溫室控制系統(tǒng)中的溫度控制與灌溉控制

溫室控制系統(tǒng)中的溫度控制與灌溉控制

0溫室控制plc溫室環(huán)境控制充分利用自然資源，通過改變溫度、濕度、光照等環(huán)境變量獲得植物的最佳生長機(jī)會，從而提高植物產(chǎn)量，提高植物質(zhì)量，調(diào)節(jié)植物生長周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。目前，溫室控制多是采用以單片機(jī)（MCU）為主控制器，從數(shù)據(jù)采樣到算法控制都是由單片機(jī)完成的，因而這類系統(tǒng)所有性能都集中在單片機(jī)上。但是，由于單片機(jī)的可靠性低易于受外界干擾，而溫室控制環(huán)境噪聲大、環(huán)境惡劣，這類系統(tǒng)難以達(dá)到預(yù)期的控制效果?？删幊炭刂破?PLC)性能可靠、操作方便靈活、功能性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，能夠?qū)崿F(xiàn)在惡劣環(huán)境下長時(shí)間、不間斷地運(yùn)轉(zhuǎn)；編程簡單，維護(hù)也十分方便；同時(shí)，配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接，很適合作控制溫室的主控制器。本文以為中國農(nóng)科院柑橘研究所設(shè)計(jì)的溫室控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說明由可編程控制器(PLC)作為主控制器的溫室控制研究，溫、網(wǎng)室大棚共6個(gè)。溫室1個(gè)，主要用于橘種的培育，需要控制的環(huán)境因素有溫度、光照、灌溉時(shí)間、灌溉時(shí)長以及1天內(nèi)灌溉的次數(shù)；其它5個(gè)網(wǎng)室用于培育移栽以后的苗木，由于受重慶地區(qū)氣候因素的影響，需控制量可以簡化為光照和灌溉，控制方法與溫室內(nèi)采用的方法相同。1上位機(jī)控制系統(tǒng)6個(gè)溫（網(wǎng)）室的溫室環(huán)境由1臺計(jì)算機(jī)控制，組成一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)、變頻器、電機(jī)等組成。上位機(jī)采用的是奔騰Ⅳ計(jì)算機(jī)，下位機(jī)采用的是歐姆龍公司的PLC，變頻器采用的是森蘭公司的BT12S系列。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的a/d輸入及d/a轉(zhuǎn)換根據(jù)系統(tǒng)配置，選用CPM2AE-60CDR-A可編程控制器輸入36點(diǎn)(0.00～2.11)、輸出24點(diǎn)(10.00～12.07)，供電電源為100～240V交流電；帶外圍端口能與上位鏈接連接，方便編程、調(diào)試及其以后的使用控制；同時(shí)，選用CPM1A-MAD02-CH擴(kuò)展模塊，能實(shí)現(xiàn)3路模擬量輸入的A/D轉(zhuǎn)換1路模擬量輸出的D/A轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)可以根據(jù)需要方便地?cái)U(kuò)展輸入/輸出口，系統(tǒng)中需控制的模擬信號有溫度傳感器、光照傳感器模擬量的輸入以及變頻器控制模擬量的輸出。選用一個(gè)AD模塊就能達(dá)到控制的要求。PLC各個(gè)輸入/輸出點(diǎn)分配情況，如表1和表2所示。溫室控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由3部分組成：一是信息采集及信號輸入部分，它包括室內(nèi)溫度、光照信息采集等；二是信息轉(zhuǎn)換與處理部分，主要功能是將采集的信息轉(zhuǎn)化成電壓或電流輸入CPM1A-MAD02-CH模塊，再由該模塊將其轉(zhuǎn)換成PLC可以識別的標(biāo)準(zhǔn)量信息進(jìn)行處理，輸出決策的指令；三是輸出及控制部分，控制風(fēng)機(jī)、濕簾水泵、噴霧系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)等系統(tǒng)，使植物的生長能按照預(yù)定方案進(jìn)行。按照功能系統(tǒng)可以分為：環(huán)境控制、灌溉控制和通訊控制。環(huán)境控制包括溫度控制，光照（遮陽）控制；灌溉控制實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量灌溉；通訊控制實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳送及數(shù)據(jù)的存儲管理。