基于PLC的溫室計算機集群控制系統(tǒng)研制

方銳

摘要：該智能溫室計算機集群控制系統(tǒng)在完成采集環(huán)境數(shù)據(jù)的同時，可根據(jù)模糊決策系統(tǒng)對溫室環(huán)境進行模糊決策分析，輸出控制相應溫室設備，從而實現(xiàn)自動控制。整個系統(tǒng)經(jīng)過測試和運行，證明滿足可控環(huán)境調控要求。

關鍵詞：PLC；溫室環(huán)境；模糊決策；自動控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）32-0231-02

1 引言

隨著計算機技術、傳感技術和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，溫室環(huán)境自動監(jiān)測控制的研究也有了明顯的進展。特別是隨著網(wǎng)絡技術的快速進步，基于Zigbee網(wǎng)的溫室環(huán)境自動監(jiān)測控制也在逐漸應用，但我國溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與發(fā)達國家相比，還是有很多差距。目前我國溫室控制系統(tǒng)的發(fā)展還存在著科技含量低，可控精密程度與水平不高，不能適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的需求，很難實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的規(guī)模化效益，不能科學對作物的生長過程實施全程自動控制和管理，這會嚴重影響設施農(nóng)業(yè)向產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展的進程。

本智能溫室計算機集群控制系統(tǒng)，主要用于日光溫室及玻璃或塑料大棚環(huán)境自動檢測和控制。在各種日光溫室、大棚的應用中，除了可監(jiān)測（記錄、分析）溫室內(nèi)外的溫度、濕度、光照強度、CO2含量及氣象參數(shù)的變化，還可通過自動控制風機、水泵、拉幕機、卷膜器、開窗機、加熱、灌溉等設備，達到自動實現(xiàn)通風、降溫、排濕、加熱、增濕、控制光照、噴水、沖注CO2等功效。另外，該系統(tǒng)還增加了自動灌水流量管理與控制系統(tǒng)，通過預先設定自動灌水、自動施肥的時間程序，可對現(xiàn)有灌溉實現(xiàn)定時定量的全自動控制和監(jiān)測，同時還可根據(jù)基質變化實現(xiàn)自動施肥。還可在計算機終端對以上幾個方面的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。本文介紹系統(tǒng)的設計原理與性能測試方法。

2 系統(tǒng)描述

智能溫室計算機集群控制系統(tǒng)，由室內(nèi)外檢測系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和遠程計算機處理與監(jiān)控等四大部分組成。經(jīng)過項目組近年來的不斷設計、修改、完善，已日趨成熟并可投入試點應用。該控制系統(tǒng)主要用于日光溫室及玻璃或塑料大棚環(huán)境自動檢測和控制。系統(tǒng)由上位機、PLC控制模塊、各種傳感器等組成。如圖1所示。

圖1 智能溫室計算機集群控制系統(tǒng)框架圖

智能溫室計算機集群控制上位機軟件系統(tǒng)主要由三個部分組成。

（1） 信息采集、轉換與顯示子模塊：它包括檢測室內(nèi)、室外溫度、濕度、CO2濃度及光照度等數(shù)據(jù)的采集；實時顯示及修改各種控制數(shù)據(jù)、曲線，記錄各種采集的數(shù)據(jù)；

（2） 模糊控制子模塊：主要包括對環(huán)境數(shù)據(jù)的模糊化，模糊推理和解模糊化；

（3） 輸出及執(zhí)行子模塊：控制風機、水簾、遮陽、卷膜等溫室設備執(zhí)行相應動作。

3 下位機系統(tǒng)的設計

下位機系統(tǒng)包含電氣控制部分與PLC數(shù)據(jù)采集傳輸部分。電氣控制部分主要負責對溫室內(nèi)通風系統(tǒng)、頂層遮陽系統(tǒng)（分內(nèi)遮陽和外遮陽）、側窗溫濕度控制系統(tǒng)、冷暖控制系統(tǒng)、照明及噴淋系統(tǒng)等現(xiàn)場對象進行智能控制，并提供室內(nèi)/室外氣象站、溫濕度及二氧化碳儀表信號的輸入輸出接口。提供各控制對象的運行狀態(tài)及參數(shù)信號送溫室控制器，由計算機進行采集處理；并接受計算機及溫室控制器的命令，對現(xiàn)場各控制對象進行全自動控制。根據(jù)溫室控制實際情況及現(xiàn)場操作要求，設計了計算機自動控制和手動控制二種控制方式，其控制切換由現(xiàn)場控制柜上的切換開關實現(xiàn)。

