【正文】 通風窗、外遮陽簾幕、內遮陽簾幕、軸流通風機、降溫濕簾、人工補光燈、二氧化碳施肥器、加熱設備、噴霧系統(tǒng)及熏蒸設備。 近年來我國的溫室控制取得了長足的進步，首先在溫室群控制方面，進行了初步的探索和 理論研究，其次在溫室控制中引入了人工智能和先進的控制算法，如專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊控制等理論和控制策略。目前，現(xiàn)代化大型溫室的骨架和覆蓋材料國產化已經基本不成問題，但其內部的配套設施和計算機管理系統(tǒng)等現(xiàn)代化管理方法與先進國家相比還有較大的差距，是今后要著力解決的問題。由農業(yè)部聯(lián)合有關部門試驗推廣的新一代節(jié)能型日光溫室 ,每年每畝可節(jié)約燃煤約 20 噸。本課題通過對 PLC 可編程控制器、組態(tài)軟件、傳感器、數(shù)據采集系統(tǒng)的學習與研究，完成了利用西門子 PLC 與 PC 機構組成溫室大棚溫度監(jiān)控系統(tǒng)。因此，為了實現(xiàn)高效農業(yè)生產的科學化并提高農業(yè)研究的準確性，推動我國農業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展農業(yè)設施與相應的農業(yè)工程，科學合理地調節(jié)大棚內溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內形成有利于蔬菜、水果生長的環(huán)境。作為實現(xiàn)溫室生產管理自動化、科學化的基本保證，環(huán)境測控可通過對 2 監(jiān)測數(shù)據的分析，并結合作物生長發(fā)育規(guī)律，從而控制環(huán)境條件，使作物達到優(yōu)質、高產、高效的栽培目的。 中國農業(yè)想要發(fā)展，就必須走現(xiàn)代化農業(yè)這條道路。 80 年代以來，溫室、大棚蔬菜的種植面積連年增加。 溫室環(huán)境指的是作物在地面上的生長空間 ,它是由光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等因素構成的。該研究中，將采用溫度 傳感器 、光照 傳感器 、 CO2 濃度傳感器對溫室中各項環(huán)境指標進行檢測，并將測量值送入 PLC 中，由 PLC 將其與設定值進行比較，再發(fā)出相應的指令驅動執(zhí)行設備來調節(jié)溫室內的環(huán)境參數(shù)，從而實現(xiàn)溫室的智能化、自動化控制。隨著科學技術的迅速發(fā)展，農業(yè)應用技術越來越受到重視，特別是溫室大棚已經成為高效農業(yè)的一個重要組成部分。如何利用科學技術有效地控制溫室內的各種環(huán)境 因數(shù) ，以提高溫室大棚環(huán)境的控制效果，已成為目前我國溫室業(yè)研究的重點課題之一。在此基礎上，采用 MCGS 組態(tài)軟件完成了控制系統(tǒng)的組態(tài)設計，實現(xiàn)了動態(tài)演示、過程監(jiān)測、數(shù)據記錄、 曲線顯示 等功能，從而實現(xiàn)了控制系統(tǒng)操作的人性化和過程的可視化，為溫室大棚的發(fā)展提供了新的方向。溫室控制主要是通過控制溫室內的溫度、濕度、通風與光照，使得它可以在冬季或其他不適宜植物露地生長 的季節(jié)栽培植物，從而達到對農作物調節(jié)產期、促進生長發(fā)育、防治病蟲害及提高產量的目的。目前的栽培設施中，有國家標準的裝配式鋼管塑料大棚和玻璃溫室僅占設施栽培面積的少部分，大多數(shù)的農村仍然采用自行建造的簡單低廉的竹木大小棚，只能起到一定的保溫作用，根本談不上對溫光水氣養(yǎng)分等環(huán)境條件的調控，抗自然 環(huán)境的能力極差。隨著國民經濟的迅速發(fā)展，農業(yè)的研究和應用技術越來越受到重視，特別是溫室大棚已經成為高效農業(yè)的一個重要組成部分。實際上生產生活中，以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農業(yè)設施在現(xiàn)代化農業(yè)生產中發(fā)揮著巨大的作用。 現(xiàn)階段隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產效率，對大棚的自動化程度要求也越 來越高。 國內外研究現(xiàn)狀 國內研究現(xiàn)狀 我國現(xiàn)代溫室技術起步較晚， 80 年代以來，政府大力發(fā)展以塑料大棚 、節(jié)能日光溫室為主的設施農業(yè)，促進了農村經濟的發(fā)展和緩和了蔬菜季節(jié)性短缺矛盾。隨后，以單層薄膜或雙層沖氣薄膜、PC 板、玻璃為覆蓋材料的大型現(xiàn)代化連棟溫室，以其土地利用率高、環(huán)境控制自動化程度高和便于機械化操作等優(yōu)點，自 1995 年以來，便呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展之勢，目前全國共有大型溫室面積 200 公頃，其中自日本、 荷蘭、以色列、美國等國家引進的溫室面積達 140 公頃。在溫室環(huán)境自動監(jiān)控中，各環(huán)境參數(shù)分別由各自的閉環(huán)系統(tǒng)控制，但由于這些受控參數(shù)常常相互影響，如光照增加，室溫 相應增加，溫度的升高，又造成溫室相對濕度降低，同時各系統(tǒng)間并不完全獨立，回路間相互耦合時可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)而失控，這里可采用模糊控制方法，可較好地解決環(huán)境參數(shù)之間的相互影響。當前溫室控制系統(tǒng)研究熱點己由簡單的DDC(直接數(shù)字控制 )發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)，如 DCS(分布式控制 )、 FCS(柔性控制 )等網絡化的控制系統(tǒng)?？