PLC智能控制系統(tǒng)在棚栽溫室上的應(yīng)用

呼天星

(延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安 716000)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)因其涉及學(xué)科廣、科技含量高、與人民生活關(guān)系密切，己越來(lái)越受到人們的重視。這也為我國(guó)大型現(xiàn)代化溫室的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇，并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。但到目前為止，絕大多數(shù)大棚、日光溫室內(nèi)環(huán)境主要仍靠人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)管理，缺乏系統(tǒng)的科學(xué)指導(dǎo)。其栽培技術(shù)缺乏量化指標(biāo)，主要靠管理者的經(jīng)驗(yàn)，只能被動(dòng)地實(shí)現(xiàn)保溫、降溫、遮陽(yáng)和防雨，而不能主動(dòng)地調(diào)節(jié)溫、光、水、肥、氣，這幾乎成了限制溫室作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種植的主要障礙?？梢?jiàn)，溫室控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于溫室產(chǎn)業(yè)乃至我國(guó)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程具有深遠(yuǎn)的影響。

1 溫室控制技術(shù)現(xiàn)狀

溫室是一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長(zhǎng)的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標(biāo)是提高控制與作業(yè)精度。

我國(guó)對(duì)于溫室控制技術(shù)的研究較晚，始于20世紀(jì)80年代。我國(guó)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家溫室控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，掌握了人工氣候室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)。該技術(shù)僅限于溫度、濕度和CO2濃度等單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。之后，我國(guó)的溫室控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展。但由于我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平較低，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力大量過(guò)剩，且溫室的一次性投資大，資金短缺以及對(duì)操作人員的素質(zhì)要求比較高等因素，限制了溫室控制技術(shù)在溫室系統(tǒng)的發(fā)展。

從溫室控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，大致經(jīng)歷了手動(dòng)控制;自動(dòng)控制;智能化控制3個(gè)發(fā)展階段。

手動(dòng)控制。這是在溫室技術(shù)發(fā)展初期所采取的控制手段，它并沒(méi)有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對(duì)溫室作物進(jìn)行管理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，他們是溫室環(huán)境控制的核心。

自動(dòng)控制。這種控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長(zhǎng)所需環(huán)境的目標(biāo)參數(shù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器的實(shí)際測(cè)量值與事先設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，以決定溫室環(huán)境因子的控制過(guò)程，控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱、降溫和通風(fēng)等動(dòng)作。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的溫室控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化，適合規(guī)模化生產(chǎn)，勞動(dòng)生產(chǎn)率得到提高。通過(guò)改變溫室環(huán)境設(shè)定目標(biāo)值，可以自動(dòng)地進(jìn)行溫室內(nèi)環(huán)境氣候調(diào)節(jié)，但是這種控制方式對(duì)作物生長(zhǎng)狀況的改變難以及時(shí)作出反應(yīng)，難以介入作物生長(zhǎng)的內(nèi)在規(guī)律。目前我國(guó)絕大部分自主開(kāi)發(fā)的大型現(xiàn)代化溫室及引進(jìn)的國(guó)外設(shè)備都屬于這種控制方式。

智能化控制。這是在溫室自動(dòng)控制技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過(guò)總結(jié)、收集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、技術(shù)和各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)，以植物生長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，研究開(kāi)發(fā)出的一種適合不同作物生長(zhǎng)的溫室專家控制系統(tǒng)技術(shù)。這種智能化的控制技術(shù)以溫室綜合環(huán)境因子作為采集與分析對(duì)象，通過(guò)專家系統(tǒng)的咨詢與決策，給出不同時(shí)期作物生長(zhǎng)所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，并據(jù)此對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，自動(dòng)選擇合理、優(yōu)化的調(diào)整方案，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)溫室的智能化管理與生產(chǎn)。

溫室控制技術(shù)沿著手動(dòng)、自動(dòng)、智能化控制的發(fā)展進(jìn)程，向著設(shè)施越來(lái)越先進(jìn)、功能越來(lái)越完備的方向發(fā)展，溫室環(huán)境控制向著基于作物生長(zhǎng)模型、溫室綜合環(huán)境因子分析模型和溫室信息自動(dòng)采集及智能控制方向發(fā)展。

