基于PLC的智能大棚控制系统设计与研究

韦湛兰 韦红美 杨娟

（百色职业学院 广西百色 533000）

农业种植是我国经济发展的基础，随着科学技术和先进种植手段的不断出现，农作物的反季节种植逐渐得到了实现与推广。目前，人们对反季的瓜果蔬菜存在更多的需求，为了更好地满足人们及市场的需求，反季瓜果蔬菜大棚种植技术逐渐得到广大地区的使用。反季瓜果蔬菜大棚种植中，传统大棚种植模式往往具有很大的局限性，其规模小、生产散乱，且往往以手工方式进行种植和管理，种植和管理过程费时、费力，影响大棚种植成本及经济效益。面对这种情况，针对农业反季种植和生产的科技技术逐渐得到研发，这也对农业的现代化及智能化发展具有重要意义。

在现代化和智能化农业种植中，需要把握好诸多环境因素的影响，其中，温湿度是重要的环境参数。基于此，本文就主要以PLC 技术为基础进行智能化大棚控制系统的研发，PLC技术具有诸多的功能，以此可以提高系统控制性能，且通过各类传感器能够对大棚环境内的各项参数实现有效采集，再以一系列的传输、转化、分析、运算等作用于系统执行器件，从而实现对大棚内环境条件的实时、科学控制。同时，以组态软件以上位的计算机为载体，还可以实现农业种植实践情况的远程监控，且组态网和物联网的云平台连接，以手机客户端APP 就能够对PLC 达到远程控制［1］。此系统具有智能化和自动化的特点，借助人机界面功能实时管理，从而实现了对大棚农业智能化的种植管理，节约种植中的人工成本，并促进大棚种植效益的提升，具有非常重要的推广应用价值。

PLC技术在温室大棚中可实现智能化、模块控制、大数据精确化处理，因此，可选择利用PLC进行温室大棚系统设计。本文基于PLC和MCGS组态技术对智能大棚系统环境参数进行调节、监测，从而为农作物提供合适的生长环境，提高农作物产量，节约人工成本。此系统具有显著的应用价值与特点。首先，其具有精准控制与实时控制的功能。环境检测和控制是其基本目的，通过相应传感器及智能化设备的使用，便于人们对大棚内的农作物生长情况进行及时掌握，进而结合农作物实际情况实现精准控制和管理，还可根据传感器所传递的数据进行操作，因此具有反应及时的优势，为农作物的生长及时营造良好的环境条件。其次，此系统具备远程控制的功能。系统以物联网技术为基础，能够借助计算机远距离对大棚环境实现操控，不但能够促进操作人员工作效率的提升，而且操作人员还能实现对大棚的环境情况进行跨地区监视和掌控。

1 智能大棚系统设计

本系统采用西门子型PLC 为主要控制器，通过传感器检测环境信息，并对检测得到的信息进行处理、转化，传送到PLC中，将实际环境参数与设置参数进行比对，反复控制执行元件，使得实际参数接近设置参数，同时利用MCGS组态软件实现人机交互。该系统的控制通过PLC来实现，借助温湿度的传感器，实现对大棚环境模拟量的实时采集，通过PLC 中模拟量的输入模块，对所采集模拟量实现数字量的转变，并向PLC传输和运算，系统的执行器件主要有卷帘、水泵及加热器等，借助它们对大棚内的环境参数实现实时调节与控制，确保环境条件一直满足合理的要求范围。借助组态软件以上位的计算机还能对农业种植情况实现远程监控效果［2］。此系统具有诸多的功能，主要包括开窗通风、土壤湿度增加、空气温度增加和降低、上位机监控等。

开窗通风方面，主要借助卷帘实现该功能，进而促进大棚湿度的降低。当大棚内的湿度比设定的要求值高时，PLC 会发出控制信号，卷帘电机就会启动和运行；当大棚内的湿度比设定值要低时，则PLC会发出控制信号停止卷帘电机的运行。

土壤湿度增加方面，主要借助水泵来实现。大棚内的土壤湿度比设定的要求值低，此时，PLC会发出控制信号，让水泵启动运行；大棚内的土壤湿度比设定的要求值高时，则PLC会发出控制信号停止水泵运行。

空气温度增加方面，主要借助加热器来实现。大棚内的空气温度比设定的要求值低时，则PLC 会发出控制信号，让加热器启动运行；大棚内的温度比设定的要求值高时，则PLC 会发出控制信号，让加热器中止运行。

