蔬菜大棚溫度自動控制系統(tǒng)設(shè)計
2017-10-14 00:40:58馮程程龔希武劉要
安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年22期
馮程程 龔希武 劉要
摘要隨著現(xiàn)代化溫室技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，以及人們對反季節(jié)蔬菜的龐大需求，溫室在反季節(jié)蔬菜的培育中發(fā)揮著顯著的作用，成為相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)鍵課題之一。我國蔬菜大棚還處于發(fā)展的初期階段，而國外的蔬菜大棚系統(tǒng)雖然趨于完善，但其經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)能力卻有待商榷。因此，需要創(chuàng)造一種基于我國環(huán)境的價格親民、操作簡單、功能穩(wěn)定的現(xiàn)代化蔬菜大棚自動控制系統(tǒng)。通過對蔬菜大棚自動控制系統(tǒng)特性的分析，設(shè)計了基于可編程邏輯控制器（PLC）的蔬菜大棚溫度數(shù)字化智能控制（PID）的自動控制系統(tǒng)。PLC將各種傳感裝置勘測的變量實時檢測數(shù)據(jù)，通過和設(shè)定參數(shù)比較，對大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。對系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試顯示，該蔬菜大棚溫度自動控制系統(tǒng)已經(jīng)基本達(dá)到了控制目標(biāo)，控制相對穩(wěn)定可靠，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞自動控制；可編程邏輯控制器；數(shù)字化智能控制
中圖分類號S23文獻(xiàn)標(biāo)識碼
A文章編號0517-6611（2017）22-0171-03
AbstractWith the development and application of modern greenhouse technology and the huge demand of antiseason vegetables， greenhouse plays an important role in the cultivation of antiseason vegetables， which is one of the key issues of relevant technical personnel.China′s vegetable greenhouses are still in the early stages of development， while the foreign vegetable greenhouses， although tend to improve， but its economy and adaptability are open to question.A modern regetable greenhouse automatic control system based on the environment of our coutry，whose price is close to the people，the operation is simple and the funciton is stable，needs to be created.Based on the analysis of the characteristics of the automatic control system of vegetable greenhouses， this paper designed the PID automatic control system of vegetable greenhouse temperature based on PLC. PLC realtime detection data of the variables surveyed by various sensing devices， and adjust the temperature in the greenhouse by comparing with the set parameters. The simulation test of the system shows that the greenhouse temperature automatic control system has basically reached the control target， the control is relatively stable and reliable， with high economy.
Key wordsAutomatic control；PLC；PID
我國人口眾多，食品在國家命脈中占據(jù)著至關(guān)重要的位置，同時，人民對于綠色蔬菜的需要也驟然增加。然而我國長期以來都推行傳統(tǒng)的作業(yè)栽培，手工生產(chǎn)和半自動化生產(chǎn)的綠色蔬菜食品遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足全國人民的需求。故而推動蔬菜溫室技術(shù)革新，推進(jìn)自動化溫室控制系統(tǒng)顯得尤為必要，同時還能創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益[1]。由于大棚蔬菜成長主要受溫度、濕度、光度等相關(guān)因素干擾，自動蔬菜大棚主要總結(jié)微機(jī)理論、傳感器理論等原理，在過去的蔬菜大棚基礎(chǔ)上拓展完善。這在很大程度節(jié)省了大量的人力物力資源，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，實現(xiàn)快捷便利高效能地控制蔬菜大棚溫室。
