基于PLC的智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王志國(guó)，齊 鐵，王 偉，關(guān) 闖

(綏化學(xué)院)

0 引言

智能溫室也叫自動(dòng)化溫室，是指配備了由自動(dòng)控制設(shè)備的高科技農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，具有資源節(jié)約和生產(chǎn)高效的特點(diǎn).該文使用PLC作為系統(tǒng)智能控制核心，把溫室的溫度、濕度和光照等作為系統(tǒng)的環(huán)境因子進(jìn)行研究，使用自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)了基于PLC的智能溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng).

1 系統(tǒng)控制方案與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)控制方案

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用手動(dòng)控制與自動(dòng)控制相結(jié)合的方式，日常運(yùn)行采用自動(dòng)控制方式，需要時(shí)可以使用控制按鈕切換為手動(dòng)控制，以提高整套控制設(shè)備的可靠性.系統(tǒng)的手動(dòng)控制方式簡(jiǎn)單可靠，由設(shè)備控制開關(guān)、繼電器、交流接觸器、設(shè)備運(yùn)行限位開關(guān)等電氣元件構(gòu)成;自動(dòng)控制方式采用基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)，使用傳感器采集溫室的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并對(duì)環(huán)境因子設(shè)定數(shù)據(jù)的上限和下限，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到某一環(huán)境因子數(shù)值超過或者低于設(shè)定值，PLC便發(fā)出信號(hào)控制相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作，從而達(dá)到控制溫室環(huán)境因子穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的數(shù)值范圍內(nèi).本系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，可以節(jié)約溫室管理的勞動(dòng)力和勞動(dòng)強(qiáng)度.

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)是溫室自動(dòng)控制的中心，由傳感器、檢測(cè)電路、接口電路、現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)組成.其中，傳感器的任務(wù)是把與作物有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因子，如溫度、濕度、光照度等，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送給PLC，由PLC完成對(duì)環(huán)境因子數(shù)據(jù)的分析，并且根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閥值，采用PID算法產(chǎn)生智能決策，然后將產(chǎn)生的控制信號(hào)傳給相應(yīng)的繼電器以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，如電機(jī)，電磁閥，補(bǔ)光燈等，實(shí)現(xiàn)智能溫室環(huán)境的自動(dòng)控制，結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 傳感器選型

1.3.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用復(fù)合型設(shè)計(jì)，使用高分子薄膜濕敏電容為濕敏元件、鉑電阻為溫敏元件.該傳感器溫度測(cè)量范圍為-40～120℃，濕度測(cè)量范圍0～100%Rh，具有量程范圍寬、測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間短、使用方便的特點(diǎn).

1.3.2 光照傳感器

光照度傳感器采用對(duì)弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測(cè)器作為傳感器光照強(qiáng)度測(cè)量元件，具有測(cè)量范圍寬、線形度好、防水性強(qiáng)、使用方便、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn).

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制算法研究

在連續(xù)控制系統(tǒng)中常常采用PID控制方式，其控制規(guī)律為:

將上式離散化之后，表達(dá)式如下:

式中，e(k)為第k次采樣時(shí)的偏差值;e(k-1)為第(k-1)次采樣時(shí)的偏差值;u(k)為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出;KP為比例系數(shù);

智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)是一個(gè)基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的自動(dòng)化系統(tǒng)，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不需要非常精確的控制，作物對(duì)各環(huán)境因子的要求不是特別的精確，只要一個(gè)區(qū)間即可，比如農(nóng)作物對(duì)溫室的溫度只要求在某一個(gè)生長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)保持在某一個(gè)區(qū)間內(nèi)，該作物就可以正常地生長(zhǎng).因此，環(huán)境控制系統(tǒng)不需要對(duì)溫室中的環(huán)境因子進(jìn)行精確控制，使用PID控制算法，主要研究算法中的微分部分，建立符合條件的微分方程如下:

微分方程說明:K為溫室的固定放大系數(shù);Ts為溫室的時(shí)間常數(shù);Tf為溫室外部熱量轉(zhuǎn)換為送風(fēng)溫度產(chǎn)生的變化數(shù)值;Tn為溫室室內(nèi)的環(huán)境溫度.

