智能温室监控系统设计

2021-07-30程丽霞

机械工程与自动化 2021年4期

程丽霞

(太原工业学院机械工程系，山西太原 030008)

0 引言

我国人口基数大，农业用地数量紧张，虽然目前已经解决了温饱问题，但吃的健康和安全才是现在人们更为关注的问题。冬季人们对新鲜蔬菜以及其他植物的需求依然很高，但受传统农业的限制，该需求无法得到解决。大棚的出现为缓解此问题提供了较好的条件，但是其效果有限，而智能温室成为更好的选择。国内外的智能温室技术在不断发展，有些发达国家已经实现了智能的现代化温室。虽然我国的智能温室技术也在不断发展，但与国外相比较，在一些关键技术上仍处于较低的水平，普通塑料大棚较为常见，智能温室依然没有得到普及。为了促进我国农业现代化的发展以及满足广大人民的生活需求，研究一套简便而高效的智能温室系统十分必要。本文设计了一种基于PLC的智能温室控制系统，根据智能温室的技术要求，确定了需要检测的温室环境参数与控制方法，利用组态王对温室的监控界面进行了绘制，同时利用仿真软件对基于PLC的梯形图进行了仿真检验，为智能温室的设计提供了一种新的思路。

1 智能温室监控系统总体方案设计

温室为作物的生长创造合适的环境，使它能够摆脱自然环境和气候变化的束缚。智能温室监控系统要能够监控温室内的温度、湿度、光照强度、土壤水分等。结合生产实际，该系统分为自动和手动两种操作方式，这两种操作方式之间可以互相切换。日常生产常使用自动模式，当处于该工作模式时，PLC会根据设置的参数与环境参数进行分析比较，自动决策后使执行元件动作，从而使温室的环境参数满足作物的生长要求。手动控制模式是在需要检测与维护或有特殊情况发生时使用，手动控制模式又分为本地控制和远程控制两种。整个智能温室系统分为检测部分、执行机构部分和监控部分。检测部分主要由各种传感器构成，实现对温室环境因素的自动检测。执行机构包括通风扇、加热器、卷帘电机等，可根据处理器的运算结果通过不同的执行机构动作来实现对温室参数的调控。监控系统包括上位机与PLC，PLC通过检测机构传回的实时数据与上位机进行通讯，完成自动调整相应信息的过程。该系统主要包括启动与停止按钮、模式转换开关、传感器、执行元件、状态指示灯、各类限位开关等。当温室在初始状态下，各执行元件处于不工作状态，遮光帘关闭，保温层关闭；通过手动控制与自动控制选择开关确定工作模式，如果选择自动模式，按下启动按钮后，温室进入自动运行模式，各执行元件自动工作，对应的状态指示灯显示工作状态，按下停止按钮时，整个系统停止工作。

2 温室监控系统的硬件设计

在作物的生长过程中，有许多因素都对其有较大的影响，但在智能控制过程中，并不能对所有的影响因素都进行检测和控制，因此选择主要的影响因素作为检测对象，并选择适合于整个系统使用的检测器件。温室系统内部的环境参数主要有空气温度、空气湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温度和土壤湿度等，根据这些检测参数确定相应的传感器。最终确定了检测空气温度和湿度的传感器型号为SHT75,它通过与模数转换器相连，将检测的模拟量信号转换为数字信号并存入存储器中，并对测量的数据进行校准，提高了检测精度与速率。光照传感器选择了型号为TSL230的传感器，它可以将光信号转换为电流信号，该传感器具有三个量程，可以根据使用场合来选择合适的档位，电流输出范围为4 mA～20 mA。检测二氧化碳浓度的传感器选择的型号为RS-CO2，其性能优良，具有灵敏的检测元件，整体密封好，能够在高温高湿度的场合工作，同时具有较高的可靠性[1]。检测土壤湿度的传感器选择的型号为ZKYC-8FF,其密封性好，可直接埋入土壤中使用，且耐腐蚀，测量精度高，响应速度快。

当温室内的温度高于实际生产需求时需采取降温措施，主要方式为通风与遮阳；当温室内的温度低于实际生产需求时需采取保温措施。温室环境中湿度高于作物生长所需，可通过通风来解决；当温室中环境湿度低于所需值，则通过运作湿水帘来加湿。当夜晚等光照强度不足时，需要通过补光灯给作物补光。当环境中二氧化碳浓度低于需求值时，可采取通风与二氧化碳发生器来补充。为了使温室中温湿度等参数分布均匀，还需在室内采用循环机构。这些执行元件并非独立运行，单一元件动作时会对其他环境因素产生影响，所以使各执行元件相互协作共同运作，从而为作物创造适宜的生长环境。在温室系统的电路设计中，部分执行元件采用了启停电路，如暖风机、补光灯、通风机和二氧化碳发生器等；另外一些执行元件采用了正反转电路，如遮阳帘和保温层。启动这种执行元件，到达一定位置后会触发限位开关停止动作，当启动反转按钮后，执行元件反向动作，到达一定位置后停止。

