【正文】 ...................12 執(zhí)行機(jī)構(gòu) .........................................................14 第四章 軟件部分 梯形圖 指令表 結(jié)論 參考文獻(xiàn) 謝詞 第 一章 緒論 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(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)，它是在普通日光溫室的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)自控技術(shù)、智能傳感器技術(shù)等高科技手段發(fā)展起來的。自上世紀(jì) 90 年代以來，我國農(nóng)業(yè)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國家科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對溫室 內(nèi) 溫度、濕度、 CO2 濃度等環(huán)境因子的控制技術(shù)的研究，研發(fā)了我國自己的智能溫室控制系統(tǒng)。 研究背景 “ 工廠化農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范 —— 現(xiàn)代大型溫室標(biāo)準(zhǔn)化栽培技術(shù)體系研究與產(chǎn)業(yè)化示范 ” 被列為國家重點(diǎn)科技攻關(guān)內(nèi)容并成功結(jié)題。為了推廣溫室 技術(shù)，國家農(nóng)委強(qiáng)調(diào)在每一個地區(qū)都要建立溫室示范工程。因此，智能溫室控制技術(shù)有巨大的市場空間。 山東省處于中國的中部，占據(jù)重要的位置，是全國的蔬菜種植地，研究溫室的智能控制是很有意義的。 研究意義 近年來，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，增加農(nóng)民的收入是我們國家當(dāng)前的基本國策，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是我們追求的目標(biāo)，基于計(jì)算機(jī)和自動化技術(shù)的智能溫 37 室是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個標(biāo)志。 智能溫室控制系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)管理。通過控制器實(shí)時監(jiān)測溫室內(nèi)溫度、濕度，與普通簡單溫度濕度測量相比，更準(zhǔn)確可靠。人們 能夠通過這些監(jiān)測手段實(shí)時準(zhǔn)確地了解情況，完成相關(guān)設(shè)備的調(diào)節(jié)，避免了監(jiān)測誤差和監(jiān)測滯后帶來的損失。 智能溫室將自動化技術(shù)引進(jìn)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(xué)手段。通過參數(shù)設(shè)置及自動數(shù)據(jù)記錄，為農(nóng)藝工作者完成相關(guān)農(nóng)藝科研，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(jìn)都提供了簡便、準(zhǔn)確的手段。 溫室系統(tǒng)主要特點(diǎn) 非線性系統(tǒng)。溫室內(nèi)部的氣候處于熱平衡混沌狀態(tài)。大量隨機(jī)的、不確定的因素使得對其精確建模比較困難。 分布參數(shù)系統(tǒng)。由于溫室面積比較大，造成溫室內(nèi)部各個物理量的分布是不均勻的。比如溫 度，溫室內(nèi)部 各 點(diǎn)溫度都不一樣，四周一般都比較低，頂部和底部的溫度也有一定的差別，其值的大小依賴于空間位置和氣流方向等因素，在溫室中氣候分布是緩慢變化的。 時變系統(tǒng)。作物在生長周期的不同階段，其光合作用能力、吸熱散熱能力等均有差別。因而，溫室系統(tǒng)是一個參數(shù)隨著時間變化的動態(tài)系統(tǒng)。 時延系統(tǒng)。對與外界所施加的作用，溫室系統(tǒng)并不立即響應(yīng)，而是經(jīng)過一段時間的延遲才響應(yīng)。比如，在溫室加熱系統(tǒng)中，對系統(tǒng)加熱，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，溫度才會有所提高。 多變量耦合系統(tǒng)。溫室系統(tǒng)是一個多輸入多輸出 系統(tǒng)，系統(tǒng)各變量之間并不是相互獨(dú)立，各個子系統(tǒng)的控制回路彼此耦合在一起，對控制任一目標(biāo)的控制都會影響其他目標(biāo)的變化。 、 1 研究內(nèi)容和方法 （ 1）根據(jù)影響植物生長的因素，選擇作物環(huán)境條件的實(shí)時檢測系統(tǒng)和智能溫室控制系統(tǒng)兩部分。自動檢測系統(tǒng)包括：溫度、濕度、 CO2 濃度等傳感器與變送器。智能控制系統(tǒng)包括：通風(fēng)機(jī)控制、噴灌控制、鍋爐加熱鼓風(fēng)機(jī)的控制、 CO2 釋放器電磁閥的控制等。 （ 2）根據(jù)檢測和控制的對象，采用 PID 控制算法建立溫室溫度參數(shù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，使用 MATLAB 進(jìn)行仿真測試。 （ 3）研制基于 PLC 的溫室智能控制系統(tǒng) （ 4）開發(fā)智能溫室組態(tài)監(jiān)控界面。 、 2 要解決的關(guān)鍵問題 38 （ 1）采用 PID 控制算法建立溫室溫度參數(shù)的數(shù)學(xué)模型 （ 2）室內(nèi)溫度、濕度、 CO2 濃度等環(huán)境條件的自動檢測和控制技術(shù)。 （ 3）開發(fā)功能完善、成本低、可靠性高和擴(kuò)展性好的溫室自動系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)，為溫室生產(chǎn)普及創(chuàng)造條件 PLC 的現(xiàn)狀 目前 PLC 數(shù)值模擬研究 不僅在工作而且在生活中也有廣泛應(yīng)用， 本節(jié)將從 工作中運(yùn)料中 介紹 。 PLC 以后會覆蓋各個領(lǐng)域，會讓更多危險(xiǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無人操作。 可編程控制器 PLC 對用戶來說，是一 種無觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的推廣應(yīng)用。可編程控制器是面向用戶的專用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有許多明顯的特點(diǎn)。 （ 1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) （ 2） 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) （ 3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 （ 4） 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 （ 5） 體積小，重量輕，能耗低 第二章 基于 PLC 設(shè)計(jì)的整體法案 硬件系統(tǒng)的組成 采用上位機(jī)計(jì)算機(jī)和下位機(jī) 西門子 PLC 組成分布式智能溫室控制系統(tǒng)的硬件部分，即兩級監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對溫室進(jìn)進(jìn)行監(jiān)控和參數(shù)的設(shè)定。下級以 PLC 為核心的控制單元，負(fù)責(zé)溫度參數(shù)的信息采集、系統(tǒng)邏輯運(yùn)算并對調(diào)控設(shè)備進(jìn)行控制。 軟件系統(tǒng)的編制 系統(tǒng)的軟件包括上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)系統(tǒng)軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件的編制采用 MCGS組態(tài)軟件。下位機(jī)系統(tǒng)則采用西門子的 Step7 編程軟件來開發(fā)。系統(tǒng)軟件不僅可以完成上位機(jī)和下位機(jī)的通信和可以滿足用戶對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時查詢和監(jiān)測。盡可能滿足操作簡單、界面友好、通用性和適應(yīng)性強(qiáng)的軟件開發(fā) 原則。 第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體目標(biāo) 溫室控制系統(tǒng)就是依據(jù)室內(nèi)外裝設(shè)的溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器等采集和觀測的溫室內(nèi)的溫室內(nèi)外的溫度、濕度、二氧化碳的濃度等環(huán)境參數(shù)信息，通過控制 39 設(shè)備對溫室保溫被、通風(fēng)窗、噴滴灌等驅(qū)動、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，對溫室環(huán)境氣候和灌溉施肥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制以達(dá)到栽培作物生長發(fā)育的需要，為作物生長發(fā)育提供最適宜的生態(tài)環(huán)境，以大幅度提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)?？傮w結(jié)構(gòu)示意圖如下 : 控制原則 （ 1）以時間為基準(zhǔn)的變溫管理：根據(jù)一天中時間的變化實(shí)行變溫管理，根據(jù)作物的生 長需要將一天分成四個時間段，四個時間段中根據(jù)不同的控溫要求對溫室進(jìn)行控制。一天中四個時間段的分段方法用戶可以靈活的更改，而且四個時間段中的溫度設(shè)定值用戶也可以設(shè)定修改。 （ 2）以種植的作物為基準(zhǔn)：可能每個階段用戶種植的作物不同，所需的環(huán)境參數(shù)也不同，每個階段的各個參數(shù)都可以依據(jù)作物所需的生長環(huán)境進(jìn)行靈活的設(shè)定。 控制方案 本系統(tǒng)采用自動與手動互相切換控制兩種方式來實(shí)現(xiàn)對溫室的控制，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。在運(yùn)行的時候可以通過按鈕對這兩種控制方式進(jìn)行切換。 （ 1）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(guān)等電氣元件組成。 （ 2）自動控制模式 通過傳感器對環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測，并對其設(shè)定上限和下限值，當(dāng) 40 檢測到某一值超過設(shè)定值，便發(fā)出信號自動對驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行開啟和關(guān)閉，從而使溫室環(huán)境因子控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。可以大大節(jié)約勞動力，降低勞動者的勞動強(qiáng)度。 控制系統(tǒng)的硬件組成 用安裝有組態(tài)軟件的計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，進(jìn)行環(huán)境各因子的長期監(jiān)控， PLC 作為下位機(jī)，當(dāng)各個參數(shù)變化時對各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的控制。 、 1 PLC 的選擇 (1) PLC 在工業(yè)控制中應(yīng)用多年，屬于大批量生產(chǎn)的產(chǎn) 品，其在生產(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、可靠性高。采用 PLC 成本雖然比單片機(jī)高，但是考慮到穩(wěn)定性、可維護(hù)性等綜合因素，采用 PLC 比單片機(jī)具有較高的性價比。 (2) PLC 的選擇主要應(yīng)從 PLC 的機(jī)型、容量、 I/O 模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮 、 2 PLC 機(jī)型和容量的選擇步驟與原則 機(jī)型的選擇 PLC 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點(diǎn)： （一）合理的 結(jié)構(gòu)型式 PLC 主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。 