2 溫室控制技術(shù)的應(yīng)用前景

智能化溫室是在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下開(kāi)辟的農(nóng)業(yè)新方向。從作物產(chǎn)量角度來(lái)看，它具有很高的單位面積產(chǎn)出值;就環(huán)境保護(hù)角度而言，它不僅可以產(chǎn)出清潔的瓜果蔬菜，而且由于精確控制化肥及其他添加劑的用量，也避免了對(duì)土壤和地下水的污染。我國(guó)的溫室環(huán)境控制技術(shù)與國(guó)外的相比還比較落后，最近幾年才真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。目前我國(guó)的現(xiàn)代化溫室，除智能化控制系統(tǒng)外，硬件系統(tǒng)基本達(dá)到與國(guó)際同步的水平。將智能控制系統(tǒng)應(yīng)用于溫室的實(shí)施監(jiān)控與自動(dòng)調(diào)控技術(shù)無(wú)疑是溫室發(fā)展的新亮點(diǎn)，也是溫室控制技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨。其發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用空間大，對(duì)農(nóng)民的實(shí)際生產(chǎn)有很重要的指導(dǎo)意義。

目前，溫室環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 智能化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室計(jì)算機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的應(yīng)用將由簡(jiǎn)單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測(cè)為主，逐步轉(zhuǎn)向以知識(shí)處理和應(yīng)用為主。軟件系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)將不斷深入完善，而且應(yīng)用前景非常廣闊。近幾年來(lái)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊推理等人工智能技術(shù)在溫室栽培中得到了不同程度的發(fā)展和應(yīng)用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了信息傳播。我國(guó)幅員遼闊，氣候復(fù)雜，勞動(dòng)者整體素質(zhì)較低，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線和離線服務(wù)，可以對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)、比較，不僅給管理帶來(lái)很大的方便，而且可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2.3 分布式

分布式系統(tǒng)通常可分為上、下2層。上層主要用作系統(tǒng)管理，其他各種功能如測(cè)量與控制任務(wù)等，主要由下層完成。下層由許多各自獨(dú)立的功能單元組成，每個(gè)單元只完成一部分工作。

面向?qū)ο蟮姆植际较到y(tǒng)，每一個(gè)功能單元針對(duì)一個(gè)對(duì)象。

2.4 綜合環(huán)境調(diào)控

就是以實(shí)現(xiàn)作物的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)為目標(biāo)，把影響作物生長(zhǎng)的多種環(huán)境參數(shù)，如光照、溫度、濕度、CO2濃度等，都保持在適宜作物生長(zhǎng)的狀態(tài)，并盡可能使用最少量的環(huán)境調(diào)節(jié)裝置，既省時(shí)又節(jié)能，還能使勞動(dòng)者愉快地從事生產(chǎn)勞動(dòng)。

2.5 變動(dòng)的環(huán)境控制系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中并不設(shè)置一個(gè)固定的溫度值，溫室中的溫度在最高和最低溫度范圍內(nèi)可進(jìn)行變動(dòng)，以求在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)達(dá)到理想的平均溫度。這樣計(jì)算機(jī)可以根據(jù)室外的小氣候，在使用最低能耗、最佳利用溫室中的現(xiàn)有設(shè)備的情況下自由進(jìn)行調(diào)節(jié)。可變動(dòng)的環(huán)境控制系統(tǒng)目前主要側(cè)重于溫度、光照、相對(duì)濕度、CO2濃度等方面的研究，在溫室作物產(chǎn)量上已表現(xiàn)出比較滿意的效果。

2.6 藍(lán)牙技術(shù)

運(yùn)用這種技術(shù)把溫室環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)中的各個(gè)電子檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)線地連接起來(lái)，以達(dá)到便捷地對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，靈活地對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制的目的。便攜式環(huán)境參數(shù)采集器內(nèi)部裝有溫度、濕度、光照等各種傳感器，并嵌入了藍(lán)牙芯片，這種參數(shù)采集器可以便捷地放置在溫室內(nèi)的不同位置，并具有無(wú)線通信功能?？刂破魍瑯忧度肓怂{(lán)牙芯片，它一方面與便攜式環(huán)境參數(shù)采集器無(wú)線連接，另一方面通過(guò)RS-485通信總線與溫室內(nèi)的計(jì)算機(jī)控制裝置相連接。

3 PLC智能溫室控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)作物生長(zhǎng)所需要的環(huán)境模型制定環(huán)境設(shè)施輸出方案是溫室環(huán)境控制的關(guān)鍵技術(shù)。為避免控制方案過(guò)于復(fù)雜，選擇最重要的環(huán)境因子如溫室內(nèi)空氣溫度、濕度、光照、CO2濃度作為基本的監(jiān)測(cè)和控制項(xiàng)目，針對(duì)日光溫室自身特點(diǎn)，制訂如圖1所示的控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。

