0 引言
温室用来改变植物的生长环境,避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响,为植物生长创造适宜的条件[1-3].温室环境是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等因素构成的.温室控制通过控制温室内的温度、湿度、通风与光照,使其在其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物,从而达到对农作物调节产期、促进生长发育、防治病虫害及提高产量的目的[4-6],为创造植物生长所需的最佳环境条件,故温室控制系统的研究显得尤为重要.
本研究提出了基于西门子公司 S7-200 系列的可编程控制器( PLC) 和 MCGS 组态软件的温室环境控制系统设计方案,将各种传感器采集到温室中环境指标送入 PLC 中,由 PLC 将其与设定值进行比较,再发出相应的指令驱动执行设备来调节温室内的环境参数,从而实现温室的智能控制.另外,采用 MCGS 组态软件完成了控制系统的组态设计,实现了控制系统操作的人性化和过程的可视化.
1 总体设计方案
本温室控制系统设有手动、自动两种工作模式:自动方式是指周期性地进行 PLC 控制的方式; 而手动方式则是指在出现应急情况等一些突发事件时,通过手动操作控制执行器件的工作.温室控制系统的总体框图如图 1 所示.
温室控制系统由 PLC 系统、传感器系统、执行部件等部分组成.该温室控制系统以 PLC 为控制中心,通过温度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器采集温室中环境因子的有关参数,由变送转换为标准电流信号( 4 ~ 20mA) 后,经由 S7-200 的模拟量输入模块 EM235 送入 PLC 控制器; PLC 再通过 PID 控制算法将采集的参数与已设定的值进行分析处理,输出开关量,对执行机构进行控制.在此系统中,还可以通过串口的形式与 PC 机相连,从而实现实时数据的管理与存储,为以后植物生长研究提供试验基础.
2 硬件设计
温度环境控制系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分.硬件设计主要包括了系统主电路设计和PLC 硬件电路的设计.
2. 1 系统主电路设计
系统的主电路如图 2 所示.其中,通风扇电机、遮阳帘电机( 遮阳帘风机配有限位开关) 除功率有所不同之外,需通过电机正转、反转和停止来完成相应机构的开启与闭合,因此其工作主电路相似.热风机、冷风机、加热器、发光体、CO2添加器则属于开/关设备.QK 为刀开关,用于控制整个主电路的启停;FU1 ~ FU7 为熔断器,分别对各个分线路实施短路和过载保护; FR1 ~ FR5 为热继电器,对电机、加热器起过载保护的作用; KM1 ~ KM9 为交流接触器的主触头,用其实现电机的正反转、停止及风机等开/关设备的启停控制.
2. 2 PLC 硬件电路的设计
根据系统的控制要求,确定了 PLC 的输入/输出信号,从而确定 PLC 的 I/O 点数为 14 个数字量输入、10 个数字量输出、3 个模拟量输入.为了既能实现该系统控制要求,又能满足扩展需要,选用 S7-200 系列的 CPU226 和模拟量输入模块 EM235.输入端口和输出端口分配表分别见表 1 和表 2 所示.
温室控制系统的硬件选用 S7-200 系列的 CPU226和模拟量输入模块 EM235,其硬件接线如图 3 所示.
3 组态设计方案
MCGS 组态软件提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台,能完成现场数据采集、实时历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线、报表输出以及企业监控网络等功能.
3. 1 温室控制系统的组态设计
3. 1. 1 新建工程
进入 MCGS 组态环境,新建工程"温室控制系统",如图 4 所示.
3. 1. 2 定义变量
在 MCGS 组态软件中,定义变量之前先对变量进行分配.本系统需要 17 个变量,如表 3 所示.
进入"实时数据库"窗口页定义变量,定义结果如图 5 所示.
3. 1. 3 组态画面设计
组态画面设计分为画面建立、画面编辑、动画连接3 个步骤.通过上述步骤,建立的"温室控制系统"画面,如图 6 所示.
3. 2 程序编写
温室控制系统的控制过程如下: 按下启动按钮,系统将传感器对温室温度、光照、二氧化碳浓度等环境因素进行检测的测量值与温室控制系统的设定值进行比较: 如果温度的检测量高于设定值,PLC 就会发出相应的指令控制冷风机的开启和通风扇正转; 如果测量值低于设定值,则打开加热器和热风机,对温室进行加温,并使通风扇反转.当温室的光照低于设定值时,系统打开遮阳帘和补光灯; 当温室的光照高于设定值时,系统关闭遮阳帘.当温室的二氧化碳浓度低于设定值,系统开启二氧化碳调节阀; 如果温室中的测量值与设定值相等,则关闭相应设备,保持温室中的环境参数.上述功能可通过程序编写来实现,在 MCGS 中编写控制程序采用策略组态的形式.
3. 3 程序调试
在 MCGS 组态软件中,进入"运行环境"( 见图7) ,通过点击画面上的控制按钮,观察温室控制系统的运行情况是否与设计要求一致.在运行调试的过程中,通过不断地完善使得系统的运行情况与设计要求完全一致.
在 MCGS 组态软件中,该控制系统的实时报表和历史报表将实时显示温室中的温度、光照和 CO2浓度,且该控制系统的实时曲线和历史曲线将实时显示温室中的温度、光照和 CO2浓度变化曲线.
4 结论
本研究运用西门子 S7-200 系列 PLC 和 MCGS 组态软件,完成了温室控制系统的设计.本控制系统设有手动、自动两种工作模式,自动模式为正常运行状态,手动模式用于应对突发状况.利用 MCGS 组态软件进行了温室控制系统的组态设计,实现了控制过程的可视化监测和运行数据的实时采集,为温室环境控制提供了设计基础.
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