刂破骶C合調節(jié)各個機構，使系統(tǒng)在運行中節(jié)約能源的同時保證室內氣候滿足植物生長需求。 20 世紀 60 年代，生產型的高級溫室開始應用于農業(yè)生產，奧 4 地利首先建成了番茄生產工廠， 70 年代后荷蘭、日本、美國、英國、以色列等國家的溫室園藝迅猛發(fā)展，溫室設施廣泛應用于園藝作物生產、畜牧業(yè)和水產養(yǎng)殖業(yè)。 目前，國外現(xiàn)代化溫室的內部設施己經發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標準。其性能優(yōu)越，已被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域，并已成為工業(yè)自動化的三大支柱 (PLC、工業(yè)機器人、 CAD/CAM)之一。 本次研究內容為溫室大棚溫度 PLC 控制系統(tǒng)設計。通過傳感器檢測溫室中的環(huán)境參數(shù)，經變送轉換為標準電流信號（ 4～ 20mA）后送入 S7200 的模擬量輸入模塊 EM235， PLC 通過分析處理，輸出開關量，通過驅動電路控制通風扇、遮陽簾、風機等多種執(zhí)行機構。我國從 1974 年開始研制， 1977 年開始工業(yè)推廣應用。 PLC 的組成和工作原理 一、 PLC 的組成 PLC 從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種，但在邏輯結構上基本上相同。 CPU CPU 是 PLC 的核心，主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據總 線及控制總線構成，此外 CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。 I/O 模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為 I/O 模塊或 I/O 單元。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 存儲器 存儲器是具有記憶功能的半導體電路，分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器。用戶存儲器：分為用戶程序存儲區(qū)和工作數(shù)據存儲區(qū)。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為 3～5 年。而智能型編程器（又稱圖形編程器），不但可以連機編程，而且還可以脫機編程。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110VAC），直流電源（常用的為 24VDC）。 PLC 就是這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃描的。 I/O 點數(shù)表明 PLC 的 I/O端子數(shù)。 10 二、中型 PLC 中型 PLC 采用模塊化結構，其 I/O 點數(shù)一般在 256～ 1024 點之間， I/O 的處理方式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方 式即在掃描用戶程序的過程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網功能更強，指令系統(tǒng)更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象 (生產設備或生產過程 )的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。同時要注意和現(xiàn)場工程管理和技術人員及操作人員緊密配合，共同解決重點問題和疑難問 題。 四、適應發(fā)展的需要 適當考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要，在選擇 PLC 的型號、 I／ O 點數(shù)和存儲器容量等內容時，應留有適當?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調整和擴充。 PLC 控制系統(tǒng)設計可以按以下步驟進行： 一、分析被控對象并提出控制要求、制定控制方案 詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，提出被控對象對 PLC 控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設計任務書。 PLC 外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和 未進入PLC 的控制電路等。 模擬調試：根據產生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。如不符合要求，則對硬件和程序作調整。 八、整理和編寫技術文件 技術文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、 PLC 程序以及使用說明書等。溫度的調節(jié)主要通過通風窗、加熱器的動作來進行解決，光照度主要通過發(fā)光體和遮陽簾來調節(jié)， CO2濃度主要通過 CO2添加器進行補償。由 PLC 對結果進行處理，然后調控各設備對環(huán)境因子進行補嘗。當溫室的二氧化碳濃度低于設定值，系統(tǒng)開啟二氧化碳添加器。 