基于PLC的温室智能控制系统研究开发

王治军，李浙昆，韩子伟，王远富，杨 涛

(昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650500)

温室自动控制系统，主要在农业温室、农业特定作物环境控制、实验型作物温室中得到广泛应用。在温室中主要起环境自动控制的作用，可控环境因素有风向、风速、温度、湿度、光照、气压、雨量、太阳辐射量、太阳紫外线、土壤温湿度等［1］。一般国内外所研制的温室自能控制系统是根据温室植物在生长周期中，某一时期所需的最适宜农业环境因素，来自动控制开窗、卷膜、风机湿帘、生物补光、灌溉施肥等环境控制设备，以控制温室内环境，达到植物所适合的较优生长环境［2］。

温室农业就是能够按人们的控制进行发展的农业，这种农业能够降低外界自然因素的影响，改变传统农业模式，提高农业生产效率。温室的通俗理解就是人工构建农作物生长的适宜环境。随着计算机技术的飞速发展，温室自动控制也应时代的变化得到快速的发展，特别是对单个环境因子自动控制、全温室的自动控制和自动管理都得到了改进。

我国温室技术主要的特点如下:①在分布上，我国温室集中在北方，主要是在东北、华北等地区。②在结构上，我国的温室结构主要是塑料温室和塑料大棚温室，并且因地制宜地采用温室结构材料，但是大部分都是结构简单的温室，以日光温室为主。③在控制和管理上，我国的温室呈现出自动化水平低、系统结构复杂、难以操作等特点，虽然就这些问题进行了一些研究，但只是在小范围内进行的，没有达到整体化水平的提高。

笔者采用PLC为控制器设计了一种温室智能控制系统，为以后温室智能控制设备扩展打下一定基础，同时可配合其他温室内智能控制设备，为温室整体运行提供了一项必要条件。

1 上位机系统的开发

1.1 上位机系统的设计方案［3］智能温室控制系统的上位机系统采用的控制方式为欧姆龙和组态王在PC机上进行连接，其中远程控制系统界面、报警系统主机操作界面、趋势曲线显示画面、报表系统界面及远程监控画面共同构成了组态王监控系统。在对温室内环境进行控制的过程中，借助远程监控界面，用户能够在监控室内掌握多种设备的运行状况，根据需要采取相应的停止或启动措施，并在远程控制系统主机图像界面下实现对系统的自动或手动切换功能，发挥远程控制的作用。在报警系统的实时监控下，可以提醒用户对超过参数设置值的一些环境因子进行调节，保证各项环境因子保持在合理范围。此外，利用历史数据输出表、日报表及实时报表，可以更加清楚地了解温室环境在过去或当前时刻的各项数据信息，为分析和决策提供数据参考，有利于达到温室环境控制方案的最优化［4］。

1.2 温室系统上位机软件设计 温室系统上位机的控制和监视系统包括组态王、PC机，一方面保证了系统具备数据查询/处理、环境参数储存、参数控制、数据/曲线显示、通讯及系统控制等功能，另一方面也符合上位机的控制条件。

智能温室控制系统的主设计画面由登录、远程控制、历史曲线、报警系统、实时曲线、日报表和退出等操作按钮共同构成，便于用户更加清楚、直观地进行操作。运行智能控制系统的过程中，登录系统进入控制界面后，可以根据实际需求按下相关操作按钮，对温室环境因子进行查看或操作;为了进一步方便管理，还能够对按钮功能权限进行划分，由特定的工作人员进入相应的操作界面。智能温室群控系统的人机交互界面见图1。

2 FX2N系列PLC的测量模块

2.1 测量模块 FX2N系列PLC能够测量温度的功能模块主要有FX2N－4AD－PT。FX2N－4AD－PT能够输入4通道的铂电阻温度传感器进行测量，并具有数/模转换功能，是具备显示、输入与测量功能的模块。

2.2 工作原理 FX2N－4AD－PT的工作原理如图2所示。模块经过电缆能够与扩展单元或者基本单元连接起来，并经过PLC的TO/FROM命令，完成模块与PLC之间的命令和数字量的传输。

在使用4通道的铂电阻温度传感器进行测量时，从CH1～CH4输入端输入模拟量，并通过PLC通道对复用器进行控制，可以选取需要进行数/模转换的输入通道，选定的输入被送入模块的数/模转换器中，并转换为12位数字量。

在FX2N－4AD－PT模块内部，经过数/模转换器的数字量被传送到模块CPU的缓冲存储器(BFM)中寄存，CPU数据总线与数/模转换器之间采取了采用了光隔离的技术。

PLC能够采取FROM命令对CPU缓存中的数据作相应的读取，或者采取TO命令将命令或者数据写入CPU的缓存中。

2.3 主控制电路I/O连接图的实现［5－6］根据各I/O端口的分配可以得到系统控制电气柜的主控制回路及各设备部件安排，如图3所示。

由图3可知，系统整体接入380 V三相电压，因为遮阳设备电机为三相电源启动，电机正转/反转是通过改变两根电线的接线达成，所以直接将电机配合继电器KM1、KM2与三相电源相连接，同理可以确定空调开关的接线。实际控制中由于继电器开关电流较大，PLC直接控制继电器容易损坏输出端口，因此在KM1、KM2外再加一个接触器来控制继电器开关。类似湿帘风机和地热采暖系统，它们自生启动电压为DC直流电源，接入一个变压器后控制其运作。控制回路经变压器变压后，可内接控制按钮到控制面板上实现手动控制，控制器电源是为了配合FX2N－4AD－PT的使用，经变压后变为24V控制电源。

2.4 PLC编程［7］该研究仅对温度测量控制部分进行编程操作:通过FX2N－4AD－PT模块对4通道的温度作相应的测量，并且需要将通道1～4的平均温度值，分别读入到PLC数据寄存器D0～D3中，通过的采样次数为4次，并最终求的D0～D3的整体平均温度值，存入D20中。

测量时需要检查模块的ID号，在ID正确时才能输入温度测量值，否则当模块错误时，将PLC内部继电器M30的状态置“1”，系统报警。

根据需要，设计的PLC程序如图4所示。

3 结语

我国对温室控制系统的研究相对落后，而智能温室控制系统的研发对我国农业生产方式的集约化和高效化发展有着非常重要的意义。基于温室环境多变量控制关系及系统理论，在欧姆龙PLC下位机和上位机的人机交互模式下，能够有效地弥补传统温室控制系统的不足，实现了环境因素采集、判断分析、数据初始化及控制输出的自动化，完善了数据记录、远程控制和环境因素控制等功能，达到温室控制系统的要求。

［1］陈杰，杨祥龙，周胜军.中国设施园艺研究现状与发展趋势［J］.中国农学通报，2005，21(1):236 －238.

［2］姜云超，王三反.青藏高原生态大棚温度环境的仿真研究［J］.西北农林科技大学学报，2004，32(5):92 －96.

［3］蔡自兴，徐光祐.人工自能及其应用［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［4］吴肖龙，柯建宏，姚然，等.温室土壤湿度的模糊控制系统研究［J］.安徽农业科学，2014，42(30):10798 －10800.

［5］杜尚丰，孙明，董乔雪.智能控制理论与应用［M］.北京:中国农业大学出版社，2005.

［6］郭俊，刘畅，姚峰林，等.基于PLC温控系统的PID控制器的实现［J］.机械工程与自动化，2005，130(3):31 －32.

［7］郭洪源，许维胜，余有灵.基于MATLAB GUI的汽车外灯控制系统演示模型［J］.计算机应用与软件，2012，29(2):187－189.