基于PLC的雙層膜日光溫室保溫通風控制系統(tǒng)設計.pdf

1 8 2 中國農(nóng)機化學報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控制系統(tǒng)設計 J 中國農(nóng)機化學報 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控制系統(tǒng)設計 李曉凱1 塔娜1 閆彩霞1 2 甄琦1 2 郭夢杰1 王偉明1 1 內蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 呼和浩特市 0 1 0 0 1 8 2 內蒙古農(nóng)業(yè)大學能源與交通工程學院 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)控實際需求 設計一套基于P L C的溫室保溫及通風控制系統(tǒng) 利用通信模塊完 成多路不同類型變送器隔離4 8 5信號的并行采集 解決P L C輪詢多設備的延時和干擾問題 實現(xiàn)對溫室內外溫濕度 太陽輻射 強度等環(huán)境因子的實時監(jiān)測 利用遠程模塊的4 G上網(wǎng)功能 在確保通信數(shù)據(jù)傳輸質量的前提下 實現(xiàn)對溫室環(huán)境的云端監(jiān)控 遠程上傳 下載P L C及觸摸屏程序 在線監(jiān)控與調試設備 將雙層膜日光溫室的保溫及通風人工管理方法轉化設計為P L C梯 形圖程序 使系統(tǒng)能夠通過P L C自動控制設備對溫室進行保溫和通風 最后對系統(tǒng)的遠程控制功能進行測試 結果顯示 設備 響應1 0次 丟包0次 故障率為0 平均響應延時6 4 m s 設備能夠按照控制邏輯正常運行 具有一定的推廣價值 關鍵詞 日光溫室 控制系統(tǒng) 保溫 通風 可編程邏輯控制器 中圖分類號 S 6 2 5 5 1 文獻標識碼 A 文章編號 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 基金項目 內蒙古自治區(qū)直屬高校基本科研業(yè)務費項目 B R 2 2 1 4 0 3 內蒙古自然科學基金 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 甘肅靖遠人 碩士研究生 研究方向為復雜裝備控制系統(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 內蒙古正藍旗人 博士 教授 研究方向為高寒干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)裝備工程與技術 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 隨著電氣設備控制技術在設施農(nóng)業(yè)領域的快速發(fā) 展 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研發(fā)受到了國內外科研人員的 重點關注 1 2 溫室內部環(huán)境封閉 可通過人工手段有 效控制室內環(huán)境條件 實現(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 中國農(nóng)機化學報 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控制系統(tǒng)設計1 8 3 需每天花費大量時間管理溫室設備 工作強度較大且存 在不能準確和及時地對溫室環(huán)境作出調控的問題 針 對我國北方寒冷干旱地區(qū)雙層膜日光溫室的特點 3 設 計一套能夠自動監(jiān)測室內外環(huán)境變化并根據(jù)作物生長 需求調控環(huán)境的溫室控制系統(tǒng) 對于提高單位土地產(chǎn)出 率 實現(xiàn)智能種植系統(tǒng)自主化具有重要意義 設計溫室環(huán)境控制系統(tǒng)時 需要考慮3個方面的 問題 分別是控制器 現(xiàn)場設備以及通信方式 4 控制 器負責協(xié)調管理各個設備協(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 6 工 控機 可編程邏輯控制器P L C 7 等 對作物生長環(huán)境 進行調控的現(xiàn)場設備主要有加熱設備 8 通風設備 遮 陰設備 霧化設備 9 水肥灌溉設備 1 0 和氣肥增施設 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G P R S Z i g B e e 1 1 遠距 離無線電L o R a 1 2 W i F i等通信技術進行信息傳遞 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)場總線技術進行 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 個控制節(jié)點 組成溫室環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡 K u m k h e t等 1 4 使用A r d u i n o單片機和E S P 8 2 6 6單片機各自控 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度和土壤 