基于國(guó)產(chǎn)PLC的光伏供電溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范哲超　陸明

摘要：采用國(guó)內(nèi)主流可編程控制技術(shù)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，結(jié)合傳感器技術(shù)和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，分析影響溫室作物生長(zhǎng)的因素，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)控制，降低人力資源成本，實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、精準(zhǔn)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。分析溫室控制系統(tǒng)組成、硬件設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)監(jiān)控和供電問(wèn)題，設(shè)計(jì)溫室環(huán)境控制柜、光伏供電柜和觸摸屏用戶界面，完全實(shí)現(xiàn)國(guó)有化設(shè)計(jì)和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。經(jīng)實(shí)地測(cè)試，數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，環(huán)境調(diào)節(jié)有效，可以滿足現(xiàn)代化溫室智能管理，在技術(shù)提升方面具備較強(qiáng)的可塑性，對(duì)北方地區(qū)環(huán)境具有廣泛適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：溫室；自動(dòng)控制系統(tǒng)；PLC；光伏供電

中圖分類號(hào)： TP273；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）15-0223-05

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)協(xié)同發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為各地區(qū)重點(diǎn)發(fā)展的創(chuàng)收項(xiàng)目。根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)“8337”發(fā)展思路，以“把該區(qū)建成綠色農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)加工輸出基地”為重點(diǎn)，不斷創(chuàng)新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式，大力支持建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)日光溫室項(xiàng)目[1]。然而目前在內(nèi)蒙古自治區(qū)推廣溫室項(xiàng)目主要有如下制約因素：第一，該區(qū)地處北方，冬季溫度大部分時(shí)間在0 ℃以下，自然環(huán)境對(duì)溫室生產(chǎn)種植影響較大；第二，該區(qū)溫室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，絕大部分是塑料溫室，以日光溫室為主；第三，該區(qū)溫室自動(dòng)化水平低，環(huán)境調(diào)控水平落后，控制系統(tǒng)依賴國(guó)外設(shè)備或器件，操作困難，人機(jī)交互性差[2-3]。本研究設(shè)計(jì)基于國(guó)產(chǎn)PLC的光伏供電溫室控制系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室多環(huán)境量的有效控制。

1系統(tǒng)組成[LL]

該系統(tǒng)使用溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、壓力傳感器采集或監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度、滴灌壓力等環(huán)境參數(shù)信息，采用國(guó)產(chǎn)可編程控制器，驅(qū)動(dòng)控制變頻器、通風(fēng)扇、遮陽(yáng)簾、交換風(fēng)機(jī)、冷水泵、熱水泵、灌噴水泵、補(bǔ)光燈等多種設(shè)備，有效調(diào)節(jié)溫室氣候，為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供最適宜的生態(tài)環(huán)境，大幅提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。開(kāi)發(fā)獨(dú)立光伏輔助供電系統(tǒng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，既綠色環(huán)保又節(jié)能減排。設(shè)計(jì)觸摸屏監(jiān)控程序，可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)操作人性化和過(guò)程可視化[4-5]。

考慮到溫室實(shí)際生產(chǎn)的安全性與可靠性，設(shè)計(jì)手動(dòng)和自動(dòng)2種工作模式，自動(dòng)工作模式是周期性的PLC控制模式；手動(dòng)工作模式是在出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，手動(dòng)操作控制執(zhí)行器件工作。溫室控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

溫室控制系統(tǒng)硬件電路主要包括PLC輸入和輸出控制電路、環(huán)境量采集、轉(zhuǎn)換電路、光伏供電電路。

PLC控制電路主要解決溫室環(huán)境量調(diào)節(jié)控制、變頻恒壓灌溉、設(shè)備通訊等問(wèn)題。PLC控制電路選用增強(qiáng)型國(guó)產(chǎn)化臺(tái)達(dá)PLC DVP32ES2作為核心旗艦級(jí)，該P(yáng)LC帶有A/D和D/A轉(zhuǎn)換單元，內(nèi)建1組RS-232，2組RS-485通訊端口，提供32點(diǎn)I/O接口，其功能均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。通過(guò)外接多種接觸器和繼電器，控制遮陽(yáng)步進(jìn)電機(jī)、通風(fēng)風(fēng)機(jī)、滴灌噴淋電磁閥、冷熱水電磁閥、變頻器、水泵等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作功能。PLC控制電路接線圖如圖2所示[6]。

環(huán)境量采集及轉(zhuǎn)換電路主要解決溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、壓力等環(huán)境量的自動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題，選用臺(tái)達(dá)高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器DVP 06XA-E2，將4路傳感器采集的4～20 mA電流模擬量轉(zhuǎn)換為PLC能夠處理的數(shù)字信號(hào)，環(huán)境量采集統(tǒng)一選用輸入電壓24 V，輸出為4～20 mA電流信號(hào)的傳感器和變送器。溫室外溫度采集選用臺(tái)達(dá)溫度控制器DTC1000，外接熱電偶傳感器Pt100，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)外溫度采集處理，量程-50～150 ℃，測(cè)量精度為±0.5 ℃。溫室內(nèi)溫度、濕度采集選用溫濕度變送器，溫度量程-40～80 ℃，濕度量程0～100% RH（工作環(huán)境-40～80 ℃），濕度精度±3% RH（20%～95%RH，20 ℃）。光照度采集采用光照變送器65 535 LUX，測(cè)量范圍0～65 535 LX、最大允許誤差7%、操作環(huán)境-20～70 ℃，0～80% HP。壓力采集電路選用YB-131型壓力傳感器，壓力范圍0～0.6 MPa、精度0.5%。環(huán)境量采集及轉(zhuǎn)換電路接線圖如圖3所示[7]。

