王志國，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)，對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析，并對環(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、檢測電路、接口電路、現(xiàn)場控制系統(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.該傳感器溫度測量范圍為-40～120℃，濕度測量范圍0～100%Rh，具有量程范圍寬、測量精度高、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弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測器作為傳感器光照強(qiáng)度測量元件，具有測量范圍寬、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)作物對溫室的溫度只要求在某一個(gè)生長時(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.因此，環(huán)境控制系統(tǒng)不需要對溫室中的環(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，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，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陽光照度，如果超過一定數(shù)值，打開遮陽網(wǎng).

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中對天窗、風(fēng)機(jī)、遮陽簾、濕簾的控制是通過PLC，根據(jù)傳感器檢測的數(shù)據(jù)和一定的算法，發(fā)出控制信號，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;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;最后根據(jù)溫度和光照度判斷是否需要打開遮陽簾，如果需要打開遮陽簾啟動(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

隨著我國農(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.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:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.