濕度 趙慧娟 1 5 對基于P L C設計溫室智能監(jiān)測系統(tǒng)的 過程進行了細致的介紹 完成了軟硬件設計 試驗驗證 等工作 系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測參數(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)行設備運行狀態(tài)監(jiān)控的人機交互界面 在硬件設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試平臺 利用硬件 在環(huán)技術 在平臺的虛擬環(huán)境中就可以對控制算法進 行系統(tǒng)級測試 縮短了整個控制系統(tǒng)從設計到投入溫 室使用的時間 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現(xiàn)實功能的W e b程序 支持農(nóng)戶通過P C或手持電子設備觀察溫室內作物的 生長狀況 遠程控制執(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 當發(fā)生病害時 還可在 線向專家咨詢治療方案 根據(jù)目前國內外溫室控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和雙層 膜日光溫室內現(xiàn)有的環(huán)境調控設備 本文擬采用傳感器 技術 無線通信技術和自動控制技術 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控制系統(tǒng) 1 系統(tǒng)總體結構與工作過程 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)由內外 保溫被 內外膜 卷簾機及卷膜器組成 外保溫被采用 中置擺臂式卷簾機雙側卷放 內保溫被和內膜分別由 側擺臂卷簾機和卷膜器單側卷放 內膜可根據(jù)室外天 氣情況和內保溫被的狀態(tài)決定是否卷放 冬季清晨 當內外保溫被卷起后延遲一段時間再卷起內膜 可防 止溫室內溫度下降過快造成凍害 下午外界溫度降低 時 先放下內膜形成雙膜狀態(tài)進行保溫 內外保溫被可 延遲一段時間再放下 增加光照時間 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 通風系統(tǒng) 雙層膜日光溫室采用自然通風和強制通風相結合 的通風方式 溫室前屋面頂部和底部各設有一處通風 口 由卷膜器帶動卷軸控制通風口的開閉 在室內外溫 差的作用下進行自然通風 在溫室內東 西方向適當 高度上布有一定數(shù)量的環(huán)流風機 用于促進室內空氣 的流動 使室外冷空氣在到達作物之前與室內空氣充 分混合 當遇到室外惡劣天氣 自然通風系統(tǒng)長時間 處于關閉狀態(tài)時 可開啟環(huán)流風機進行強制通風 循環(huán) 室內空氣 促使室內溫濕度 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裝置的位置如 圖2所示 a 溫室外部 b 溫室內部 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控制系統(tǒng)的功能包括溫 室環(huán)境監(jiān)測和調控2個部分 主要監(jiān)測的環(huán)境因子為 室內外溫濕度 太陽輻射強度 室內二氧化碳氣體濃度 和室外風速 由室內各類型傳感器和室外小氣象站負 1 8 4 中國農(nóng)機化學報2 0 2 5年 責采集環(huán)境數(shù)據(jù) 由P L C負責對數(shù)據(jù)進行分析處理并 顯示在溫室內的L E D顯示屏和其他監(jiān)控設備上 作為 控制依據(jù)使系統(tǒng)能夠對溫室環(huán)境做出及時和準確的調 控 根據(jù)不同種類作物的需求 可以在系統(tǒng)中設置環(huán)境 參數(shù)上下限 在與采集到的溫室實時環(huán)境數(shù)據(jù)對比后 系統(tǒng)按照編寫的控制程序自動控制相應執(zhí)行機構的動 作 同時能夠在監(jiān)控設備上查看各執(zhí)行機構的運行狀 態(tài) 控制系統(tǒng)具有手動控制和自動控制2種控制模式 當自動模式發(fā)生故障或認為需要手動快速強制控制溫 室相關設備時 管理人員可以對控制模式進行切換 系 統(tǒng)具有遠程控制功能 方便農(nóng)戶在家中或任何其他具有 無線網(wǎng)絡的地點通過電腦或移動設備登錄云平臺對溫 室實施管理 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)工作時傳感器和觸摸屏以R S 4 8 5 2 3 2的形式將 信號傳送至通信模塊 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匯總傳輸至P L C中 同時P L C的第 二個R J 4 5接口連接遠程模塊 遠程模塊通過4 G的方式 連接云平臺 使P L C或觸摸屏編程軟件可以像計算機本 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 硬件設計 2 1 硬件選型 2 1 1 控制器與變頻器 基于P L C硬件技術成熟 開發(fā)工作量小和適應性 強 運行穩(wěn)定可靠等特點 對輸入輸出設備的數(shù)量統(tǒng)計 