PLC的智能溫室計算機集散完整系統(tǒng)研制

1、燕山大學(xué)學(xué)生創(chuàng)業(yè)項目申報書項 目 名 稱 ：基 于 PLC 的 智 能 溫 室 計 算 機 集 散 系 統(tǒng) 研 制 所屬單位：燕山大學(xué)機械學(xué)院項目負(fù)責(zé)人：郝琪年 限： 1 年燕山大學(xué)科技園二OO九年十二月制一、項目的目的及意義隨著經(jīng)濟發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要途徑已越來越 受到世界各國的重視，溫室生產(chǎn)通過科學(xué)管理，能最大限度的提高土地產(chǎn)出 率，資源利用率和勞動生產(chǎn)率，產(chǎn)生最佳經(jīng)濟效益和社會效益，是一種完全 有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式。現(xiàn)代化的溫室都配備有智能化的環(huán)境控制系統(tǒng)， 用來調(diào)控溫室內(nèi)相對封 閉的小環(huán)境，以適應(yīng)作物的生長發(fā)育，使作物生產(chǎn)達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的 目的。然而，由

2、于我國設(shè)施農(nóng)業(yè)起步相對較晚，目前所使用的溫室控制系統(tǒng) 多為國外產(chǎn)品，國內(nèi)用戶難以適應(yīng)界面操作，這樣就要求操作和維修人員具 有較高的專業(yè)素質(zhì)，同時也會造成系統(tǒng)功能使用上的浪費， 不利于設(shè)施農(nóng)業(yè) 的推廣。另外，由于各國氣候有較大差異，按照外國氣候設(shè)計的控制系統(tǒng)不 一定適合我國溫室的控制要求，而且其核心技術(shù)又對我們進行封鎖，其價格 更是令人難以接受。自主研制的以可編程控制器為核心的溫室溫度控制系 統(tǒng)，由于其采用了靈活的編程方式，具有適應(yīng)惡劣環(huán)境，簡單易懂，操作方 便，維修簡單，可靠性高等優(yōu)點，已經(jīng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，利于高 效農(nóng)業(yè)的發(fā)展。由于溫室系統(tǒng)是一個多變量、多耦合、非線性、大滯后的復(fù)雜動

3、態(tài)系統(tǒng)， 很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，溫室的控制采用遺傳優(yōu)化模糊的控制方法。 利用模糊控制器本身的解耦特點，在控制器結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)解耦。由于模糊規(guī)則 的獲取和控制參數(shù)的調(diào)整都沒有系統(tǒng)的方法，主要依靠控制專家的經(jīng)驗和設(shè) 計者的反復(fù)試驗。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，直觀經(jīng)驗越來越難以獲得，而且 往往表達不清楚，難以直接利用，因此用遺傳算法對其進行優(yōu)化， 這樣就使 得溫室控制系統(tǒng)能不斷根據(jù)實際情況來自動修正控制算法， 從而真正達到智 能控制的目的。為此，本研究采用一種基于遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的智能 控制方案控制溫室的環(huán)境參數(shù)。目前國內(nèi)外市場以PLC為核心的溫度控制系統(tǒng)很多，具有方案靈活、 運行穩(wěn)定、操作簡

4、單、易于維護和升級，且應(yīng)用面廣的優(yōu)點。同時，模塊化 的設(shè)計可以有選擇的靈活的添加控制器，以滿足不同地區(qū)不同用戶的需求， 這就大大提升了系統(tǒng)的實用性，降低了開發(fā)和使用成本。另外，該控制器還 可用于工業(yè)上的加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等多種類似溫度控制場所， 且不 受惡劣的工作環(huán)境影響；在生活中的應(yīng)用也比較廣泛，如熱水器，智能室溫， 智能冷庫等。該控制系統(tǒng)稍作變通就有廣闊的應(yīng)用空間。因此，本次研究具有很深遠的科學(xué)意義和極為廣闊的應(yīng)用前景。二、本項目國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展概況溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分， 在世界各地得到長足發(fā)展。70年代 初、中期，較為進的電子溫室自控系統(tǒng)，存在一定的問題：可靠性差、控制 功

