西门子PLC在温室控制中的应用

2022-09-12

自20世纪80年代以来, 以日光温室、塑料大棚为主体的设施农业在我国得到了迅猛的发展。随着我国加入WTO和人民生活水平的提高, 迫切要求改进现有的设施农业栽培方式和管理方式, 以满足对绿色食品和高品质农产品的需求。通过工程技术和信息技术的综合应用, 提高设施生产的控制水平, 已成为设施农业发展的必然趋势。

本系统的硬件部分以PLC为核心。PLC选用西门子公司的S7-200, 它指令丰富, 执行速度快, 调试和故障诊断方便, 具有灵活的中断及强大的通信功能, 此外其丰富的各种扩展模块能够满足不同用户的需求。

1 系统的工作原理

系统由温度传感器、风速传感器、PLC系统 (含键盘和液晶显示) 、风机等几部分组成。整个系统的工作原理图如图1所示。

该温室控制系统是利用PLC把传感器采集的有关参数 (如温度、风速) 转换为数字信号, 并把这些数据暂存起来, 与给定值进行比较, 经一定的控制算法后, 给出相应的控制信号进行控制。系统还可以经过串行通信接口将数据送至上位机, 从而完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能, 并可以对数据进行显示、编辑、存储及打印输出。传感器把温度转换为电压信号, 经运算放大器组成的信号处理电路变换成压频转换器 (V/F) 需要的电压信号。其中温度传感器的输出电流与绝对温度成正比, 且具有温度响应快、线性度好及高阻抗电流输出等特点, 适于长距离传输, 可把-5℃~55℃的温度转换成1V~4V的电压;风速传感器主要用于温室外自然界风力大小的测量, 当外界风速超过限值时, 天窗自动关闭, 从而起到保护温室天窗的作用。温室控制系统的执行机构包括风机、气泵、水帘、遮阴帘、电磁阀等设备。系统工作时, PLC通过温湿度传感器来测量温室内的温湿度并与设定值相比较, 如果温室内的温度或湿度超出了设定范围的上下限值, PLC就输出指令, 控制接通相应的设备;当温室的温度都在范围内时, PLC就输出指令, 切断设备的电源。

2 PLC软件编程

软件流程如图2所示, 由于该PLC具有丰富的数据功能指令, 故用数据指令来进行判断比较。

数据寄存器Wl4存放风速实测值, Wl2存放风速设定值, W26存放温室内温度的实测值, Wl8存放室内温度设定的上限值, Wl9存放室内温度设定的下限值。控制系统运行前, 从键盘输入Wl8、Wl9、W12的数值;在控制系统运行中, 由PLC控制器的输入端I0、I2数据寄存器Wl4存放风速实测值, Wl2存放风速设定值, W26存放温室内温度的实测值, 经PLC程序处理后, 分别存放于Wl4和W26中, 用于与设定值进行比较。

在软件流程图中, 经过参数采集后, 首先进行风速参数的比较, 当W14≥W12时, 产生禁止运行动作, 禁止运行是指禁止天窗、侧窗的开关动作和风机一湿帘系统的运行动作, 并且对已开的窗要产生关窗动作, 风速参数主要是为保护天窗、侧窗等温室设施而设定的, 在梯形图3中体现在M3.2 (风速开窗锁定) , M3.13 (风速停天窗开) 、M20.1 (风速一次关窗) 、M8.10 (风速低停止) 。当风速参数不超限时, 进行温度参数的比较, W26≥W18时, 温度超上限, 此时进行遮光, 并打开天窗、侧窗, 进行自然通风降温, 若自然通风降温效果不好, 室内温度继续上升, 当W26≥W18+Cl时, 则要运行风机一湿帘系统, 此种方式是夏季温室降温的最有效方法之一, 一经运行, 在很短的时间内便可降低室内温度, 当W26≤W18一C2时, 就会产生停止风机一湿帘系统的运行动作, 当W26≤W19时, 室内温度过低, 此时要关闭天窗、侧窗等通风设施, 保持温室的密闭性, 同时恢复光照, 积聚热量, 使室内温度上升。由此可见, 整个控制系统的运行均以温度为核心, 不断进行温度参数的检测、控制, 使温室内温度维持在设定的上下限之间, 为作物生长提供最佳的温度条件。在流程图中的温度比较过程中, 涉及到C1、C2, 它们的数值要联系当地的气候条件合理设置, 而W18、W19则要根据温室所种植的作物而合理设定。

自然通风降温、保温的部分梯形图如图3示, 其中TIM001和TIM16是为保护电气设备而设定的, 以防温度等条件参数在上下限临界点处变化不稳, 造成动作的反复, 其时间长短n1、n5要根据温室所处的当地的气候条件在调试过程中合理设定;TIM100和FIM93是为保护天窗、侧窗电机而设, 不论是开还是关, 每一次动作都要停止后, 才能产生相反的动作, 因此, 时间长度n2、n6要根据天窗、侧窗运行的实际情况在系统调试过程中反复修改, 直到合适为止。TIM003、TIM17是起切断输出脉冲的作用, 在开或关到位之后, 经n3、n7延时后切断开或关的输出脉冲。

3 结语

本控制系统满足了温室作物对生长温度的要求, 在温室经营中, 起到了减轻人的劳动强度, 提高劳动效率, 降低能耗和物耗, 提高种植者的种植水平等多方面的作用。以PLC为核心的温室温度控制系统使现代温室自动控制系统得到了发展和延伸, 是现代温室种植从粗放管理走向精细管理的需要, 是提高温室利用水平和综合效益的有效手段。

摘要：利用西门子PLC S7-200对温室中各点进行温度采集, 将这些采集的温度与预设值相比较, 如果高于预设值就启动相应的传动装置来降温, 反之, 则降温。通过这种方式实现了温室温度的自动控制。

关键词：S7-200,智能控制,温室控制