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基于PLC和组态软件的智能温室监控系统设计
摘 要：针对北方的气候特点,把编辑程序控制器和组态软件加入到控制系统中,对温室的温度、湿度、光、水等参数进行自动化控制,实现温室自动化管理监控.利用PLC的可靠性、通用性及组态软件的人机互联通讯功能实现对智能温室的控制,提高温室环境的控制效果,根据客户需求将室内温度、光源、水等因素综合进行协调,达到最佳状态.
关键词：智能温室 PLC 组态软件
中图分类号：S625.3 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）08-0238-02
我国北方很多地区,受到光照、温度、湿度、地理位置等因素的影响,越来越多的农业种植开始广泛使用温室进行种植,智能温室的使用越来越广泛.
一、系统的选择
本文主要通过PLC和组态软件对温室监控系统进行设计.下机位PLC选择的是产自日本三菱公司的FX2N-48MR-001型号,传感器的元件分别为AD590温度传感器、HS1101湿度传感器、MG811 CO2传感器以及GM5516光敏电阻传感器.这四种传感器的选择作为检测温度、湿度、水浓度的元件,采用日本三菱公司的GX Developer软件对其进行软件的程序设计.
上机位组态软件主要选择使用的是北京亚控科技有限公司生产的组态王软件,该软件可以完成系统监控数据的实时显示、各种参数的设置、手动和自动操作系统的切换、用户管理等多种功能.
二、智能温室系统的控制算法研究
1.温室环境的主要特点
温室环境是一个环境系统复杂的大的生态系统,难以建立精确地控制模型系统.因为作物对环境气候的要求不是特别准确,是在一个模糊的界限中,例如作物对于温度的要求不是特别严格,在一天或者一段时间内,作物会生长的很好,所以,对于各种参数并不需要进行精确的控制.计算机控制的对象主要是温室内部的气候环境,它具有以下特点：非线性系统、分布的参数系统、实时变化系统、时间延迟系统、多变耦合系统.
2.智能温室的控制对象的微分方程公式
3.系统设计的总体结构
3.1温室控制系统的设计目的
温度控制系统是安装室内外的温湿度传感器、光照传感器等对室内外的温室湿度、温度、水浓度、光照强弱度进行采集和监测,并将采集和监测到的信息数据通过安装的控制设备对温室进行保温、通风、阳光照射等行动的操控.其核心内容就是能够对温室内各项环境因素的控制,具体的操作过程就是通过保温被、通风窗、遮阳网以及地关灯装置对温室种植的作物进行环境和肥料的灌溉进行合理化的控制调节,让作物更好的生长,其作物提供更加适宜的生长环境,提高所种作物的产量和质量.
3.2温室控制系统的控制模式
控制模式主要根据一天内的时间变化对作物实行温度变化的管理.根据作物将一天分为四个时间段,根据不同时间段的对温度进行不同的调节控制.用户可以自己根据实际情况手动进行调节,或者根据时间进行自定义设置数值,我们要做的就是将环境监控参数调整到设定好的参数范围内.根据季节的变化以及温度的变化对温室内的温度进行调节,已达到温度控制的目的.在智能温室监控系统的设计中,也可以分为手动和自动两种控制模式,其中主要以自动模式为主,手动模式一般在出现特殊情况下才会启动进行操作、且自动监控模式的设计,能最大程度节约劳动成本,促进经济效益的增加.
3.3温室控制系统的方案
该系统主要采用手动控制、自动控制相互切换这两种方式来实现对温室环境的监控.在运行时可通过按钮进行手动、自动的切换,手动控制操作相对来说简单可靠,主要由接触器、按钮开关、纤维开关等电子器件组合而成.自动化的控制系统是利用计算机进行自动控制,通过传感器对监测到的环境数据进行数据设置,当监测数据超过设定数值时就会发出警报,从而对监控系统进行开启和关闭.使温室内部环境一直在设定好的数值范围内.自动化架空管理运行成本低,能节省大量劳动力,降低劳动力的劳动时间,能更合理的对温室内环境进行掌控,是以后温室种植发展的趋势.
3.4温室控制系统的硬件组成
为了实现温室的控制监测系统,建立自动控制系统是关键的一步.通过建立计算机自动监测系统长时间对温室内的环境数据进行采集和监测,实现温室内湿度、温度、光的强弱度等参数长期监测采集.并根据智能温室内部对温度、湿度、光的强弱度等需求,利用自动化设备对天窗、排风扇、遮阳帘等设备进行智能调控.采用计算机上的组态王软件,将数据记录、显示、汇总,自动生成数据库以供日后打印和调取查询.在实现温室调控设备自动化的前提下进行远程监控.因为自动化系统依托的是计算机,会有一定风险,因此,确保整个系统长期有效进行监控,温室控制系统一定要安装手动控制,防止在自动化控制出现问题时可以切换为手动控制,方便灵活使用.
