基于PLC的智能温室控制系统设计

金龙国

（青岛职业技术学院，山东 青岛 266555）

我国是农业大国，农业现代化是我国现代化建设的基础与支撑，通过在农业生产中融合运用信息技术手段，能够提高农业生产效率，补齐农村人力资源短板问题，实现我国农业生产由劳动密集型产业向技术密集型产业转型发展。在农业产业中，温室大棚技术广泛应用于蔬菜、水果生产中，可在不适应植物生长的季节提供适宜植物生长人造环境，实现农作物反季节生长和产出。农业现代化建设背景下，温室内空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、光照等农业环境信息和人工条件干预要求不断提高，如何实现温室控制系统自动化监测、控制，是实现农作物优质、高产的重要保障。本文基于S7－226CPU、winccflexible组态和温湿度、光照、CO2浓度传感器等组成智能温室控制系统，可实现温室环境自动化监测与控制。

1 温室总体控制方案设计

由于农作物生长周期对环境的要求具有非线性、时变性等特点，加之温室室内面积较大，环境要素分布不均，农作物生长发育周期内对土壤中水分、无机盐等物质需求不同，因此，温室环境控制需要实现温室环境动态监测与控制。

结合温室控制系统要求，本研究针对影响农作物生长的关键因子进行监控和控制，基于S7－226CPU，模拟量模块选用EM231、温湿度传感器选用HMD40Y传感器、光照传感器选用LC－GZ1传感器、CO2浓度传感器选用DCO2－T8传感器、系统监控界面选用winfccflexible组态系统。控制系统总体方案如图1所示，执行机构为电机、电磁阀，控制对象为遮阳帘、加热器、通风机和水泵等。

图1 控制系统总体方案

根据系统总体设计，该系统由四个部分组成，即温度控制、湿度控制、光照强度控制、CO2控制系统，各控制系统均配置传感器以动态获取温室环境参数，可对参数进行实时监控。当参数达到控制系统中预设参数时，系统自动联动温室内外执行机构，以此实现温室环境自动化控制，满足温室农作物生长环境需求，实现温室环境控制智能化、自动化。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件总体设计

温室大棚控制系统硬件设计包括主电路和控制电路设计，主电路包括多个中间继电器，可实现天窗电机、前后侧窗电机、遮阳帘电机、加湿水泵、CO2等调节。控制电路基于226电路和EM231电路进行设计，226输入端接入行程开关与按钮，输出端接24V中间继电器，可借助中间继电器触点实现主电路交流接触器通断控制。

2.2 主电路设计与PLC电路设计

226为模块－控制器一体化可编程控制器，可借助编程器将用户程序写入存储器内。S7－226PLC控制器具有24路数字量输入和16路数字量输出，可满足温室控制系统自动化控制需求。由于通风窗电机、遮阳帘电机、水泵电机除功率不同外，均配有限位开关，需实现电机正反转和停止功能，因此，其工作电路设计相似。本系统中QK为总开关，执行机构的启闭均由其实现和控制。QF0为总分断器、QF1－QF4为分断路器、FR1－FR4为热继电器，可实现电机过载保护功能。KM1－KM8为交流接触器主触头，主要实现执行机构在启停和电机正反转、停止功能。

PLC控制电路设计时，PLC的I／O地址分配根据实际需求制定I／O地址分配表。EM231与传感器接口电路如图2所示。

图2 EM231与传感器接口电路

根据系统主电路设计思路，执行机构可分为正反转电机和开关控制设备，正反转电机如遮阳帘、水泵等，此类电机需实现正反转和停止功能，应配置限位开关。开关控制设备包括冷风机、通风机等。

遮阳帘为正反转设备，该设备设计时，K1为自动、手动切换开关。自动控制状态下，中间接触器KM15通电时遮阳帘开启，中间接触器KM16通电时遮阳帘闭合。在手动状态下，按下SB1按钮，接触器KM1通电，指示灯L1亮起，KM1常开触点闭合，实现遮阳帘自锁功能，电机正转后带动遮阳帘打开。当遮阳帘开启至限位位置后，触发限位开关SQ1，常闭触点断开，KM1失电，遮阳帘电机停止转动。SB3按钮主要用于急停操作，当按下该按钮后KM1失电（如图3所示）。

图3 遮阳帘控制电路

开关控制设备电路设计时，以通风机为例，K1为手动自动切换开关。在自动控制状态下，由PLC组控制器控制中间接触器KM23通电，常开触点闭合后通风机运行。手动状态下，SB13为启动按钮、SB14为停止按钮。当手动按下SB13时，接触器KM9通电，指示灯L9亮起，KM9常开触点闭合后自锁，通风机运行。当按下SB14时，KM9线圈失电，通风机停止运行（如图4所示）。

图4 通风机控制电路

2.3 传感器选型与控制

（1）传感器选型

本系统中，传感器包括土壤湿度、光照强度、温度和CO2传感器等。土壤湿度传感器选用JX85－3001－TH型土壤湿度传感器，其原理是湿敏电容，当土壤湿度发生变化时，在湿敏电容介质发生变化，传感器将信号传送给PLC，由PLC控制水泵和喷水管喷灌。土壤湿度传感器工作电压12V～24VDC，工作电流50mA，电压输出12V。

光照强度传感器选用FZN－3001－1－GZ数字型传感器，其原理是光敏电阻作为传感器元件，当传感器检测到光照强度变化时，光敏电阻值发生变化，其电压输出不同，当温室环境光照强度较低时，自动开启补光灯，当环境光照强度较大时自动关闭。光照传感器工作电压为12V～24VDC，工作电流50uA，功耗5W。

