【正文】 基于PLC的智能溫室綜合控制系統(tǒng)研究報(bào)告唐立偉（專業(yè)報(bào)告）第一章 溫室市場(chǎng)現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展形勢(shì)1 .1 溫室產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀 發(fā)達(dá)國(guó)家溫室產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀溫室產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展速度很快。如在荷蘭的阿姆斯特丹 RAI展覽館每年11月舉辦一次國(guó)際花卉展覽會(huì)，2003 年就有來(lái)自世界各國(guó)的 477 個(gè)廠商展示了各自的產(chǎn)品和實(shí)力。荷蘭、日本、以色列、美國(guó)、韓國(guó)、西班牙、意大利、法國(guó)、加拿大等國(guó)是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)的國(guó)家，溫室以大型溫室為主。這些高水平大型溫室的環(huán)境控制系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器采集室溫、葉濕、地濕、室內(nèi)濕度、土壤含水量、溶液濃度、二氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、以及植物作物生長(zhǎng)狀態(tài)等有關(guān)參數(shù)，結(jié)合作物生長(zhǎng)所需最佳條件，有效調(diào)節(jié)有關(guān)設(shè)備裝置，將室內(nèi)溫、濕、光、水、肥、氣等諸因素綜合協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。歐美等國(guó)家在 30 年代就相繼建立了人工氣候室。溫室調(diào)控技術(shù)至今經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展過(guò)程。初期是使用儀表對(duì)溫室設(shè)施中的光照、溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，再使用手動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如幕簾、通風(fēng)設(shè)備等）施行簡(jiǎn)單控制，隨著傳感元件、儀表及執(zhí)行器技術(shù)的進(jìn)步，逐步發(fā)展成為對(duì)溫度、濕度、光照等幾乎所有室內(nèi)環(huán)境參數(shù)分別進(jìn)行自動(dòng)控制。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使環(huán)境參數(shù)的綜合控制成為可能。70 年代中期，荷蘭、日本、美國(guó)、意大利等國(guó)家已使用微型計(jì)算機(jī)控制植物生長(zhǎng)環(huán)境。從 80 年代開(kāi)始，根據(jù)不同作物、不同生長(zhǎng)階段及外界環(huán)境變化對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)控制的技術(shù)得到了快速的發(fā)展。目前，在溫室控制技術(shù)方面，荷蘭、美國(guó)、以色列、日本等國(guó)較為先進(jìn)。由于借鑒了工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域的先進(jìn)成果，技術(shù)水平不斷提高，它能根據(jù)作物生長(zhǎng)的最佳生長(zhǎng)條件，調(diào)節(jié)溫室氣候使之一年四季滿足植物生長(zhǎng)需要，不受氣候和土壤條件的影響，在有限的土地上周年地生產(chǎn)蔬菜和鮮花。除了對(duì)溫室進(jìn)行監(jiān)控外，計(jì)算機(jī)優(yōu)化環(huán)境參數(shù)、節(jié)能、節(jié)水及設(shè)施裝備的可靠性等很多方面都取得了很好的技術(shù)成果，并推出了許多新產(chǎn)品。美國(guó)開(kāi)發(fā)的冬天保溫用的雙層充氣膜、高壓霧化降溫加濕系統(tǒng)以及夏季降溫用的濕簾降溫系統(tǒng)處于世界領(lǐng)先水平；韓國(guó)的換氣、灌水、二氧化碳濃度控制等設(shè)施比較先進(jìn)；荷蘭的頂面涂層隔熱、加熱系統(tǒng)、人工補(bǔ)光等方面有較高的水平；以色列的灌溉系統(tǒng)比較先進(jìn)，室內(nèi)設(shè)施齊全。日本、韓國(guó)開(kāi)發(fā)了瓜類、茄果類蔬菜嫁接機(jī)器人。日本開(kāi)發(fā)了育苗移栽、耕耘、施肥移動(dòng)機(jī)器人，可完成多項(xiàng)功能的多功能機(jī)器，能在溫室內(nèi)完6成各項(xiàng)作業(yè)的無(wú)人行走車，用于組織培養(yǎng)作用的機(jī)器人，柑橘、葡萄收獲機(jī)器人等 。資源相對(duì)貧瘠的荷蘭溫室生產(chǎn)最值得研究。 國(guó)土面積不大的荷蘭已經(jīng)成為世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的典范。1999 年一年四季全天候生產(chǎn)的大型溫室有 萬(wàn) hm2，其中 90%為玻璃溫室。國(guó)外現(xiàn)代溫室單位面積的產(chǎn)量高經(jīng)濟(jì)效益高，荷蘭溫室番茄年產(chǎn)量達(dá)到 60kg/m2，5000 hm2用于種植花卉，花卉產(chǎn)業(yè)每天向世界鮮花市場(chǎng)上出口 1700 萬(wàn)支鮮花和 170 萬(wàn)盆盆花，鮮花出口占全世界鮮花市場(chǎng)的 60%以上，年收入高達(dá) 110 億美元，占全國(guó)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的 35%，經(jīng)濟(jì)效益高，成為歐洲的“菜籃子”，“花籃子”。 