基于PLC的雙層膜日光溫室保溫通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1 8 2 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 5年 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 5 0 9 0 2 4 李曉凱 塔娜 閆彩霞 等 基于P L C的雙層膜日光溫室保溫通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2 0 2 5 4 6 9 1 8 2 1 8 8 L i X i a o k a i T a N a Y a n C a i x i a e t a l D e s i g n o f v e n t i l a t i o n c o n t r o l s y s t e m f o r d o u b l e f i l m s o l a r g r e e n h o u s e t h e r m a l i n s u l a t i o n b a s e d o n P L C J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 5 4 6 9 1 8 2 1 8 8 基于PLC的雙層膜日光溫室保溫通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 李曉凱1 塔娜1 閆彩霞1 2 甄琦1 2 郭夢(mèng)杰1 王偉明1 1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 呼和浩特市 0 1 0 0 1 8 2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院 呼和浩特市 0 1 0 0 1 8 摘要 根據(jù)寒冷干旱地區(qū)雙層膜日光溫室環(huán)境監(jiān)控實(shí)際需求 設(shè)計(jì)一套基于P L C的溫室保溫及通風(fēng)控制系統(tǒng) 利用通信模塊完 成多路不同類型變送器隔離4 8 5信號(hào)的并行采集 解決P L C輪詢多設(shè)備的延時(shí)和干擾問題 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)外溫濕度 太陽輻射 強(qiáng)度等環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 利用遠(yuǎn)程模塊的4 G上網(wǎng)功能 在確保通信數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的前提下 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的云端監(jiān)控 遠(yuǎn)程上傳 下載P L C及觸摸屏程序 在線監(jiān)控與調(diào)試設(shè)備 將雙層膜日光溫室的保溫及通風(fēng)人工管理方法轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)為P L C梯 形圖程序 使系統(tǒng)能夠通過P L C自動(dòng)控制設(shè)備對(duì)溫室進(jìn)行保溫和通風(fēng) 最后對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能進(jìn)行測(cè)試 結(jié)果顯示 設(shè)備 響應(yīng)1 0次 丟包0次 故障率為0 平均響應(yīng)延時(shí)6 4 m s 設(shè)備能夠按照控制邏輯正常運(yùn)行 具有一定的推廣價(jià)值 關(guān)鍵詞 日光溫室 控制系統(tǒng) 保溫 通風(fēng) 可編程邏輯控制器 中圖分類號(hào) S 6 2 5 5 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 5 0 9 0 1 8 2 0 7 收稿日期 2 0 2 4年3月4日 修回日期 2 0 2 4年4月2 1日 基金項(xiàng)目 內(nèi)蒙古自治區(qū)直屬高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目 B R 2 2 1 4 0 3 內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金 2 0 2 2 M S 0 3 0 4 0 第一作者 李曉凱 男 1 9 9 8年生 甘肅靖遠(yuǎn)人 碩士研究生 研究方向?yàn)閺?fù)雜裝備控制系統(tǒng) E m a i l l x k 2 0 2 1 1 2 1 6 3 c o m 通訊作者 塔娜 女 1 9 6 7年生 內(nèi)蒙古正藍(lán)旗人 博士 教授 研究方向?yàn)楦吆珊档貐^(qū)農(nóng)業(yè)裝備工程與技術(shù) E m a i l j d t n i m a u e d u c n Designofventilationcontrolsystemfordouble filmsolargreenhouse thermalinsulationbasedonPLC L i X i a o k a i 1 T a N a 1 Y a n C a i x i a 1 2 Z h e n Q i 1 2 G u o M e n g j i e 1 W a n g W e i m i n g 1 1 CollegeofMechanicalandElectricalEngineering InnerMongoliaAgriculturalUniversity Hohhot 0 1 0 0 1 8 China 2 CollegeofEnergyandTransportationEngineering InnerMongoliaAgriculturalUniversity Hohhot 0 1 0 0 1 8 China Abstract A c c o r d i n g t o t h e a c t u a l n e e d o f e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g o f d o u b l e f i l m s o l a r g r e e n h o u s e i n c o l d a n d a r i d a r e a t h e g r e e n h o u s e t h e r m a l i n s u l a t i o n a n d v e n t i l a t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n P L C i s