5、能不強以及控制參數(shù)少等缺點。80年代，以計算機為核心的溫室綜合環(huán)境 控制系統(tǒng)，在歐美和日本獲得快速的發(fā)展，并邁入網(wǎng)絡(luò)化智能化階段。我國對溫室控制系統(tǒng)的研究比較晚，到80年代，才有對人工氣候室進行 的微機控制，我國的溫室控制系統(tǒng)科研水平跟國外仍有較大差距，表現(xiàn)為： 沒有溫室結(jié)構(gòu)的國家標(biāo)準(zhǔn)；缺乏與我國國情相適應(yīng)的溫室優(yōu)化控制軟件和控 制系統(tǒng)。目前國內(nèi)外主要有以下幾種溫室控制方案：1. 基于單片機的溫室控制方案2. 基于工控機的溫室控制方案優(yōu)點：硬件成本低。缺點：因溫室控制器批量不大。一是元器件采購質(zhì)量難以保障；二是線 路板小批量定做，質(zhì)量難以保證；三是手工焊接質(zhì)量不穩(wěn)；四是沒有老化實 驗；五是硬件

6、設(shè)計不一定為最優(yōu)方案。由此造成系統(tǒng)控制器穩(wěn)定性差、故障 率高，時常會出現(xiàn)原因不明的故障。僅僅是一個單片機控制器尚可運行， 如 果實現(xiàn)分布式控制，其穩(wěn)定性將會出現(xiàn)問題。另外，此方案控制器與其他系 統(tǒng)兼容性差、開放性不強。此方案多采用工控板卡，優(yōu)點是：因生產(chǎn)板卡的公司一般是波峰焊接板 卡是批量定做，所以硬件穩(wěn)定性要比單片機好。上位機軟可采用組態(tài)軟件， 編程較方便。缺點：第一，因溫室控制采集參數(shù)多，如溫度、濕度、光照度、風(fēng)速、 風(fēng)向、雨雪、雨量、C°2濃度等。傳感器信號參數(shù)各異，有電流、電壓、開 關(guān)量、脈沖等。需要采用不同的輸入板卡，因此成本較高。第二，板卡插在 工控機上，一旦計算機發(fā)生故

7、障，則溫室控制不能實現(xiàn)。第三，采集速度慢 所有的采集、顯示、計算、控制邏輯關(guān)系、輸出控制等都在計算機上完成， 上位機負(fù)擔(dān)重。第四，不能實現(xiàn)分布式控制?？傊?，不管是成本還是功能，工控機方案都不是溫室控制的首選。3.基于PLC的溫室控制方案優(yōu)點：第一，穩(wěn)定性高。PLC在工業(yè)控制中已應(yīng)用多年，屬大批量生產(chǎn)產(chǎn)品。 PLC產(chǎn)品在生產(chǎn)、調(diào)試、應(yīng)用、服務(wù)等方面都有一套完備的標(biāo)準(zhǔn)，所以產(chǎn)品 質(zhì)量穩(wěn)定。由此保證了溫室控制器的硬件穩(wěn)定性， 從而具有控制準(zhǔn)確、運行 可靠的特點。第二，豐富的I/O 口。本系統(tǒng)需要13個輸入口和9個輸出口。PLC自帶的 口線可滿足需要。第三，易于組網(wǎng)和進行功能擴展。整個系統(tǒng)最多可支持

8、256個可尋址的 模塊，最長走線距離可達9.6公里。系統(tǒng)擴展能力強，增加控制單兀只需增 加數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)即可，不用更換主控計算機及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，減小了升級 成本，提咼系統(tǒng)實用性。系統(tǒng)可根據(jù)栽培作物不同分別設(shè)定控制參數(shù)，最多可冋時管理60棟栽培不同作物的溫室，適合大中型溫室群的集中管理。第四，操作方便。良好的人機界面對操作人員的要求不高， 經(jīng)過簡單培 訓(xùn)就可以使用。表1為以上幾種溫室控制方案的對比表格。表1幾種溫室控制方法的比較萬案單片機工控機PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體式模塊式模塊式加工元器件選擇需要無需加工 直接米用無需加工 直接米用制版需要焊接需要測試電磁兼容性- 抗干擾性無法測試測試項目全優(yōu)測試項

