基于PL C 的农业大棚温湿度检测控制系统设计与研究

李旺昆

（广西科技大学鹿山学院，广西 柳州 545616）

0 绪论

（1）课题研究的背景

农业大棚是农业技术中一种比较常见的作业方式， 通过塑料或者玻璃等透光隔温材料将农业土地包围起来， 达到温度和湿度的相对恒定， 其一般不受季节和外界环境等因素的影响， 自己是一个独立的循环系统。 所以在大棚中需要对各种数据量进行人为的监控，包括温度、湿度等，以保证农作物的正常和快速生长，提高农业产品的产量。 因此，拟开发一种基于PLC控制的农业大棚的温度和湿度自动控制系统， 对大棚中的各项参数进行自动调节及控制输出， 达到稳定的数据效果。

（2）PLC 概 述

PLC 全 称 为 可 编 程 控 制 器 （Programmable Controller），是一种由计算机发展而来专门用于工业控制以及多为逻辑运算工作场合的一种小型的计算机系统，具有较高的稳定性及可靠性。 随着控制技术发展，PLC 将信息采集、信息计算、逻辑输出、通讯网络等所有数据集于一身， 真正的成为了一款工业计算机，受到广大PLC 的客户青睐。 PLC 主要包括：输入、输出、CPU 计算、通讯、电源部分几个大的板块。

1 设计方案分析

1.1 制定方案预期目标

（1）利用温度传感器、湿度传感器检测农业大棚中的温度参数读取到PLC 中；（2） 通过组态王设定农作物生长需要的温度参数、湿度参数写入到PLC 中；（3）PLC 根据反馈的温度、 湿度参数与设定值进行比较得出运算结果；（5） 控制大棚的温度和湿度保持在恒定值；（6） 组态显示与PLC 运行同步， 组态程序记录数据。

1.2 制定设计方案框架结构

根据制定方案预期目标的各项要求， 完成设计系统总体方案如图1 所示。

2 硬件系统设计

2.1 控制器PLC 的选型以及外围电路设计

PLC 硬件的选择主要分为I/O 点数的计算、特殊功能的考虑、供电电源的选择和价格优势。

（1）输入输出（I/O）点数估算。 输入、输出点数的应根据设备选型来确定， 输入根据操作输入的数量来确定， 输出根据控制设备的数量来确定， 在确定了基本数量的输入/输出点后，在此基础上富裕百分之十的数量进行备用。

（2）CPU 计算量的选择。CPU 的计算主要是针对系统中有无除数字量以外的其它变量形式， 尤其是整数形式以及浮点数形式的计算与比较， 因为PLC 属于逻辑控制器一类， 所以对这些非数字量数据的处理能力相对比较弱小， 简单小型的PLC 一般不支持浮点数的运算， 中型PLC 对运算的速度及运算容量有一定的闲置， 运算命令的使用会增加PLC 的系统循环扫描的时间，加重PLC 的工作负担，主要影响是对PLC 的循环周期造成影响，造成控制功能的滞后。

（3）控制功能的选择。控制的功能包括是否有无特殊控制技术，如高速计数，编码器输入灯，若没有符合一般逻辑的PLC 即可。

（4）机型的选择。 包括品牌的选取，国内和国外的PLC 的种类繁多， 再众多的PLC 需根据实际成本来选择一款实用并且实惠的机型。根据对I/O 点数的统计、CPU 的计算容量估算等内容， 拟选用的PLC 控制器为西门子的S7200PLC， 该型号的I/O 点数满足本次设计要求。

2.2 传感器的选型与设计

（1）温度传感器。 PLC 的控制系统中，数字量的输入与输出可以直接引入PLC 本体或者扩展模块的输入与输出接口， 每个数字量都是PLC 的一个端口， 但模拟量的输入需要进行AD 转换，PLC 才能读取得到，所以温度传感器使用模拟量输出形式的传感器， 模拟量输出形式为0--10V 的类型， 选择传感器型号为欧姆龙的ES1B-120C