d e s i g n e d T h e s y s t e m u s e d t h e c o m m u n i c a t i o n m o d u l e t o c o m p l e t e t h e p a r a l l e l a c q u i s i t i o n o f 4 8 5 s i g n a l f r o m d i f f e r e n t t y p e s o f s e n s o r s s o l v e d t h e d e l a y a n d i n t e r f e r e n c e p r o b l e m o f P L C p o l l i n g m u l t i e q u i p m e n t a n d r e a l i z e d t h e r e a l t i m e m o n i t o r i n g o f e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s s u c h a s t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i n s i d e a n d o u t s i d e t h e g r e e n h o u s e s o l a r r a d i a t i o n i n t e n s i t y a n d s o o n U s i n g t h e 4 G I n t e r n e t a c c e s s f u n c t i o n o f t h e r e m o t e m o d u l e t h e c l o u d m o n i t o r i n g o f t h e g r e e n h o u s e e n v i r o n m e n t r e m o t e u p l o a d i n g d o w n l o a d i n g P L C a n d t o u c h s c r e e n p r o g r a m s o n l i n e m o n i t o r i n g a n d d e b u g g i n g e q u i p m e n t a r e r e a l i z e d u n d e r t h e p r e m i s e o f e n s u r i n g t h e q u a l i t y o f c o m m u n i c a t i o n d a t a t r a n s m i s s i o n T h e a r t i f i c i a l m a n a g e m e n t m e t h o d o f h e a t p r e s e r v a t i o n a n d v e n t i l a t i o n o f d o u b l e f i l m s o l a r g r e e n h o u s e i s t r a n s f o r m e d i n t o P L C l a d d e r d i a g r a m p r o g r a m s o t h a t t h e s y s t e m c a n c a r r y o u t h e a t p r e s e r v a t i o n a n d v e n t i l a t i o n o f g r e e n h o u s e t h r o u g h P L C a u t o m a t i c c o n t r o l e q u i p m e n t F i n a l l y t h e r e m o t e c o n t r o l f u n c t i o n o f t h e s y s t e m i s t e s t e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e v i c e r e s p o n d s 1 0 t i m e s l o s e s 0 p a c k e t s t h e f a i l u r e r a t e i s 0 a n d t h e a v e r a g e r e s p o n s e d e l a y i s 6 4 m s T h e e q u i p m e n t c a n o p e r a t e n o r m a l l y a c c o r d i n g t o t h e c o n t r o l l o g i c w h i c h h a s c e r t a i n p r o m o t i o n v a l u e Keywords s o l a r g r e e n h o u s e c o n t r o l s y s t e m h e a t p r e s e r v a t i o n v e n t i l a t i o n P L C 0 引言 隨著電氣設(shè)備控制技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā) 展 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研發(fā)受到了國(guó)內(nèi)外科研人員的 重點(diǎn)關(guān)注 1 2 溫室內(nèi)部環(huán)境封閉 可通過人工手段有 效控制室內(nèi)環(huán)境條件 實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的越冬生產(chǎn) 但農(nóng)戶 第4 6卷 第9期 2 0 2 5年9月 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 6 N o 9 S e p 2 0 2 5 第9期李曉凱等 基于P L C的雙層膜日光溫室保溫通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 8 3 需每天花費(fèi)大量時(shí)間管理溫室設(shè)備 工作強(qiáng)度較大且存 在不能準(zhǔn)確和及時(shí)地對(duì)溫室環(huán)境作出調(diào)控的問題 針 對(duì)我國(guó)北方寒冷干旱地區(qū)雙層膜日光溫室的特點(diǎn) 3 設(shè) 計(jì)一套能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外環(huán)境變化并根據(jù)作物生長(zhǎng) 需求調(diào)控環(huán)境的溫室控制系統(tǒng) 對(duì)于提高單位土地產(chǎn)出 率 實(shí)現(xiàn)智能種植系統(tǒng)自主化具有重要意義 