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 為緊湊式結構 電源 通信 和信號模塊集中在一起 通過內部總線進行連接傳 輸信號 其標配2個R J 4 5網(wǎng)口 使得編程和調試更為 方便 本研究選用的P L C板載1 4個數(shù)字量輸入 1 0個數(shù)字量輸出和模擬量輸入輸出各2個 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) 擴展留出裕量 循環(huán)通風的開啟應根據(jù)需要和自然通風設備的運 行狀態(tài)確定 當溫室的通風口處于關閉狀態(tài)時 環(huán)流風 機可全速運轉促進室內空氣循環(huán) 當通風口開啟且需 要室內循環(huán)通風時 可根據(jù)需要降低環(huán)流風機的運轉 速度 對風機轉速的控制可通過變頻器來實現(xiàn) 根據(jù) 溫室內外的溫度差異來自動控制風機的風量 保持良 好的通風效果 變頻器的選擇主要包括類型選擇和容 量選擇 環(huán)流風機的負載轉矩小且無轉速精度要求 故變頻器的類型可選擇價格便宜的通用型普通變頻 器 溫室內環(huán)流風機的額定功率為0 5 5 k W 共裝有 2臺 需注意變頻器的容量應大于等于風機電機的容 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 適配電動機功率1 5 k W 電壓等級 3 8 0 V 2 1 2 傳感器 根據(jù)溫室環(huán)境特點和系統(tǒng)需求 選用C O 2溫濕度 三合一變送器 型號 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 R S R A N 0 1 兩者均 采用標準M o d b u s R T U 4 8 5通信協(xié)議 用來采集室 內環(huán)境信息 其技術指標如表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便攜式小型自動氣象站 進行采集 主要技術指標見表2 表1 傳感器主要技術參數(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)定性響應時間精度 溫度傳感器 4 0 8 0 0 1 a 1 8 s 1 m s風速 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控制系統(tǒng)設計1 8 5 表2 HOBOU30 NRC氣象站傳感器主要技術參數(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 相對濕度 R H 0 1 0 0 0 1 2 5 風速 m s 1 0 4 5 0 3 8 1 1 風向 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 其主要功能 是多路隔離4 8 5信號的并行采集 解決P L C輪詢多設 備的延時和干擾問題 遠程模塊選擇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)口連接后可實現(xiàn)使用手機或電腦通過網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)遠程查看溫室信息 下發(fā)控制指令 溫室現(xiàn)場的 人機交互模塊選用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)控界面的設計 2 2 I O地址分配 根據(jù)溫室內的設備及控制系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能 統(tǒng)計P L C輸入和輸出的信號點數(shù) 進行I O點分配 結果如表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 序號名稱代碼地址 1總啟停開關S B 1 0 I 0 0 2側卷棉開限位S Q 1 I 0 1 3側卷棉關限位S Q 2 I 0 2 4中卷棉開限位S Q 3 I 0 3 5中卷棉關限位S Q 4 I 0 4 6內膜開限位S Q 5 I 0 5 7內膜關限位S Q 6 I 0 6 8頂通風開限位S Q 7 I 0 7 9頂通風關限位S Q 8 I 1 0 1 0底通風開限位S Q 9 I 1 1 1 1底通風關限位S Q 1 0 I 1 2 1 2側卷棉正行程K A 1 Q 0 0 1 3側卷棉反行程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內膜正行程K A 5 Q 0 4 1 7內膜反行程K A 6 Q 0 5 1 8頂通風正行程K A 7 Q 0 6 1 9頂通風反行程K A 8 Q 0 7 2 0底通風正行程K A 9 Q 1 0 2 1底通風反行程K A 1 0 Q 1 1 2 2環(huán)流風機K A 1 1 Q 1 2 2 3變頻器B P Q Q W 6 4 模式轉換旋鈕 P L C控制系統(tǒng)總啟停開關 和限 位開關占用P L C的數(shù)字量輸入點數(shù)為1 1個 其他控 制信號的輸入均通過觸摸屏來完成 數(shù)字量輸出點數(shù) 為1 1個 模擬量輸出點數(shù)為1個 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 