9、目全優(yōu)傳導(dǎo)和輻射至多一項高壓和絕緣溫度測試穩(wěn)定性一般良好優(yōu)工作環(huán)境要求高較低低可擴展性差一般優(yōu)通訊穩(wěn)定性r -般良好優(yōu)分布式結(jié)構(gòu)是否是成本低較高較高結(jié)論:一般良好優(yōu)綜合各項指標(biāo)得出：雖然采用PLC成本要比單片機高，但應(yīng)用于系統(tǒng)時 要考慮穩(wěn)定性、功能性、可維護性、可拓展性等綜合因素，比較得出采用PLC 比單片機和工控機板卡具有較高的性價比。故選擇基于PLC的溫室控制方案實現(xiàn)控制。三、主要研究、開發(fā)內(nèi)容及采用工藝技術(shù)路線主要研究內(nèi)容：1調(diào)研智能控制發(fā)展與方向，進行智能溫室分布式系統(tǒng)總體的制定與設(shè) 計。2進行基于PLC的溫室控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計。硬件系統(tǒng)由傳感器子系 統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)

10、、執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)組成。3系統(tǒng)軟件的設(shè)計與調(diào)試：（1）控制面板的設(shè)計由上位機實現(xiàn)。不僅用來實現(xiàn)遠程監(jiān)控，參數(shù)設(shè)置，實時數(shù)據(jù)顯示，還 可以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)顯示、打印等功能。（2）上位機和下位機的通信用于下位機將現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)控信息實時傳送，并將上位機的遠程控制指 令下達到現(xiàn)場PLC。（3）智能控制算法的設(shè)計溫室環(huán)境控制采用遺傳優(yōu)化模糊控制器的控制算法。利用模糊控制器本 身的解耦特點，在控制器結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)解耦；同時用遺傳算法來進行優(yōu)化，這 樣就使得溫室控制系統(tǒng)能不斷根據(jù)實際情況自動修正控制算法， 達到智能控 制的目的。4樣機的搭建與測試。主要開發(fā)內(nèi)容：1. 模塊化結(jié)構(gòu)此設(shè)計可以有選擇的靈活的添加

11、控制器，以滿足不同地區(qū)不同用戶的需 求，這就大大提升了系統(tǒng)的實用性，降低了開發(fā)和使用成本。2. 分布式結(jié)構(gòu)上位機與下位機采用232或458串口通信。當(dāng)上位機發(fā)生故障時下位機 可自行實現(xiàn)采集、顯示、輸出自動控制，不影響溫室的自動運行。在整個過 程中，計算機還承擔(dān)著存儲即時數(shù)據(jù)的工作， 這樣，我們就可以根據(jù)這些數(shù) 據(jù)，對植物未來的生長趨勢做出分析和預(yù)測， 隨時顯示和打印當(dāng)前數(shù)據(jù)或歷 史數(shù)據(jù)。3. 多種控制方式有自動控制、現(xiàn)場手動控制、遠程控制三種控制方式，從而更好的保證系統(tǒng)的整體性能。4. 室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境共同監(jiān)測如下圖所示。其優(yōu)點是可以將室外信息和室內(nèi)的相合結(jié)， 根據(jù)室外環(huán)境 情況自動調(diào)節(jié)室內(nèi)