荷蘭大量投資與溫室相關(guān)的基礎(chǔ)研究。建立“蔬菜工廠”、“花卉工廠”、“苗木工廠”等用于研究和示范，成為溫室業(yè)的堅(jiān)實(shí)科研后盾。重視作物生理、產(chǎn)量、品質(zhì)與環(huán)境因子之間的定量關(guān)系等方面研究，因而設(shè)施內(nèi)綜合環(huán)境控制系統(tǒng)智能化水平高，設(shè)施種植技術(shù)實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。 國(guó)內(nèi)溫室產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得了可喜的成績(jī)，但同時(shí)，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的問(wèn)題也越來(lái)越凸現(xiàn)出來(lái)，如果這些問(wèn)題得不到解決，將成為嚴(yán)重制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。首先是我國(guó)人口眾多。其次是資源短缺。第三是我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本高，科技含量低，無(wú)法形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。要解決這些問(wèn)題，根本在于實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目的的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化。農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合控制作為農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)的手段，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展主要方向之一，成為21世紀(jì)最有活力的農(nóng)業(yè)新產(chǎn)業(yè)。20 世紀(jì) 50 年代末，我國(guó)在華北地區(qū)曾建造過(guò)屋脊式大型玻璃溫室，到 60 年代初，在東北地區(qū)建成 1hm2的大型玻璃溫室。 由于國(guó)內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)比國(guó)外落后，必然走一條引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新的路子。 19791987 年，從保加利亞、荷蘭、羅馬尼亞、美國(guó)、日本、意大利等六國(guó)，引進(jìn)現(xiàn)代溫室 24 座，共 ,分別建造在北京、黑龍江、廣東、江蘇、上海、新疆等六省市區(qū)，其中 60%用于蔬菜生產(chǎn)，40%用于花卉生產(chǎn)。 這次較大規(guī)模的引進(jìn)溫室，各地都重視了溫室本身，但卻忽視了對(duì)我國(guó)氣候的實(shí)用性和配套的栽培技術(shù)，在運(yùn)動(dòng)中存在著冬季能耗高、夏季降溫困難等問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)效益普遍不佳。 90 年代中期開(kāi)始，我國(guó)現(xiàn)代溫室快速發(fā)展?！熬盼濉逼陂g，國(guó)家科技部將工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程列為國(guó)家重大科技產(chǎn)業(yè)工程，這是唯一的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)示范工程項(xiàng)目。由此，又一個(gè)大規(guī)模引進(jìn)國(guó)外大型現(xiàn)代溫室，至 1998 年，,引進(jìn)的國(guó)家有荷蘭、法國(guó)、以色列、西班牙、美國(guó)、日本、韓國(guó)以及我國(guó)的臺(tái)灣地區(qū)，基本涵蓋了現(xiàn)代溫室發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)；引進(jìn)和建設(shè)的地點(diǎn)，北起黑龍江，南至海南島，東起上海，西至新疆，包括了全國(guó)所有的省、市、自治區(qū)；引進(jìn)溫室的主要類型包括單屋脊和雙屋脊的大型連棟玻璃溫室，拱圓形、鋸齒形、雙層充氣和雙層結(jié)構(gòu)的塑料膜溫室，以及聚碳酸酯板溫室等，代表了現(xiàn)代溫室的所有類型；引進(jìn)溫室的配套設(shè)備包括遮陽(yáng)、通風(fēng)、降溫、加溫、保濕、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)管理，以及栽培床、活動(dòng)苗床、噴滴灌和自走噴灌、自走式采摘車、自動(dòng)化穴盤育苗、水培設(shè)備等等，也基本包括了所有先進(jìn)的配套設(shè)備。這次打規(guī)模的引進(jìn)溫室，特別是北京、上海幾個(gè)示范園區(qū)，在引進(jìn)溫室至溫室園藝成套設(shè)施硬件的同時(shí)，還引進(jìn)了配套品種、栽培技術(shù)、專家系統(tǒng)等軟件成套技術(shù)，以及國(guó)外相關(guān)專家現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。 目前，我國(guó)是設(shè)施園藝栽培面積最大的國(guó)家。80年代中后期，隨著高效節(jié)能日光溫室生產(chǎn)技術(shù)在東北地區(qū)試驗(yàn)成功，就迅速在我國(guó)北方發(fā)展起來(lái)，各級(jí)政府把其作為帶領(lǐng)農(nóng)民致富奔小康、培育農(nóng)村新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)的重點(diǎn)措施，各級(jí)農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)也投入了大量的人力、物力進(jìn)行節(jié)能日光溫室建造及生產(chǎn)技術(shù)的專項(xiàng)研究，并取得了重大進(jìn)展。