設(shè)計(jì)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)時(shí) 需要考慮3個(gè)方面的 問題 分別是控制器 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及通信方式 4 控制 器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)管理各個(gè)設(shè)備協(xié)同工作 是控制系統(tǒng)的核 心 5 其控制邏輯主要體現(xiàn)在相應(yīng)的軟件程序中 可 供溫室選擇的控制器有多種類型 例如 單片機(jī) 6 工 控機(jī) 可編程邏輯控制器P L C 7 等 對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境 進(jìn)行調(diào)控的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要有加熱設(shè)備 8 通風(fēng)設(shè)備 遮 陰設(shè)備 霧化設(shè)備 9 水肥灌溉設(shè)備 1 0 和氣肥增施設(shè) 備等 系統(tǒng)的通信可分為無線和有線兩種方式 無線 傳輸是通過通用分組無線業(yè)務(wù)G P R S Z i g B e e 1 1 遠(yuǎn)距 離無線電L o R a 1 2 W i F i等通信技術(shù)進(jìn)行信息傳遞 有線傳輸是通過M o d b u s 控制器局域網(wǎng)總線C A N 信 息傳遞接口M P I和P R O F I N E T等現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行 信息傳遞 目前 在控制器和通信方式的選用方面 A l D a h o u d等 1 3 基于樹莓派3 B單片機(jī)和Z i g B e e X B e e S 2無線傳輸模塊 將傳感器與執(zhí)行器集成到每 個(gè)控制節(jié)點(diǎn) 組成溫室環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) K u m k h e t等 1 4 使用A r d u i n o單片機(jī)和E S P 8 2 6 6單片機(jī)各自控 制L E D燈與水泵 通過W i F i傳遞溫室環(huán)境信息及控 制指令 為種植的非洲菊提供適宜的光照強(qiáng)度和土壤 濕度 趙慧娟 1 5 對(duì)基于P L C設(shè)計(jì)溫室智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 過程進(jìn)行了細(xì)致的介紹 完成了軟硬件設(shè)計(jì) 試驗(yàn)驗(yàn)證 等工作 系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)全面 控制精度較高 李 宗昊等 1 6 采用P L C和M o d b u s R T U通信協(xié)議解決 了溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題 使用組態(tài)軟件建立了溫 濕度數(shù)值和執(zhí)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的人機(jī)交互界面 在硬件設(shè)備與軟件程序的研究方面 Z a e v等 1 7 搭建了 一種用于模擬和控制溫室氣候的測(cè)試平臺(tái) 利用硬件 在環(huán)技術(shù) 在平臺(tái)的虛擬環(huán)境中就可以對(duì)控制算法進(jìn) 行系統(tǒng)級(jí)測(cè)試 縮短了整個(gè)控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到投入溫 室使用的時(shí)間 B e k i a r i s等 1 8 開發(fā)了一款智能溫室控 制系統(tǒng) 其包含一種帶有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的W e b程序 支持農(nóng)戶通過P C或手持電子設(shè)備觀察溫室內(nèi)作物的 生長(zhǎng)狀況 遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器工作 此外通過該系統(tǒng)可以 獲知適宜栽培植物的環(huán)境條件 當(dāng)發(fā)生病害時(shí) 還可在 線向?qū)＜易稍冎委煼桨?根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外溫室控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和雙層 膜日光溫室內(nèi)現(xiàn)有的環(huán)境調(diào)控設(shè)備 本文擬采用傳感器 技術(shù) 無線通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù) 以S 7 1 2 0 0 P L C 為控制核心搭建雙層膜日光溫室保溫及通風(fēng)控制系統(tǒng) 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作過程 1 1 系統(tǒng)組成 1 1 1 保溫系統(tǒng) 如圖1所示 雙層膜日光溫室的保溫系統(tǒng)由內(nèi)外 保溫被 內(nèi)外膜 卷簾機(jī)及卷膜器組成 外保溫被采用 中置擺臂式卷簾機(jī)雙側(cè)卷放 內(nèi)保溫被和內(nèi)膜分別由 側(cè)擺臂卷簾機(jī)和卷膜器單側(cè)卷放 內(nèi)膜可根據(jù)室外天 氣情況和內(nèi)保溫被的狀態(tài)決定是否卷放 冬季清晨 當(dāng)內(nèi)外保溫被卷起后延遲一段時(shí)間再卷起內(nèi)膜 可防 止溫室內(nèi)溫度下降過快造成凍害 下午外界溫度降低 時(shí) 先放下內(nèi)膜形成雙膜狀態(tài)進(jìn)行保溫 內(nèi)外保溫被可 延遲一段時(shí)間再放下 增加光照時(shí)間 圖1 保溫系統(tǒng)總體示意圖 F i g 1 G e n e r a l s c h e m a t i c o f t h e r m a l i n s u l a t i o n s y s t e m 1 1 2 通風(fēng)系統(tǒng) 雙層膜日光溫室采用自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合 的通風(fēng)方式 溫室前屋面頂部和底部各設(shè)有一處通風(fēng) 口 由卷膜器帶動(dòng)卷軸控制通風(fēng)口的開閉 