1我國蔬菜大棚溫度自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史及研究意義
農(nóng)業(yè)是國家的三大產(chǎn)業(yè)之一，農(nóng)業(yè)的發(fā)展也為溫室大棚的發(fā)展提供了契機(jī)，溫室大棚可以在很大程度上促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。但是據(jù)市場的調(diào)查顯示，現(xiàn)在很多溫室大棚主要還是靠人工進(jìn)行控制，不具備科學(xué)性，很多指標(biāo)都不能進(jìn)行量化，精確性很差。簡單地依據(jù)生產(chǎn)者自身的生產(chǎn)經(jīng)驗去進(jìn)行溫室大棚的調(diào)控，必然不能實現(xiàn)精確調(diào)控，影響到大棚內(nèi)植物的生長，甚至影響了農(nóng)業(yè)發(fā)展[2-3]。
1.1我國大棚的主要發(fā)展階段
1.1.1手動化。這是發(fā)展的最初階段，技術(shù)含量較低。這種控制的核心主要還是種植人員憑借自身的種植經(jīng)驗去調(diào)控整個溫室大棚。該階段調(diào)控效率低下，沒有任何指標(biāo)可以依據(jù)，調(diào)控也沒有目標(biāo)性，自然調(diào)整的效率就很低下，不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，同時這樣的調(diào)控方式對種植者的要求也很高，沒有經(jīng)驗的種植者不能做好這方面的工作。
1.1.2自動化。在經(jīng)過了手動化控制之后，自動化成為新時代農(nóng)業(yè)控制技術(shù)發(fā)展的里程碑。在這個過程中，生產(chǎn)者在種植前根據(jù)各項技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)提前設(shè)置，在蔬菜的生長過程中，根據(jù)蔬菜大棚中各種傳感器和變送器對蔬菜生長環(huán)境的檢測對比，通過測量數(shù)值和設(shè)定數(shù)值之間的差別，可以有效地判斷蔬菜生長環(huán)境的變動，從而通過可編程邏輯控制器（PLC）等相關(guān)的控制器進(jìn)行誤差調(diào)試，進(jìn)而使蔬菜生長環(huán)境的溫度等保持在一定的范圍之內(nèi)，保持蔬菜應(yīng)有的生長條件。這種自動化控制技術(shù)大大提高了生產(chǎn)效益，易于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。
1.1.3數(shù)字智能化。數(shù)字化以及智能化是自動化技術(shù)的升級版，是現(xiàn)代溫室發(fā)展和運(yùn)用的頂級階段，這項技術(shù)充分發(fā)揮了自動控制理論并建立在日常生產(chǎn)的經(jīng)驗上，這是綜合蔬菜種植知識、技能和各項數(shù)據(jù)而成的一套專業(yè)系統(tǒng)，通過建立最完善的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)出的最完美的專業(yè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在手動、自動化控制發(fā)展之后發(fā)展起來的，因此更先進(jìn)。
就我國的蔬菜溫室大棚來看，我國目前對于現(xiàn)代溫室技術(shù)的研究相對而言還是落后的，以普通的數(shù)字化智能控制（PID）調(diào)節(jié)為例，普通的PID調(diào)節(jié)只能夠達(dá)到常見的溫度控制系統(tǒng)的要求，在一些復(fù)雜變化的情形下難以實現(xiàn)有效控制。隨著科技的進(jìn)步，這些問題也終將被解決，我國農(nóng)業(yè)正朝著信息化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，為人民提供優(yōu)質(zhì)綠色的食品。
1.2蔬菜大棚溫度自動控制系統(tǒng)研究目的及意義
盡管從表面上來看，我國基本上所有的蔬菜溫室都安裝了加熱、降溫、通風(fēng)設(shè)施，然而很多系統(tǒng)都是通過人工操作使其運(yùn)轉(zhuǎn)，這對于大規(guī)模的蔬菜溫室種植者來說作業(yè)強(qiáng)度非常大，而且無法精確適時地操作，也沒有辦法拓展。綜合以上，筆者基于PLC設(shè)計的蔬菜大棚溫度自動控制系統(tǒng)有著重要的意義。這套系統(tǒng)體現(xiàn)了PLC在控制方面精準(zhǔn)的自我調(diào)節(jié)，能夠確保蔬菜溫室的溫度保持在合理的范圍內(nèi)，同時這套系統(tǒng)易拓展，有利于蔬菜生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，大大提高了生產(chǎn)自動化的水平和效率，有利于蔬菜大棚溫室技術(shù)的發(fā)展[4]。這種溫室大棚減少了自然條件對蔬菜的影響，能夠使蔬菜按照最佳模式生長，對溫室的發(fā)展有重要意義。
2系統(tǒng)整體方案分析
2.1蔬菜大棚控制系統(tǒng)的選擇
該研究以2個溫室大棚A、B進(jìn)行蔬菜大棚溫度自動控制系統(tǒng)的模擬，需要設(shè)計出A號棚和B號棚的溫控單位，分別控制A號棚和B號棚的內(nèi)部環(huán)境變量[5]。
2.2PLC的特點和功能
PLC作為一種先進(jìn)的控制設(shè)備，具有典型的可靠性高、通用性好的優(yōu)點，這就大大滿足了蔬菜大棚對于溫度控制穩(wěn)定可靠的需求。在工業(yè)使用中與普通控制裝置相對比，PLC的主要特點和優(yōu)勢有：
能耗較低、性價比高；
采用模塊化結(jié)構(gòu)，適應(yīng)性強(qiáng)；使用方便，編程簡單；沒有復(fù)雜的硬件接線，可靠性高；安裝簡單，維修方便；設(shè)計施工周期短。
