【正文】 教授研制的“溫室環(huán)境測控系統(tǒng)”，主要用于無土栽培實 較高，且處于實驗階段 。但這些溫室也存在著許多不足之 1995 年建立的濰坊職業(yè)學院濰禾示范農(nóng)場，是中 建立的第一批商業(yè)示范農(nóng)場。通過網(wǎng)絡不僅可以向種植者提供市 息、專家策略，還可以從遠程啟動設備，對環(huán)境調(diào)控【 總之，國外智能溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展早，經(jīng)濟效益高。 在加拿大，已經(jīng)開始使用一種計算機輔助溫室管理軟件 ((HGM)幫 助生產(chǎn)者判斷和解決病蟲害問題，同時提高溫室的整體管理水平。 以色列開發(fā)了一種植物生理生態(tài)監(jiān)測儀 :它可以監(jiān)測株高、植物 果實大小、葉片大小與厚薄、莖直徑、莖流量、葉溫、葉片附近濕度、 C02 濃度等， 24 小時連續(xù)工作，每隔一定周期就采集一次數(shù)據(jù)，得到的 數(shù)據(jù)定期發(fā)送到對環(huán)境氣候進行控制的 PC 機上。 美國在 1949 年，借助于工程技術的發(fā)展，建成了第一個植物人 工氣候室，開展了植物對自然環(huán)境的適應性和抗御能力的基礎及應用研 究。 智能溫室將自動化技術引入了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)科研活動提供了 有利的科學手段。 該智能溫室的先進控制模式適合本地區(qū)情況的，綜合考慮植物生 長和產(chǎn)量、節(jié)能、環(huán)境控制、經(jīng)濟效益等多方面因素，繼續(xù)為本地區(qū)的 種植業(yè)的發(fā)展的起到了模范作用。 國家“十五”重點科技攻關內(nèi)容“工廠化農(nóng)業(yè)關鍵技術研究與示 范”盡管以結題。 研究的意義 近兩年來，農(nóng)業(yè)作為國家優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)正受到各級政府的高度重 視，增加 8 億農(nóng)民收入是我們國家當前的基本國策，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是我們 追求的目標，基于計算機和自動化技術的智能溫室是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個重要方面。 濰坊職業(yè)學院園林工程系的“組培中心”被列為山東省高等職業(yè) 院校示范基地，受到省市財政的大力支持。 “工廠化農(nóng)業(yè)關鍵技術研究與示范一現(xiàn)代大型溫室標準化栽培技 術體系研究與產(chǎn)業(yè)化示范”被列為國家重點科技攻關內(nèi)容并成功結題。基于 PLC 的智能溫室控制系統(tǒng)的設計 第一章 前言 智能溫室系統(tǒng)是近年來逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效設施農(nóng) 業(yè)技術，它是在普通日光溫室的基礎上，結合現(xiàn)代化計算機自控技術、 智能傳感技術等高科技手段發(fā)展起來的。 為了推廣溫室技術，國家農(nóng)委強調(diào)在每一個地區(qū)都要建立溫室示范工程。 山東省科技攻關項目“名特優(yōu)花卉工廠化育苗及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)示 范”。 圖 1 一 1 新建智能日光連棟溫室 以色列的園藝溫室發(fā)展早，其國上面積中的 2 鄺為丘陵和沙漠， 干旱少雨，人均占有淡水資源僅相當于我國的 1/8。為了推廣溫室技術，國家農(nóng)委強調(diào)的在每一個地區(qū)都 要建立溫室示范工程，但每一個地區(qū)的氣候條件都不一樣，其控制模型 和控制算法都不可能一樣，因此，智能溫室環(huán)境控制技術仍有很多問題 需要解決。 智能溫室控制系統(tǒng)將實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的準確管理。通過參數(shù)設置及自動數(shù)據(jù)記錄，為農(nóng)藝工作者完成相 關農(nóng)藝科學研究，了解不同生產(chǎn)條件對作物的生長、品質(zhì)影響及生產(chǎn)方 法的改進，都提供了簡便、準確的手段。 20 世紀 60 年代，生產(chǎn)型的高級溫室開始應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)【 3]。 目前，英國的溫室大量采用計算機管理，主要控制溫度、濕度、 通風、 COZ 施肥、營養(yǎng)液供給及 pH 值、 EC 值等。 