在室內(nèi)外溫 差的作用下進(jìn)行自然通風(fēng) 在溫室內(nèi)東 西方向適當(dāng) 高度上布有一定數(shù)量的環(huán)流風(fēng)機(jī) 用于促進(jìn)室內(nèi)空氣 的流動(dòng) 使室外冷空氣在到達(dá)作物之前與室內(nèi)空氣充 分混合 當(dāng)遇到室外惡劣天氣 自然通風(fēng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間 處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí) 可開啟環(huán)流風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng) 循環(huán) 室內(nèi)空氣 促使室內(nèi)溫濕度 二氧化碳等環(huán)境因子分布 均勻 上述雙層膜日光溫室保溫及通風(fēng)裝置的位置如 圖2所示 a 溫室外部 b 溫室內(nèi)部 圖2 雙層膜日光溫室 F i g 2 D o u b l e f i l m s o l a r g r e e n h o u s e 1 2 系統(tǒng)功能及工作過程 雙層膜日光溫室保溫通風(fēng)控制系統(tǒng)的功能包括溫 室環(huán)境監(jiān)測(cè)和調(diào)控2個(gè)部分 主要監(jiān)測(cè)的環(huán)境因子為 室內(nèi)外溫濕度 太陽輻射強(qiáng)度 室內(nèi)二氧化碳?xì)怏w濃度 和室外風(fēng)速 由室內(nèi)各類型傳感器和室外小氣象站負(fù) 1 8 4 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 5年 責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù) 由P L C負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并 顯示在溫室內(nèi)的L E D顯示屏和其他監(jiān)控設(shè)備上 作為 控制依據(jù)使系統(tǒng)能夠?qū)厥噎h(huán)境做出及時(shí)和準(zhǔn)確的調(diào) 控 根據(jù)不同種類作物的需求 可以在系統(tǒng)中設(shè)置環(huán)境 參數(shù)上下限 在與采集到的溫室實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)比后 系統(tǒng)按照編寫的控制程序自動(dòng)控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng) 作 同時(shí)能夠在監(jiān)控設(shè)備上查看各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀 態(tài) 控制系統(tǒng)具有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2種控制模式 當(dāng)自動(dòng)模式發(fā)生故障或認(rèn)為需要手動(dòng)快速強(qiáng)制控制溫 室相關(guān)設(shè)備時(shí) 管理人員可以對(duì)控制模式進(jìn)行切換 系 統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制功能 方便農(nóng)戶在家中或任何其他具有 無線網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)通過電腦或移動(dòng)設(shè)備登錄云平臺(tái)對(duì)溫 室實(shí)施管理 上述系統(tǒng)功能框架如圖3所示 圖3 系統(tǒng)功能框架 F i g 3 S y s t e m f u n c t i o n f r a m e w o r k 系統(tǒng)工作時(shí)傳感器和觸摸屏以R S 4 8 5 2 3 2的形式將 信號(hào)傳送至通信模塊 通信模塊通過R J 4 5接口連接P L C 將采集到的多路信號(hào)匯總傳輸至P L C中 同時(shí)P L C的第 二個(gè)R J 4 5接口連接遠(yuǎn)程模塊 遠(yuǎn)程模塊通過4 G的方式 連接云平臺(tái) 使P L C或觸摸屏編程軟件可以像計(jì)算機(jī)本 地連接P L C和觸摸屏一樣上傳 下載程序 在線監(jiān)控與診 斷 系統(tǒng)中各設(shè)備的通信連接如圖4所示 圖4 通信連接示意 F i g 4 C o m m u n i c a t i o n c o n n e c t i o n s c h e m e 2 硬件設(shè)計(jì) 2 1 硬件選型 2 1 1 控制器與變頻器 基于P L C硬件技術(shù)成熟 開發(fā)工作量小和適應(yīng)性 強(qiáng) 運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn) 對(duì)輸入輸出設(shè)備的數(shù)量統(tǒng)計(jì) 后 選用西門子S 7 1 2 0 0 P L C C P U 1 2 1 5 C D C D C R L Y型 作為控制系統(tǒng)的核心 S 7 1 2 0 0系列P L C 屬于小型可編程控制器 為緊湊式結(jié)構(gòu) 電源 通信 和信號(hào)模塊集中在一起 通過內(nèi)部總線進(jìn)行連接傳 輸信號(hào) 其標(biāo)配2個(gè)R J 4 5網(wǎng)口 使得編程和調(diào)試更為 方便 本研究選用的P L C板載1 4個(gè)數(shù)字量輸入 1 0個(gè)數(shù)字量輸出和模擬量輸入輸出各2個(gè) 可根據(jù) 后期需要添加一款S M 1 2 2 2 8 x繼電器輸出模塊和一 款S M 1 2 3 4 4 x模擬量輸入 2 x模擬量輸出模塊為系統(tǒng) 擴(kuò)展留出裕量 循環(huán)通風(fēng)的開啟應(yīng)根據(jù)需要和自然通風(fēng)設(shè)備的運(yùn) 行狀態(tài)確定 當(dāng)溫室的通風(fēng)口處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí) 環(huán)流風(fēng) 機(jī)可全速運(yùn)轉(zhuǎn)促進(jìn)室內(nèi)空氣循環(huán) 當(dāng)通風(fēng)口開啟且需 要室內(nèi)循環(huán)通風(fēng)時(shí) 可根據(jù)需要降低環(huán)流風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn) 速度 