PLC系统在温室自动控制的应用案例

PLC系统在温室自动控制中的应用实践——以某现代农业园区智能温室项目为例一、项目背景与需求分析某现代农业园区为突破传统温室“人工依赖强、参数波动大、产量品质低”的瓶颈，新建5000平方米连栋智能温室，聚焦高品质番茄种植。项目核心需求为：环境参数（温湿度、光照、CO₂浓度）自动化精准调控、水肥灌溉智能化联动、远程监控与故障预警，最终实现“降本、提质、增效”的目标。二、PLC控制系统设计与架构（一）硬件系统配置1.核心控制器：选用西门子S____PLC（CPU1214C），其高速处理能力（0.1ms/1k步）、丰富的扩展接口（Profinet、RS485）可满足多参数实时采集与控制需求。扩展模块包括：SM1231模拟量输入模块：采集温湿度、光照、CO₂等模拟信号；SM1223数字量I/O模块：控制继电器、接触器等执行机构。2.传感层设备：温湿度：部署SHT35数字传感器（精度±0.3℃/±2%RH），每10米间距安装于作物冠层高度，实时反馈环境温湿度；光照：采用光敏电阻传感器（量程____lux），结合光谱传感器监测光合有效辐射（PAR）；CO₂：红外式传感器（量程____ppm，精度±50ppm），安装于作物层中上部（距地面1.5米），避免局部浓度偏差；土壤墒情：电容式土壤湿度传感器（量程0-100%，精度±3%），埋设于种植槽根系区域，监测基质含水率。3.执行层设备：环境调节：电动遮阳帘（控制光照强度）、变频风机+湿帘（降温除湿）、燃气热风机（加温）、CO₂发生器（补碳）；水肥管理：智能水肥一体机（EC/PH传感器联动，精准调控营养液浓度与酸碱度）、电磁阀组（分区灌溉）。（二）软件控制逻辑开发基于TIAPortal平台开发PLC程序，采用模块化编程思路，将控制逻辑分为“参数采集→逻辑判断→执行输出”三部分：1.参数采集与处理：通过Modbus-RTU协议读取传感器数据，对温湿度、CO₂等模拟量采用滑动平均算法滤波，消除电磁干扰导致的信号波动。2.控制策略实现：温度控制：采用PID算法，当实测温度＞设定值（如白天28℃）时，优先启动变频风机（频率0-50Hz线性调节）；若温度持续升高，再开启湿帘补水降温。夜间温度＜15℃时，启动热风机并联动内循环风扇，避免局部温差。光照调节：根据光合有效辐射（PAR）值与作物生长阶段（苗期/花期/结果期），自动控制遮阳帘开度（0-100%），确保光照强度处于____μmol/m²·s区间。CO₂补施：当浓度＜800ppm且光照强度＞300μmol/m²·s时，启动CO₂发生器，补施至1200ppm后停止，避免无效消耗。3.故障与安全逻辑：设置传感器断线报警（如温湿度传感器无数据反馈时，触发声光报警并切换至手动模式）；执行机构过载保护（如风机电流异常时自动断电，防止设备损坏）。（三）系统架构层级现场层：传感器与执行机构实时采集/执行指令，通过RS485总线与PLC通信；控制层：PLC作为核心，完成数据处理、逻辑运算与指令下发，通过Profinet协议与监控层通信；监控层：部署工业触摸屏（本地实时监控）与云平台（远程访问），操作人员可通过手机APP或PC端查看数据、修改参数、接收报警。三、实施过程与优化调整（一）安装调试难点1.传感器布局优化：初始阶段CO₂传感器安装于通风口附近，导致浓度检测偏低。后将其移至作物层中上部，并增加2个测点取平均值，数据准确性提升85%。2.PID参数整定：温度控制初期超调量达±3℃，通过Ziegler-Nichols法优化PID参数（Kp=2.5，Ki=0.1，Kd=0.5），结合积分限幅（0-100%），使温度波动控制在±1℃内。（二）系统联调与验证通过模拟环境突变测试（如突然关闭遮阳帘、开启热风机），验证PLC响应时间（≤1秒）与执行机构动作逻辑（如温度超限时，风机优先于湿帘启动）。同时，对不同天气（晴天/阴天/雨雪天）下的控制效果进行为期1个月的连续监测，确保参数调节符合作物生长需求。四、应用效果与经济效益（一）生产指标提升温湿度、CO₂浓度控制精度分别提升至±1℃、±5%RH、±100ppm，作物生长周期缩短7-10天；番茄坐果率从人工控制的75%提升至92%，单茬产量增加18%，优质果率（糖度≥8°Brix）提升23%。（二）资源与成本节约能源消耗：通过变频控制与逻辑优化，风机、热风机能耗降低25%，CO₂发生器利用率提升40%；人工成本：原需6人/班的巡检调节工作，现仅需1人监控系统，人力成本降低70%；水肥利用：精准灌溉使水肥利用率从60%提升至85%，年节约灌溉用水约2000吨。五、技术难点与解决思路（一）多因子耦合控制温湿度、光照、CO₂浓度存在强耦合性（如光照增强会加速水分蒸发、提升温度）。通过前馈-反馈控制算法，在光照变化时提前调整通风与灌溉策略，避免单一参数调节引发的连锁波动。（二）通信稳定性保障温室环境电磁干扰强（如电机、变频器），易导致RS485通信丢包。通过：采用屏蔽双绞线并做接地处理；在PLC端增加信号隔离器；优化通信协议（如Modbus-RTU超时重发机制），使通信成功率保持在99.9%以上。六、经验总结与未来展望本项目验证了PLC系统在温室自动化中的核心价值：精准控制（多参数协同调节）、可靠稳定（工业级硬件与冗余设计）、降本增效（资源节约与产量提升）。未来可结合AI算法（如基于作物生长模型的动态参数优化）、边缘计算（减少云端延迟）进一步升级，推动设施农业向“数字孪生+自主决策”方向发展