基于西门子PLC的智能温室控制系统设计

基于西门子PLC的智能温室控制系统设计

孟良   韩渴望

江苏省常州技师学院  江苏常州  213000

摘要：随着国民经济快速增长以及人们生活水平的不断提高，传统的农业生产方式已经难以满足人们对高品质生活的需求。传统温室大棚只提供温度控制作用，无法有效监测和调控光照、温度、土壤湿度、CO2浓度等关键温室环境因素。为了适应现代农业的需求，智能温室大棚控制系统应运而生，其将温室大棚与信息技术相融合，利用温室的气候调控和隔离功能，实现了智能化和自动化的农业生产。基于此，本研究探讨基于西门子PLC的智能温室控制系统的设计，以满足现代农业的需求。

关键词：西门子PLC；智能温室控制系统；系统设计

引言

由于温室内各种因素如温度、光照、湿度以及二氧化碳浓度的综合影响，传统方法难以保持温室系统的理想静态和动态特性，因此为了实现这一目标，必须引入PLC自动控制程序，以实现对整个温室的智能化管理。智能温室系统是我国近年来发展起来的一项节能农业技术。与传统的温室相比，这种智能温室系统能够更精确地监控室内环境，并具备智能化特性，从而显著降低了劳动力和材料成本，同时也大幅减少了管理和控制费用。

一、智能温室环境控制要求及总体设计方案

由于作物的生长过程具有非线性和时变性等特征，加上温室内部空间广阔，周围环境因素不均匀，因此在作物生长过程中，对土壤中的水分和无机盐等物质的需求也会发生变化。因此，为了实时监测和管理温室环境，必须对温室内的环境进行持续监控[1]。

在智能温室控制系统的设计中，本研究采用了以下总体设计：系统由上位机和下位机共同构成，上位机以计算机为核心，而下位机采用了西门子PLC。下位机的主要任务是对温室环境进行复杂的控制，包括监控各种因素，并将其与作物需求相匹配，特别是对温度指标的科学管理。在实际控制过程中，使用专门的传感器来检测温度、CO2浓度等不同的影响因素，这些传感器将实时数据转换为模拟信号，然后通过EM231模块将其转换为数字信号并进行临时存储。接着，系统将这些数据与预设值进行比较，并进行复杂计算，最终生成控制信号，用于控制各部分功能设备，实现温室环境的加热、通风、冷却等操作，从而实现对温室环境的智能控制。这确保了作物可以在稳定的室内环境中生长，不受外部温度和光照的影响。至于上位机，通常通过串行通信方式读取和统计温室内部的数据，并集中显示、编辑和存储这些数据。这使操作员能够直观地了解每个温室的环境状况，并可以使用计算机输出操作命令，以控制下位机，实现对温室环境的控制。

图1 控制系统总体方案

二、智能温室控制系统硬件设计

西门子PLC外部接线硬件设计是根据智能大棚控制系统的具体功能需求而设计的。首先要进行PLC的I/O地址配置，然后设计CPU的外部接线，通过与相应传感器连接，收集大棚控制系统的环境信号和信息。PLC程序的辅助下，输出端能够有序地控制相应的接触器，从而实现对温室智能系统中各种设备的精确控制。为了确保温室大棚环境的舒适和稳定，温室内需要设置喷灌设备、光照设备等。在数据采集方面，由于传感器通常以模拟方式输出信号，必须对它们进行数据采集，然后通过模数转换（A/D）将其输入到PLC系统中。本系统所采用的模拟量输入模块是EM231，其主要功能是将模拟信号转换为PLC可处理的数字信号。

在信息采集系统的硬件设计方面，包括温度传感器、湿度传感器、光照度传感器等传感器[2]。首先，针对温室大棚的温度传感器控制逻辑。为了满足温室内作物对温度的需求，本研究将温度调控划分为三种状态：保持恒温、升温和降温。外部温室覆盖了具有出色保温性能的保温层或保温膜，并采用中央采暖系统来保持温室内温度。夏季时，由于高温天气和自然通风无法有效降温，可以利用遮阳帘和外墙循环水冷却来控制温室温度。在温度控制的自动控制模式下，如果温室内温度超过30摄氏度，将打开通风和制冷风扇。当温度降至10摄氏度以下时，风扇反向运行，制冷风扇关闭。其次，湿度传感器的逻辑。在温室中，需要调控土壤湿度和空气湿度。湿度控制器执行两项工作：增湿和除湿。在干燥条件下，主要使用喷水系统来增湿，而在湿度过高时，通风和除湿用于降低湿度。如果土壤湿度传感器检测到土壤干燥系数超过2000，将关闭除湿装置并打开喷水系统。当土壤湿度系数低于500时，喷水泵将停止运行。最后，光照强度的调节和控制。系统通过补光灯和遮光板来调整温室内部的光照强度。在自动模式下，当光照度传感器检测到亮度低于50时，将翻转遮阳帘而不关闭它，并同时启动补光灯。当光照度达到200以上时，遮阳帘将正向旋转打开，同时关闭制冷风扇。这些硬件和控制逻辑的设计有助于实现温室内环境的精确控制，从而提高作物的生长条件和产量。

三、智能温室控制系统软件设计

智能温室控制系统的软件设计涉及两个主要方面，即上位机软件和下位机软件。在上位机软件的程序开发方面，本研究采用了WinCC Flexible；在下位机软件的程序开发方面，STEP7/Micro/WIN。WinCC Flexible是由西门子公司开发的一款上位机组态软件，其主要作用是监视整个生产流程，特别适用于工业自动化应用。该软件具备自动监测和综合管理功能，可以有效地监控各个方面的生产过程。此外，该系统还提供了多种配置方法和工具，以便用户进行必要的设置和操作。

WinCC Flexible组态软件是一个用于监测和控制系统的功能强大的工具。其主要功能包括：第一，实时监测温室设备状态。WinCC flexible允许用户实时监测温室设备的工作状态，包括CO2浓度、湿度、光照强度等关键信息。这有助于确保温室内的环境处于理想状态。同时该软件还提供了对大棚内各种气象要素数据的查询功能，用户可以随时查看气象要素的实时变化情况，这对于有效决策制定至关重要。第二，用户管理。WinCC flexible支持用户的登录、退出和密码修改。这为用户提供了便捷访问系统的途径，并根据需要实现对系统的控制，以确保温室环境的稳定性。第三，环境参数调整。用户可以轻松地调整系统中的环境参数，例如设定相关参数的最大值和最小值。这有助于确保受控对象始终保持在合适的范围内，以维持稳定的室内环境条件。此外，对于下位机的软件设计，WinCC flexible与西门子STEP7-Micro/WIN4.0结合使用，可用于开发PLC应用程序。通过这一组合，用户可以创建、修改和编辑PLC应用程序，并配置PLC的运行参数，使温室控制系统更加智能化。

结语

基于以上研究，对智能温室控制系统的软硬件进行综合设计，并通过在室内进行仿真实验，成功地实现了其在实际生产中的应用。在实际测试过程中，采用了人工控制和自动控制两种方式，发现智能温室控制系统在这两种方式下都能够正常运行。该系统能够自动采集环境参数，并实时显示与室内温度相关的信息。同时还能够自动记录实时环境信息。因此，在实际应用中将西门子PLC融入温室中的智能化控制系统具有极佳的稳定性和可靠性，是一种非常值得推广和使用的方法。

参考文献：

[1]温俊霞.基于PLC的智能温室控制系统设计[J].科技经济市场,2020(12):20-22.

[2]金龙国.基于PLC的智能温室控制系统设计[J].电气传动自动化,2022,44(03):27-31.