對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制可通過變頻器來實(shí)現(xiàn) 根據(jù) 溫室內(nèi)外的溫度差異來自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量 保持良 好的通風(fēng)效果 變頻器的選擇主要包括類型選擇和容 量選擇 環(huán)流風(fēng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小且無轉(zhuǎn)速精度要求 故變頻器的類型可選擇價(jià)格便宜的通用型普通變頻 器 溫室內(nèi)環(huán)流風(fēng)機(jī)的額定功率為0 5 5 k W 共裝有 2臺(tái) 需注意變頻器的容量應(yīng)大于等于風(fēng)機(jī)電機(jī)的容 量 綜上 最終選擇G 1 4 T 0 0 1 5 G型變頻器 額定容 量2 6 k V A 適配電動(dòng)機(jī)功率1 5 k W 電壓等級(jí) 3 8 0 V 2 1 2 傳感器 根據(jù)溫室環(huán)境特點(diǎn)和系統(tǒng)需求 選用C O 2溫濕度 三合一變送器 型號(hào) R S C O 2 W S N 0 1 2 和光電 式太陽總輻射傳感器 型號(hào) R S R A N 0 1 兩者均 采用標(biāo)準(zhǔn)M o d b u s R T U 4 8 5通信協(xié)議 用來采集室 內(nèi)環(huán)境信息 其技術(shù)指標(biāo)如表1所示 溫室外的氣象 環(huán)境參數(shù)由H O B O U 3 0 N R C便攜式小型自動(dòng)氣象站 進(jìn)行采集 主要技術(shù)指標(biāo)見表2 表1 傳感器主要技術(shù)參數(shù) T a b 1 S e n s o r m a i n p a r a m e t e r s 傳感器類型量程穩(wěn)定性響應(yīng)時(shí)間精度 溫度傳感器 4 0 8 0 0 1 a 1 8 s 1 m s風(fēng)速 0 5 2 5 濕度傳感器0 R H 9 5 R H 1 a 6 s 1 m s風(fēng)速 3 R H 6 0 R H 2 5 太陽輻射傳感器0 1 8 0 0 W m 2 3 1 0 s C O 2濃度傳感器0 5 0 0 0 m o L m o L 2 F S 9 0 s 4 0 m o L m o L 3 F S 2 5 第9期李曉凱等 基于P L C的雙層膜日光溫室保溫通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 8 5 表2 HOBOU30 NRC氣象站傳感器主要技術(shù)參數(shù) T a b 2 M a i n p a r a m e t e r s o f H O B O U 3 0 N R C w e a t h e r s t a t i o n 參數(shù)量程分辨率精度 氣溫 4 0 7 5 0 0 2 0 2 1 相對(duì)濕度 R H 0 1 0 0 0 1 2 5 風(fēng)速 m s 1 0 4 5 0 3 8 1 1 風(fēng)向 0 3 5 8 2 死角1 4 5 總輻射 W m 2 0 1 2 8 0 1 2 5 1 0 2 1 3 遠(yuǎn)程通信模塊與觸摸屏 通信模塊選擇G R M 3 2 2 W X型網(wǎng)關(guān) 其主要功能 是多路隔離4 8 5信號(hào)的并行采集 解決P L C輪詢多設(shè) 備的延時(shí)和干擾問題 遠(yuǎn)程模塊選擇G R M 5 3 2 Y C W X型智能控制終端 其具備4 G上網(wǎng)功能 與P L C 上的以太網(wǎng)口連接后可實(shí)現(xiàn)使用手機(jī)或電腦通過網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看溫室信息 下發(fā)控制指令 溫室現(xiàn)場(chǎng)的 人機(jī)交互模塊選用F E 3 0 7 0 C V 1型觸摸屏 使用 F S t u d i o組態(tài)軟件完成監(jiān)控界面的設(shè)計(jì) 2 2 I O地址分配 根據(jù)溫室內(nèi)的設(shè)備及控制系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能 統(tǒng)計(jì)P L C輸入和輸出的信號(hào)點(diǎn)數(shù) 進(jìn)行I O點(diǎn)分配 結(jié)果如表3所示 表3 PLC輸入 輸出地址分配 T a b 3 P L C I O a d d r e s s a s s i g n m e n t 序號(hào)名稱代碼地址 1總啟停開關(guān)S B 1 0 I 0 0 2側(cè)卷棉開限位S Q 1 I 0 1 3側(cè)卷棉關(guān)限位S Q 2 I 0 2 4中卷棉開限位S Q 3 I 0 3 5中卷棉關(guān)限位S Q 4 I 0 4 6內(nèi)膜開限位S Q 5 I 0 5 7內(nèi)膜關(guān)限位S Q 6 I 0 6 8頂通風(fēng)開限位S Q 7 I 0 7 9頂通風(fēng)關(guān)限位S Q 8 I 1 0 1 0底通風(fēng)開限位S Q 9 I 1 1 1 1底通風(fēng)關(guān)限位S Q 1 0 I 1 2 1 2側(cè)卷棉正行程K A 1 Q 0 0 1 3側(cè)卷棉反行程K A 2 Q 0 1 1 4中卷棉正行程K A 3 Q 0 2 1 5中卷棉反行程K A 4 Q 0 3 1 6內(nèi)膜正行程K A 5 Q 0 4 1 7內(nèi)膜反行程K A 6 Q 0 5 1 8頂通風(fēng)正行程K A 7 Q 0 6 1 9頂通風(fēng)反行程K A 8 Q 0 7 2 0底通風(fēng)正行程K A 9 Q 1 0 2 1底通風(fēng)反行程K A 1 0 Q 1 1 2 2環(huán)流風(fēng)機(jī)K A 1 1 Q 1 2 2 3變頻器B P Q Q W 6 4 模式轉(zhuǎn)換旋鈕 P L C控制系統(tǒng)總啟停開關(guān) 和限 位開關(guān)占用P L C的數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為1 1個(gè) 其他控 制信號(hào)的輸入均通過觸摸屏來完成 數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù) 為1 1個(gè) 模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為1個(gè) 1 2 1 5 C型P L C和所 選的通信模塊滿足需求 且剩有備用點(diǎn) 2 3 硬件接線 