光伏供電電路主要為溫室控制系統(tǒng)提供輔助電源，正常情況下使用工頻供電，斷電情況下切換光伏供電，進(jìn)一步對(duì)比分析計(jì)算溫室控制系統(tǒng)的工作負(fù)荷和耗電量。光伏供電電路主要采用屹晶微電子國(guó)產(chǎn)EG8030數(shù)字化三相純正弦波逆變發(fā)生器芯片為核心，該芯片能夠采集電流信號(hào)、溫度信號(hào)、三相電壓信號(hào)，生成高精度、失真和諧波都很小的三相SPWM信號(hào)，具有輸出穩(wěn)壓和各項(xiàng)保護(hù)功能，自主設(shè)計(jì)三相純正弦波逆變功率板和驅(qū)動(dòng)板，組成三相逆變電路。光伏儲(chǔ)能單元使用太陽(yáng)能電池板和鉛酸蓄電池，通過(guò)智能光伏控制器實(shí)現(xiàn) 1 kW 獨(dú)立型交直流混合光伏供電系統(tǒng)，光伏供電系統(tǒng)電路如圖4所示。

3程序設(shè)計(jì)

根據(jù)溫室控制系統(tǒng)要求，利用臺(tái)達(dá)PLC的編程軟件WPLsoft開(kāi)發(fā)PLC程序，主要包括報(bào)警程序、遮陽(yáng)簾控制程序、灌溉噴淋控制程序，溫濕度控制程序以及變頻器、溫度控制器、觸摸屏等控制通信程序，PLC和A/D轉(zhuǎn)換器I/O端子分配如表1所示。

嚴(yán)格按照系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)程序邏輯，以溫度控制程序?yàn)槔瑱z測(cè)溫度高于設(shè)定值，PLC就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的指令控制開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)和水泵循環(huán)冷水；當(dāng)測(cè)量值低于設(shè)定值，則打開(kāi)循環(huán)熱水泵和熱風(fēng)機(jī)對(duì)溫室進(jìn)行加溫，同時(shí)考慮各環(huán)境參數(shù)之間的耦合關(guān)系。某一設(shè)備的開(kāi)關(guān)會(huì)對(duì)多個(gè)環(huán)境因子產(chǎn)生影響，例如打開(kāi)熱交換風(fēng)機(jī)增加溫度，但同時(shí)濕度也降低，給溫度控制帶來(lái)了負(fù)面影響。針對(duì)以上情況，根據(jù)環(huán)境因子的重要性不同，設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，即溫度>濕度>光照強(qiáng)度。根據(jù)優(yōu)先級(jí)關(guān)系的降溫控制程序如圖5所示[8]。

開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)PID恒壓滴灌控制程序，采用臺(tái)達(dá)VFD007EL43A三相380 V、750 W變頻器和德國(guó)威樂(lè)PW-176EAH、最大揚(yáng)程14 m、三相功率290 W水泵，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器采集的實(shí)際水泵壓力信號(hào)與給定值壓力信號(hào)有偏差時(shí)，執(zhí)行PID運(yùn)算程序，穩(wěn)定控制變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)恒壓滴灌、噴淋，保證植物的正常攝水量和溫室內(nèi)濕度控制，變頻器通訊程序如圖6所示，PID控制程序如圖7所示。endprint

4觸摸屏設(shè)計(jì)

溫室控制系統(tǒng)使用臺(tái)達(dá)DOP-B07S411觸摸屏作為用戶界面，利用臺(tái)達(dá)DOPSoft軟件開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史曲線、報(bào)警記錄等5個(gè)用戶界面（圖8至圖11）。

用戶可以通過(guò)自動(dòng)控制界面設(shè)定溫度、濕度、光照度、遮掩網(wǎng)電機(jī)速度、噴淋壓力、灌溉壓力、灌溉啟動(dòng)/停止時(shí)間、優(yōu)先通風(fēng)降溫時(shí)間和報(bào)警延遲時(shí)間等參數(shù)，實(shí)時(shí)觀測(cè)室內(nèi)溫度、室外溫度、濕度、光照強(qiáng)度、水泵壓力、輸出頻率，輸出電流和母線電壓等數(shù)據(jù)；可通過(guò)手動(dòng)界面操作通風(fēng)、降溫、加熱、噴淋、灌溉、遮陽(yáng)等功能，調(diào)控溫室環(huán)境因素，使作物達(dá)到最佳生長(zhǎng)狀態(tài)[9]。

數(shù)據(jù)監(jiān)控界面在線記錄溫室當(dāng)前溫度、濕度、光照度，用戶可以實(shí)時(shí)觀測(cè)各參數(shù)的變化情況。歷史曲線界面記錄溫室內(nèi)溫度、濕度、光照度、水泵壓力和溫室外溫度，主要用于分析溫室內(nèi)環(huán)境因素的變化趨勢(shì)。報(bào)警界面主要記錄報(bào)警事件，提醒用戶及時(shí)處理險(xiǎn)情，保證作物正常生長(zhǎng)[10]。

5運(yùn)行結(jié)果

本系統(tǒng)在察哈爾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)草莓日光溫室試運(yùn)行，春季設(shè)置溫室內(nèi)溫度18～25 ℃，相對(duì)濕度不低于70%，每日補(bǔ)光2 h，經(jīng)測(cè)試采用溫室控制系統(tǒng)的草莓作物成長(zhǎng)成熟期比傳統(tǒng)日光溫室縮減10 d左右，產(chǎn)量提高30%左右，草莓肉質(zhì)口感明顯改善。結(jié)果表明，溫室控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，環(huán)境調(diào)節(jié)效果明顯，不受外界氣候影響，功率低、耗電少，光伏充放供電4 h以上，觸摸屏界面友好，易于操作，國(guó)產(chǎn)化程度高，性價(jià)比好，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值很高（圖12）。

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