利用新一代溫室監(jiān)控器為核心，構建溫室計算機氣象監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于溫室計算機控制系統(tǒng)中溫室外氣象參數(shù)檢測，包括檢測以下參數(shù)：溫度、濕度、光照、風向、風速、雨雪氣象監(jiān)測系統(tǒng)中采用新設計的溫室控制器，在控制器中首次采用PLC+新型分散式多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，PLC作為核心元件進行數(shù)據(jù)處理，通訊和控制，由單片機系統(tǒng)進行模擬量采集， A/D轉換，然后將數(shù)據(jù)傳送給PLC。

4 上位機系統(tǒng)的設計

上位機使用個人PC，通過PLC模塊采集傳感器數(shù)據(jù)，通過RS232通訊總線由串口進行通信，串口在傳輸數(shù)據(jù)方面具有穩(wěn)定可靠，傳輸距離遠等特點，同時要求程序界面圖形化，易操作化，VB.net是一款易學易用易調試的圖形化開發(fā)工具，在串口通信方面有一套非常成熟的控件和組件可供使用，能很好滿足本系統(tǒng)需求，故本系統(tǒng)開發(fā)平臺選用VB，net中文企業(yè)版。本系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)庫選擇功能強大、操作方便的 SQL Server 2008，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲需求。軟件系統(tǒng)主要功能模塊如圖2所示。

環(huán)境監(jiān)測模塊可以實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的變化及各設備當前的狀態(tài)。主要檢測參數(shù)為室外：溫度、濕度、光照強度、風速、風向；室內(nèi)：溫度、濕度、光照強度、CO2含量；主要控制設備為：冷風機、水簾電機、卷膜電機、遮陽電機。系統(tǒng)能按照設定的時間間隔自動記錄環(huán)境參數(shù)的變化，并加以分析處理，當某溫室中某一環(huán)境參數(shù)的變化達到或超出控制值時，系統(tǒng)自動將控制信息傳遞給執(zhí)行控制模塊，由執(zhí)行控制模塊自動控制下位機動作。超出報警值則系統(tǒng)自動給予報警。

經(jīng)驗表明，間隔設置為20秒較合適。環(huán)境監(jiān)測界面如圖3所示。

系統(tǒng)控制模塊采用模糊控制，系統(tǒng)可以根據(jù)作物生長規(guī)律設定各種參數(shù)的臨界值，在臨界點尚未到達之前提前做出趨勢預測采取相應措施。模糊控制要建立適當?shù)臄?shù)學模型，這個數(shù)學模型不需要太精確。模糊控制器通過模糊化、模糊控制規(guī)則和模糊判決三個部分組成，通過模糊判斷，設定若干個執(zhí)行指令，驅動執(zhí)行機構執(zhí)行相應動作，其框架圖如4所示。

該控制系統(tǒng)綜合運用了計算機網(wǎng)絡技術，使用上位機通訊技術加測控站，實現(xiàn)了分散采集控制，集中操作管理，相對獨立的設計思想，系統(tǒng)具有功能強大、性能優(yōu)越、配置靈活、安全可靠等優(yōu)點。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的測試內(nèi)容有兩項：一是可靠性測試；二是本系統(tǒng)的控制算法測試。以下是測試數(shù)據(jù)在下午13：00-17：00內(nèi)，每隔30min利用標準溫度計、濕度計測量溫室內(nèi)的溫濕度，記錄數(shù)值；同時讀取由計算機測量的溫濕度值，記錄數(shù)值；比較兩數(shù)值相對誤差。如表1所示：

相對誤差基本滿足應用精確度的要求。程序測量的溫濕度數(shù)值和標準數(shù)值非常接近，溫度和濕度的變化規(guī)律具有非常明顯的耦合特性。當溫度上升時，相對濕度下降；當溫度下降時，相對濕度上升。

6 結論

整個系統(tǒng)經(jīng)過近半年的運行，證明軟硬件設計合理，符合用戶需求。該項目的實施，拓寬了工業(yè)技術應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廣度與深度，推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，方便種（養(yǎng)）植業(yè)主們選擇一個有利于作物或動物成長的生長環(huán)境，并加大對大棚或溫室的管理和控制力度。加快了形成具有地方特色的種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。本項目的實施，為形成具有地方特色的種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)提供了扎實的技術基礎。項目實施的第一期，合作雙方主要在種植業(yè)，特別是珍貴花卉的溫室栽培上展開，探索出一套適宜于長三角地區(qū)的溫室控制成功模式，然后在長三角地區(qū)進行推廣。

參考文獻：

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