根據(jù)各個(gè)設(shè)備的控制要求 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主電 路及相應(yīng)控制電路 完成電器元件在控制柜中的安裝 與接線工作 控制柜為底部敞開式 電源進(jìn)線和外部 控制對(duì)象都是通過柜體底部分別與空氣開關(guān)和接線端 子排連接 使用三相四線制系統(tǒng)為控制柜供電 該方 式可以提供2種不同的電壓 分別為3 8 0 V線電壓和 2 2 0 V相電壓 滿足不同設(shè)備的供電需求 表4為控 制柜內(nèi)所使用到的電器元件明細(xì) 表4 控制柜電器元件明細(xì) T a b 4 C o n t r o l c a b i n e t e l e c t r i c a l c o m p o n e n t s d e t a i l s 序號(hào)名稱型號(hào)規(guī)格數(shù)量 個(gè) 1中間繼電器H H C 6 8 B V L 4 Z 2 2 0 V A C 1 6 2中間繼電器N X J 2 Z D 2 2 0 V A C 5 3中間繼電器N X J 2 Z D 2 4 V D C 1 4 4斷路器N X B L E 6 3 C 6 3 4 0 0 V 3 P N 1 5斷路器N X B 6 3 C 4 0 4 0 0 V 3 P 1 6斷路器N X B L E 3 2 C 2 5 2 3 0 V 2 P 1 7接觸器C D C 6 H 1 2 1 1 3 8 0 V A C 7 8熱繼電器C R D 6 I 2 5 3 8 0 V A C 7 9按鈕N P 4 3 8 0 V A C 2 3 1 0旋鈕N P 4 3 8 0 V A C 1 3 軟件設(shè)計(jì) 3 1 P L C程序設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)采用T I A P o r t a l V 1 6軟件編寫P L C控 制程序 編程語言使用梯形圖的形式 選擇模塊化結(jié) 構(gòu)創(chuàng)建程序 即編寫的程序塊必須在O B塊中調(diào)用 后才能執(zhí)行 在一個(gè)程序塊中也可以調(diào)用其他的程 序塊 當(dāng)一個(gè)代碼塊調(diào)用另一個(gè)代碼塊時(shí) C P U會(huì)轉(zhuǎn) 去執(zhí)行被調(diào)用塊 被調(diào)用的程序塊任務(wù)完成后返回 調(diào)用程序中斷處繼續(xù)運(yùn)行 通過設(shè)計(jì)執(zhí)行任務(wù)的F B 和F C塊構(gòu)建模塊化代碼塊然后通過其他代碼塊調(diào) 用這些可重復(fù)使用的模塊構(gòu)建用戶程序 由調(diào)用塊 將設(shè)備特定的參數(shù)傳遞給被調(diào)用塊 系統(tǒng)的控制程 序主要分為5個(gè)部分 M a i n O B 1 組織塊 S t a r t u p O B 1 0 0 組織塊 手動(dòng)控制F C 1函數(shù) C y c l i c i n t e r r u p t O B 3 0 組織塊和自動(dòng)控制F C 2函數(shù) O B 1中為溫室控制主程序 用于調(diào)用函數(shù)F C 1和 F C 2 O B 1 0 0中為復(fù)位程序 用于完成溫室控制程序 1 8 6 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 5年 初始化 O B 3 0中為數(shù)據(jù)采集程序 每1 5 m i n將環(huán)境 信息與設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控端 程序流程如圖5所示 系統(tǒng)上電啟動(dòng)后首先進(jìn)行 參數(shù)初始化 然后開始采集溫室內(nèi)環(huán)境信息 選擇自 動(dòng)或手動(dòng)控制設(shè)備 若系統(tǒng)處于手動(dòng)模式農(nóng)戶可通過 觸摸屏界面上的按鍵或遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)溫室設(shè)備進(jìn)行 管理 若處于自動(dòng)模式下則繼續(xù)執(zhí)行溫室保溫控制子 程序與通風(fēng)控制子程序 溫室保溫自動(dòng)控制過程是通 過在程序中設(shè)置每日揭簾和閉簾的時(shí)間 系統(tǒng)讀取后 與實(shí)時(shí)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比 到達(dá)指定時(shí)間后控制設(shè)備執(zhí)行 相應(yīng)動(dòng)作 揭簾時(shí)按照由外到內(nèi)的順序依次卷起保溫 簾 即先卷起外簾然后卷起內(nèi)簾最后卷起內(nèi)膜 閉簾時(shí) 按照相反的順序放下內(nèi)膜及卷簾 溫室通風(fēng)自動(dòng)控制 過程是通過在程序中設(shè)置作物適宜溫度區(qū)間的上下 限 系統(tǒng)讀取后與室內(nèi)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行對(duì)比 超過溫度上 限時(shí)打開溫室頂部通風(fēng)口與風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫 直至檢測(cè) 到室內(nèi)溫度低于下限時(shí)關(guān)閉設(shè)備 a 主程序流程 b 保溫控制流程 c 通風(fēng)控制流程 圖5 系統(tǒng)控制流程 F i g 5 S y s t e m c o n t r o l f l o w 3 2 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì) 溫室現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控采用觸摸屏系統(tǒng)完成 由觸摸屏顯 示P L C中開關(guān)量的狀態(tài)和寄存器中數(shù)字變量的值 經(jīng) 由監(jiān)控界面向P L C發(fā)出開關(guān)命令 并修改P L C寄存 器中的參數(shù) 觸摸屏將接收到的信息轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐 標(biāo) 再送給P L C 觸摸屏同時(shí)接收P L C發(fā)來的命令 并 加以執(zhí)行 觸摸屏畫面上的按鈕和指示燈可以取代相 應(yīng)的硬件元件 減少P L C需要的I O點(diǎn)數(shù) 降低系統(tǒng) 的成本 觸摸屏監(jiān)控平臺(tái)共有5個(gè)控制界面 分別為 控制模式選擇界面 