基于触摸屏和PLC的温室大棚控制系统设计

徐惠敏，占玲玲

（衢州学院机械工程学院，浙江 衢州324000）

0 引言

我国是一个农业大国，近年来随着农村城镇化程度的不断提高，农业生产工作也经历了由小到大的模式变化。温室大棚作为一种先进农业生产装备，依据植物的有效生长参数，利用其棚内设置的相关设备创造出最适宜植物生长的气候条件和生存环境，实现农作物在生长过程中自动调控，从而实现农作物最优生长，提高农作物的产量和质量。

1 总体方案设计

某现代花卉种植基地现有的温室大棚技术结构简陋，缺乏配套设施，只能在一定程度上减少人力劳动，且缺乏远程监控系统，需要专业技术人员在旁经常监视观察，生产效率低、生产成本高。芦荟是一种常绿的多肉质植物，具有良好的观赏、药用和食用价值，一直备受人们的喜爱，本次设计的温室大棚控制系统是针对芦荟作为主要培植作物设计的，芦荟温室大棚控制系统以三菱FX3U-48MR的PLC为控制核心，同时配备三菱触摸屏人机界面GT1150-QBBD-C，对温室大棚内的通风机、加热器和遮阳帘等的工作情况，土壤和空气的温度、湿度及二氧化碳浓度等进行控制和监测，温室大棚控制系统的结构框图如图1所示。系统通过对温室环境参数实时采集和处理，自动与设定的芦荟生长环境参数范围值进行比较分析，当实时采集数据低于或高于预设值时，则发出声光报警信号，并通过PLC驱动对应的执行机构，实现温室大棚的自动化控制。

图1 温室大棚控制系统结构框图

为方便温室大棚系统的实时调节控制，提高硬件设备运作的可靠性，本次设计的温室大棚控制系统共设置了自动和手动两种控制模式。自动控制模式是通过现场采集温度、光照度等传感器采集温室内环境数据，将采集数据与设定的芦荟生长参数上下限值进行比较，驱动对应的执行机构运行，进行参数自动调控。手动控制模式则是通过用户手动点击触摸屏控制界面设置的模拟开关，进行手动控制相关执行机构如打开遮阳帘，起动冷风机、起动水泵、打开CO2添加器，打开通风扇等，便于温室控制的系统安装调试或根据不同作物的种植需求进行合理调整。

2 控制系统的硬件设计

2.1 传感器的选择

由于温室大棚的环境因素错综复杂，为了保证所选传感器检测的准确性，传感器必须满足线性度好、灵敏度高、抗干扰能力强并具有一定的防水功能等要求。通常植物只有在环境温度达到其生长温度要求的最低温度以上，植物才开始生长；若环境温度超过其最高温度限制则将停止生长或处于休眠状态。芦荟的最适宜生长的环境温度范围是白天为20～30℃，夜间为14～17℃，低于10℃出现基本停止生长，在低于0℃时，芦荟叶肉将因受冻出现全部萎蔫甚至死亡，选用一体式热电阻温度传感器Pt100检测温度。土壤的湿度控制对植物生长也极其重要，水分过多，易引起烂根。芦荟生长的最适湿度范围为45～85%RH，选用深圳新生代新能源公司生产的土壤水分检测变送器，输出信号为4～20 mA电流信号。

光合作用是植物进行有机物合成并促进自身生长的关键环节，主要涉及光照强度和CO2浓度的检测。芦荟是喜光植物，最适合的光照度为30 000～60 000 Lx，CO2浓度范围为468～676 ppm，可选用性价比极高的JCJ100P型照度变送器和稳定性好的EE82二氧化碳变送器。在土壤、水肥变化较快的温室大棚环境中，传统的采样测土配肥方式耗费时间长，且测量精度受人为因素影响大，土壤肥料的检测可采用SSIOT-SOIL-NPK检测氮、磷、钾含量。