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。2.2足驅(qū)動電路設(shè)計(jì)中采用了2W,24V直流電磁閥。通過計(jì)算，其所需的驅(qū)動電流約為100mA?？紤]到PLC輸出電流只有5mA無法滿足驅(qū)動要求，需要在外部加一驅(qū)動電路。驅(qū)動電路的原理圖，如圖2所示。驅(qū)動電路采用光電隔離設(shè)計(jì)，這樣可以將強(qiáng)電和弱電分開，可以防止驅(qū)動電路對PLC的干擾。當(dāng)灌溉開始時(shí)間到達(dá)時(shí)，PLC輸出24V電壓，L0049的發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，使L0049另外一端的三極管導(dǎo)通。從而使得三極管9013飽和導(dǎo)通，這時(shí)9013射極輸出電位接近24V，供電磁閥使用。3各系統(tǒng)功能和設(shè)計(jì)3.1環(huán)境控制3.1.1plc的測量設(shè)備溫度控制主要由溫度設(shè)定和風(fēng)機(jī)變速兩部分組成。溫度設(shè)定根據(jù)目標(biāo)溫度以及實(shí)際溫度給出風(fēng)機(jī)相應(yīng)的加速和減速信號，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)調(diào)速，自動跟蹤室溫變化。為了保證系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定、可靠地實(shí)現(xiàn)變速，可采用變頻調(diào)速方法，即通過變頻器變換電源頻率來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變速運(yùn)轉(zhuǎn)。要通過CPM1A-MAD02-CH模塊將溫度傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，那么在程序中需要給規(guī)定的通道設(shè)定量程控制字；同樣如需通過CPM1A-MAD02-CH模塊輸出模擬信號控制變頻器，也需設(shè)定量程控制字。設(shè)定輸入控制字助記符，如表3所示。工作原理：PLC上電運(yùn)行后，溫度傳感器將室內(nèi)溫度轉(zhuǎn)化為電壓輸入到CPM1A-MAD02-CH模塊的VIN1點(diǎn)。電壓信號數(shù)字化以后，再存入比較通道DM5等待處理。其助記符，如表4所示。為了避免變頻器的頻繁啟動，PLC每隔5min采集成電路1次數(shù)據(jù)；同時(shí)，將轉(zhuǎn)化來的數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。設(shè)定數(shù)據(jù)分為4段：加熱、正常、降溫1、降溫2。其對應(yīng)的溫度范圍分別為：t11～t12℃，t21～t22℃，t31～t32℃，t41～t42℃。txx取至專家的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果所測溫度t在“加熱”范圍內(nèi)，PLC輸出口IR1200輸出24V直流電壓。通過驅(qū)動電路，使繼電器常開觸點(diǎn)閉合，使交流接觸器線圈通電常開觸點(diǎn)閉合，熱風(fēng)爐電源接通，熱風(fēng)爐風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，從出風(fēng)口輸出的熱氣。如果所測得溫度在“正?！狈秶鷥?nèi)，則PLC無輸出。如果所測溫度在“降溫”范圍內(nèi)，要分兩種情況：一是當(dāng)溫度在“降溫2”范圍內(nèi)，即室內(nèi)溫度比較高時(shí)，模擬量輸出的電壓值為Uin2,PLCIR1105點(diǎn)輸出信號啟動變頻器。同時(shí)CPM1A-MAD02-CH模塊VOUT點(diǎn)根據(jù)Uin2輸出電壓Uout2，使變頻器工作頻率為P2。在此頻率下，風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為v2。同時(shí)，PLCIR1104點(diǎn)輸出高電平驅(qū)動濕簾水泵工作。在風(fēng)機(jī)和濕簾的共同作用下，室內(nèi)溫度逐漸下降，濕度變大。二是當(dāng)溫度降到“降溫1”范圍內(nèi)，溫度傳感器輸入值變?yōu)閁in1，此時(shí)PLCIR1104和IR1105點(diǎn)依然保持高電平，即變頻器和濕簾水泵繼續(xù)工作。只是當(dāng)改變變頻器工作頻率的輸出電壓變?yōu)閁out1(Uout2>Uout1），相應(yīng)的變頻器輸出頻率變?yōu)?P(2P>1P)，從而使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降到1v。