基于PLC控制系統(tǒng)的溫室灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究

季建珍

（江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 宜興 214200）

一個良好的溫室環(huán)境需要對環(huán)境溫度、CO2濃度、濕度及光照進(jìn)行有效監(jiān)測和控制。如果這些工作都由人們手動完成，不僅工作強(qiáng)度大，最終的控制效果也會不盡如人意，造成勞動力和資源浪費。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)趨于自動化，人力和資源消耗得到了有效控制。溫室灌溉系統(tǒng)起步于國外，具有節(jié)能性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點。本文主要根據(jù)現(xiàn)代溫室控制的一般方法，設(shè)計出一種對于環(huán)境的溫度、CO2濃度、濕度與光照均能進(jìn)行自動檢測的溫室灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用了PLC控制技術(shù)，真正意義上實現(xiàn)了實時檢測、人力交互的生產(chǎn)模式［1］。本文設(shè)計的溫室灌溉系統(tǒng)，主要基于PLC系統(tǒng)，內(nèi)部含有可進(jìn)行編程存儲器，可以進(jìn)行運(yùn)算、排列順序、定時和計數(shù)等操作，具有可靠性高、編程容易、組態(tài)靈活、安裝方便以及運(yùn)行速度快等特點。

1 溫室灌溉系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1.1 針對水生植物

水生植物對灌溉系統(tǒng)要求較高。本設(shè)計通過投入式水位傳感器感受水位信號，并且將其傳送到控制器進(jìn)行分析，與設(shè)定信號最小值和最大值相比較，之后根據(jù)兩者差異分別對水和電閥門進(jìn)行打開或關(guān)閉指令，當(dāng)水位到達(dá)不了規(guī)定范圍內(nèi)時，最小水位報警燈閃亮［2］。水生植物灌溉流程如圖1所示。

1.2 針對土壤植物

本系統(tǒng)將土壤所需含水量設(shè)定為一個最小值，保證土壤中水分含量一直處于最小值之上，并且通過土壤傳感器對土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測，之后將相關(guān)數(shù)值傳送到控制器上，與開始設(shè)定的最大值和最小值進(jìn)行比較，根據(jù)差異分別對水和電閥門進(jìn)行打開或關(guān)閉指令，保證土壤濕度符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，從而使土壤植物有充足濕度和水分［3］。當(dāng)土壤中水量低于設(shè)定最小值時，設(shè)置最小值報警燈閃亮。土壤植物灌溉流程如圖2所示。

圖1 水生植物灌溉流程

圖2 土壤植物灌溉流程圖

1.3 定時灌溉設(shè)計

本系統(tǒng)具有定時灌溉模式，即可以按照設(shè)置完成定時、定量澆灌任務(wù)，如可以選擇每天06：00進(jìn)行自動灌溉，持續(xù)2～3 min；或者選擇16：00進(jìn)行灌溉，持續(xù)2～3 min［4］。另外，還可以進(jìn)行每隔一天的定時灌溉，當(dāng)晚上光敏開關(guān)響應(yīng)時，進(jìn)行澆灌澆水，持續(xù)2 min。這兩種模式可以根據(jù)水生植物和土壤植物生長特性進(jìn)行調(diào)整，具體流程如圖3所示。

圖3 定時灌溉流程

1.4 空氣溫度控制

本文系統(tǒng)在空氣溫度值檢測過程中，設(shè)定一個最高值和最低值，當(dāng)空氣溫度不在該范圍時，將進(jìn)行自動升溫和降溫操作。

1.5 CO2濃度控制

同控制溫度控制類似，設(shè)定一個CO2濃度最高值和最低值，當(dāng)空氣中CO2濃度不在該范圍時，進(jìn)行自動補(bǔ)充或降低操作。

1.6 室內(nèi)光照度控制。

本系統(tǒng)還能夠?qū)κ覂?nèi)光照進(jìn)行有效控制，當(dāng)光照值低于設(shè)定值時，進(jìn)行自動補(bǔ)光工作；當(dāng)白天光照值高于設(shè)定值時，則自動關(guān)閉該功能。

2 溫室灌溉系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本文設(shè)計的溫室灌溉系統(tǒng)主要由PLC、A/D轉(zhuǎn)換模塊、土壤濕度傳感器、水位傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和報警裝置構(gòu)成。針對于水生植物和土壤植物有不同的工作原理，如圖4所示。

2.1 PLC的選擇

使用西門子S7-200PLC作為控制器，其含有14個輸入端口和10個輸出端口，可以相互連接成為擴(kuò)展模塊，滿足系統(tǒng)控制要求。

圖4 硬件工作原理

2.2 土壤濕度傳感器的選擇

采用FDR中的HA2001 FDR土壤傳感器，該土壤傳感器主要運(yùn)用了電磁脈沖工作原理達(dá)到監(jiān)測土壤水分效果，具有快速、安全、便捷、自動和定點準(zhǔn)確的優(yōu)點。

2.3 水位傳感器的選擇

本次控制系統(tǒng)采用DATA-51的投入式水位傳感器，該水位傳感器將水位信號傳達(dá)到水位控制器上，并將實際水位情況和設(shè)定水位情況進(jìn)行對比，從而發(fā)出打開或關(guān)閉的質(zhì)量，保證水位所需量穩(wěn)定［5］。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)對輸入量的要求，采用EM231模擬量輸入模塊，將現(xiàn)場由傳感器檢測產(chǎn)生的連續(xù)模擬量信號轉(zhuǎn)換成PLC可以接收的12位二進(jìn)制數(shù)信號，數(shù)字量位數(shù)越多，表明模塊分辨率越高。

3 結(jié)語

本文基于PLC控制技術(shù)設(shè)計了一套溫室灌溉系統(tǒng)。該溫室灌溉系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌参锼杷窟M(jìn)行自動控制，以西門子S7-200的PLC為控制器，采用水位節(jié)點控制、時鐘控制以及濕度傳感器，對水生植物及土壤植物進(jìn)行智能化灌溉。通過研究分析發(fā)現(xiàn)，該溫室灌溉系統(tǒng)減輕了工作強(qiáng)度，緩解了勞動壓力，適合進(jìn)一步推廣。