2.2 执行机构的选择

芦荟温室大棚对室内光照度、温度、湿度、CO2浓度、土壤肥料的调整，需要选用合适的执行机构完成。采用安装遮阳帘可以减弱光照度并辅助降低温室内温度，光照不足时可采用补光灯增加光照强度。为确保芦荟在适合的温度和湿度范围内快速生长，采用热风机和加热器对温室大棚进行增温和降湿。CO2的浓度调节则可以采用CO2添加器和通风扇完成，当CO2浓度过低时，采用CO2添加器提高浓度，当CO2浓度过高时，需采用通风扇加强通风，以降低CO2的浓度，使其控制在合适范围之内。为保证提高农业生产中灌溉用水效率，采用雾喷装置和喷灌装置进行节水浇灌，利用小型潜水泵为雾喷装置和喷灌装置提供供水压力，土壤肥料不够时，根据需要添加钾、氮或磷肥，经搅拌电机将肥料搅拌均匀后经喷灌装置进行施肥。

2.3 PLC的选择

PLC在工业生产中应用非常广泛，具有抗干扰能力强、可靠性高、通用性能好、功能完善，使用和维修方便等特点，也适用于温室大棚控制系统的复杂控制需求。本次设计的温室大棚控制系统设有手动控制和自动控制两种模式，自动控制模式需要根据各个传感器采集的参数与预设值进行比较，比较后通过对应的执行机构进行自动调节，要求所选PLC必须具备良好性能。本次设计选用运行速度快、功能完善和集成度高的三菱FX3u-48MR的PLC主控模块，为满足系统模拟量输入需要，再选用2个FX3U-4AD模拟量输入模块组成温室大棚PLC控制系统，控制系统的输入/输出外部接线图如图2所示。

图2 外部接线图

根据芦荟温室大棚控制系统要求，输入元件中开关量设有起动按钮、停止按钮和急停按钮等总控按钮三个和遮阳帘限位开关六个，输入模拟量包括空气湿度和温度检测、土壤温度和湿度检测、CO2浓度检测、光照度检测、土壤肥料检测共七个，输入模拟量需在FX3U-4AD模块完成输入转换。FX3U-4AD模拟量输入模块可选用的模拟值范围可以是DC电压－10 V-10 V，也可以是电流4～20 mA.考虑检测需要，在本设计选用FX3U-4AD的输入模拟量采用4～20 mA电流，该模块通过PLC内部的24 V直流电压直接供电，各个通道分别连接CO2、光照、温度和土壤湿度传感器。输出元件主要有冷风机、通风扇、遮阳帘、喷灌装置等共十八个输出，具体接线如图2所示。手动控制模式中的各个执行机构的手动控制通过触摸屏实现，无需另设实物按钮控制。

3 控制系统的软件设计

芦荟温室大棚的控制系统包括光照度控制、温度和湿度控制、CO2浓度控制和土壤肥料控制等多个模块组成。系统设计要求将传感器采集的各环境参数的实测值与用户给出的上下限设定值进行比较，确定各执行机构的输出状态。但由于植物生长环境各个参数的相互联系、相互作用，即如果改变其中一个参数可能会对其他一些参数数据产生影响。所以在控制某一个参数时必须考虑是否会影响其他参数变化。

温度和湿度控制模块是温室大棚控制的核心控制环节，通过分析芦荟的生长参数特性，了解其生长参数间的相互影响关系。温度和湿度的控制过程中各执行机构间动作过程如图3所示。控制系统运行时，各传感器先初始化，然后采集温度和湿度数据，与事先设定的参数范围值进行比较，若温度过低则要升温，可以采用开启热风机和加热器配合通风扇一起工作，具体可以根据目标设定温度与实际室温的偏差及室温的变化进行控制，持续一段时间后温度值达到预定值，则关闭加热器、热风机和通风扇，湿度的控制过程与温度控制类似。

图3 温度湿度控制模块程序流程图

传感器的数据采集是将现场的温度、湿度等模拟量信号经A/D模块转换后送入PLC.由图2可知空气温度/湿度传感器、土壤温度/湿度传感器的检测信号接入0#模拟量模块FX3U-4AD，模拟量模块将采集检测所得温度和湿度数据进行转换，变换成能被FX3U-48MR主控模块识别的数字信号，存储于PLC的数据寄存器D102～D105中，芦荟温室大棚中的温度和湿度数据采集的PLC控制程序如图4所示。1#模拟量模块FX3U-4AD传感器数据采集过程与0#模拟量模块基本一致。