卷簾控制界面 卷膜控制界面 環(huán) 流風(fēng)機(jī)控制界面和參數(shù)設(shè)置界面 5個(gè)控制界面均可 實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)的3種室內(nèi)環(huán)境因子的數(shù)值 方便管理 人員根據(jù)溫室的實(shí)際情況操縱設(shè)備調(diào)控室內(nèi)環(huán)境 操 作人員可轉(zhuǎn)動(dòng)控制柜旋鈕啟動(dòng)觸摸屏控制系統(tǒng) 圖6為觸摸屏控制模式選擇界面與環(huán)流風(fēng)控制界面 可進(jìn)行系統(tǒng)手 自動(dòng)控制模式的切換 控制環(huán)流風(fēng)機(jī)以 高速或低速狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn) a 控制模式選擇界面 b 環(huán)流風(fēng)機(jī)控制界面 圖6 觸摸屏監(jiān)控界面 F i g 6 T o u c h s c r e e n m o n i t o r i n g i n t e r f a c e 使用G R M 5 3 2 C W X模塊工程配置軟件 G R M D e v 5完成溫室遠(yuǎn)程網(wǎng)頁監(jiān)控項(xiàng)目的開發(fā)和下 載 首先在軟件左側(cè)項(xiàng)目欄的數(shù)據(jù)詞典中建立變量 組和變量 用于映射模塊串口連接的P L C寄存器中 的值 接著在工程管理器的網(wǎng)絡(luò)通信端口中添加 S 7 1 2 0 0設(shè)備并指定所連接P L C的從機(jī)地址 最后 進(jìn)行I O變量屬性的設(shè)置 完成變量到P L C寄存器的 關(guān)聯(lián) 項(xiàng)目編譯和下載完畢后 溫室管理者可以使 用手機(jī)或電腦瀏覽器打開遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)址 w w w y u n p l c c o m 輸入G R M 5 3 2 Y C W X模塊的序列號(hào) 和密碼 進(jìn)入溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁界面 溫室遠(yuǎn)程控 制平臺(tái)共設(shè)置了5個(gè)監(jiān)控界面 分別為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示 界面 設(shè)備狀態(tài)界面 設(shè)定參數(shù)界面 模塊狀態(tài)顯示 界面和位置顯示界面 如圖7所示 在設(shè)備狀態(tài)選項(xiàng)卡下 各設(shè)備的狀態(tài) 從變量值的顯示效果可以看出 若設(shè)備處于停止?fàn)?態(tài) 監(jiān)控表中顯示紅色指示燈 若設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài) 監(jiān)控表中顯示綠色指示燈 當(dāng)卷簾 膜機(jī)構(gòu)未到達(dá)極 限位置時(shí) 顯示紅色指示燈 當(dāng)卷簾 膜機(jī)構(gòu)到達(dá)極限 位置時(shí) 顯示綠色指示燈 對(duì)于環(huán)流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量控制 可以在監(jiān)控表中輸入0 2 7 6 4 8的數(shù)值 通過P L C的 運(yùn)算 控制變頻器輸出0 5 0 H z的頻率 以此來調(diào)節(jié) 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 第9期李曉凱等 基于P L C的雙層膜日光溫室保溫通風(fēng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 8 7 圖7 網(wǎng)頁監(jiān)控平臺(tái) F i g 7 W e b m o n i t o r i n g p l a t f o r m 4 系統(tǒng)測(cè)試 控制柜的安放位置選擇在試驗(yàn)溫室相對(duì)干凈和干 燥的隔間內(nèi) 完成安裝接線后 對(duì)系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信功能的 穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試 測(cè)試項(xiàng)目包括云服務(wù)器響應(yīng)延遲時(shí) 間 模塊響應(yīng)延遲和設(shè)備響應(yīng)延遲時(shí)間 云服務(wù)器響 應(yīng)延遲是測(cè)試電腦到巨控云的延遲時(shí)間 正常情況下 延遲時(shí)間應(yīng)在8 0 m s以內(nèi) 并不得有丟包情況 如果有 延遲過大或丟包 可能導(dǎo)致程序下載不成功 模塊響 應(yīng)延遲是測(cè)試電腦到G R M 5 3 2 Y C W X設(shè)備的延遲 時(shí)間 正常延遲時(shí)間為1 2 0 2 0 0 m s 如果有延遲過大 或丟包 表明4 G網(wǎng)絡(luò)不佳 設(shè)備平均響應(yīng)延遲穩(wěn)定在 2 0 0 m s以內(nèi) 無丟包情況時(shí) 可以順利進(jìn)行遠(yuǎn)程操作 對(duì)室內(nèi)溫度的上下限進(jìn)行設(shè)置 以檢驗(yàn)系統(tǒng)的通 風(fēng)自動(dòng)控制功能 試驗(yàn)結(jié)果如表5所示 初始時(shí)間室 內(nèi)溫度處于設(shè)置的溫度區(qū)間內(nèi) 環(huán)流風(fēng)機(jī)與通風(fēng)口均 處于關(guān)閉狀態(tài) 修改室內(nèi)溫度的上限值低于溫室實(shí)時(shí) 溫度后 通風(fēng)口打開 風(fēng)機(jī)設(shè)備開啟 當(dāng)室內(nèi)溫度下降 后 修改室內(nèi)溫度的下限值高于溫室實(shí)時(shí)溫度 通風(fēng)口 關(guān)閉 風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行 證明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的通風(fēng)自 動(dòng)控制功能 表5 通風(fēng)自動(dòng)控制功能測(cè)試 T a b 5 V e n t i l a t i o n a u t o m a t i c c o n t r o l f u n c t i o n t e s t 室內(nèi)溫度 