llGM 可 以將生產(chǎn)過程中采集的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)庫中的資料進行對比和分析，從 而對作物的生長狀態(tài)進行判斷，進而將系統(tǒng)調(diào)整到最佳狀態(tài)。隨 新月異的進步和價格大幅度下降，以及對溫室控制要求 為核心的溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，在歐美得到了長足的 網(wǎng)絡化，智能化階段。該項目一期工程總投資 215 引進以色列技術和設備，建成了以色列現(xiàn)代化玫瑰溫室、 卉和蔬菜種苗加工廠，引進了一條果蔬、花卉脫水漂染 部為自動化控制，技術指標均高于以色列國內(nèi)農(nóng)場平均 農(nóng)場投產(chǎn)以來，已為社會提供種苗 5000 多萬株 。吉林工業(yè)大學研制成功的用于 控制器，能夠根據(jù)溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照度來自動調(diào) 年以來，中國農(nóng)業(yè)大學在溫室環(huán)境的自動控制技術方面 成果 。 總之，同國外先進水平相比，我國對于溫室控制系統(tǒng)的 綜合環(huán)境測控技術的研究剛剛起步，目前仍然停留在研究單 境調(diào)控技術的階段，而實際上，溫室內(nèi)的光照度、溫度、濕 度等環(huán)境因素，都是在相互影響、相互制約的狀態(tài)中對作物 影響的，環(huán)境要素的空間變化、時間變化都很復雜。只有采用合理的控制算法，才能使溫室環(huán) 子達到最優(yōu)的控制效果，才能使溫室控制系統(tǒng)達到智能化的 是我國現(xiàn)階段在溫室控制的理論研究和工程實踐中常涉及到 算法 [12]。模糊控制有許多良好的特性，它 不需要事先知 學模型，具有響應速度快、超調(diào)小、過渡時間短等優(yōu)點。所以近年來有人利 拓撲案例模型對溫室番茄日產(chǎn)量進行模擬分析，取得了較 改進尸 [D 控制算法 常規(guī) P 工 D 控制是自動控制中產(chǎn)生最早、應用最廣的 采用常規(guī) PID 控制器，參數(shù)不易在線調(diào)整，容易產(chǎn)生超 差，不能滿足現(xiàn)代溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的要求。用 GA 調(diào)控模糊控制 GA 優(yōu)化過程的早熟現(xiàn)象，又可提高優(yōu)化控制規(guī)則的速度 GA 優(yōu)化設計的模糊控制器來控制溫度，響應速度快，溫 有利于作物的生長，并降低了系統(tǒng)的能耗，達到了預期 本系統(tǒng)研究方案 根據(jù)我院現(xiàn)在建造的日光連棟溫室，提出了如下系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)的組成 采用上位機計算機和下位機日本松下 FPI 型可編程 式智能溫室控制系統(tǒng)的硬件部分，即兩級監(jiān)控系統(tǒng)。 系統(tǒng)軟件的編制 山東大學碩士學位論文 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括上位機監(jiān)控軟件和下位機系 位機監(jiān)控軟件的編制采用 組態(tài)王 。自動檢測系統(tǒng)包括 : 光照、 COZ、上壤水分等傳感器與變送器。 開發(fā)智能溫室組態(tài)監(jiān)控界面。 (2)根據(jù) P 工 D 控制算法確定的參數(shù)，擬用 MATLAB 軟件 系統(tǒng)的數(shù)學模型進行仿真測試，通過對比、模擬的方法，選 測方案和控制方案。 分布參數(shù)系統(tǒng)。作物在生長周期的不同階段，其光合作用能力、 散熱能力等均有所差別。比如，在溫室加熱系統(tǒng)中，對系 熱升溫，熱量傳到溫室的各個部分需要經(jīng)過很長一段時間的延遲， 刁‘會有所提高。 綜上所述，溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)，建立精確的控 型很難實現(xiàn)。 提出的模糊控制可以不必精確了解對象狀況，并且具有動態(tài)響應好 升時間快、超調(diào)小的優(yōu)點，在生產(chǎn)過程控制等領域得到了較為廣泛 用。 智能溫室的溫度對象如圖 2 一 1 所示。采用 濕簾通風降溫系統(tǒng)，濕簾水泵 l 臺，北端濕 簾風機 2 臺，中間環(huán)流風機 2 臺，南端排濕風扇 2 臺。 Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建 模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線 性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)。