基于PLC的温室环境控制系统的研究应用

兴宁市技工学校 林益宏 赖亦环

一、引言

温室种植是我国推进现代化农业过程中极其重要的一环，利用温室人为改善种植环境，使经济作物的种植摆脱温度、湿度、季节、地域等的限制，实现作物产量的提升，满足人民日益增长的经济生活需求，具有重要意义和研究价值。

目前我国温室环境监控领域，仍大量使用最原始的人工监控；农户根据温室大棚内的温湿度计，对照作物适宜的生长环境进行人工调节；人工调节往往具有时延性，且常常矫枉过正，控制精度较低，实时性差；而在西方发达国家，温室环境智能控制系统的应用已十分成熟，其中以美国、荷兰、日本等国为代表，其产品可监控温室运行状况，设置控制参数以实现对环境的调控，且做到了较高的控制精度和稳定性；但国外公司的产品价格昂贵，且汉化功能不完整，对农户使用操作的要求较高，不适宜在国内大幅推广。

因此，本文拟设计一款基于PLC和HMI人机界面的温度环境智能控制系统，以弥补我国在温室环境监控领域的不足，帮助农户和中小村镇农企增产，实现温室大棚的智能化生产管理，推进我国农业自动化进程。

二、温室控制系统整体设计

结合我国中小型农户也村镇农企多的特点，并切合农户的操作习惯，为了实现温室大棚中的空气温湿度、土壤温湿度等关键变量的控制，本文的设计需求为一款操作简单、界面友好、稳定性高、可扩展性强的实时温室环境控制系统，并具有自动运行模式和手动运行模式，具体实现方式如下：

1.空气温度控制

采用加热/风机的方式实现，控制温度；即当温度过高时，开启冷风机进行降温，当温度低于设定温度时，开启暖风机/热光灯进行加温；由系统中传感器获取控制信息，并由PLC发出指令启动/停止，并用闭环控制实现。

2.空气湿度控制

湿度控制采用加湿器/通风的方式实现，调节空气湿度；即当湿度过高时，采取通风措施，打开风机；湿度低时，温室加湿器装置启动，增加湿度；由系统中传感器获取控制信息，并由PLC发出指令启动/停止，并用闭环控制实现。

3.土壤湿度控制

土壤湿度控制使用滴灌装置实现；当土壤湿度过低，启动滴灌装置进行处理；当土壤湿度过高，停止滴灌，让土壤中水分被植被吸收和蒸发，调节土壤湿度。

4.土壤温度控制

当土壤温度传感器检测土壤温度异常时，系统将启动土壤温度控制仪，进行土壤的升温或降温操作，调节土壤温度。

根据要实现的功能，系统主要组成部分包括空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、PLC主控制器、模拟量处理模块、HMI人机界面、温室暖光灯、冷热调温风机、加湿器、滴灌设施等设备组成，系统的总体设计框图如图1所示。

三、控制系统硬件设计

本文所研究的系统是以PLC为控制核心，配备HMI人机界面，并与诸多参数监控的传感器、调节装置一起构成了系统的主体；系统具有自动和手动两种工作模式，模式选择由操作人员通过开关进行切换；系统采用市电220AC供电，经市电进入后分为两路，经过转换开关，分为自动/手动两种工作模式；手动工作模式下，用户直接控制各子功能按键的通断来调控温室环境。自动模式下，手动回路断电，系统进行自动工作状态，由程序逻辑进行判断从而调控温室环境。

图1 系统总体框图

本文中选用的PLC是三菱的PLC-FX2N系列；FX2N系列是三菱公司推出的小型PLC，此型号具有很高的性价比，支持丰富的指令功能，编程开发界面友好，比较符合东方人使用习惯；FX2N系列PLC具有丰富的系统资源和可扩展资源，可满足本系统的使用需求。

本文中需要使用到测量室温的温湿度传感器，我们选用功耗低、测量精度高、可靠性高的模拟量传感器4-20MA；其量程范围可达到-50°C-70°C，在温室环境控制中广泛应用。

本文中需要使用到数组土壤温湿度传感器，主要从来测量单位土壤内所含的水分。在本系统中，选型以模拟量控制的FDR型土壤温度/湿度传感器；其具有很低的功耗，测量精度相对较高、稳定可靠，且其受土壤环境影响较小，适应各种土质。

图2 主程序设计流程图

四、软件与组态设计

1.主程序设计

系统上电后，主控PLC执行程序，循环执行各个子模块监控程序。系统首先进行初始化，对各个点位进行初始状态检测，对寄存器值进行复位。然后程序读取出操作人员预先设置的控制参数，如空气温度上下限、报警值、参数采集频率、监控时间等。初始化后，程序分别依次进入各个控制子程序，进行某个参数的详细控制阶段，由传感器采集实时的参数数据，程序分析后依照差值对参数执行相应的调节。

在系统运行过程中，操作人员可以使用HMI人机界面队PLC中数据寄存器的监控参数数值进行修改，修改后程序会根据用户需求进行调节。

图2所示为系统开发的主程序设计流程图。

2.上位机组态设计

依照本文所需设计的内容，传感器主要检测空气温度/空气湿度/土壤温度/土壤湿度四个变量参数，上位机组态软件综合各参数状态、自动/手动工作模式控制、参数实时曲线、功能开关等界面。

五、结语

利用PLC技术进行温室环境控制，不仅具有很高的可靠性，且对于经济作物的生长具有较好的保障；本文针对温室控制系统这一领域进行了广泛调研，在国内外温室设施的发展成果的基础上，结合我国温室设施的发展现状和农户/中小型村镇农企的温室环境调控实际需求，设计出一款基于PLC和组态软件的温室环境控制系统，具有良好的交互界面，操作简单，在节约能耗的同时提升温控效率，相对于传统温控系统具有较大的优势，可带来可观的经济效益，为广大学者提供了思路。