2.2 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)使用PLC作為控制核心，通過繼電器控制相應(yīng)設(shè)備，具體設(shè)備的設(shè)計(jì)原則如下:(1)為了防止設(shè)備誤動(dòng)，使用自鎖電路解決問題;(2)系統(tǒng)具備自診斷功能，使用PLC自身功能解決問題;(3)溫室設(shè)有8個(gè)或者更多的天窗，天窗受電機(jī)控制，當(dāng)溫度超過設(shè)定的溫度時(shí)，PLC發(fā)出打開天窗的信號(hào)，通過繼電器控制天窗電機(jī)打開天窗，通過形成開關(guān)控制電機(jī)的停止;(4)如果溫室溫度進(jìn)一步升高，達(dá)到一定的數(shù)值，打開風(fēng)機(jī)，溫室中裝有2組風(fēng)機(jī)，根據(jù)溫度控制打開的數(shù)量;(5)如果溫度進(jìn)一步升高，可以打開濕簾水泵，通過濕簾進(jìn)一步降低溫度;(6)系統(tǒng)具有自動(dòng)/手動(dòng)切換功能，可以利用開關(guān)柜上的一個(gè)開關(guān)作為PLC手動(dòng)/自動(dòng)控制的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制程序到手動(dòng)的轉(zhuǎn)換;(7)溫室濕度降低到一定程度，打開濕簾水泵;(8)通過光照傳感器檢測(cè)陽(yáng)光照度，如果超過一定數(shù)值，打開遮陽(yáng)網(wǎng).

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中對(duì)天窗、風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)簾、濕簾的控制是通過PLC，根據(jù)傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)和一定的算法，發(fā)出控制信號(hào)，然后通過繼電器控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)和設(shè)備的啟停.溫度升高時(shí)的算法程序流程圖如圖2所示.

圖2 溫度升高時(shí)PLC控制算法程序流程圖

算法說明:首先掃描溫度、濕度和光照度傳感器，然后使用PID控制算法，利用上面的微分方程，根據(jù)設(shè)定的溫度、濕度和光照度的閥值，PLC首先判斷是否需要打開天窗，如果需要發(fā)出打開天窗的信號(hào);然后判斷是否需要打開風(fēng)機(jī)，如果需要打開風(fēng)機(jī);接著根據(jù)溫度和濕度的設(shè)定判斷是否需要打開濕簾，如果需要發(fā)出打開濕簾電磁閥的信號(hào);最后根據(jù)溫度和光照度判斷是否需要打開遮陽(yáng)簾，如果需要打開遮陽(yáng)簾啟動(dòng)開關(guān).

2.3 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用組態(tài)軟件作為現(xiàn)實(shí)輸出和監(jiān)控軟件，組態(tài)軟件從PLC中實(shí)時(shí)收集傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻粲?jì)算機(jī)并顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)內(nèi)容.

2.3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)視

組態(tài)軟件通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)視溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度和光照強(qiáng)度，還可以監(jiān)控所有控制設(shè)備的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)問題可以及時(shí)報(bào)警.

2.3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

組態(tài)軟件可以根據(jù)監(jiān)測(cè)的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行月份、周和日的統(tǒng)計(jì)，給出數(shù)據(jù)的最大值、最小值和平均值，必要時(shí)還可以生成曲線.

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，智能溫室控制必將成為高緯度地區(qū)的發(fā)展趨勢(shì).該文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，通過對(duì)溫室環(huán)境因子的分析，分析了系統(tǒng)控制算法的微分方程，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)，目前系統(tǒng)原型已取得成功.經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)具有可靠性高、使用方便的特點(diǎn)，在實(shí)際的溫室應(yīng)用中取得了良好的控制效果，具有一定的推廣價(jià)值.

［1］ 鄧璐娟，張侃諭，龔幼民.智能控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2003(12):1-3.

［2］ 王立舒，楊廣林，徐向峰，等.日光溫室溫、濕度模糊控制系統(tǒng)研究［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36(5):625-627.

［3］ 楊衛(wèi)中.溫室環(huán)境智能控制關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)［D］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.