（2）湿度传感器同样使用使用模拟量形式通过AD转换后进行数据传送。 选择欧姆龙型号：ES2-THB

2.3 低压电器件选择

低压电器在控制系统中主要作为电路的辅助保护使用、输入点的输入、输出点的中转等作用，在本系统设计中主要有以下几种类型。

（1）断路器。低压断路器主要用作电路中主回路系统电源的开关作用， 并且带有过载以及短路功能，断路器使用两种脱扣保护法方式， 一种是热磁脱扣，一种是智能脱扣， 在普通配电系统中使用热磁脱扣作为保护既可。 在驱动电机的主回路以及在额定电压为AC380V 的电源回路中都使用断路器， 选型为施耐德GV2 系列。

（2） 熔断器。 熔断器也是一种短路以及过载的保护， 它使用短路或过载的过程中电流产生的热量来将通电回路的熔体进行融化， 从而切断回路。 在接触器的控制回路中使用熔断器作为小型继电器的保护措施，熔断器型号为RT45。

（3）交流接触器。交流接触器的作用为工作元件的通断控制， 尤其在大负载的时候接通时伴有大电流的通过， 如电机的启动冲击电流， 接触器的触电经过特殊材质的处理， 可以承受瞬间大电流的产生。 在电机控制回路中使用接触器作为电机的控制。 接触器型号为施耐德LC1-D09M7C。

（4） 控制按钮。 控制按钮主要用于系统的操作输入，以及故障复位等。

2.4 通信部分

通讯设定使用S7200 的PPI 通讯模式，通讯方式选择RS232，同样也可以使用通用的485 通讯协议，其原理基本一样都是基于串口的一种通讯方式， 计算机通讯端口为COM 口， 现代的电脑一般没有COM 口的硬件设定，可以使用USB 转换为对应COM 口，不过需要安装驱动软件进行转换。

2.5 执行原件控制回路

PLC 输出端控制为小型继电器， 电压等级为DC24V， 控制电机的主接触器的电压为AC220V， 设计系统使用小型继电器作为控制电机主接触器， 系统所有接触器的控制回路上增设断路器作为电路短路及过流的保护。 此电路部分还包括控制电源的设计， 由一单独的接触器进行控制， 当控制电源接通， 控制电源接触器KA1 接通并且保持，通后其它回路的接触器方可以有电源进行输出， 当系统有事故发生的时候可按下紧急停止按钮KA0，控制电源接触器断开，同时切断所有输出接触器的电源，以保护系统的安全。

3 组态仿真

3.1 组态王介绍

组态王kingview6.55 是一款基于计算机控制系统的组态软件， 可以安装在普通的计算机系统上作为上位机进行使用， 可以和各种PLC 以及支持通讯的设备进行联机。 在界面编辑中， 为开发者准备了大量的图形库资料以及功能元器件选择， 如果还是不能满足对画面质量以及丰富性的要求， 还可以增加外部设备的图片以及动画等内容。

3.2 组态王程序设计流程

组态王程序的建立主要通过数据词典和显示画面两大部分组成， 配合完整的通讯设置既可完成一个组态通讯的工程。

（1）建立组态工程。 首先建立工程项目，项目类型有新建工程和模板工程两种， 新建工程为未经处理的空白工程， 需要用户从头开发， 模板工程已经对工程做了相应的优化， 用户可以引用模板工程生成新的工程，在新工程基础上进行修改，从而缩短了开发工期。

（3）定义数据库。 在数据库组态中新建数据点，建立数据点的时候需输入数据点的名称、 选择数据点的类型、 定义数据的范围等内容， 然后将数据点与已经组态的I/O 设备进行关联。

4 结束语

本文设计的农业大棚温湿度监测控制系统是通过各种器件联合使用的基础上设计而成的， 只有充分了解和掌握有关PLC、组态集散控制系统、温湿度传感器及其各部分之间的关系才能完成设计， 具备高性能、速度快特点。 另外， 本次系统设计研究也存在一些需要改进的问题， 比如环境监测的范围有限， 如大棚空间过大的就会出现监测数据不及时等问题。 后期有待完善的地方， 比如加入多个温湿度传感器分布在农业大棚的各个角落， 通过这样就能实现对大棚各个角落的数据精准采集。