基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計文獻綜述

1、附件1：文獻綜述智能溫室系統(tǒng)概述專業(yè)班級：電氣093 姓名：蔣嘉倫 學(xué)號：摘要:溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個非線性、時變、滯后復(fù)雜大系統(tǒng)，難以建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用常規(guī)的控制方法難以獲得滿意的靜、動態(tài)性能。本次設(shè)計控制系統(tǒng)硬件部分主要由 PLC、變頻器和各類傳感器構(gòu)成，用來完成溫室內(nèi)部溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照 度等室內(nèi)參數(shù)的檢測與溫室內(nèi)雙向天窗、側(cè)窗、濕簾窗角度開閉驅(qū)動，內(nèi)外遮陽網(wǎng)驅(qū)動，濕簾水泵，環(huán)流風(fēng)機，節(jié)能降溫排濕風(fēng)扇，C02補氣閥、補光燈等執(zhí)行設(shè)備的控制。 本系統(tǒng)操作簡單、工作穩(wěn)定可靠、實用性強；并有良好的組態(tài)監(jiān)控界面，能遠程控制。 適應(yīng)了當前現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的需要，適用范圍廣，其經(jīng)濟效益很好。

2、關(guān)鍵詞:智能溫室；可編程控制器；PID控制；變頻技術(shù)；組態(tài)監(jiān)控1 概述目前，雖然有不少單位或個人引進了一些國外的計算機智能控制系統(tǒng)1，如溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，施肥灌溉控制系統(tǒng)，工廠化育苗智能控制系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)真正實現(xiàn)了溫室控制的智能化和自動化，但往往存在投資過大，系統(tǒng)維護不方便等各種發(fā)展制約瓶頸2，再者就是要求溫室的管理操作人員本身有較高的文化素質(zhì)和較豐富的工程技術(shù)經(jīng)驗，目前我國廣大農(nóng)民還不具備，這也限制了國外同類產(chǎn)品在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。開發(fā)低價位、實用型的農(nóng)業(yè)智能計算機控制系統(tǒng)對于推進我國農(nóng)業(yè)自動化、智能化進程具有重要的意義，同時也具有很大的市場潛力3。據(jù)調(diào)查，目前市場上迫切需要的是一種低成本、

3、操作使用簡便的實用溫室控制系。，針對這一要求及我國日光溫室量大、面廣但檔次較低的特點，研究一種既符合我國農(nóng)業(yè)水平實際又適合農(nóng)民經(jīng)濟承受能力、技術(shù)上不低于國外同類產(chǎn)品的日光溫室智能集成控制系統(tǒng)是非常必要的。本文設(shè)計的系統(tǒng)可以模擬基本的生態(tài)環(huán)境因子溫度、濕度、光照、空氣成份等，以適應(yīng)不同生物生長繁育的需要，它由相關(guān)的智能控制單元組成，按照事先設(shè)定的程序，精確測量溫室的氣候和土壤參數(shù)，并自動啟動或關(guān)閉不同的電動外圍設(shè)備（遮陽幕、加熱器、濕簾水泵及風(fēng)機、通風(fēng)系統(tǒng)等），程序所需的數(shù)據(jù)通過傳感器實時采集4。該系統(tǒng)的使用，可以為植物提供一個理想的生長環(huán)境，并能起到減輕人的勞動強度、提高設(shè)備利用率、改善溫室氣

4、候、減少病蟲害、增加作物產(chǎn)量等作用。本控制系統(tǒng)具有的特點：（1）預(yù)測性 通過對氣候參數(shù)的分析，可以預(yù)測控制設(shè)備的運行情況，提高設(shè)備的利用率，降低能耗。（2）強大的擴展功能 通過選用不同的外圍設(shè)備，可以控制溫室環(huán)境及灌溉、施肥等。 （3）完善的資料處理功能 通過中央控制軟件，可以不間斷地記錄各種傳感器的信息以及各種控制設(shè)備的動作記錄等。（4）遠程監(jiān)控功能 即使工作人員不在現(xiàn)場，也可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對溫室內(nèi)的設(shè)備參數(shù)進行監(jiān)視和控制。2 智能溫室控制的特點及結(jié)構(gòu)2.1 智能溫室控制的特點智能溫室控制主要是根據(jù)外界環(huán)境的溫度、濕度、CO2含量、光照以及風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等氣候因素，來控制溫室內(nèi)的溫度、

