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基于的花卉育种温室灌溉控制系统设计

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随着科学技术的日新月异，现代自动控制技术在农业温室大棚中的应用也越来越广泛，实现传统农业生产方式的精耕细作与现代信息技术、智能装备技术的深度融合。

在农业智能灌溉控制方面，王福平等［1］、李兴泽等［2］为了解决农村农业灌溉质量不高，能源利用率低等问题，结合物联网技术、PLC控制技术和GPRS技术，以GPRS+Zigbee无线组网技术为核心，设计了以主从模式的灌溉泵站的控制、田间环境参数的采集等智能灌溉监控系统；在花卉育种温室环境控制方面，龙建明等［3］、李燕飞等［4］通过基于 STC 单片机为核心控制器开发的温室控制系统，取得了较好的温湿度控制效果，但单片机系统相对开发周期较长、且后期维护较困难的缺点仍然无法彻底解决。为解决单片机系统开发及维护方面的不足，张伏等［5］提出用西门子 S7-200系列 PLC（CPU 模块）和EM235模拟量模块，开发PLC控制系统对温室温湿度等环境参数进行采集并实现对温室花卉育苗环境的控制，但模拟量模块扩展数量不足的缺点仍然无法解决。

鉴于此，针对农业智能灌溉和花卉育种温室环境监控两个方面的需求，以西门子S7-200 SMART系列PLC为控制核心，利用Modbus-RTU通信技术设计了一种能够实现农作物用水的按需灌溉和温室环境调节的自动化控制系统。

1 控制系统设计

花卉育种温室灌溉控制系统结合了工业以太网技术、PLC控制技术等，通过PLC对花卉育种温室大棚内的相关环境参数进行监测和对灌溉用水的按需自动调节，为花卉提供较理想的生长环境，满足花卉育种温室的生产要求。

1.1 总体方案

控制系统采用MCGS触摸屏和西门子S7-200 SMART系列PLC作为主控制器，通过PLC自带的RS485接口，利用Modbus-RTU通信实时对现场环境传感器信息的采集、变频器控制水泵机组按需运行，并利用以太网将信息上传到温室大棚的触摸屏中，实现对温室大棚智能灌溉和环境状态的实时监控。控制系统总体示意图如图1所示。

图1 控制系统总体示意图

1.2 控制策略

1）灌溉控制策略。农业灌溉系统实现智能化，主要是依靠控制系统对各个环境参数的智能化分析，为了科学地灌溉，需要对温室内的花卉生长情况做统计分析。不同种类的花卉育苗在不同温度、光照度等环境条件下对于灌溉要求是多样的，而且同种花卉植株在不同生长过程中对于水分的要求也不同，此外土壤质地对水分也有很大影响［6］。通过对试验获得数据进行分析可得出花卉等植物的需水量生长模型，进而在此基础上确定温室灌溉规则（图2）。

图2 灌溉控制策略

2）花卉育苗温室环境控制策略。在温室环境控制策略中，主要是对温室环境的温度、湿度和光照度等参数的调节控制，其中根据季节不同，温度、湿度控制有着明显不同的优先级，夏季以湿度控制优先，温度控制为辅；冬季以温度控制优先，湿度控制为辅［7，8］。在保证温湿度控制优先的情况下，调节光照度控制，实现花卉育苗温室环境的实时监控（图3）。

图3 温湿度光照度控制策略

1.3 控制系统的PLC实现

1）控制网络组网实现。花卉育种温室控制系统以西门子PLC为控制器，利用S7-200 SMART PLC自带的RS485通信口构成Modbus-RTU通信网络，实现PLC与变频器、传感器之间信息的远程传输［9，10］；PLC 自带工业以太网口（PN 口）与 MCGS 触摸屏之间实现现场操作和温室信息等的实时监控。Modbus-RTU通信示意图如图4所示。

温室灌溉控制系统硬件部分由上位机MCGS触摸屏、西门子S7-200 SMART PLC和数字量输出扩展模块、变频器、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器及光照度检测传感器等组成。具体硬件选型考虑如下。

①PLC型号选择：单个温室灌溉控制系统需要顶窗、遮阳帘、湿帘、灌溉电磁阀等开关量输出信号32个及限位信号20个，选择SR40CPU模块和EM DR16数字量输出模块，能够满足系统控制要求。

②变频器选择：选用三菱FR-E740系列变频器，利用其自带PU接口与SR30 CPU之间的Modbus-RTU通信，实现变频器的启动、停止、故障报警及调速控制。

③触摸屏选择：选用昆仑通态TPC7062Ti触摸屏，可以实现与SR30 PLC工业以太网口之间10/100 Mbps自适应以太网通信。

灌溉控制系统中各器件功能，如表1所示。

图4 Modbus-RTU通信示意图

表1 控制系统相关器件功能器件名称型号作用土壤温湿度变送器RS485型检测土壤温度、湿度（含水率）土壤电导率变送器RS485型检测土壤电导率（土壤总盐量）空气光照温湿度变送器RS485型检测空气温度、湿度、光照度风速传感器变频器PLC触摸屏RS485型FR-E740 SR40 CPU+EM DR16 TPC7062Ti测量范围水分：0～100%温度：-45～115℃0～10 000 μs/cm湿度：0～100%RH温度：-40～80℃光照度：0～200 000 lx 0～30 m/s测量精度0～53%：±3%53%～100%：±6%10 μs/cm±3%（25℃℃（25℃）±5%（25℃）±1 m/s— —— —检测风速实现水泵机组变频调速主控制器人机交互

文章来源：《灌溉排水学报》网址: http://www.ggpsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0306/581.html