2 3 硬件接線 根據(jù)各個設備的控制要求 設計控制系統(tǒng)的主電 路及相應控制電路 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 電源進線和外部 控制對象都是通過柜體底部分別與空氣開關和接線端 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 滿足不同設備的供電需求 表4為控 制柜內所使用到的電器元件明細 表4 控制柜電器元件明細 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 序號名稱型號規(guī)格數(shù)量 個 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 軟件設計 3 1 P L C程序設計 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 構創(chuàng)建程序 即編寫的程序塊必須在O B塊中調用 后才能執(zhí)行 在一個程序塊中也可以調用其他的程 序塊 當一個代碼塊調用另一個代碼塊時 C P U會轉 去執(zhí)行被調用塊 被調用的程序塊任務完成后返回 調用程序中斷處繼續(xù)運行 通過設計執(zhí)行任務的F B 和F C塊構建模塊化代碼塊然后通過其他代碼塊調 用這些可重復使用的模塊構建用戶程序 由調用塊 將設備特定的參數(shù)傳遞給被調用塊 系統(tǒng)的控制程 序主要分為5個部分 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 組織塊和自動控制F C 2函數(shù) O B 1中為溫室控制主程序 用于調用函數(shù)F C 1和 F C 2 O B 1 0 0中為復位程序 用于完成溫室控制程序 1 8 6 中國農(nóng)機化學報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)上電啟動后首先進行 參數(shù)初始化 然后開始采集溫室內環(huán)境信息 選擇自 動或手動控制設備 若系統(tǒng)處于手動模式農(nóng)戶可通過 觸摸屏界面上的按鍵或遠程監(jiān)控平臺對溫室設備進行 管理 若處于自動模式下則繼續(xù)執(zhí)行溫室保溫控制子 程序與通風控制子程序 溫室保溫自動控制過程是通 過在程序中設置每日揭簾和閉簾的時間 系統(tǒng)讀取后 與實時時間進行對比 到達指定時間后控制設備執(zhí)行 相應動作 揭簾時按照由外到內的順序依次卷起保溫 簾 即先卷起外簾然后卷起內簾最后卷起內膜 閉簾時 按照相反的順序放下內膜及卷簾 溫室通風自動控制 過程是通過在程序中設置作物適宜溫度區(qū)間的上下 限 系統(tǒng)讀取后與室內實時溫度進行對比 超過溫度上 限時打開溫室頂部通風口與風機進行降溫 直至檢測 到室內溫度低于下限時關閉設備 a 主程序流程 b 保溫控制流程 c 通風控制流程 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)控平臺設計 溫室現(xiàn)場監(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換成觸點坐 標 再送給P L C 觸摸屏同時接收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 應的硬件元件 減少P L C需要的I O點數(shù) 降低系統(tǒng) 的成本 觸摸屏監(jiān)控平臺共有5個控制界面 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) 流風機控制界面和參數(shù)設置界面 5個控制界面均可 實時顯示監(jiān)測的3種室內環(huán)境因子的數(shù)值 方便管理 人員根據(jù)溫室的實際情況操縱設備調控室內環(huán)境 操 作人員可轉動控制柜旋鈕啟動觸摸屏控制系統(tǒng) 圖6為觸摸屏控制模式選擇界面與環(huán)流風控制界面 可進行系統(tǒng)手 自動控制模式的切換 控制環(huán)流風機以 高速或低速狀態(tài)運轉 a 控制模式選擇界面 b 環(huán)流風機控制界面 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完成溫室遠程網(wǎng)頁監(jiān)控項目的開發(fā)和下 載 首先在軟件左側項目欄的數(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)絡通信端口中添加 S 7 1 2 0 0設備并指定所連接P L C的從機地址 最后 進行I O變量屬性的設置 完成變量到P L C寄存器的 關聯(lián) 項目編譯和下載完畢后 溫室管理者可以使 用手機或電腦瀏覽器打開遠程監(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 和密碼 進入溫室遠程監(jiān)控網(wǎng)頁界面 溫室遠程控 制平臺共設置了5個監(jiān)控界面 分別為實時數(shù)據(jù)顯示 界面 設備狀態(tài)界面 設定參數(shù)界面 模塊狀態(tài)顯示 界面和位置顯示界面 如圖7所示 在設備狀態(tài)選項卡下 各設備的狀態(tài) 從變量值的顯示效果可以看出 若設備處于停止狀 態(tài) 