圖 31 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)的工作原理 該溫室大棚控制系統(tǒng)由 PLC 系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行部件等幾個部分組成。 PLC 控制系統(tǒng)的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分。 QK 為刀開關，用于控制整個主電路的啟停； FU1～ FU7 為熔斷器，分別對各個分線路實施短路和過載保護； FR1～ FR5 為熱繼電器，對電機、加熱器起過載保護的作用。 一、正反轉設備 通風扇、遮陽簾均屬于正反轉設備，其控制電路相似，現(xiàn)以遮陽簾為例，做以下介紹。按下總啟動按鈕 SB2，交流接觸器 KM10 的線圈得電，同時 KM10 的常開觸點閉合，起自鎖作用。 二、開 /關設備 熱風機、冷風機、加熱器、發(fā)光體、 CO2 添加器均屬于開 /關設備，其控 制電路相似，現(xiàn)以熱風機為例，做以下介紹。在手動狀態(tài)下， SB6 為啟停旋鈕。 PLC 硬件電路的設計 PLC 型號選擇 一、 PLC 的 I/O 點數(shù) 根據系統(tǒng)的控制要求，可確定系統(tǒng)所需的全部輸入設備（如：按紐、限位開關、單刀雙擲開關及各種傳感器等）和輸出設備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與 PLC 有關的輸入 /輸出設備，最終確定 PLC 的 I/O 點 數(shù)為14 個數(shù)字量輸入， 10 個數(shù)字量輸出， 3 個模擬量輸入。 S7200 系列 PLC 是西門子公司生產的一種小型整體式結構可編程序控制器。其中 CPU226集成 24輸入 /16輸出共 40個數(shù)字量 I/O 點，可連接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248 路數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點，具有13K 字節(jié)程序和數(shù)據存儲空間， 6 個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器， 2 個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊 能力。 圖 46 硬件接線圖 PLC 的硬件配置 傳感器 一、溫度傳感器 根據溫室溫度控制的特點，本文的溫度傳感器可采用芬蘭維薩拉公司 型號為HMD40 的產品，該款傳感器具有測量精度高，易于安裝、響應速度快，對環(huán)境要求較低等特點，其外觀如圖 47 所示。 二、光照傳感器 光控用于控制遮陽幕的啟閉，使作物得到合理的光照度并實現(xiàn)以下目的：免除作物超過光飽合點，提高光合作用；實現(xiàn)對長日照作物、中日照作物和短日照作物的光照控制。 量程： O200K1UX、 O20K10X、 0—2021 可選； 供電電壓： 24VDC／ 12VDC； 輸出信號： 20—4mA， 10V—OV 可選； 精度： 177。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長、選擇性 和穩(wěn)定性好等特點外，同時還具有耐高濕低溫的特性，可廣泛用于自動通風換氣系統(tǒng)或是 C02 氣體的長期監(jiān)測等應用場合。在這里我們選擇西門子的 EM235 模擬量輸入 /輸出模塊。它利用 DIP 開關設置輸入信號的量程。 所有的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍。 接通 CPU 及模塊電源，并使模塊穩(wěn)定 15 分鐘。 經上述調整后，若輸入最大值為 0～ 10V 的模擬量信號，則對應的數(shù)字量結果應為 32021 或所需數(shù)字，其關系如圖所示。為電壓輸入時，如 A 口所示，電壓信號正極接入 A+端，負極接入 A端， RA 端懸空。若為電壓負載，則將負載接入 MO、 VO 接口，若為電流負載則接入 MO、 IO 接口。 一、經驗設計法：即根據前人總結的典型控制電路程序，再按照設計中被對象的具體要求，把典型程序進行重新組合，而且需要反復調試和修改，得到現(xiàn)在系統(tǒng)所需要的梯形圖，有時僅僅這些還不能滿足要求，還需要增加中間環(huán)節(jié)，才能得出符合要求的系統(tǒng)。此法的關鍵是畫出功能流程圖。 編程軟件 STEP 7Micro/WIN 概述 STEP7Micro/WIN32 編程軟件是基于 Windows 的應用軟件，由西門子公司專為S7200 系列可編程控制器設計開發(fā)，它功能強大，既可用于開發(fā)用戶程序，又可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。 三、 支持三角函數(shù)，開方，對數(shù)運算功能。 控制系統(tǒng)的程序設計 程序的設計思路 本控制系統(tǒng)設有手動、自動兩種工作模式，自動模式為正常運行狀態(tài)，手動模式用于應對一些突發(fā)情況。如果溫室中的測量值與設定值相等，則關閉關閉相應設備，保持溫室中的環(huán)境參數(shù)。 29 圖 53 CO2 濃度控制流程圖 控制程序設計及分析 一、自動 /手動切換 為自動 /手動切換， 為總啟動，當 =1 時， 得電，啟動燈亮， 為總停止，當 =1， =1 時，中間繼電器 得電，系統(tǒng)的運行方式為自動模式；當 =0， =1 時，中間繼電器 得電，系統(tǒng)的運行方式為手動模式。 可通過控制相應的按鈕 ——通風扇正轉 、通風扇反轉 、熱風機 、冷風機 、加熱器 ，進行溫室大棚溫度的手動控制。 在溫室大棚的溫度控制過程中，自動模式下，當溫度傳感器測量的溫度值高于設定的溫度值時，中間繼電器 得電，冷風機啟動；手動模式下，按下冷風機啟