空气温度降低方面，主要借助遮阴帘来实现。大棚内的空气温度比设定的要求值高时，则PLC 会发出输出信号，让遮阴帘的电机启动运行。

上位机的监控方面，主要借助监控界面对控制系统的实时运行情况实现监控，且可借助物联网载体对大棚进行远程智能化的监控。

1.1 硬件电路设计

PLC 是一种新型的控制装置，其以继电器及计算机控制为基础，微处理器是其核心部件，从而实现计算机和自动控制等技术功能的集合。西门子系列PLC采用模块化结构，各个模块相互独立，性价比高，在工业控制领域应用广泛。

本系统主控模块设计时，把单片机与各模块集于同一PCB板上进行焊接，而未预留有下载端口，则在对程序调试及下载时，以单片机的最小系统当作程序烧录平台。系统能量来源为电源模块，其对各个元器件提供电源支持，本系统供电选择直流5V 类型的电源。DC端和USB的数据线连接能够获取电量，对整个硬件实现电源提供，且还有自锁开关的设置，将其开关键按下后，就能够接通电源，当再次按下按键后，电源就会断开［3］。

温度传感器为PT100 温度传感器，型号为WZP-035，测量范围是-50～200℃，具有稳定性好、精度高等特点，且其可以完成单总线结构的支持，以一根数据线就能够达到上下行的通信目的。在单总线设计方案中，单片机不用进行I/O 口的设置，诸多数量温度传感器还能够以串联方式使用，从而对多个方位实际温度达到测控。

湿度传感器型号为欧姆龙ES2-HB，测量范围是20%～95%，其和单片机、补偿器等结合使用，对土壤湿度实现自动控制效果。在此传感器中，主要有湿敏电阻、控制模块两个部分，其中，湿敏电阻在土壤内设置，结合土壤内含水量情况，其电阻值会实时变换，控制模块和湿敏电阻相接，实现其阻值状态的获取；而另一端则和单片机端口连接，以检验电平和处理器完成数字化的通信。控制模块内存在阈值调节的开关，以此可以对土壤湿度的检测上下限进行调节。

光照强度传感器型号为GY-302 BH1750，测量范围是1-65535lx，其对光线照射具有很高的灵敏度，没有光照的情况下，则呈现出高电阻的状态。

其中，温度传感器和湿度传感器输出为模拟信号，需要通过PLC 中模拟量输入模块将其转化为数字信号，光照强度传感器输出为数字信号，可直接通过数字量输入模块输入。根据智能大棚各检测模块功能需求，对I/O 地址进行分配，PLC 控制器的输入包括系统启动、停止按钮、各检测模块及执行设备开关，输出包括加热器、冷却设备等执行设备的启动或停止。

1.2 软件设计

本系统设计包括上位机的软件设计和下位机的软件设计。通过上位机MCGS 实现人机交互，可对PLC系统进行控制，从而调节大棚内各环境参数，同时也可以实时接收数据。系统设计界面主要包括三大部分，即功能选择、实时环境参数显示和对环境参数的设置，以及各个执行设备的工作情况。按下开始按钮后，系统开始运行，可对工作模式进行选择［4］。若为手动操作，则需要对各个执行设备通过手操开关来进行控制，用指示灯来指示各执行设备的工作情况。界面设计完成后，还需要保证能够与PLC建立对应关系，这样才能够在触摸屏上观看到监控情况。

下位机软件设计主要是完成PLC 程序设计，采用STEP7 软件进行编程，控制流程通过判断是否达到上下限来对各执行元件进行控制。此部分的软件设计涉及温度控制、光照控制、湿度控制、执行控制等模块。

温度控制模块中，主要以PT100 温度传感器实现串行接口的通信，于数据传输的引脚DQ端和处理器达到上下行的通信目的。

光照控制和湿度控制模块中，主要通过光敏电阻GY-302 BH1750传感器及土壤湿度欧姆龙ES2-HB传感器进行相应数据的采集与控制，且所采集信号为电压信号类型，基于A/D转换器作用，和单片机实现通信目的。

在执行控制模块中，本执行模块设计目的主要用于对光照、温度和土壤湿度的期望值范围控制，有利于环境条件满足作物良好生长的需求。此模块包括温度补偿、湿度补偿、通风补偿和光照补偿等部分，这些部分以所设参数阈值具备自动调控功能，从而对环境实时参数实现控制。此模块软件的设计思路为若所检测参数比所设阈值低或高，系统的开启就会中断，而相应端口所对应执行模块就会开启，在参数符合期望值的要求后，其执行模块就会关闭［5］。

