基于PLC的智能温室控制系统的设计

摘 要：智能温室控制系统采用三菱FX2N-48MR型可编程序控制器（PLC）作为控制中心，其监控项目包括温度、空气湿度、CO2浓度、光照强度等。操作人员可以通过智能温室中对应的开关对温室内的各种环境因素进行手动控制，还可以由微型自动循迹小车（AGV）采集温室内的各种环境因素，将数据传输给主控PLC。PLC将各项数据分别求平均值后与设定范围做比较，自动做出相应判断，启停相应的环境调控设备，进行智能温室的自动控制。

关键词：PLC 智能温室 控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（a）-0032-02

智能温室是一种现代化的生产技术，其综合了传感器技术、通信技术、控制技术等。在培育经济价值较高且栽培难度大的盆栽作物时，智能温室发挥着至关重要的作用。相比传统温室，智能温室不但能够实现对温度、湿度、CO2浓度等因素的监控，还能对数据进行记录、储存、分析，形成数据库，以便于工作人员改进种植技术[1-3]。

1 PLC的硬件设计

1.1 PLC的选型

1.1.1 PLC输入输出点数的估算

PLC选型时要根据系统的设计要求，统计输入/输出（I/O）点数，考虑网络功能和扩展功能。系统的I/O点数是根据所设计智能温室监控系统的输入开关点数和输出执行部件数的实际需要，再加上10%～15%的备用量来确定，方便突发情况或以后增加新功能新设备。系统监控的温室参数有温度、湿度、CO2浓度、光照强度和调控相应环境因素的执行设备。

本系统的开关量输入输出点数统计如表1所示。

1.1.2 用户程序储存容量估算

在PLC选型时，除了对I/O点数进行统计，还要对其程序储存容量进行计算。通常估算程序存储容量的基本公式为：存储容量（字节）=（开关量I/O点数×10+模拟量I/O通道数×100）×130%。本系统同时采集温度、湿度、CO2浓度、光照强度4路模拟量和22个开关量输入点，15个继电器输出点，所以存储容量=1001B，再考虑备用量，初步估计需要1200B。

通过上述计算，三菱FX1N-40MR可以满足I/O点数要求，但后期系统升级潜力低，且考虑到网络功能和编程指令的区别，功能更为强大的FX2N-48MR和FX1N-40MR价格上也相差不多。因此，本系统选用三菱FX2N-48MR型PLC，该PLC为交流电源直流输入型，24个输入点数，24个继电器输出点数，完全满足设计需求，不需要扩展单元[4]。

1.2 模拟量输入模块的选型

对于温度、湿度、CO2浓度、光照强度这4种环境参数，需要模数转换功能模块来实现采集，系统最终选择了三菱FX2N-4AD模拟量输入功能模块。FX2N-4AD有CH1～CH44个通道，每个通道都可进行AD转换，分辨率为12位，采集信号为电压时为-10～+10V，分辨率为5mV。采集信号为电流时为4～20mA或-20～20mA，分辨率为20μA。 FX2N-4AD内部有32个16位的缓冲寄存器（BFM），用于与主机交换数据。通过扩展电缆连接到FX2N-48MR基本单元的0号位置，由PLC内部总线传输数据[1]。

1.3 PLC的硬件连接

1.3.1 PLC连接端

FX2N-48MR采用直流24V电源供电，电源输入连接端位于PLC基本单元的左上方，COM口接地，开关量输入端位于PLC的上部，继电器输出位于PLC下部，输出公共连接端为“COM1”等，不同控制端的输出公共端应该相互独立。

1.3.2 基本单元与FX2N-4AD特殊模块的连接

PLC基本单元的DC24V电源输出给FX2N-4AD扩展模块供电，即基本模块24+连接FX2N-4AD的24+，基本单元的COM连接FX2N-4AD的24-，由内置连接电缆传输信号。

1.3.3 FX2N-4AD与传感器的连接

FX2N-4AD是FX系列PLC的模拟量输入特殊功能模块，其通过扩展电缆与PLC主机相连，4个通道的外部连接则根据外部输入电压或电流量的不同而不同。

外部输入为電压量信号，则将信号的+、-极分别与模块V+和VI-相连；若外部输入为电流量信号，则需要把V+和I+相连；如有过多的干扰信号，应将系统机壳的FG端与FX2N-4AD的接地端相连。

1.3.4 PLC基本单元与执行件的连接

本系统的执行部件分为四大类：（1）控制直流减速电机：天窗、侧窗电机；（2）控制三相交流电机：通风风机；（3）控制AC220V交流电机：遮阳网电机、湿帘水泵；（4）控制电磁继电器：补光灯、CO2发生器、加湿器、加热器[2]。

系统硬件接线图如图1所示。

2 PLC的软件设计

2.1 数据采集模块设计

温室环境参数的采集是通过FX2N-4AD同时采集4路电压信号，其中CH1采集温度，CH2采集空气湿度，CH3采集CO2浓度，CH4采集光照强度，然后分别存入PLC的寄存器D0～D3，平均取样次数为4次。

2.2 自动控制模块设计

智能温室中的影响因素有温度、湿度、CO2浓度、光照强度等，其中最重要的环境因素是温度，因此自动控制模块的设计以温度控制为例，其他影响因素的控制模块设计思路与此基本相同。智能温室的温度控制装置包括湿帘、通风机、加热器和遮阳网[2]。

2.2.1 PLC控制湿帘启动或加热器启动

温室内温度高于设定温度，PLC控制湿帘启动给温室降温；当温度低于设定温度，PLC控制加热器使温室升温。程序设计中需利用比较指令按比较结果分别控制湿帘和加热器动作。

2.2.2 通风变速控制

本设计使用变频器控制通风风机的转速，设置低、中、高3个档位。以盆栽多肉植物为例，夏季最佳生长温度在26℃～30℃之间，温度超过45℃时控制通风机高档位运行迅速降温，温度在38℃～45℃时中档位运行降温，温度在30℃～38℃时低档位运行，其程序梯形图及调试过程如图2所示。

3 手动控制模块设计

该模块设计以天窗直流减速电机正反转手动控制程序为例。天窗直流减速电机分别由X002、X003和X004控制正转、反转和停止，天窗开窗行程限位开关为X005，关窗行程开关接口为X006，程序中设置了电机正反转互锁环节，并且程序要求停止2s后才能重新启动电机，防止电机过热。

4 结语

温室环境是一个复杂的大系统，温室环境控制涉及控制工程、气象学、农业技术、电子技术、热力学、流体力学等多学科的知识和技术，涉及学科多、工作量大，本系统还有很多可以进一步开发和优化技术环节。

参考文献

[1]时启凡.基于PLC的盆摘作物智能温室控制系统[D].东北农业大学，2015.

[2]何川.基于PLC的智能温室监控系统[D].成都电子科技大学，2013.

[3]舒宇.基于PLC的花卉温室自动控制系统研究[D].云南大学，2013.

[4]李继强.基于单片机控制的一款电动小车的设计[J].硅谷，2012（23）：51-52.