5、濕度、通風(fēng)、光照，創(chuàng)造出適合作物生長的最佳環(huán)境，同時還需對影響作物生長的各種營養(yǎng)元素進行動態(tài)的配方管理5,6。在這種控制中，溫度、濕度、C02含量、光照等被控量之間存在著強烈的相互關(guān)系，某個被控量的改變，會影響到其他被控量的變化。針對智能溫室的特點，智能溫室控制系統(tǒng)應(yīng)是一種具有良好控制精度、較好的動態(tài)品質(zhì)和良好穩(wěn)定性的系統(tǒng)。對植物生長不同階段的需求制定出監(jiān)測的標準，對溫室環(huán)境監(jiān)測，將測得的參數(shù)進行比較后進行調(diào)整。2.2 控制系統(tǒng)框架組成 針對智能溫室的特點，智能溫室控制系統(tǒng)應(yīng)是一種具有良好控制精度、較好的動態(tài)品質(zhì)和良好穩(wěn)定性的系統(tǒng)，對植物生長不同階段的需求制定出監(jiān)測的標準，對溫室環(huán)境監(jiān)測，并將

6、測得的參數(shù)進行比較后進行調(diào)整3。 圖1 智能溫室控制系統(tǒng)構(gòu)成圖本系統(tǒng)主要由溫度傳感器(LM35)、濕度傳感器(SYHS一220)、集成運算放大器(LM358)、AD轉(zhuǎn)換器(ADC0809)、光電耦合器(TLP521)和PLC(三菱FXlN-40MR)組成。溫度、濕度傳感器分別采集溫室內(nèi)溫度、濕度信號，經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)換成8路并行數(shù)字信號，信號通過光電耦合器傳人PLC，PLC再將采集的信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后與溫濕度設(shè)定值進行比較。轉(zhuǎn)換后的溫度信號若高于設(shè)定溫度上限，則開窗降溫；若低于設(shè)定溫度下限，則關(guān)窗并驅(qū)動加熱設(shè)備。轉(zhuǎn)換后的濕度信號若高于設(shè)定濕度上限，則啟動風(fēng)扇；若低于設(shè)定濕度下限，則啟動濕簾和風(fēng)扇。

7、其系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。3 基于PLC的控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 控制系統(tǒng)概述3.1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計目標溫室控制系統(tǒng)是依據(jù)室內(nèi)外裝設(shè)的溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、外氣象站等采集或觀測的溫室內(nèi)的室內(nèi)外的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)信息通過控制設(shè)備對溫室保溫被、通風(fēng)窗、遮陽網(wǎng)、噴滴灌等驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的控制，對溫室境氣候和灌溉施肥進行調(diào)節(jié)控制以達到栽培作物生長發(fā)育的需要，為作物生長發(fā)育提供最適宜的生態(tài)環(huán)境，以大幅度提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。3.1.2 控制模式系統(tǒng)控制的主要環(huán)境變量包括溫度、濕度和CO：濃度，對這些變量的控制應(yīng)采取閉環(huán)控制方式。燈光和抑制機的的控制相對

8、獨立，系統(tǒng)僅需要提供燈光的定時開關(guān)和延時開關(guān)功能，抑制機在氣候室內(nèi)作往復(fù)運動，安裝在抑制機上的軸流風(fēng)扇吹出均勻微風(fēng)以增加對流，系統(tǒng)應(yīng)能分別可靠地控制抑制機的往復(fù)運動和軸流風(fēng)扇的起停。下面主要介紹溫度控制，溫度控制主要涉及新風(fēng)控制模塊、壓縮機控制模塊和內(nèi)風(fēng)機控制模塊。新風(fēng)控制模塊可以獨立考慮，其主要功能是為人工氣候室提供一定溫度和流量的新鮮空氣，降低CO。濃度，其本身也是一個溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。目前，進入氣候室的新風(fēng)溫度設(shè)定在15左右，并且系統(tǒng)只提供了新風(fēng)機的關(guān)閉和打開功能，不具備新風(fēng)流量的控制功能。氣候室內(nèi)部的溫控流程如圖1所示。為了避免制冷和制熱機組處于交替工作狀態(tài)，可以設(shè)定一個溫度過沖裕度S，當

9、TaTp+S時，制冷機組立即工作，當Ta降到T。時，制冷機組停止工作，即順序關(guān)閉壓縮機、延時、關(guān)閉內(nèi)風(fēng)機，讓室溫自然冷卻，當Ta降到TDS時，制熱機開始工作，當Ta上升到T。時，關(guān)閉制熱機組，即順序關(guān)閉加熱管、延時、關(guān)閉內(nèi)風(fēng)機，但新風(fēng)機保持工作，讓室溫自然上升。當Ta升到To+S時，制冷機組又開始工作，如此往復(fù)，完成溫室的溫度控制循環(huán)。溫度控制的過程中，若用戶設(shè)定的化霜時刻到達的時候，則圖1溫室溫度控制流程停止溫控(關(guān)閉壓縮機和內(nèi)風(fēng)機)，打開加熱管化霜，化霜結(jié)束后再切換到溫度控制流程。 圖2 溫室溫度控制流程3.2 溫室控制系統(tǒng)PLC軟件的設(shè)計根據(jù)基本要求和技術(shù)要求列出以下幾點：（1）防止接點

