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基于PLC的智能蔬菜大棚控制系统设计简述

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  【摘  要】本文对智能蔬菜大棚控制的应用需求,提出基于PLC的智能蔬菜大棚控制系统,详细阐述智能蔬菜大棚控制系统的组成结构及各功能部件的功能和实现方法。重点研究并实现智能蔬菜大棚控制系统中的无线通信系统的设计和基于PLC的机动控制系统的设计。通过对智能蔬菜大棚控制系统中的关键部分的设计与实现,有效地解决构建智能蔬菜大棚控制系统中的核心关键问题。
  【关键词】蔬菜大棚;智能;控制系统设计;PLC
  一、智能蔬菜大棚概述
  智能温室大棚是农业物联网的一个重要应用领域,是以全面感知、可靠传输和智能处理等物联网技术为支撑和手段,以温室大棚的自动化生产、最优化控制、智能化管理为主要目标的农业物联网的具体应用领域,也是目前应用需求最为迫切的领域之一。温室大棚以日光温室为主,温室结构简易,环境控制能力低。我国温室大棚的技术装备尽管有了较大发展,但是温室大棚种植普遍存在管理粗放、技术设施落实不到位、智能化水平低,导致单位生产效率低、投入产出比不高、农业产品质量安全水平起伏较大的现状,在温室环境、栽培管理技术、生物技术、人工智能技术、网络信息技术等方面和发达国家存在着较大差距。我国建设在南方的大型智能温室以生产花卉为主,北方的则以栽培蔬菜为主,少部分智能温室用于栽培苗木。
  二、温度、湿度控制系统基本工作原理
   适合作物生长需求的温度、湿度环境是对温室大棚实现智能化控制的关键。为了避免设计的复杂化,增加农业生产者的投资成本,本系统的核心原理是利用传感器,对温室大棚温度、湿度采集检测参数,并对参数进行模数转换,和PLC存储的参数进行比较,由PLC根据比较的结果对执行操作机构发出相应的指令,进行温度、湿度的控制,以达到控制温室大棚温湿度控制的智能化。温度传感器湿度传感器传感变送器模数转换器PLC输出继电器保温被遮阳网天窗侧窗水帘散热片通风机。
  三、智能温室大棚的环境控制装置和控制方案
   1.系统硬件结构
   智能温室大棚的环境控制系统就是依据室内外装设的温湿度传感器、光照传感器、风速传感器等采集或观测的温室内外的温度、湿度、光照强度、风速等环境参数信息。通过控制设备对温室大棚环境进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要,为作物的生长发育提供最适宜的生态环境,以大幅度提高作物的产量和品质。
  2.系统控制方案
   智能温室大棚的环境控制系统采用自动与手动互相切换控制两种方式来实现对温室的自动控制,提高设备运动的可靠性。在运行的时候可以通过按钮对这两种控制方式进行切换,用模拟传感器采集现场的温湿度、光照度、风速和风向等环境因子数据以及用行程、限位开关检测控制系统的开关状态,采集到的数据和状态送PLC相应的寄存器保存以备利用。
   (1)自动控制模式
  采用PLC通过传感器对环境参数进行检测,并对其设定上限值和下限值,当检测到某一值超过设定值,便发出信号自动对驱动设备进行启动和关闭,从而使温室大棚的环境参数控制在设定的范围内。其运行成本较低,可大大节约劳动力,降低劳动者的劳动强度。
   (2)手动控制模式
  手动控制简单可靠,由继电器、接触器、按钮、限位开关等电气元器件组成。
   根据历史气象数据和气候特点,分析温室的控制对象及其影响因素。由传感器收集的存储在PLC指定数据寄存器中的温度、湿度、光照强度、风速和风向值以及根据生产经验设置的各参数的上下限,决定各输出机构的输出状态。由于各环境参数的耦合关系,某一环控设备的启闭会对多个环境因子产生影响针对这些情况,选取以下相应的措施:①根据时间的不同(季节)、环境参数的重要性不同,设置不同的优先级。在冬季温室环境控制系统中,默认为温度控制优先的原则,在温度条件满足后,再来满足湿度条件。如温度过低、湿度过大的情况下,以加温为主导,只有当温度上升到一定值后,才能通风降湿,另一方面,温度提高本身可以使相对湿度降低。在夏季降温加湿的过程中,采用以湿度优先的原则。当湿度过小时,开启湿帘风机加湿装置。②温度、湿度?用联合控制策略。③考虑意外情况的影响,如湿度低于湿度下限时,使用报警输出的方式由人工操作湿帘设备。光照强度大于光强上限时,打开内外遮阳网。
