基于PLC的温湿度控制系统设计与实现

黄 钞

（四川省蚕丝学校，四川 南充 637000）

我国的温室自动控制相关系统化研究比西方发达国家起步晚。优良的现代温室设计可以提供一个不受外界条件影响的、独立的且最适合农作物生长的环境。在温室内，可以人为控制温湿度、光照强度、时间、水、肥等环境条件，让农作物的生产不再受地域、季节、种植轮次等的限制，可以大幅度提升农业生产率。虽然温室环境自动控制技术在我国的研究中已经有了一些成果，但我国对于在温室系统设计中所使用到的计算机技术、传感器技术以及自动控制技术等掌握的还不够熟练。所以对温湿度环境的设计研究，对于我国农业综合实力的提升有着重要意义。

1 基于PLC的温湿度控制系统设计的基础

1.1 设计目的

在整个温度环境控制系统的设计中，首先要明确设计的目标、对象、要求等。对于一般的农业种植户和中小农业企业而言，只需要一个简单的操作系统，可以实现高控制精度、功能种类多、可以扩展以及操作方便即可。最好可以通过PLC技术控制传感器、算数逻辑、通用电气设备、触摸屏等，实现对温室环境参数的整体控制。

1.2 控制措施的选择

为满足对温室大棚内的土壤湿度、空气温湿度、光照强度等环境因素的智能调控，在选择控制措施时，就要挑选符合这些环境因素的措施，同时对成本上进行二次考虑。

1.2.1 土壤湿度控制措施

滴、喷灌是最常见的控制土壤湿度的方法。根据大棚内作物的实际种植方法，综合考虑对农作物采用滴灌或喷灌。对于种植同一种作物的大棚，也可以采用滴灌喷灌组合的方法控制土壤湿度，并可以通过PLC系统扩展输入输出以及对程序进行实时修改。

1.2.2 空气温湿度控制措施

对空气温湿度的控制可以通过通风与加温、喷灌组合的方式实现，温度高或者湿度高时通过排风的方式，对大棚进行降温、降湿处理，通风设备可选择普通风机、冷风机等。温度低时，利用加温设备进行升温处理，加温设备可选择大棚加热灯、暖风机、锅炉等加热设备，具体选择应根据实际情况确定。而空气湿度低时，则采用喷灌的方法，提高空气湿度。

1.2.3 光照强度控制措施

通常利用红色和蓝色LED补光灯实现。红色灯和蓝色灯的配比间距需要根据当地的光照强度、作物的需求进行科学设计与安装。

1.3 系统功能与结构

整个控制系统主体是PLC系统，通过空气温湿度、光照强度、土壤湿度传感器提供温室环境的相关参数信息。PLC可编程控制器、触摸屏、保温灯、补光灯，风机等设备对温室内的环境因素进行控制和调整。整体系统结构如图1所示。

图1 整体系统结构

该系统可以对温室环境进行自动补光及通风以及自动保温、自动喷滴灌等。并且有自动和手动两种操作模式可选择，在手动模式控制下，拨动开关从而实现补光、滴灌、通风等功能；而在自动模式下，则只需要PLC系统进行自动控制，让温室环境达到设定的温度，湿度以及光照条件等。自动模式通过转换开关可以与手动模式相互切换。自动模式运行时，手动控制默认断开，且用户可以在触摸屏上直接设置对应农作物所需要的生长环境数值，再通过各个传感器测得的实际数据，返回到PLC系统，经过系统对实际参数进行分析后，输出对应的控制信号，从而实现对温室中的温度、湿度、光照强度等环境参数的调节。

2 硬件选择

2.1 基础配件

2.1.1 FX2N-32MR型PLC控制器

PLC控制器的中文名称为可编程逻辑控制器，选用FX2N系列作为系统核心，因为这个型号的PLC控制器性价比高，指令功能全面可以满足预案中各种功能设计的实现。

2.1.2 HMI触摸屏

液晶显示器是一种功耗低的显示器件，它可以很好地与组态软件结合，并且有利于监控系统的运行与日常观测。TPC7062KXLCD显示屏内含有一套低功耗的嵌入式CPU，拥有极其强大的数据处理功能，符合本系统的人机界面运行要求。

2.2 传感器

2.2.1 温湿度传感器

在选择温湿度传感器时，要满足特定温室环境控制设计的需求，同时需要兼顾功耗低、准确性高、易安装以及稳定性强，扩展性好等特点。采用双路模拟量输出的4-20MA型壁挂式温湿度传感器。采集到温室中的温湿度后，通过模拟量块A转换后再传递给PLC。

2.2.2 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器可以测量到土壤容积含水量，土壤湿度传感器频域型与时域型最为常见。经过综合考虑选择频域型，作为本控制系统的土壤湿度传感器，同样采集到的土壤湿度信息需要通过模拟量块转换后，传递给PLC系统。