图4 温度湿度数据采集

光照度控制由光照度传感器采集光照值，针对不同的季节和一天的不同时间段，根据太阳光照度，与设定的目标值进行比较，如果光照度过高，自动打开遮阳帘；如低于设定目标值，则自动关闭遮阳板并采用补光灯进行补光。CO2浓度控制要求CO2浓度高于植物CO2浓度上限，开启通风扇；CO2浓度低于植物CO2浓度下限，开启CO2添加器和通风扇。喷灌控制是通过传感器采集土壤湿度信息与设定值进行对比，如高于设定目标值，则自动关闭灌溉水泵电机，如低于设定目标值，则自动启动灌溉水泵。

4 触摸屏监控系统设计

触摸屏界面是用户控制温室大棚有效运作的主要交互通道，界面设计要求在使用过程中用户可以提高控制效率。本次设计选用性价比高的三菱触摸屏GT1150-QBBD-C，该触摸屏可以实现了显示、运算和通讯全方位高速运行。触摸屏的界面设计采用三菱触摸屏用户画面制作软件GT Designer3对温室大棚触摸屏控制界面进行设计。

由于温室大棚系统需要对温度、湿度、光照强度、CO2浓度等多个环境因素进行了检测和控制，在触摸屏界面设计时，需设计总控制、温度/湿度控制、光照度控制、CO2浓度控制等功能模块。各功能模块控制界面按照控制要求分成为手动和自动控制区域。自动控制区域环境参数设有上下限值设置、实测值显示等。手动控制区域设置了热风机、加热器、通风扇、补光灯、遮阳帘、CO2添加器等执行机构的手动控制按钮和工作状态监测。光照强度控制界面和CO2浓度控制界面如图5、6所示，控制区中设有上下限值设置、实测值显示和手动控制按钮和状态显示，右下角设置了手动/自动切换开关，用户可进行控制状态转换，界面中的“返回”按钮是方便用户返回总控制界面，有利于整个系统不同模块之间的快速切换控制。

图5 光照强度控制界面

图6 CO2浓度控制界面

触摸屏操作界面设计完成后，触摸屏画面制作软件GT Designer3下的的模拟器GT Simulator3可以直接连接到GX Works2编程环境下的GX Simulator2中，可以实现触摸屏画面和PLC程序同时进行模拟仿真。打开设计完成的PLC程序和触摸屏程序，选择“模拟开始/停止”，等待参数、程序写入完成，如图7所示。

图7 PLC程序写入

模拟仿真调试除了总控制界面的外，最主要的是针对CO2浓度、光照度、温度/湿度等多个控制模块的模拟仿真。对芦荟温室大棚中CO2浓度调节的仿真过程如图8所示，通过触摸屏画面设置CO2浓度值，当芦荟温室大棚内的CO2浓度偏低时，图中实测D115中的数据小于最低的CO2浓度要求时，在自动控制状态下辅助继电器的常开触点M135闭合，CO2添加器Y015开始工作添加CO2，当CO2浓度达到合适范围后则自动关闭CO2添加器。当CO2浓度偏高时，自动控制状态下辅助继电器的常开触点M137闭合。通风扇Y002开始工作，降低CO2浓度，CO2浓度达到合适范围则自动关闭通风扇，其他控制模块的仿真过程与上述类似。通过触摸屏画面和PLC程序的一起模拟仿真调试，PLC程序的功能和触摸屏的画面均能满足设计要求，确保了控制程序的正确性和控制系统的可靠性，为芦荟的快速生长创造了良好条件，触摸屏的应用提高了芦荟温室大棚系统的控制效率。

图8 CO2浓度调节仿真

5 结论

本次设计采用三菱FX3U-48MR的PLC结合三菱触摸屏GT1150-QBBD-C构建了芦荟温室大棚控制系统，实现了芦荟生长各个环境因数如温度、湿度、CO2浓度等的有效控制，设计的温室调控功能可以最大程度地满足芦荟温室大棚用户需求，为芦荟的高效栽培提供良好环境，具有增加产量、调节生产周期、改善芦荟的品质和提高经济收益优势。该系统操作控制方便，工作稳定性好，对区域农业现代化具有借鉴意义。