2.3PLC的組成
雖然PLC的種類繁多，但是其最重要的成分就是中央處理器（CPU），它通過循環(huán)掃描的方式工作，處理程序，PLC的基本結(jié)構(gòu)一般如圖1所示。
3蔬菜大棚溫度自動控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)整體需要1個測量溫度的變量當(dāng)做模擬輸入量，該測量輸入主要用來檢測大棚的溫度變量，除此之外，系統(tǒng)還需要1個進(jìn)氣閥用來經(jīng)PID調(diào)節(jié)調(diào)控進(jìn)入的熱氣的模擬輸入[6]。另外該系統(tǒng)需要1個PID調(diào)節(jié)的模擬輸出的排氣閥排出高溫氣體和1個送風(fēng)風(fēng)機(jī)，設(shè)開啟、關(guān)停、緊急3個按鍵。2個按鍵分別控制開啟、關(guān)閉整個系統(tǒng)，A號、B號棚互不干擾，自如控制。系統(tǒng)布局示意如圖2所示。
該溫室系統(tǒng)控制的運(yùn)行過程也非常簡便，首先，開動電機(jī)促進(jìn)蒸氣流動循環(huán)往復(fù)；接著，開動進(jìn)氣開關(guān)讓熱氣進(jìn)入大棚加溫并控制溫度；其次，若大棚內(nèi)的溫度過高，則開啟排氣開關(guān)排出熱氣降溫控溫。當(dāng)總停止按鍵被按下之后，則風(fēng)機(jī)排氣扇等均將停止[7]。因此可知，總進(jìn)排氣開關(guān)受2個大棚的進(jìn)排氣開關(guān)影響。
3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計
AIW0是A號溫室大棚熱敏電阻；AIW2是B號溫室大棚熱敏電阻。Q0.0是A號溫室大棚排氣閥；Q0.1是A號溫室大棚電動機(jī)；Q0.2是B號溫室大棚排氣電磁閥；Q0.3是B號溫室大棚排氣電動機(jī)；Q0.4是總排氣電磁閥；Q0.5是總進(jìn)氣電磁閥；AQW0是A號溫室大棚進(jìn)氣閥；AQW2是B號溫室大棚進(jìn)氣閥。為方便起見，現(xiàn)令A(yù)號為1號大棚，令B號為2號大棚。
3.3系統(tǒng)程序設(shè)計
3.3.1系統(tǒng)程序I/O接口分配。
蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)的模擬量輸入開關(guān)量如表1所示。蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)模擬輸出量如表2所示。
3.3.2程序設(shè)計部分。
該蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)控制1號和2號大棚的控制程序用的是PID調(diào)節(jié)，通過控制系統(tǒng)的輸出來控制閥門氣流的大小，變化進(jìn)氣的數(shù)量，以滿足控制要求?；赑LC的PID溫度控制框圖主要的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
該控制程序的初始化運(yùn)行，經(jīng)過第1次掃描，調(diào)子程序0，調(diào)定時中斷0：時間間隔數(shù)值20 ms，把定時中斷0加在INT_0上，全局中斷啟用。該控制程序啟動/停止，在I0.6的上升沿使Q0.4得電啟動；在I0.7的上升沿使Q0.4失電停止。當(dāng)C1或C2的計數(shù)值≥600時，Q0.5得電啟動。1號棚程序如圖4所示，I0.0閉合M1.0置位，同時Q0.1得電；I0.1閉合M1.0復(fù)位；C1值≥600時Q0.0得電；I0.2閉合時Q0.0失電；當(dāng)VD100
4結(jié)論
通過對該P(yáng)LC控制的PID溫度自動控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析以及對上述系統(tǒng)程序的仿真測試，該蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)功能仿真測試結(jié)果可靠、穩(wěn)定準(zhǔn)確、便捷高效而且易于操作，是實際溫室控制系統(tǒng)的最佳選擇，具備巨大的應(yīng)用潛力。全力推動這套控制系統(tǒng)有利于大大提高生產(chǎn)自動化的水平和效率，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，對我國蔬菜大棚溫室技術(shù)的發(fā)展有著極大的意義。
參考文獻(xiàn)
[1]
王文新.拱式蔬菜大棚自動控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].青島：中國海洋大學(xué)，2013.
[2] 李先山.基于PLC的蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2012，19（4）：14-16.
[3] 楊娟娟.蔬菜大棚智能溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用探析[J].北京農(nóng)業(yè)，2012（33）：42.
[4] 宋志君.溫室大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2015.
[5] 李海南.溫室蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué)，2015.
[6] 劉靜.基于環(huán)境參數(shù)的蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.
[7] 孔國利，席紅旗.蔬菜大棚溫濕度和土壤水分自動智能管理系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015（8）：184-188.
