基于PLC的温室环境控制系统设计

基于PLC的温室环境控制系统设计

肖可心 ,李桦芃指导老师

（山东协和学院  济南  250107）

摘要：温室技术是一种高新技术，它是以植物或动植物为栽培对象，为提高农作物产量、品质和单位面积产量而进行的一种特殊的栽培方式。为了进一步提高温室内种植作物产量，减少农作物病虫害发生，提高农作物品质和增加经济效益，本文以温室内种植作物的生长环境为研究对象，提出一种基于PLC（可编程控制器）的温室环境控制系统方案。通过对该系统方案进行设计和分析可以对温室内种植作物提供适宜生长条件，使其达到最佳状态，进而提高农作物产量。

1.引言

温室是现代农业中最主要的设施，也是现代农业发展的基础。随着现代农业的发展，温室环境问题已成为研究重点之一。本设计是通过PLC技术在温室控制器中的运用，从总体架构、软件设计、硬件设置等方面探讨控制器的运行模式。通过传感器检测温室中的环境变为电流信号后传入PLC，通过PLC的分析计算来控制通风扇灯、补光灯运转。

2.总体方案设计

 该控制系统的重要监控区域为温室中的温度、照度调节和二氧化碳浓度，通过利用太阳光照度传感器以及二氧化碳浓度传感器等多种环境影响因子进行检测，我们能够对不同环境下的影响因素进行全面评估。实验结果表明，本文所设计的温室控制系统能够实现对大棚内环境参数的自动监测与控制。热风机和冷风机的调节功能是主要用于调节温度的，而发光装置和遮光帘则是主要用于调节光照强度，而二氧化碳控制器则是主要用于补偿二氧化碳浓度。

本型温室传感器系统是指通过在室内外配置的温度传感器、相对湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器等所采集与测量的大棚内的气温、相对湿度、光照强度、二氧化碳浓度和其他植物特性信息，并通过控制器装置对温室通风器、热风机、补光灯、遮阳帘和二氧化碳发生器等装置实施全面系统的控制[10]。对大棚周围环境因素进行调节管理，以适应人类对栽培植物发育和管理的需要，为植物繁殖和生长活动提供更适宜的自然环境，进而改善植物的生长发育效率和特性。

3.硬件选型

3.1 PLC的选型

按照系统的检测条件，可判断控制系统中所需要的所有输入装置和输出装置，并由此判断所有与PLC相关的输入/输出设备，最后判断PLC的I/O数量为16个数字输入，12个数字量输出，以及4个模拟量输入。S7-200可编程逻辑器件是由西门子公司研制开发的一款具有单片机系统的微型可编程控制器件。S7-200系列可编程控制器在DCS中得到了广泛的应用，在这样的情况下，在能够达到该系统的控制要求，同时还能适应未来发展的情况下，选择的S7-200系列的CPU226。

图3-1  S7-200可编程控制器

3.2  温度传感器型号选型

为了满足温室环境作物对温度的要求，我们选择了芬兰维萨拉公司HMD40型号的温度传感器产品，该产品具有简单易安装、稳定可靠等优点,其外观如图3-2所示。

图3-2  HMD40温度传感器实物图

3.3  二氧化碳浓度传感器的选型

    在温室环境中，二氧化碳起着重要作用，当二氧化碳低于设定数值时，为了使农作物处于正常生长状态，打开二氧化碳添加器，以便增加空气中的二氧化碳浓度。如图3-3所示，本文选自的是来自弗加罗公司的TGS4160型二氧化碳传感器，这是一款体积小巧、使用寿命长的传感器。

图3-3  TGS4160传感器实物图

TGS4160传感器的主要测量范围：0～5000ppm；内部热敏电阻(补偿用)：100k Q±5％：使用温度：-10～+50℃使用湿度5～95％RH。

3.4 EM235模拟量输入/输出模块

在控制系统中，传感器将检测到的温度转化为标准电压或电流信号，而系统配置的模拟量输入模块则将这些信号转换为数字信号，并将其传输至PLC进行进一步处理。在实际应用过程当中，系统通常需要根据不同的要求来设置不同类型的模拟量输入输出模块，以满足系统对控制和采集精度的需求[13]。如图3-4所示，在本篇论文中，我们采用西门子EM235作为模拟输入输出模块，以进行深入研究。