溫度上限 溫度下限 風(fēng)機(jī)狀態(tài)風(fēng)口狀態(tài) 3 2 5 3 3 2 8關(guān)關(guān) 3 2 1 3 0 2 8開開 2 8 6 3 2 3 0關(guān)關(guān) 2 8 6 2 6 2 4開開 2 3 9 2 8 2 4關(guān)關(guān) 系統(tǒng)設(shè)置的每日揭簾時(shí)間為8 3 0 閉簾時(shí)間為 1 6 3 0 對(duì)連續(xù)2天相應(yīng)時(shí)間內(nèi)外卷簾機(jī)和內(nèi)膜卷膜器 設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè) 結(jié)果如表6所示 上午達(dá)到 揭簾時(shí)間時(shí) 外卷簾機(jī)和內(nèi)卷簾機(jī)相繼運(yùn)行 在結(jié)束行 程到達(dá)指定位置后 內(nèi)膜卷膜器開始運(yùn)行卷起內(nèi)膜 下 午到達(dá)閉簾時(shí)間時(shí) 內(nèi)膜卷膜器最先開始運(yùn)行 內(nèi)膜完 全放下后 內(nèi)外卷簾機(jī)相繼開始運(yùn)行 監(jiān)測(cè)結(jié)果表明 系統(tǒng)能夠正常工作 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的保溫自動(dòng)控制功能 表6 保溫自動(dòng)控制功能驗(yàn)證 T a b 6 T h e r m a l i n s u l a t i o n a u t o m a t i c c o n t r o l f u n c t i o n v e r i f i c a t i o n 日期 外簾內(nèi)簾內(nèi)膜 時(shí)間設(shè)備狀態(tài)時(shí)間設(shè)備狀態(tài)時(shí)間設(shè)備狀態(tài) 2 0 2 3 1 2 0 3 8 3 0 0 0開運(yùn)行8 3 5 3 0開運(yùn)行8 3 9 1 5開運(yùn)行 1 6 3 7 2 3關(guān)運(yùn)行1 6 3 3 4 5關(guān)運(yùn)行1 6 3 0 0 0關(guān)運(yùn)行 2 0 2 3 1 2 0 4 8 3 0 0 0開運(yùn)行8 3 5 3 2開運(yùn)行8 3 9 1 8開運(yùn)行 1 6 3 7 1 6關(guān)運(yùn)行1 6 3 3 4 0關(guān)運(yùn)行1 6 3 0 0 0關(guān)運(yùn)行 5 結(jié)論 設(shè)計(jì)基于P L C的雙層膜日光溫室保溫及通風(fēng)控 制系統(tǒng) 通過試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的功能性和實(shí)用性 1 控制系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)雙層膜日光溫室內(nèi)現(xiàn)有設(shè) 備的集中管理 設(shè)計(jì)溫室現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)和可通 過手機(jī)端或計(jì)算機(jī)端瀏覽器登錄的遠(yuǎn)程網(wǎng)頁監(jiān)控平 臺(tái) 人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔直觀 操作簡(jiǎn)單方便 可實(shí)時(shí)掌 握溫室內(nèi)的環(huán)境信息 對(duì)溫室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行操控 系統(tǒng) 采用模塊化設(shè)計(jì) 可根據(jù)需求對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展 能夠廣泛應(yīng)用于寒冷干旱地區(qū)日光溫室的環(huán)境監(jiān)測(cè)與 調(diào)控 減輕農(nóng)戶的工作強(qiáng)度 節(jié)省工作時(shí)間 2 系統(tǒng)采用梯形圖語言編寫溫室保溫及通 風(fēng)P L C控制程序 根據(jù)雙層膜日光溫室日常管理方 法 使溫室卷簾及內(nèi)膜按照規(guī)定時(shí)間和順序自動(dòng)卷起 或放下 通風(fēng)口和風(fēng)機(jī)按照設(shè)定的溫室內(nèi)溫度上下限 自動(dòng)打開或關(guān)閉 溫室現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地測(cè)試結(jié)果顯示 設(shè) 備響應(yīng)1 0次 丟包0次 故障率為0 平均響應(yīng)延時(shí) 6 4 m s 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠 能夠按照控制邏輯正常運(yùn) 轉(zhuǎn) 控制系統(tǒng)可為進(jìn)一步研究環(huán)境因子對(duì)作物生長(zhǎng)的 影響提供技術(shù)支持 參 考 文 獻(xiàn) 1 L i H G u o Y Z h a o H e t a l T o w a r d s a u t o m a t e d 1 8 8 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 5年 g r e e n h o u s e A s t a t e o f t h e a r t r e v i e w o n g r e e n h o u s e m o n i t o r i n g m e t h o d s a n d t e c h n o l o g i e s b a s e d o n i n t e r n e t o f t h i n g s J C o m p u t e r s a n d E l e c t r o n i c s i n A g r i c u l t u r e 2 0 2 1 1 9 1 1 0 6 5 5 8 2 S a d e k N S h e h a t a D I n t e r n e t o f T h i n g s b a s e d s m a r t a u t o m a t e d i n d o o r h y d r o p o n i c s a n d a e r o p o n i c s g r e e n h o u s e i n E g y p t J A i n S h a m s E n g i n e e r i n g J o u r n a l 2 0 2 4 1 5 2 1 0 2 3 4 1 3 宋陽 李志鑫 吳春華 等 一類適于北方