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作一段時(shí)間后，溫度下降到“正?！狈秶鷥?nèi)，PLC根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，發(fā)送信號使變頻器、濕簾水泵和風(fēng)機(jī)停止工作，由此實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度的自動控制及調(diào)節(jié)。室內(nèi)的溫度檢測只有一路溫度測試點(diǎn)，安裝在溫室的中央。由于重慶地區(qū)冬夏溫差相差大約30℃，所以冬夏需采用不同的設(shè)定值。其主要是根據(jù)植物生長期各階段的溫度的要求不同進(jìn)行控制。除通過溫度的控制外，還應(yīng)充分利用自然光照射升溫和遮陽網(wǎng)避陽降溫來配合溫度控制子系統(tǒng)的控制。3.1.2光線檢測陰虛整個(gè)溫室頂部有一整體遮陽系統(tǒng)，首先滿足植物生長所需要的光合作用。在這個(gè)前提下，也可以根據(jù)室內(nèi)的溫度等因素通過手動開關(guān)控制遮陽網(wǎng)。3.2控制灌溉時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)行控制作物濕度主要通過噴霧及濕簾兩種方法來實(shí)現(xiàn)。噴霧是指直接對作物進(jìn)行頂部噴灌以調(diào)節(jié)濕度，而濕簾主要是在降溫的同時(shí)增大室內(nèi)的濕度。由于溫室內(nèi)沒有安裝檢測土壤濕度的傳感器，只能由人工檢測，再根據(jù)檢測所得的數(shù)據(jù)，設(shè)定灌溉時(shí)間及時(shí)長。其工作原理：首先根據(jù)人工所測得的濕度數(shù)據(jù)、種植管理員的經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)的目的進(jìn)行確定每天的灌溉次數(shù)，每次灌溉的時(shí)間和時(shí)長，并輸入計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)傳入PLC內(nèi)預(yù)先設(shè)定的存儲單元，然后啟動時(shí)間比較系統(tǒng)及其各個(gè)溫、網(wǎng)室的灌溉系統(tǒng)。在PLC內(nèi)部，“設(shè)定時(shí)間”不斷與“系統(tǒng)時(shí)間”進(jìn)行比較，當(dāng)“設(shè)定時(shí)間”和“系統(tǒng)時(shí)間”相同時(shí)，PLC發(fā)送執(zhí)行指令，繼電器常開觸點(diǎn)閉合，電磁閥吸合，灌溉水路接通，安裝在作物頂部的微噴頭噴霧。其工作示意圖，如圖3所示。3.3plc與計(jì)算機(jī)的串行通信通信控制實(shí)現(xiàn)對溫室運(yùn)作信息的傳送。上位機(jī)系統(tǒng)選用了個(gè)人計(jì)算機(jī)，主要用于輸入數(shù)據(jù)、觀察數(shù)據(jù)以及存儲數(shù)據(jù)。由于VisualBasic6.0界面開發(fā)靈活，同時(shí)提供串行通信控件MSComm，因此采用VB6.0為開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)的串行通信。歐姆龍公司生產(chǎn)的PLC，自帶外部接口，使用PLC自帶的電纜即能與計(jì)算機(jī)方便的連接，組成一個(gè)簡單的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。通訊模式選用1:1hostlink，波特率9600bps，偶校驗(yàn)。計(jì)算機(jī)發(fā)送命令信息,將數(shù)據(jù)傳送到PLC預(yù)先設(shè)定的存儲單元，PLC根據(jù)傳入數(shù)據(jù)執(zhí)行程序，達(dá)到控制的目的。控制窗口，如圖4所示。4plc系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)本系統(tǒng)通過對溫室生產(chǎn)中各個(gè)參數(shù)的分散控制和集中管理，實(shí)現(xiàn)了溫室的自動化控制，提高了溫室管理的水平，降低了成本，充分發(fā)揮了溫室農(nóng)業(yè)的高效性。其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：一是群體化管理，可以實(shí)現(xiàn)對同一地區(qū)的多個(gè)溫室的集中統(tǒng)一管理；二是可靠性高，從PLC本身來說，比之抗干擾性較弱的單片機(jī)，其工作穩(wěn)定性好