圖1 智能溫室綜合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由上位機(jī)、PLC、數(shù)據(jù)采集單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成。各傳感器對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后送入單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集;PLC為核心控制器，PC機(jī)與組態(tài)軟件作為監(jiān)控模塊，兩者通過(guò)串口進(jìn)行通信來(lái)控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程的智能化、人性化。其突出特點(diǎn)是單片機(jī)價(jià)格低廉，PLC編程靈活，PC機(jī)存儲(chǔ)空間大，因此，具有相當(dāng)高的性價(jià)比。而且，PLC有各種組態(tài)模塊功能，通過(guò)先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PLC、多個(gè)溫室的網(wǎng)絡(luò)化分布式控制，特別適合上、下位機(jī)結(jié)合的大型連棟溫室集群控制。其上位機(jī)的功能有:介入互聯(lián)網(wǎng)、PLC采集數(shù)據(jù)上傳的管理、設(shè)定點(diǎn)的下載、控制算法的優(yōu)化與生成等。其缺點(diǎn)是投資較大，一般農(nóng)業(yè)用戶難以接受。

3.1 溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)溫度傳感器型號(hào)的選用首先應(yīng)該考慮使用方便，變換電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

溫度傳感器AD590是應(yīng)用較普遍的一類傳感器。AD590是電流輸出型溫度傳感器，以電流輸出量作為溫度指示。它的輸出電流精確地正比于絕對(duì)溫度，可以作為精確測(cè)溫元件。AD590只需要一個(gè)電源 (4～30 V)，即可實(shí)現(xiàn)溫度到電流源的轉(zhuǎn)換，使用方便。AD590在常溫區(qū)范圍內(nèi)校正后，測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃。作為一種正比于溫度的高阻電流源，它克服了電壓輸出型溫度傳感器在長(zhǎng)距離溫度遙測(cè)和遙控應(yīng)用中電壓信號(hào)損失和噪聲干擾問(wèn)題，不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾，因此，除適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量外，特別適用于遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量和控制。

為克服簡(jiǎn)單電路的缺陷，使增益調(diào)整和補(bǔ)償調(diào)整相互獨(dú)立，設(shè)計(jì)了具有獨(dú)立調(diào)節(jié)功能的測(cè)溫電路(圖2)。AD590的輸出電流 I=(273+T)μA(T為攝氏溫度)，因此測(cè)得電壓U01=(273+T)μA×10 kΩ=(273+T) ×10-2V。但由于 AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為:把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R1，使 U01=2.732 V;或者在室溫(25℃)的條件下通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R2，使電壓U02=-2.73 V，調(diào)整電位器R3，使U0=1.25 V。這種調(diào)整的方法，可以保證在0℃或25℃附近有較高精度。

3.2 濕度傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電容式濕度傳感器的動(dòng)態(tài)范圍大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，幾乎沒(méi)有零漂，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)?；谝陨显?，選用電容式濕度傳感器HS1101。HS1101為固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，相對(duì)濕度精度高達(dá)±2%;極好的線性輸出;1% ～99%濕度量程;-40～100℃的溫度工作范圍，響應(yīng)時(shí)間5 s;濕度輸出受溫度影響極小，防腐蝕性氣體;常溫使用無(wú)需溫度補(bǔ)償，無(wú)需校準(zhǔn);電容與濕度變化0.34%;長(zhǎng)期穩(wěn)定性及可靠性;年漂移量0.5%相對(duì)濕度。具有最突出的優(yōu)點(diǎn)是長(zhǎng)期穩(wěn)定性極強(qiáng)，制成的儀表和傳感器產(chǎn)品可以達(dá)到較高的精度。

圖2 溫度測(cè)量的電路

將HS1101接入555定時(shí)器組成的振蕩器電路中，輸出一定頻率的方波信號(hào)。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，具體的測(cè)量電路如圖3。