2.2.3 光照强度传感器

作物的生长大都需要进行光合作用，植物的光合作用需要适当浓度的二氧化碳以及一定的环境温度，并且光照强度要达到一定的强度植物才能顺利生长。将光照强度控制在作物生长需要的范围内，可以增加温室作物的产量。综合成本以及实际情况，本系统选用光敏电阻传感器。光敏电阻传感器是一种将光信号转换为电信号的传感器，该传感器的敏感波长与农作物所需波长较为契合，比较适合进行光照强度的检测。

2.3 调控设备

2.3.1 加热设备

主要验证控制系统能否正常控制加热设备，并对加热设备的增温效果进行评测。

2.3.2 补光设备

补光设备主要补充植物光合作用所需要的红光和蓝光，选用低压12 V 5050型高粱植物生长补光LED灯带，红蓝光比例设为4∶1。

2.3.3 通风设备

为满足降温降湿的要求，选用SF 12025AT型滚珠轴承风扇作为通风设备。风扇框架采用铝合金压铸，防腐蚀性优良，耐高温。

2.3.4 喷滴灌设备

结合温室环境中的实际情况，并考虑成本造价后，采用微型循环潜水泵进行喷灌。

3 系统软件

3.1 PLC程序设计

下位机PLC的编程软件选择GX Developer编程软件支持多种型号，并且程序仿真方便，支持双向编译，虚拟仿真也无需过多操作即可进行，可实时进行程序调试，还可以对实现程序的储存、诊断、打印等多种功能。手动控制指令不进入自动控制板块，通过手动控制信号直接输出并作用于执行机构，只需要考虑各个传感器采集数据的输入即可。由于PLC系统是顺序扫描，利用顺序控制的方法，将整个程序分为两个部分，主程序负责对信息的采集以及应急情况的处理，而副程序主要对每个板块进行管理。在控制程序中，需要设定一个上限值与下限值为极高/极低温度的报警值。

3.1.1 主程序设计

当控制系统处于自动运行状态时，自动控制回路闭合，PLC系统进入正常工作模式。首先系统对各个模块初始化，再读取程序中设置的限定值以及温度参数等，然后再进入对应条件控制的子程序中，对采集到的数值与设定值进行比较并输出判断后得出的执行指令。利用辅助继电器M8000对环境温度、湿度上下限、土壤温湿度设定一个限定值，常见农业大棚设置的温度上限值为45℃，下限一般为10℃、湿度为20%～60%。在初始设定之后，可以通过触摸屏对该数据进行在线修改。主程序设计流程图如图2所示。

图2 PLC程序设计流程图

3.1.2 报警子程序设计

当传感器测得的实际值高于或低于设定上下限值时，报警子程序可以通过PLC功能指令ZCP来判断是否超出设定值，同时对应的警示灯也会同步启动。

3.1.3 温度控制子程序设计

系统通过传感器对当前温室的温度进行测量并利用判断程序进行判定，当温度低于设定的下限值时，即调用控制命令启动加热装置，提高温室的温度。当温度高于设定的上限值时，智能控制加热装置的关闭同时降温装置开启。如果温度处于预设范围内，则继续该循环进行检测直至温湿度超出设定范围。

3.1.4 湿度控制子程序设计

一旦检测到室内湿度高于设定上限值时，便会智能控制通风装置开启，调节温室湿度，相反当室内湿度低于设定下限值时，系统调控喷灌装置打开，提高温室湿度。若湿度当前只处于预设范围内，则继续该循环进行检测直至湿度超出设置范围。

3.2 组态界面设计

3.2.1 组态软件设计

组态软件可以进行数据采集与监视控制，可提供快速自动控制系统的监控功能，并可以应用于多种数据采集以及过程控制领域。根据设计需要以及实际情况，采用北京昆仑通泰的嵌入板组态软件配合TPC7062k触摸屏实现PLC智能温湿度人机交互界面的设计。首先在组态软件中建立温室控制系统工程，TPC类型选择为TPC7062k。然后分别建立空气温湿度监控系统、温湿度曲线以及温湿度历史曲线窗口。

3.2.2 触摸屏设计

触摸屏上需要实现设计手/自动控制状态的切换，将采集到的空气温湿度、土壤湿度、光照强度等在触摸屏上展现出来。设计外部控制按钮的组态对象，设置加热设备、补光设备、风扇以及喷滴灌设备的手动开关，防止电子设备失灵导致的无法控制的情况。

4 结束语

我国作为农业大国，农业生产在国民经济中占据大量份额。随着设施农业技术的不断普及，温室产业发展迅速，特别是温室规模栽培，但设施农业的现代应用技术发展迅速，主要原因是水分、温度、光照等参数的变化，迅速检测到大量的水分、温度、光照等参数并能通过智能技术及时采取有效措施，具有很高的检测效率和推广价值。