但 PID 控制系統(tǒng)在控制的過程中會產(chǎn)生很大的超調(diào)量，且回復時間長、衰減度 較大。一天中四個時間段的分段方法用戶可以靈活 山東大學碩士學位論文 的更改，而且四個時間段中的溫度設定值用戶也可以設定修改。此時室外溫度很高，溫室降溫以強制 通風濕簾降溫為主。 不同季節(jié)的控制模式不同，只是自動控制系統(tǒng)啟動的調(diào)節(jié)機構不相 同，但不同季節(jié)的控制日的是相同的，即將環(huán)境參數(shù)調(diào)控到設定的參數(shù) 附近。 手動控制模式 手動控制簡單可靠，由繼電器、接觸器、按鈕、限位開關等電氣元 器件組成。實現(xiàn)了溫室內(nèi)溫度、濕度、 C02 濃度、 光照強度等參數(shù)的長期監(jiān)測。系統(tǒng)的硬件結構 圖如下圖 3 一 2 所示 : 信息采集系統(tǒng)的設計 溫度采樣電路設計 對于智能溫室環(huán)境控制而言，溫度參 數(shù)是監(jiān)測控制系統(tǒng)輸入的最基本的變量 之一。根據(jù)溫室溫度控制的特點， 本系統(tǒng)中溫度傳感器選用 AD59O 集成溫度傳感器如圖 3 一 6。溫度 O“ C 時輸出 為 O，溫度 25“ C 時輸出 。 濕度采樣電路設計 (1)濕度傳感器的選擇 濕度信號的傳遞必須靠水對濕敏元件直接接觸來完成，因此濕敏元 件只能直接暴露于待測環(huán)境中，而不能密封。 A1203 型濕度傳感器屬于電容型的高分子材料制成的濕敏元件。 (2)濕度檢測電路 當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，傳感器的電容量也隨著變化，這種變化反應到 由振蕩 電路提供的正弦波信號，通過電壓跟隨器輸出電壓值。說明 :采用先進的電路模塊技術開 山東大學碩士學位論文 發(fā)變送器，用于實現(xiàn)對環(huán)境光照度的測量，輸出標準的電壓及電流信號， 體積小，安裝方便，線性度好，傳輸距離長，抗干擾能力強。 濕簾降溫水循環(huán)系統(tǒng) 濕簾降溫水循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成 :濕簾、濕簾水泵、風扇和附件。 (1)濕簾水泵 濕簾水泵采用玉門縣興龍電器廠生產(chǎn)的濕簾專業(yè)水泵，外殼采用塑 料，和金屬結核具有重量輕，電機噪聲小，經(jīng)久耐用等特點。 ③直排水濕膜加濕器安裝時應垂直，左右傾斜角度不大于 5 度。這一過程空 氣的濕度增加，溫度下降，但空氣的焙值保持不變。 控制回路 :SAI 自動 /手動選擇繼電器觸點，當手自動開關扳到自動 狀態(tài)時， IKCA 通電，表示開窗 。 IKCA 和 ZKCA 是 PLC 控制中間繼電器 KI 和 KZ 的觸點，實現(xiàn) PLC 控制天窗的開關?；谧冾l技術的風扇變風量通風技術可 以為溫室通風量優(yōu)化運行和節(jié)能性運行創(chuàng)造條件，因此采用了變頻器驅 動排濕風扇設計。 ③加、減速時 間風機的慣性很大，加速時間過短，容易產(chǎn)生過電 流 。通常是風機容量越大，加、減速 時間設置越長。 ⑤回避頻率風機在較高速運行時，由于阻轉矩較大，容易在某一 轉速下發(fā)生機械諧振。這是因為風機在停機后，其風葉 常常因自然風而處于反轉狀態(tài)，這時讓風機起動，則電動機處于反接制 動狀態(tài)，會產(chǎn)生很大的沖擊電流。 (3)風機控制 :溫室設有一組風機，能同時啟動與停止，當 的溫度超出預定值時，受 PLC 的控制先是 4 個側窗自動打開，延 后風機啟動，再延時 5 秒后濕簾水泵啟動，從而使溫室的溫度降低 (4)側窗控制 :溫室中設有 4 個側窗，側窗受電機控制，通過 限位的設定來控制側窗行程。 控制系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)中對風扇、天窗、側窗、環(huán)流風機、遮陽幕和濕簾泵的控制是 通過 PLC 發(fā)出開關指令，通過交流接觸器控制相關機構的啟停。 利用 FPwINGR 軟件采用梯形圖語言編寫系統(tǒng)的程序，以 PID 溫度控 制為例。測量出當前溫度的數(shù)字值 Tc 為 : 系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控軟件的設計 組態(tài)軟件 是可以從可編程控制器以及各種數(shù)據(jù)采集卡等設備中實時 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。畫面的開發(fā)和運行由工程瀏覽器調(diào)用畫面制作系統(tǒng) TouehMake 的畫面運行系統(tǒng) TOuChView 完成。 (2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能 :