圖3 濕度測(cè)量的電路

選用的NE556芯片，它內(nèi)部含有2個(gè)NE555定時(shí)器。其中R1、R2、C1、C2和 NE556構(gòu)成多諧振蕩器，外接電阻R1、R2與濕敏電容C1構(gòu)成了對(duì)電容C1的充電回路，7端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C1的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器。該振蕩電路2個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下:首先電源 UCC通過(guò) R1、R2向C2充電，經(jīng)t1充電時(shí)間后，UC2充至芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約2/3UCC，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R2放電，經(jīng)t2放電時(shí)間后，UC2下降到比較器的低觸發(fā)電平，約1/3UCC，此時(shí)輸出引腳3端又由低電平躍升為高電平。如此反復(fù)，形成方波輸出。

3.3 溫室控制子系統(tǒng)組成

溫室控制系統(tǒng)由溫度控制子系統(tǒng)、濕度控制子系統(tǒng)、光照控制子系統(tǒng)、CO2控制子系統(tǒng)和水肥控制子系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)各控制著1個(gè)或若干個(gè)執(zhí)行部件 (圖4)。

圖4 溫室控制子系統(tǒng)的組成

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是整個(gè)控制與管理系統(tǒng)的重要組成部分，要對(duì)環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行控制，必須對(duì)環(huán)境和設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)分析決策，然后實(shí)施調(diào)控行為。

本模塊采用AT89C51單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)各傳感器對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、CO2濃度等參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集處理電路如圖5。

數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換由8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809來(lái)完成。ADC0809內(nèi)部具有鎖存控制的8路模擬開(kāi)關(guān)，外接8路模擬輸入端，可同時(shí)對(duì)8路0～5 V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。ADC0809與 AT89C51單片機(jī)的接口見(jiàn)圖 2，ADC0809的8位數(shù)據(jù)輸出引腳直接與數(shù)據(jù)總線相連，地址譯碼引腳 A、B、C分別與 74LS373的Q0、Q1、Q2相連，以選通 INO～I(xiàn)N7中的一個(gè)通道，INO～I(xiàn)N7的通道地址為 EFF8H-EFFFH。AT89C51的P2.0作為片選信號(hào)，在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)WR和P2.0控制 ADC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。由于 ALE與 START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào)RD和P2.0接或非門產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號(hào)，用以打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器。

圖5 數(shù)據(jù)采集處理的電路

3.5 模糊控制器結(jié)構(gòu)

按溫室控制系統(tǒng)的任務(wù)，控制系統(tǒng)至少由4個(gè)子系統(tǒng)組成，分別對(duì)光照、溫度、濕度和二氧化碳濃度進(jìn)行控制?，F(xiàn)以室內(nèi)溫度和濕度作為主要被控制量，以加熱器、風(fēng)扇、噴淋、天窗和側(cè)窗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為控制手段。系統(tǒng)輸入變量為溫度誤差、濕度誤差，輸出變量為調(diào)節(jié)溫度和濕度的控制量，控制設(shè)備為:加熱閥、風(fēng)機(jī)、噴淋閥、天/側(cè)窗。因此，本系統(tǒng)采用兩輸入-四輸出結(jié)構(gòu)的模糊控制器，將溫濕度誤差e1、e2作為控制器輸入，控制器的輸出變量分別用 y1、y2、y3、y4表示，模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 模糊控制器結(jié)構(gòu)

4 小結(jié)

在對(duì)現(xiàn)代溫室控制的現(xiàn)狀以及溫室控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題2個(gè)方面進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，研究并設(shè)計(jì)適合溫室控制的智能溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

根據(jù)溫室傳感器系統(tǒng)需求，基于模擬電子技術(shù)和傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)的溫度傳感器系統(tǒng)具有高精度、低成本的特點(diǎn)。

采用單片機(jī)+PLC+PC機(jī)組成的溫室綜合控制系統(tǒng)，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，可降低成本、節(jié)約空間，PLC編程靈活，PC機(jī)存儲(chǔ)空間大，因此，具有相當(dāng)高的性價(jià)比。

提出模糊智能控制方案，采用兩輸入-四輸出結(jié)構(gòu)的模糊控制器，符合溫室環(huán)境是一個(gè)非線性、分布參數(shù)、時(shí)變、大時(shí)延、多變量藕合的復(fù)雜對(duì)象的實(shí)際。

采用先進(jìn)的MCGS組態(tài)軟件，可自動(dòng)檢測(cè)并記憶全年任意時(shí)間的環(huán)境溫度地溫及濕度值，還可根據(jù)需要，預(yù)先設(shè)定自動(dòng)記錄各種數(shù)據(jù)的時(shí)間周期;采用可視化編程，提高了編程效益。

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