10、誤動作：可利用自鎖電路加以解決；（2）系統(tǒng)自診斷功能：PLC本身具有此項功能；（3）風(fēng)機控制：溫室設(shè)有一組風(fēng)機，能同時啟動與停止，當溫室內(nèi)的溫度超出預(yù)定值時，受PLC的控制先是4個側(cè)窗自動打開，延時5 s后風(fēng)機啟動，再延時5 s后濕簾水泵啟動，從而使溫室的溫度降低；（4）側(cè)窗控制：溫室中設(shè)有4個側(cè)窗，側(cè)窗受電機控制，通過電機限位的設(shè)定來控制側(cè)窗行程。解決方法類似上一點，但考慮到程序的精煉性，可配合PLC的中斷功能命令加以解決；（5）系統(tǒng)自動/手動控制：可利用一個開關(guān)量作為PLC的輸入信號，實現(xiàn)控制程序的轉(zhuǎn)換；（6）濕簾泵控制；（7）遮陽網(wǎng)控制；（8）CO2補氣控制；（9）補光燈控制；（10）可

11、擴展性：在PLC中預(yù)留一定的存儲空間和端口即可解決。3.3 系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控軟件的設(shè)計組態(tài)軟件是可從PLC以及各種數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備中實時采集數(shù)據(jù)，然后發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運行是否正常的一種軟件包。其主要功能如下：（1） 遠程監(jiān)視功能。它可以通過通訊線遠程監(jiān)視多座溫室的當前狀態(tài)，包括“戶外溫度、光照強度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨雪信號、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、控制器溫度、三組獨立通風(fēng)窗的位置和開關(guān)狀態(tài)、內(nèi)外遮陽幕的位置和開關(guān)狀態(tài)以及一級二級風(fēng)扇、濕簾、微霧、加熱器、環(huán)流風(fēng)扇、補光燈、CO2補氣閥、水暖三通閥的狀態(tài)和多種形式的報警監(jiān)視，還能監(jiān)視各灌溉閥的狀態(tài)。（2） 數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。它可以統(tǒng)計任意時刻的戶外溫度、

12、光照強度、風(fēng)速、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、CO2濃度、水暖溫度等全月的、全周的、全日的和本時段的最大值、最小值和平均值。（3） 溫室設(shè)備運行記錄功能。它能在線記錄各溫室設(shè)備狀態(tài)變化時的時間、當前狀態(tài)和位置、當前目標溫度、室內(nèi)溫度、目標濕度和室內(nèi)濕度，并能打印輸出。（4） 遠程設(shè)定功能。可以通過通訊線遠程修改可編程控制器的全部設(shè)定參數(shù)。（5） 生成曲線圖功能。它能以平面圖或立體圖的方式同時繪制任意時刻的戶外溫度、光照強度、風(fēng)速、目標溫度、室內(nèi)溫度、目標濕度、室內(nèi)濕度、CO2濃度、水暖溫度等全年的、全月的、全周的、全日的變化曲線并打印輸出。4 總結(jié)智能控制溫室綜合了多方面的技術(shù)，為植物的生長創(chuàng)造了適宜的

13、環(huán)境，使植物的產(chǎn)量與質(zhì)量有了很大的提高，因此已成為高效農(nóng)業(yè)的一個發(fā)展方向。智能溫室控制系統(tǒng)無論是對新建溫室還是原有溫室的改造都有很好的應(yīng)用前景。本文通過分析溫室執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)動作對環(huán)境因子的影響，將可編程控制技術(shù)、變頻技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)和傳感器技術(shù)應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計，開發(fā)了基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)。參考文獻1鄧璐娟，張侃諭，龔幼民，智能控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2003年1 2 期(總293期)：Pl-p3(核心期刊)2申茂向等，荷蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)的考察與中國工廠化農(nóng)業(yè)建設(shè)的思考， 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，V011 6(5)，20003鄭光華，美M設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展概述J，世界農(nóng)業(yè)，l 999，(3)：l 3-1 64崔世安，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與農(nóng)業(yè)工程技術(shù)。農(nóng)業(yè)工程學(xué)報V011 6(1)，20005羅中嶺，美國花卉溫室現(xiàn)狀及溫室環(huán)境調(diào)節(jié)最新進展，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，V019(4)1 9936STunez，Temporal Knowledge Modell ing in Plagues Controlin GreenhouSeS， CybemetiCS and SystemsV0121：367374，19907方瑞華，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向J，江蘇理工大學(xué)學(xué)報，l 9981 9(4)：53-588鄭為鍵，花卉栽培用微噴