图3-4  EM235实物图

3.5光照传感器

光照传感器主要用于温室大棚内光照监测，根据检测数值进行温室内遮阳帘的开启与闭合，补光灯的开启与闭合等。

图3-5  光照传感器实物图

4.硬件设计

4.1系统的I/O分配设计

对于PLC的设计步骤来说，对系统进行I/O分配，是非常重要的一步，为后期的PLC接线图设计和PLC软件程序设计打下了基础。对于煤仓排水控制系统设计，依据系统的功能要求和方案设计，系统的输入部分包括了按钮输入、故障输入、水位开关输入等，输出部分包括了指示灯输出、水泵的启停输出等。具体的分配如下表3-1所示。

表4-1 I/O  分配设计表

4.2系统的PLC电路设计

本次设计中将使用S7-200系列的CPU226，在硬件接线图中如图3-5所示SB2、SB3为系统开关按钮；SB4为遮阳的开关按钮。SQ1、SQ2为遮阳帘电机的限位开关；SB5为通风机，SB6、SB7分别为热风机、冷风机。

图4-1  硬件接线图

图4-2 扩展模块

4.3系统控制电路设计

在其主电路图上，我们可以看到执行机构是由遮阳帘、干燥机、通风风机、加热器、补光灯和二氧化碳发生器等主要组成部分。一般来说，温室的执行机构可以分成二大类:一种是正反转的电器，如遮阳窗帘等，而这种电器同时需要正转、反转和停机；另一类则是开关的机械装置，如热风机、二氧化碳添加器等[14]。

一、正反转设备

遮阳窗帘一般是正反转的设计，和控制电路非常接近，现以遮阳窗帘为例，做以下解释。

（一）遮阳帘主电路

图4-3  遮阳帘主电路

图4-4  遮阳帘控制电路原理图

在其电路中，保险丝FU6是过电流保护，而热继电器FR是电动机的过载保护，用于防止因为外部因素而无法打开或者无法关闭。而KM1和KM2则是控制电动机的正向旋转和反向旋转，也就是开启和关闭窗帘。

5 煤仓排水系统的软件设计

5.1  系统的功能流程设计

本系统采用手动操作和自动操作，手动操作时根据外启动按钮进行手动启动和停止，在自动状态下，由水位开关对其进行自动启动和关闭。当水位超出高水位时，会发出警报输出。如果目前处于低位，则全部停机，如果目前的水平处于中下液位开关位置，则将开启工作泵，一旦发现目前的水位在中上开关位置，两台水泵同时启动运行。如果高水位开关得电，将立即报警输出。系统设计一号集水井和二号集水井流程相同，以一号集水井为例进行说明。具体工作流程如下图5-1所示。

图5-1  一号集水井控制流程图

5.2控制系统的程序设计

一、控制程序启动与停止

图5-2  程序的手/自动切换

如图5-2所示，I0.0为系统的手动与自动切换按钮，I0.1为系统启动按钮，I0.2为停止按钮。按下启动按钮I0.1，Q1.1得电，启动灯亮。当I0.0得电时。当M0.0得电时，系统的运行方式为手动模式。

二、温度控制

图5-3  自动模式下温度控制

如图5-3所示，当M0.0得电时，系统为自动模式。当温度传感器将测量得到的模拟量通过EM235传入PLC中后，将测量的数据与设置的数据进行比较，当温度大于所设置的数值时，M0.2得电，冷风机启动。当温度小于设置的数值时，M0.3得电，加热器启动。

6.结论

本文通过运用西门子S7-200系列PLC软件，设计出了一套高效的温室大棚控制系统。该系统通过温度传感器采集环境参数并传送给上位机监控计算机。该控制系统提供两种任务模式，一种是自动模式，在正常运行状态下运行；另一种是手动模式，用于应对意外情况。

参考文献

[1]杨旭.基于PLC的农业温室模糊控制系统仿真设计与应用[D].安徽农业大学,2018.

[2]胡长增.基于PLC的温室自动化灌溉控制系统设计[D].河北农业大学,2021.

[3]张希康,李泽滔.基于PLC的农业温室智能控制系统设计[J].智能计算机与应用,2021,11(12):171-174+178.