整體式 PLC 的每一個 I／ O 點(diǎn)的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小，一般用于系統(tǒng) |來源 |考試 |大 |一級建造師 |工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式 PLC的功能擴(kuò)展靈活方便，在 I／ O 點(diǎn)數(shù)、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、 I／ O 模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 （二）安裝方式的選擇 PLC 系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程 I／ O 式以及多臺 PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式。 集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程 I／ O 硬件，系統(tǒng)反應(yīng) 快、成本低；遠(yuǎn)程 I／ O 式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠(yuǎn)程 I／ O 可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近，連線短，但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠(yuǎn)程 I／ O 電源；多臺 PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別獨(dú)立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型 PLC，但必須要附加通訊模塊。 （三）相應(yīng)的功能步驟 一般小型（低檔） PLC 具有邏輯運(yùn)算、定時、計(jì)數(shù)等功能，對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。 41 對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶 A／ D 和 D／ A 轉(zhuǎn)換單元，具有加減算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔 PLC. 對于控制較復(fù)雜，要求實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔 、高檔 PLC 價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。 （四）響應(yīng)速度要求 PLC 是為工業(yè)自動化設(shè)計(jì)的通用控制器，不同檔次 PLC 的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用 PLC，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應(yīng)該慎重考慮 PLC 的響應(yīng)速度，可選用具有高速 I／ O 處理功能的 PLC，或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的 PLC 等。 （五）系統(tǒng)可靠性的要求 對于一般系統(tǒng) PLC 的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。 容量的選擇 上位機(jī)（計(jì)算機(jī)） 串行通信接口 下位機(jī)（ PLC） 輸入模塊 A/D 模塊 輸出模塊 限位開關(guān) 手動開關(guān) 模擬變送電路 模擬傳感器 繼電器模塊 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 卷簾機(jī)限位 卷簾機(jī) 鼓風(fēng)機(jī) 通風(fēng)機(jī) 抽水機(jī) 溫 度 濕 度 卷簾機(jī) 鼓風(fēng)機(jī) 通風(fēng)機(jī) 抽水機(jī) 42 PLC 的容量包括 I／ O 點(diǎn)數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。 （一） I／ O 點(diǎn)數(shù)的選擇 PLC 平均的 I／ O 點(diǎn)的價格還比較高，因此應(yīng)該合理選用 PLC 的 I／ O 點(diǎn)的數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的 I／ O 點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。 通常 I／ O 點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實(shí)際需要，再加上 10%~15%的裕量來確定。 （二）存儲容量的選擇 用戶程 序所需的存儲容量大小不僅與 PLC 系統(tǒng)的功能有關(guān)，而且還與功能實(shí)現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。一個有經(jīng)驗(yàn)的程序員和一個初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時，其程序量可能相差 25%之多，所以對于初學(xué)者應(yīng)該在存儲容量估算時多留裕量。 PLC 的 I／ O 點(diǎn)數(shù)的多少，在很大程序上反映了 PLC 系統(tǒng)的功能要求，因此可在 I／ O 點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲容量后，再加 20%~30%的裕量。 存儲容量（字節(jié)）＝開關(guān)量 I／ O 點(diǎn)數(shù) 8＋模擬量 I／ O 通道數(shù) 32 另外，在存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。 I/O 點(diǎn)數(shù)的估計(jì) 設(shè)備說 明 數(shù)量 設(shè)備說明 數(shù)量 總自動 /手動切換開關(guān) 1 電源指示燈 1 卷簾機(jī)自動 /手動切換開關(guān) 1 通風(fēng)機(jī) 1 補(bǔ)氣自動 /手動切換開關(guān) 1 灌溉水泵 1 通風(fēng)機(jī)自動 /手動切換開關(guān) 1 補(bǔ)氣電磁閥 1 補(bǔ)氣自動 /手動開關(guān) 1 卷簾機(jī) 2 噴灌泵自動 /手動開關(guān) 1 鼓風(fēng)機(jī) 1 備用 4 備用 3 共計(jì) 14 共計(jì) 10 43 傳感器的選擇 （ 1）根據(jù)測量對 象與測量環(huán)境確定傳感器的類型：要進(jìn)行 — 個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價格能否承受，還是自行研制。 （ 2）根據(jù)靈敏度的選擇傳感器： 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏 度越高越好。因?yàn)橹?