0 引言

溫室用來改變植物的生長環境,避免外界四季變化和惡劣氣候對作物生長的不利影響,為植物生長創造適宜的條件[1-3].溫室環境是由光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等因素構成的.溫室控制通過控制溫室內的溫度、濕度、通風與光照,使其在其他不適宜植物露地生長的季節栽培植物,從而達到對農作物調節產期、促進生長發育、防治病蟲害及提高產量的目的[4-6],為創造植物生長所需的最佳環境條件,故溫室控制系統的研究顯得尤為重要.

本研究提出了基于西門子公司 S7-200 系列的可編程控制器\\( PLC\\) 和 MCGS 組態軟件的溫室環境控制系統設計方案,將各種傳感器采集到溫室中環境指標送入 PLC 中,由 PLC 將其與設定值進行比較,再發出相應的指令驅動執行設備來調節溫室內的環境參數,從而實現溫室的智能控制.另外,采用 MCGS 組態軟件完成了控制系統的組態設計,實現了控制系統操作的人性化和過程的可視化.

1 總體設計方案

本溫室控制系統設有手動、自動兩種工作模式:自動方式是指周期性地進行 PLC 控制的方式; 而手動方式則是指在出現應急情況等一些突發事件時,通過手動操作控制執行器件的工作.溫室控制系統的總體框圖如圖 1 所示.

溫室控制系統由 PLC 系統、傳感器系統、執行部件等部分組成.該溫室控制系統以 PLC 為控制中心,通過溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器采集溫室中環境因子的有關參數,由變送轉換為標準電流信號\\( 4 ~ 20mA\\) 后,經由 S7-200 的模擬量輸入模塊 EM235 送入 PLC 控制器; PLC 再通過 PID 控制算法將采集的參數與已設定的值進行分析處理,輸出開關量,對執行機構進行控制.在此系統中,還可以通過串口的形式與 PC 機相連,從而實現實時數據的管理與存儲,為以后植物生長研究提供試驗基礎.

2 硬件設計

溫度環境控制系統的設計包括硬件設計和軟件設計兩部分.硬件設計主要包括了系統主電路設計和PLC 硬件電路的設計.

2. 1 系統主電路設計

系統的主電路如圖 2 所示.其中,通風扇電機、遮陽簾電機\\( 遮陽簾風機配有限位開關\\) 除功率有所不同之外,需通過電機正轉、反轉和停止來完成相應機構的開啟與閉合,因此其工作主電路相似.熱風機、冷風機、加熱器、發光體、CO2添加器則屬于開/關設備.QK 為刀開關,用于控制整個主電路的啟停;FU1 ~ FU7 為熔斷器,分別對各個分線路實施短路和過載保護; FR1 ~ FR5 為熱繼電器,對電機、加熱器起過載保護的作用; KM1 ~ KM9 為交流接觸器的主觸頭,用其實現電機的正反轉、停止及風機等開/關設備的啟?？刂?

2. 2 PLC 硬件電路的設計

根據系統的控制要求,確定了 PLC 的輸入/輸出信號,從而確定 PLC 的 I/O 點數為 14 個數字量輸入、10 個數字量輸出、3 個模擬量輸入.為了既能實現該系統控制要求,又能滿足擴展需要,選用 S7-200 系列的 CPU226 和模擬量輸入模塊 EM235.輸入端口和輸出端口分配表分別見表 1 和表 2 所示.

溫室控制系統的硬件選用 S7-200 系列的 CPU226和模擬量輸入模塊 EM235,其硬件接線如圖 3 所示.

3 組態設計方案

MCGS 組態軟件提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺,能完成現場數據采集、實時歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線、報表輸出以及企業監控網絡等功能.

3. 1 溫室控制系統的組態設計

3. 1. 1 新建工程

進入 MCGS 組態環境,新建工程"溫室控制系統",如圖 4 所示.

3. 1. 2 定義變量

在 MCGS 組態軟件中,定義變量之前先對變量進行分配.本系統需要 17 個變量,如表 3 所示.

進入"實時數據庫"窗口頁定義變量,定義結果如圖 5 所示.

3. 1. 3 組態畫面設計

組態畫面設計分為畫面建立、畫面編輯、動畫連接3 個步驟.通過上述步驟,建立的"溫室控制系統"畫面,如圖 6 所示.

3. 2 程序編寫

溫室控制系統的控制過程如下: 按下啟動按鈕,系統將傳感器對溫室溫度、光照、二氧化碳濃度等環境因素進行檢測的測量值與溫室控制系統的設定值進行比較: 如果溫度的檢測量高于設定值,PLC 就會發出相應的指令控制冷風機的開啟和通風扇正轉; 如果測量值低于設定值,則打開加熱器和熱風機,對溫室進行加溫,并使通風扇反轉.當溫室的光照低于設定值時,系統打開遮陽簾和補光燈; 當溫室的光照高于設定值時,系統關閉遮陽簾.當溫室的二氧化碳濃度低于設定值,系統開啟二氧化碳調節閥; 如果溫室中的測量值與設定值相等,則關閉相應設備,保持溫室中的環境參數.上述功能可通過程序編寫來實現,在 MCGS 中編寫控制程序采用策略組態的形式.

3. 3 程序調試

在 MCGS 組態軟件中,進入"運行環境"\\( 見圖7\\) ,通過點擊畫面上的控制按鈕,觀察溫室控制系統的運行情況是否與設計要求一致.在運行調試的過程中,通過不斷地完善使得系統的運行情況與設計要求完全一致.

在 MCGS 組態軟件中,該控制系統的實時報表和歷史報表將實時顯示溫室中的溫度、光照和 CO2濃度,且該控制系統的實時曲線和歷史曲線將實時顯示溫室中的溫度、光照和 CO2濃度變化曲線.

4 結論

本研究運用西門子 S7-200 系列 PLC 和 MCGS 組態軟件,完成了溫室控制系統的設計.本控制系統設有手動、自動兩種工作模式,自動模式為正常運行狀態,手動模式用于應對突發狀況.利用 MCGS 組態軟件進行了溫室控制系統的組態設計,實現了控制過程的可視化監測和運行數據的實時采集,為溫室環境控制提供了設計基礎.

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