温度开关选用HS1101数字型湿度传感器，其原理是以双金属片作为感温元件的湿度开关，当温度升高至动作温度值时，开关元件受热产生动作，打开或闭合触点，以此实现电路通断，起到热保护作用。当温度降至设定湿度时自动闭合或断开触点。温度开关传感器工作电压为12V～24VDC，工作电流50uA，电压输出12V。

二氧化碳传感器选用PR－3002－CO2传感器，其原理是采用高灵敏度在气体监测探头，通过检测温室CO2浓度联动储气装置调节CO2浓度。传感器工作电压12V～24VDC，工作电流50uA，电压输出12V。

（2）温度传感器控制逻辑

温室温度控制时，结合温室内植物生长温度控制要求，可将温室温度调节分为温度保持、升温和冷却三种情况。温室外部覆盖保温隔热性能良好的保温层或保温膜，温室内部采用中央供暖方式，实现温室供暖，夏季温度较高且自然通风不能有效冷却时，借助遮阳帘和温室外墙循环水冷却方法实现温室温度控制。当温度调节控制模式为自动控制模式时，检测到温室内温度高于30℃时，通风机和冷风机开启。当温度低于10℃时，通风机反转开启，冷风机关闭。

（3）湿度调节逻辑

温室内湿度控制包括土壤湿度和空气湿度控制两个方面，湿度控制主要实现增湿和干燥两个功能。其中，增湿主要通过喷灌方法调节，除湿主要通过通风除湿方法调节。当土壤湿度传感器检测到土壤干燥系数大于2000时，干燥开关闭合，在喷水管开启。当土壤潮湿系数低于500时，喷水泵停止工作。

（4）温度与湿度耦合

由于温度与湿度存在耦合关系，因此，温度与湿度控制时应根据不同情况调节和控制。如冬季寒冷天气情况下，温度控制优先级高于湿度，当出现这低温高湿情况时，系统应优先实现升温，加速空气中水分挥发。在夏季炎热情况下，湿度调节优先级高于温度。

（5）光照调节与控制

光照强度调节与控制时，本系统采用补光灯、遮光板控制方法实现温室内光照强度调节，即通过控制遮阳帘、补光灯启闭实现光照强度控制。当系统切换至自动控制模式时，光照强度传感器检测到光照强度低于50时，遮阳帘在反转不关闭，并联动启动补光灯。当光照强度超过200时，遮阳帘正转开启，冷风机关闭。

（6）CO2浓度调节与控制

由于温室冬季和春季均为封闭状态，棚内CO2峰谷值差异较大。中午时，温室内农作物进行有机物合成，CO2被农作物吸收，浓度下降。空气中CO2浓度不能满足农作物光合作用要求。当传感器检测到CO2浓度过低时，控制系统自动联动储气装置增加温室内CO2浓度。当CO2浓度调节为自动控制模式、CO2浓度超过2000时，O2储气装置开启。当CO2浓度低于500时，CO2储气装置开启，O2装置停止。

2.4 通信单元设计

本系统中，通信单元采用FS15402 C－NET通信适配器，借助通信转换模块，可将PLC组成多系统通讯网络，以此实现多个温室控制系统自动化控制。通讯单元采用5V直流电电源供电，功率1W，最大通信距离为2km，具备过热保护功能。

3 系统调试

3.1 程序运行调试

本系统运行调试时，采用S7－200仿真软件进行控制程序仿真与调试，该仿真软件支持常用的位触电指令、定时器、计数器等指令，可实现逻辑运算指令、比较指令和常见的数学运算指令，并具备信号输入开关和LED输出显示功能。当设计好温室控制系统运行逻辑后，检查PLC、传感器接线无误后，即可将系统程序导入到软件中。程序调试时，打开仿真软件载入程序，点击启动按钮，仿真软件运行灯亮起，按要求操作输入点，观察输出点输出情况，观察输出灯是否亮起。

本系统中，I0.0为手动自动切换电路，当I0.1＝1时，Q1.1通电，启动灯亮起。当I0.0＝1且I0／2＝1时，中间继电器M0.1通电，系统运行模式切换为手动模式（如图5所示）。

图5 控制系统手动控制模式仿真调试

当系统运行在手动模式时，可通过控制相应的手动操作按钮实现相应设备运行控制。如遮阳帘正转按钮为10.5，其限位开关为10.3，当遮阳帘安正转按钮和限位开关均闭合时，M0.4中间继电器通电，遮阳帘正转。当手动按钮I1.1闭合时，中间继电器M1.2通电，补光灯开启（如图6所示）。

图6 控制系统自动控制仿真调试

系统运行在自动控制模式下时，当I0.0＝1且I0.1＝1，中间继电器 M0.0 通电。当温度超过30℃时，高温开关I1.4闭合，中间继电器M0.2闭合，通风机正转，冷风机开启。

3.2 系统实际运行测试

本系统投入运行后，随机选取温室24h温湿度数据进行分析。测试开始时，起始温度和湿度分别为32℃和52%，当温度和湿度工作设定值设置为22℃和70%时，采样间隔为5min，绘制系统控制曲线，根据温室温度、湿度变化情况可知，当系统启动后，30min左右即可达到设定值，约10min后达到预定值稳定状态（如图7所示），系统控制效果良好。

图7 系统运行中温湿度控制曲线

4 结论

本系统中，基于PLC系统、传感器、执行机构组成温室控制系统，可实现温室温度、湿度、光照、CO2浓度等环境数据的自动化采集、调节，通过采集温室内环境数据并转换为电流信号后传至PLC控制器，PLC控制器根据运行逻辑将环境参数与设定值进行对比、处理，输出执行机构开关量，可实现执行机构运行逻辑、开关闭合的自动化控制。系统运行情况表明，该系统能够实现温室内特定环境因素数据的动态采集和有效控制，较好满足了温室农作物对生长环境的要求。