12、控制方案，達到充分利用自然資源、節(jié)能環(huán)保的目的。比 如雨天需要灌溉時可以卷起溫室屋頂薄膜節(jié)水灌溉；如果出現(xiàn)降雨，或是風(fēng) 力過大的情況，室外控制系統(tǒng)就會合攏遮蔭、將天窗關(guān)閉，保護室內(nèi)作物等。 這樣更科學(xué)合理地控制溫室內(nèi)環(huán)境， 真正最大限度地保護農(nóng)作物，發(fā)揮系統(tǒng) 的幫助功能。圖1溫室系統(tǒng)組成框圖5. 良好的人機界面對操作人員要求不高、易于操作，經(jīng)過簡單的培訓(xùn)就可以使用。同時， 控制面板不僅用來實現(xiàn)遠程監(jiān)控、 參數(shù)設(shè)置、實時數(shù)據(jù)顯示、還可以實現(xiàn)歷 史數(shù)據(jù)顯示、打印等功能。工藝技術(shù)路線:圖1技術(shù)路線控制面板的設(shè)計上/下位機通信四、本項目創(chuàng)新點及技術(shù)關(guān)鍵本研究的創(chuàng)新之處有兩大方面：一是硬件上。目前我國科

13、技人員也進行了溫室的環(huán)境控制研究， 但是由 于我國的設(shè)施大都比較簡單，大量的作業(yè)和調(diào)整都要人工操作，作物生長小 環(huán)境中環(huán)境因子調(diào)控程度很低，這樣使溫室生產(chǎn)的潛力和效率與國外的工廠 化生產(chǎn)相比還有很大差距。目前，我國的計算機控制技術(shù)還大多處于單控制 器十單傳感器十執(zhí)行機構(gòu)這種較原始的狀態(tài)， 控制效果不太理想。目前我國 既便是引進的溫室設(shè)施基本也還是采用落后且價格亦不低的集中式控制系 統(tǒng)，所以控制效果也較差。本研究首先從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上對其加以改進，采用分 布式控制方式，使系統(tǒng)的控制量、控制的靈活性、遠程操作等功能得以實現(xiàn) 或性能進一步提高；模塊式I/O結(jié)構(gòu)使得用戶可根據(jù)需要方便靈活的組合， 系統(tǒng)方案靈

14、活，應(yīng)用面廣，現(xiàn)場的應(yīng)變能力強；同時室內(nèi)外環(huán)境共同監(jiān)測的 設(shè)計可以最大限度的利用自然資源實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。另一方面是軟件方面，目前國內(nèi)溫室控制的計算機軟件較為落后， 而且 缺乏針對性，本研究采用遺傳算法優(yōu)化模糊器的控制方案， 加之河北省優(yōu)越 的實驗環(huán)境，經(jīng)過反復(fù)實踐肯定可以研究出適合河北氣候條件和植物生長要 求的控制規(guī)則，使該系統(tǒng)更加具有針對性。重點解決的關(guān)鍵技術(shù)：1硬件電路的可制造性設(shè)計和可測試性設(shè)。2軟件設(shè)計的可靠性。其關(guān)系到系統(tǒng)運行的可靠性，設(shè)計的軟件要與硬 件電路匹配。3控制算法的優(yōu)越性。算法的優(yōu)劣直接決定了溫室自動控制的優(yōu)劣。目 前，溫室的控制算法有很多種，但是適合實際應(yīng)用、滿足智

15、能控制要求的算 法還不多。故控制算法的優(yōu)越性是重點解決的關(guān)鍵問題之一。4下位機與上位機的通訊協(xié)議和 PC機串行通訊軟件的設(shè)計。五、創(chuàng)業(yè)進度第一階段第二階段第三階段第四階段第五階段收集資料；系統(tǒng)總體設(shè)計； 系統(tǒng)的硬件設(shè)計;軟件設(shè)計；進行模擬調(diào)試；第六階段：總結(jié)，準(zhǔn)備鑒定2009.12009.22009.32009.42009.52009.62009.72009.92009.102009.112009.122010.1獲其它基金資助情況（含校內(nèi)基金）獲得創(chuàng)新基地學(xué)生課外科技項目基金資助七、本項目完成后成果提供形式（包括產(chǎn)品、成果等） 發(fā)表若干篇論文和制作控制系統(tǒng)的樣機。八、經(jīng)費預(yù)算1. 業(yè)務(wù)費（1000元），用于