1、北方寒地温室大棚自动测控系统设计摘 要：温室大棚是北方寒地地区农业生产的重要组成部分，温室大棚测控系统是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证。通过对监测数据的分析，结合作物生长规律，控制环境条件，使作物在不适宜生长的反季节中，可获得比室外生长更优的环境条件，从而使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。本文主要针对温室二氧化碳浓度，设计了以 PLC 为核心的温室大棚二氧化碳浓度监控系统，在软硬件上进行了详细的设计，实现了二氧化碳浓度的精确测量与准确控制。 关键字：温室 PLC 二氧化碳 组态 1 温室大棚内二氧化碳参数的调节与控制 大气中二氧化碳浓度一般为 0.03%，在春冬温室大棚种植蔬菜时
2、，为了保温，大棚常常处于封闭状态，缺少内外气态交换，二氧化碳浓度变幅较大。温室大棚中二氧化碳浓度的日变化一般规律是：在夜间，由于作物的呼吸作用、土壤微生物活动和有机质分解，生成的二氧化碳使大棚内二氧化碳浓度很快增加，可比棚外空气中二氧化碳浓度高近一倍，但早晨日出后，作物光合作用加强，又大量消耗棚内夜间积存的二氧化碳，使其浓度急剧下降，日出后 1 小时，二氧化碳浓度下降至 300ppm 左右，日出后 2-3 小时后，如不通风换气，其浓度将继续下降，甚至降到作物的二氧化碳补偿点 80-150ppm，这时由于二氧化碳的浓度过低，叶片的光合作用基本停止，因此从日出后半小时到通风换气这段时间内，二氧化碳
3、最为缺乏，已成为作物生长的重要障碍，在这段时间内，必须用人工增施二氧化碳来补充棚内该气体的不足，合理应用这一方法才能促使温室和大棚作物增产，这也是温室和大棚必须增施二氧化碳气体的基本原理。 2 总体方案设计 本文在设计上采用西门子 S7-200PLC 为控制核心的温室大棚二氧化碳浓度测控系统。系统可以独立完成对温室大棚内二氧化碳浓度信息的采集、处理和显示，根据设定的需求控制二氧化碳浓度，在当浓度超限时发出声光报警，同时发出执行动作。输入通道为二氧化碳浓度检测模块，检测模块使用二氧化碳传感器模块，得到的模拟信号通过模拟接口传入 PLC 变为数字信号。输出通道为二氧化碳浓度控制执行机构，二氧化碳浓
4、度信号进入 PLC，经过软件处理，PLC 输出给执行机构来控制二氧化碳浓度。执行机构是由一个带有电磁阀的二氧化碳容器，当 PLC发出执行信号，电磁阀就会打开放出二氧化碳气体，PLC 发出关断信号，电磁阀就会关闭。报警系统采用声光报警模式，系统在二氧化碳浓度超出系统所设定的上限或者下限时，将会触发报警电路，提醒工作人员注意。系统本身除有自动控制二氧化碳浓度功能外，也可手工利用电脑来发出指令，命令执行机构发出二氧化碳，实现了双向控制。系统还可以集成其他温室环境因子的模块，如温度、湿度和光照的控制等，都可以以该系统为基础进行整合，从而实现温室大棚的多环境因子共同监控。 检测系统的框架图 3 硬件设计
5、 温室大棚内二氧化碳浓度自动监控系统的硬件电路由西门子 S7-200 系列的 224 型 PLC 加上 EM231 模拟量输入模块、二氧化碳浓度检测电路、光强检测电路、二氧化碳执行机构电路、报警电路、显示电路和电脑构成。二氧化碳浓度传感器采用 TGS4160，这种二氧化碳传感器除了具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好的特点外，还具有耐高湿低温的特性。其检测模块使用费加罗（FIGARO）公司提供的 AM-4 二氧化碳传感器模块，得到的模拟信号通过模拟接口传入 PLC 变为数字信号。电脑的作用是使用 MCGS 组态软件来对系统进行监控，使得用户在电脑旁就可以对大棚的整个状况实行监控和控制。 4 软
6、件设计 智能温室监控系统软件包括上位机监控软件和下位机系统软件。上位机监控软件的搭建采用组态软件 MCGS6.2,下位机系统软件则采用西门子公司的 STEP7Micro/WIN32 编程软件来实现, 通过上位机和下位机之间的通信连接, 可以满足用户对温室环境数据的实时查询和监测。在系统设计中, 选用昆仑通态组态软件 MCGS6.2 实现系统上位机软件的搭建,根据控制系统的要求, 该系统主要包括温室控制工程主界面、温室参数实时曲线、温室参数历史曲线、数据浏览等主要用户界面。温室控制工程界面给出控制系统的总体设备布置图, 并实时显示一些重要参数, 可以对现场参数根据控制要求进行调节,以满足作物生长
7、的需要。温室参数实时曲线和温室参数历史曲线分别以曲线的形式显示温室环境参数和执行机构运行情况, 操作人员可以在曲线上获取所要查询的参数信息。数据浏览是以数字的形式给出温室环境参数和执行机构的运行情况。在设计过程中首先在组态环境下建立工程, 然后在用户窗口中制作工程画面, 在设备工具箱中选择所用硬件设备,按照温室内设备的相应位置进行放置并进行连接。在搭建完成工程画面后还要进行数据对象的定义和动画连接, 把相应的静态图片和实时数据库中的数据对象建立连接, 实现动画效果。曲线的显示由实时曲线控件和历史曲线构件来实现, 最后进行设备的连接和通讯, 经调试后投入运行。 5 结论 温室大棚环境自动监控系统
8、是我国现代化设施农业的推广产品，二氧化碳浓度是作为温室大棚环境中最重要的的因素之一。所以，温室大棚二氧化碳浓度自动监控系统的研发，有着举足轻重的作用。而且，本设计可以作为其他环境因素监控的基础，可以在本设计的基础上做进一步的改进，形成功能更加完善的产品，可以推进我国设施农业的步伐。参考文献： 1陈志文.组态控制使用技术M北京：机械工业出版社，2009. 2陈广庆、孙爱芹、徐克宝.基于 PLC 和组态软件的温室控制系统设计J安徽农业科学，2010,38（34）：19827-19828. 3王延才.变频器原理及应用M北京：机械工业出版社，2009. 4北京昆仑通态自动化软件科技有限公司MCGS 参考手册M北京:北京昆仑通态自动化软件科技有限公，2003. 5王芹.可编程控制器技术及应用M（西门子 S7-200 系列）天津：天津大学出版社，2008. 6金彦平.可编程控制器及应用M北京：机械工业出版社，2010.