2 智能大棚系统的流程设计

当系统开始工作后，对所有设备进行初始化，主要是为了确保整个系统具备良好的环境，为后续软件的运行和使用提供良好条件。以采集模块对大棚环境内的实时参数实现采集，如光照强度、土壤湿度等都以A/D转换将模拟量实现数字量的转换。对系统设计设置有最佳的期望值参数，即作物最佳的生长环境和条件，监测一段时间后，读取温度、湿度、光照强度传感器数据，对采集的数据对比分析，从而判断目前实际环境参数的合适性。以执行模块对环境参数及期望值进行判断，如：当大棚内温度低于设定的温度下限时，启动加热器，高于设定温度的上限时，启动冷却设备，降低环境温度；当大棚内湿度低于设定湿度的下限时，启动喷灌设备，高于设定湿度的上限时，启动通风设备，使得空气湿度降低；当大棚内光照强度低于设定的光照强度下限时，启动补光设备，光照增强，高于设定的光照强度上限时，启动遮光设备，光照减弱。若最终参数未稳定在给定范围内，则重复此过程；若参数稳定在给定范围内，则系统停止工作［6］。

3 智能大棚系统调试和处理

3.1 软件设备调试和处理

在对此系统的调试和处理中，由于直接在实际的系统中进行调试存在一定的风险，先通过系统仿真的方式对方案的可行性进行检验，其也是对软件的运行状况掌握的有力手段，所以，可利用S7-PLCSIM 仿真软件对程序进行调试。在本次设计方案中的WZP-035 能够在元件库内获取，而GY-302 BH1750 和欧姆龙ES2-HB 等传感器主要以电位器模拟。依据电路图，依次做好元器件的连接、运行、仿真，结合仿真的实际情况，判断方案可行性及软件编写的正确性。在仿真过程中，通过对输入量进行控制，对程序运行状态进行监控，进而不断完善程序［7］。

3.2 硬件设备调试和处理

由于硬件设备过多且线路复杂，可采用抽样检测的方法来对可编程控制系统进行硬件检测，选择某几个硬件系统为检测目标，检测各个元件是否满足要求。例如，将光照强度传感器输出的数据传送到PLC中，电路中可能存在漏电流等情况，使数据不能正常传送，为了防止出现这些问题，可在输入端并联一个电阻，避免漏电流等情况发生对控制系统造成的影响，从而使得系统的硬件设备满足工业要求［8］。此外，还可以采用模拟通电观察的方法，对硬件通电之后，先对各个传感器实际运行情况做好观察，看是否存在元器件的发热现象，一旦出现此类情况，要迅速断电并针对性检查。

液晶屏需要做好对比度的调节，调节到能够对液晶内容清楚显示和观察为止。由于各个传感器都以液晶屏为载体对所检测数据实现实时显示，因此要所有传感器的环境做好模拟。例如，在温度传感器附近进行加热，看其温度值的变化及执行模块实际运行的情况；以强光对光敏电阻照射，看光照强度变化的情况；对湿度传感器进行加湿，看湿度值的变化情况。以此类操作能够有效检查各个传感器的实际运行和工作情况，掌握其补偿措施的实施情况，判断控制系统，能够将环境的参数在期望值要求区域合理控制。

4 结语

本系统通过西门子型PLC与MCGS组态软件实现了对大棚中温湿度、光照强度环境参数的监测和控制，达到了智能养护的目的，有助于农作物生长。该系统适用于多种果蔬的种植，提高了农业自动化，具有良好的应用前景。用西门子S7-200 系列小型化PLC CPU224XP 为本系统的控制核心，以组态王软件KingView6.55 为监控软件，设计一套智能大棚控制系统，实现了大棚自动化种植管理。此控制系统具有良好的人机界面，且自动化水平高，为大棚农业种植的智能化和实时化管理提供了有力支持，进而促进人工成本的节约和大棚种植效益的提升。根据农业未来发展情况来看，以智能化控制系统实现温室大棚种植，将是现代化农业发展重点关注的内容，其能够把人们从传统农业种植工作模式中解放出来，以科技手段的优势提高农业种植水平，还能够实现种植效益及种植质量的提升。