三、基于PLC和组态软件的智能温室监控系统设计
1.智能温室监控系统的功能
首先智能温室监控系统基于PLC和组态软件来说,第一,要先利用相关传感部件将已经检测到的水浓度、温度和湿度以及光照强度等采集到的数据信号传输到主要控制件的可编辑程序控制器当中.第二,可编辑程序控制器依据系统设定完整的控制方案驱动外部器件进行执行动作.第三,通过组态软件的人机对话功能,系统可以在线进行采集执行部件的情况,对系统检测和控制进行实时监控.同时可以对系统出现的异常情况进行报警预设.温室系统监控设计流程图如图一所示.
2.智能温室监控系统的硬件选择
智能温室监控系统的硬件框架图如图二所示.
智能温室监控系统的硬件选择主要来自于日本三菱公司的FX2N-48MR-001型号的下机位PLC,该型号的交流电源、直流输入的开关电源,输出和输入都是24个端子.PLC开关量输入、输出点数的分配如图三所示.
智能温室控制系统的检测元件分别选用的是灵敏度为1uA/k/、测量温度范围在-55摄氏度—55摄氏度的温度传感器；校准精确度为正负2RH%、测量精确度为0.4RH%的HS1101型号的湿度传感器；水传感器主要选用的是工作期间温度为负20摄氏度—50摄氏度、电压输出为30—50毫安的MG811型号的水检测传感器以及光谱特性稳定、反应速度快的GM5516型号光敏电阻传感器.
3.智能温室监控系统的软件设计
智能温室管理系统主要选用的是日本三菱公司GX Developer软件进行PLC的程序编制,设计过程如图四所示.
4.智能温室监控系统的上机位组态软件的设计
上机位组态软件主要选择的是北京亚控科技有限公司的组态王软件,对智能温室进行人机通讯互联的设计.软件主要通过对智能温室的监控系统进行画面的设计、通讯设备的设计、变量定义的设计、动画的连接设计、执行命令语言的编写设计,最终的系统设计并进行运行和调试.
温室监控系统的主画面显示的有温室里的空气湿度、温度、水浓度还有光照的强度等.与此同时可以根据温室内的实际情况对设定好的温度、湿度等进行上下限制的手动调节,已满足温室监控系统的需求.主画面除了显示内部的温度、湿度等,还可显示通风设备、天窗设备以及循环风设备的运行情况显示,更能对温室内出现的设备故障进行报警预设以及监控系统的手动、自动控制操作的切换.
智能温室系统在运行时可以通过主画面完成用户账户的切换、的重设修改、用户管理等多种功能.同时可以切入到实时监测到的曲线画面、历史监测到的曲线画面、系统生成的报表画面、实时数据库的画面.监测的实时曲线画面以及历史画面可以将监测到的系统参数以曲线的形式进行另存,也可以进行打印.同理,报表画面也可以将系统监测的数据以报表的形式进行另存,方便用户之后调用、查找咨询及打印.
组态王软件和三菱的PCL通信设置的波特率为9600、7个数据位、偶校验、1个停止位、其通信超时为3000ms、RS232为主要的通讯方式.智能温室系统定义的变量主要是温度的变化、水浓度的变化、光照强度的变化、天窗电机的设置、通风设备的管理、遮阳幕布的变化等.在这些变量中,湿度变量的类型主要为I/O实数、连接温室监控上机位PLC模块、寄存器的类型主要为D、数据类型为LONG.系统的变量与画面通过模拟数值的输入输出、离散值输入等动画的连接功能从而进行命令行动的动画连接从而定义.系统的命令语言程序的编写通过命令语言的应用程序、命令语言的画面、数据对命令语言进行改变等方式进行.组态王软件主要通过访问权限的设置对系统进行综合的安全管理.
结语
目前我国农业设施在一直进步和推广,智能温室系统的应用在农业生产中所占据的比重日益增多,智能温室系统将用高效、安全、方便操作、稳定性高等特点逐渐碾压传统温室种植,并逐渐替换掉原有的传统温室种植.该设计原理主要利用PLC和组态软件对智能温室内部的温度、水浓度、湿度、光照强弱度进行实时的自动监控调控,满足了现代农业生产中对于温室种植智能化的高标准、高要求.
参考文献
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