3 温室监控系统的软件设计

由于PLC具有体积小、可靠性高、方便易用等特点，被用于各种工业生产中[2]。本设计选用了西门子S7-200系列的PLC，型号为CPU226。一个智能温室系统涉及到的输入设备有启动按钮1个、停止按钮1个、急停按钮1个、切换开关1个、限位开关4个、传感器4个(温湿度、二氧化碳、光照、土壤湿度)、手动模式下执行元件开关9个(暖风机、保温层的正反转、遮阳帘的正反转、加湿器、补光灯、通风机、喷淋机)，共计输入21个。系统涉及到的输出设备有24 V继电器7个、启动指示灯1个、停止指示灯1个、设备运行指示灯9个、急停输出1个，共计输出19个。经统计，输入有4个模拟信号、17个数字信号，输出全为数字信号。为了满足输出数量，选择增加数字量混合模块EM223-8;为了满足模拟量的输入，选择增加模拟量输入模块EM231-8。选择的扩展模块大于实际所需，一方面是为了保证系统的稳定性，另一方面是为以后的系统升级预留端口。为了方便编程，需要对输入、输出量进行I/O地址分配，主要输入量和输出量的I/O地址分配分别如表1和表2所示。

表1 输入量I/O地址分配

表2 输出量I/O地址分配

在实现温室智能控制的过程中应满足如下要求：在所有接触器的使用中，系统应具有互锁机制，同时具备自动诊断功能。该系统设有通风系统、加湿器、补光灯、遮阳帘和保温层等。系统开始运行后，采集温室中的主要环境因素，此时各类传感器工作，将收集到的信息转换为模拟量信号，经过处理后，模拟信号从PLC的模拟量扩展模块EM231-8中输入，EM231-8将输入的模拟信号转换成数字信号，PLC将此信号与预设定的范围进行比较，当在设定范围内时，PLC不会控制执行元件动作，当高于或者低于这个设定范围时，PLC将会控制对应的执行元件动作，从而使温室中的主要环境参数达到作物适应生长的范围。温室监控系统工作流程如图1所示。

图1 温室监控系统工作流程

工控组态软件为工程人员提供了一种工具和方法，可以灵活地建立一套工业自动监控系统。组态王软件是我国开发较早的一种组态软件，界面灵活并具有很好的通信功能，主要由工程管理器、工程浏览器和画面运行系统三部分构成[3]。本系统采用的组态软件为组态王6.55，上位机需要完成温室中主要环境参数的实时显示、温室中所有执行元件的当前运行状态显示、手自动切换按钮显示、各主要环境参数的历史曲线显示等。上位机需要与PLC进行连接，首先完成上位机与PLC之间的接线，PLC通过串行接口与上位机进行连接；随后进入组态王软件中进行PLC型号选择，在组态王软件的工程浏览器点击COM1，点击新建设备项，给设备分配正确的地址，从而实现组态王软件与PLC之间的通讯。通过组态王建立的监控画面，能够反映温室系统中各环境参数的设定值及实时数据、各执行元件当前的运行状态、手动模式与自动模式的切换等。为了实现温室系统的远程操作，设置了手动模式与自动模式，操作人员不仅可以在现场操作，还可在控制室进行远程操作，两种操作模式可以互相切换。智能温室监控系统主界面如图2所示。

图2 智能温室监控系统主界面

4 温室监控系统的模拟仿真

在系统设计完成后，采用S7-200的仿真软件对PLC程序系统图进行仿真。在仿真软件中，选择型号为S7-200CPU226的PLC，拓展模块选择EM223的数字量模块与EM231的模拟量模块[4]。将编译好的梯形图载入到模拟PLC中，点击运行程序，监控各I/O端口的运行状况是否与设计意图一致，监控系统的仿真界面如图3所示。当按下启动按钮，梯形图监控中M0.0中间继电器导通，同时Q0.0得电，启动指示灯点亮，按下SB2整个系统停止工作，Q0.1点亮，停止指示灯亮。系统默认的工作模式为自动模式，旋转转换开关SB4后，监控画面中I0.3导通，M0.1导通，切换为手动运行模式。在手动模式下，拨动通风机开关SB9，监控画面中I1.4得电，M0.6得电，通风机工作。暖风机、加湿器、补光灯、喷淋器的启停方式与此类似。手动模式下，按下遮阳网正转按钮SB5，监控画面中I0.4得电，M0.2得电后同时自锁，运行到限位开关SQ1(手动拨动开关模拟)后I0.6断开，M0.2失电，遮阳网停止。按下遮阳网反转按钮SB6，监控画面中I0.5得电，M0.3得电后同时自锁，运行到限位开关SQ2(手动拨动开关模拟)后I0.7断开，M0.3失电，遮阳网停止。将手动模式切换为自动模式后，监控画面中M0.1失电，系统转为自动运行模式，手动输入模拟温度高于设定值30 ℃后(模拟量电压为1.5 V)，比较器得电，M1.3得电，通风机工作。低于设定值20 ℃后(模拟量电压为1 V),暖风机工作。当按下急停按钮SB3后，监控画面中所有输出失电，I0.2得电，M2.5得电后同时自锁，蜂鸣器Q1.6与警示灯Q0.2得电后工作。按下停止按钮后，监控画面中I0.1断开，蜂鸣器Q1.6与警示灯Q0.2熄灭。仿真结果表明该系统能够模拟温室的运行情况，验证了所编程序的正确性。