監(jiān)控表中顯示紅色指示燈 若設備處于運行狀態(tài) 監(jiān)控表中顯示綠色指示燈 當卷簾 膜機構未到達極 限位置時 顯示紅色指示燈 當卷簾 膜機構到達極限 位置時 顯示綠色指示燈 對于環(huán)流風機的風量控制 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 運算 控制變頻器輸出0 5 0 H z的頻率 以此來調節(jié) 風機轉速 第9期李曉凱等 基于P L C的雙層膜日光溫室保溫通風控制系統(tǒng)設計1 8 7 圖7 網(wǎng)頁監(jiān)控平臺 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)測試 控制柜的安放位置選擇在試驗溫室相對干凈和干 燥的隔間內 完成安裝接線后 對系統(tǒng)遠程通信功能的 穩(wěn)定性進行測試 測試項目包括云服務器響應延遲時 間 模塊響應延遲和設備響應延遲時間 云服務器響 應延遲是測試電腦到巨控云的延遲時間 正常情況下 延遲時間應在8 0 m s以內 并不得有丟包情況 如果有 延遲過大或丟包 可能導致程序下載不成功 模塊響 應延遲是測試電腦到G R M 5 3 2 Y C W X設備的延遲 時間 正常延遲時間為1 2 0 2 0 0 m s 如果有延遲過大 或丟包 表明4 G網(wǎng)絡不佳 設備平均響應延遲穩(wěn)定在 2 0 0 m s以內 無丟包情況時 可以順利進行遠程操作 對室內溫度的上下限進行設置 以檢驗系統(tǒng)的通 風自動控制功能 試驗結果如表5所示 初始時間室 內溫度處于設置的溫度區(qū)間內 環(huán)流風機與通風口均 處于關閉狀態(tài) 修改室內溫度的上限值低于溫室實時 溫度后 通風口打開 風機設備開啟 當室內溫度下降 后 修改室內溫度的下限值高于溫室實時溫度 通風口 關閉 風機停止運行 證明系統(tǒng)能夠實現(xiàn)設計的通風自 動控制功能 表5 通風自動控制功能測試 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 室內溫度 溫度上限 溫度下限 風機狀態(tài)風口狀態(tài) 3 2 5 3 3 2 8關關 3 2 1 3 0 2 8開開 2 8 6 3 2 3 0關關 2 8 6 2 6 2 4開開 2 3 9 2 8 2 4關關 系統(tǒng)設置的每日揭簾時間為8 3 0 閉簾時間為 1 6 3 0 對連續(xù)2天相應時間內外卷簾機和內膜卷膜器 設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測 結果如表6所示 上午達到 揭簾時間時 外卷簾機和內卷簾機相繼運行 在結束行 程到達指定位置后 內膜卷膜器開始運行卷起內膜 下 午到達閉簾時間時 內膜卷膜器最先開始運行 內膜完 全放下后 內外卷簾機相繼開始運行 監(jiān)測結果表明 系統(tǒng)能夠正常工作 實現(xiàn)設計的保溫自動控制功能 表6 保溫自動控制功能驗證 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 外簾內簾內膜 時間設備狀態(tài)時間設備狀態(tài)時間設備狀態(tài) 2 0 2 3 1 2 0 3 8 3 0 0 0開運行8 3 5 3 0開運行8 3 9 1 5開運行 1 6 3 7 2 3關運行1 6 3 3 4 5關運行1 6 3 0 0 0關運行 2 0 2 3 1 2 0 4 8 3 0 0 0開運行8 3 5 3 2開運行8 3 9 1 8開運行 1 6 3 7 1 6關運行1 6 3 3 4 0關運行1 6 3 0 0 0關運行 5 結論 設計基于P L C的雙層膜日光溫室保溫及通風控 制系統(tǒng) 通過試驗驗證系統(tǒng)的功能性和實用性 1 控制系統(tǒng)初步實現(xiàn)雙層膜日光溫室內現(xiàn)有設 備的集中管理 設計溫室現(xiàn)場觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)和可通 過手機端或計算機端瀏覽器登錄的遠程網(wǎng)頁監(jiān)控平 臺 人機交互界面簡潔直觀 操作簡單方便 可實時掌 握溫室內的環(huán)境信息 對溫室內設備進行操控 系統(tǒng) 采用模塊化設計 可根據(jù)需求對系統(tǒng)的功能進行擴展 能夠廣泛應用于寒冷干旱地區(qū)日光溫室的環(huán)境監(jiān)測與 調控 減輕農(nóng)戶的工作強度 節(jié)省工作時間 2 系統(tǒng)采用梯形圖語言編寫溫室保溫及通 風P L C控制程序 根據(jù)雙層膜日光溫室日常管理方 法 使溫室卷簾及內膜按照規(guī)定時間和順序自動卷起 或放下 通風口和風機按照設定的溫室內溫度上下限 自動打開或關閉 溫室現(xiàn)場的實地測試結果顯示 設 備響應1 0次 丟包0次 故障率為0 平均響應延時 6 4 m s 系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠 能夠按照控制邏輯正常運 轉 控制系統(tǒng)可為進一步研究環(huán)境因子對作物生長的 影響提供技術支持 參 考 文 獻 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 中國農(nóng)機化學報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