  四、系统的软件设计
   1.软件的设计要求和主要功能
   根据基本要求和技术要求列出以下几点:①防止接点误动作,利用自锁电路可防止接点误动作。②系统自诊断功能,PLC本身具有此项功能。③风机控制。温室内的风机,能同时启动与停止,当温室内的温度超出预定值时,受PLC的控制先是天窗自动打开,延时5秒后风机启动,再延时5秒后湿帘泵启动,从而温室的温度降低。④天窗控制,温室中设有4个天窗,天窗受电机控制,通过电机限位的设定来控制天窗的行程。⑤系统自动/手动控制,可利用一个开关量作为PLC的输入信号,实现控制程序的转换。⑥湿帘泵控制。⑦遮阳网控制。⑧可扩展性,在PLC中预留一定的存储空间和端口。
   2.控制系统软件设计
   系统中对风扇、天窗、侧窗、环流风机、遮阳幕和湿帘泵的控制是通过PLC发出开关指令,通过交流接触器控制相关机构的启停。由于PLC检测系统具有较高的灵敏度,能够把温室内的扰动快速反应出来,同时由于温室较大的传递滞后,执行机构动作频繁,从而影响使用寿命。为此,在程序中加有时间可调的延时模块,使用时可根据具体情况调整延时,使控制效果达到最佳。利用FPWINGR软件采用梯形图语言编写系统的程序,以温度控制为例。
  3.系统的组态监控软件的设计
   组态软件是可以从可编程控制器以及各种数据采集卡等设备中实时采集数据,然后发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包。本系统中的监控界面采用的是组态王kingview6.55,通过与PLC进行通信,用于远距离温室监控,温室环境数据的不间断连续收集、整理、统计、制图以及温室设备运行状态的在线记录。其主要功能如下:
   (1)远程监视功能。它可以通过通讯线远程监视多座温室的当前状态,包括户外温度、光照强度、风速、风向、雨雪信号、室内温度、室内湿度、控制器温度、独立通风窗的位置和开关状态、内外遮阳帘的位置和开关状态以及风扇、湿帘、微雾、加热器、环流风扇、补光灯、水暖三通阀的状态和多种形式的报警监视。
   (2)数据统计功能。它可以统计任意时刻的户外温度、光照强度、风速、室内温度、室内湿度、C02浓度等全月、全周、全日的和本时段的最大值、最小值和平均值。
   (3)温室设备运行记录功能。它能在线记录各温室设备状态变化时的时间、当前状态和位置、当前目标温度、室内温度、目标湿度和室内湿度,并能打一印输出。
   (4)远程设定功能,可以通过通讯线远程修改可编程控制器的全部设定参数。
   (5)生成曲线图功能,它能以平面图或者立体图的方式同时绘制任意时刻的户外温度、光照强度、风速、目标温度、室内温度、目标湿度、室内湿度、CO2浓度等全年、全月、全周、全日的变化曲线并打印输出。
  结语
  智能蔬菜大棚是现代农业发展的必然趋势,通过研究和設计智能蔬菜大棚中的控制系统,可以快速地实现将传统的蔬菜大棚升级改造为智能蔬菜大棚。选取核心的PLC驱动控制系统和无线通信系统作为智能蔬菜控制系统的核心单元进行分析,并给出详细的设计方案,在结合目前市场一些成熟的传感器单元和机械控制单元,可以快速实现智能蔬菜大棚控制系统。
  参考文献
  [1]吴小伟,史志中,钟志堂.国内温室环境在线控制系统的研究进展[J].农机化研究,2013,(04):1-7+18.
  [2]刘永华.基于PLC与WinCC组态软件的智能温室控制系统设计[J].农业科技与装备,2014,(10):20-22.
  [3]张亚娟,刘寒冰.基于PLC和组态软件的大棚环境监测系统设计[J].计算机测量与控制,2015,(06):1983-1985+1989.
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