalgreenhouse；S7-200PLC；WinCCmonitoring

TP273-5

A

2095-980X（2016）11-0045-02

2016-09-15

罗野（1965-），女，辽宁本溪人，大学本科，高级实验师，主要从事电气控制及实践教学工作。