日光溫室發(fā)展到今天，已由生產(chǎn)各種反季節(jié)蔬菜的生產(chǎn)設(shè)施，發(fā)展為日光溫室園藝設(shè)施，進(jìn)而發(fā)展為設(shè)施農(nóng)業(yè)，已成為種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)節(jié)能日光溫室面積到2002年底已到達(dá)760萬(wàn)畝。隨著我國(guó)現(xiàn)代溫室產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在溫室產(chǎn)業(yè)的運(yùn)營(yíng)中暴露出了一些問(wèn)題:1）現(xiàn)代溫室管理和種植的人才缺乏，溫室種植技術(shù)落后，造成了現(xiàn)代溫室的功能和優(yōu)勢(shì)不能充分發(fā)揮。2）能源消耗大，以現(xiàn)代溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)效益低下，導(dǎo)致溫室產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了滑坡的現(xiàn)象。3）不同地域的氣候環(huán)境制約了進(jìn)口大型溫室適用性，溫室不能周年運(yùn)行。4）計(jì)算機(jī)控制水平低。目前國(guó)內(nèi)溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與國(guó)際選進(jìn)技術(shù)存在很大差距，商用控制系統(tǒng)不能滿足高效節(jié)能有效控制溫室機(jī)構(gòu)運(yùn)行的要求。 國(guó)內(nèi)外溫室控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀現(xiàn)代溫室中常見(jiàn)的能自動(dòng)控制的調(diào)控機(jī)構(gòu)有:頂部通風(fēng)窗、側(cè)面通風(fēng)窗、外遮陽(yáng)簾幕、內(nèi)遮陽(yáng)簾幕、軸流通風(fēng)機(jī)、降溫濕簾、人工補(bǔ)光燈、二氧化碳施肥器、加熱設(shè)備、噴霧系統(tǒng)及熏蒸設(shè)備。控制器綜合調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)在運(yùn)行中節(jié)約能源的同時(shí)保證室內(nèi)氣候滿足植物生長(zhǎng)需求。使用的控制器可以有很多選擇，如單片機(jī)、工控機(jī)、PLC、通用PC機(jī)等?？刂破髦g可以通過(guò)局域網(wǎng)或現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行信息交換。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)控制系統(tǒng)和控制算法做了大量的研究。西方發(fā)達(dá)國(guó)家在現(xiàn)代溫室測(cè)控技術(shù)上起步比較早。1949年，借助于工程技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)建成了第一個(gè)植物人工氣候室，開(kāi)展了植物對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)性和抗御能力的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。20世紀(jì)60年代，生產(chǎn)型的高級(jí)溫室開(kāi)始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，奧地利首先建成了番茄生產(chǎn)工廠，70年代后荷蘭、日本、美國(guó)、英國(guó)、以色列等國(guó)家的溫室園藝迅猛發(fā)展，溫室設(shè)施廣泛應(yīng)用于園藝作物生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和智能控制理論的發(fā)展，近百年來(lái)，溫室大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其自動(dòng)控制和管理技術(shù)不斷得以提高，在世界各地都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。特別是二十世紀(jì)70年代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，更使溫室大棚環(huán)境控制技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化。80年代，隨著微型計(jì)算機(jī)日新月異的進(jìn)步和價(jià)格大幅度下降，以及對(duì)溫室控制要求的提高，以微機(jī)為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在歐美得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并邁入了網(wǎng)絡(luò)化，智能化階段。目前，國(guó)外現(xiàn)代化溫室的內(nèi)部設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)。溫室內(nèi)的各環(huán)境因子大多由計(jì)算機(jī)集中控制，檢測(cè)傳感器也較為齊全，如溫室內(nèi)外的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度、營(yíng)養(yǎng)液濃度等，由傳感器的檢測(cè)基本上可以實(shí)現(xiàn)