王治軍，李浙昆，韓子偉，王遠(yuǎn)富，楊 濤

(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650500)

溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要在農(nóng)業(yè)溫室、農(nóng)業(yè)特定作物環(huán)境控制、實(shí)驗(yàn)型作物溫室中得到廣泛應(yīng)用。在溫室中主要起環(huán)境自動(dòng)控制的作用，可控環(huán)境因素有風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、光照、氣壓、雨量、太陽輻射量、太陽紫外線、土壤溫濕度等［1］。一般國內(nèi)外所研制的溫室自能控制系統(tǒng)是根據(jù)溫室植物在生長周期中，某一時(shí)期所需的最適宜農(nóng)業(yè)環(huán)境因素，來自動(dòng)控制開窗、卷膜、風(fēng)機(jī)濕簾、生物補(bǔ)光、灌溉施肥等環(huán)境控制設(shè)備，以控制溫室內(nèi)環(huán)境，達(dá)到植物所適合的較優(yōu)生長環(huán)境［2］。

溫室農(nóng)業(yè)就是能夠按人們的控制進(jìn)行發(fā)展的農(nóng)業(yè)，這種農(nóng)業(yè)能夠降低外界自然因素的影響，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。溫室的通俗理解就是人工構(gòu)建農(nóng)作物生長的適宜環(huán)境。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，溫室自動(dòng)控制也應(yīng)時(shí)代的變化得到快速的發(fā)展，特別是對(duì)單個(gè)環(huán)境因子自動(dòng)控制、全溫室的自動(dòng)控制和自動(dòng)管理都得到了改進(jìn)。

我國溫室技術(shù)主要的特點(diǎn)如下:①在分布上，我國溫室集中在北方，主要是在東北、華北等地區(qū)。②在結(jié)構(gòu)上，我國的溫室結(jié)構(gòu)主要是塑料溫室和塑料大棚溫室，并且因地制宜地采用溫室結(jié)構(gòu)材料，但是大部分都是結(jié)構(gòu)簡單的溫室，以日光溫室為主。③在控制和管理上，我國的溫室呈現(xiàn)出自動(dòng)化水平低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以操作等特點(diǎn)，雖然就這些問題進(jìn)行了一些研究，但只是在小范圍內(nèi)進(jìn)行的，沒有達(dá)到整體化水平的提高。

筆者采用PLC為控制器設(shè)計(jì)了一種溫室智能控制系統(tǒng)，為以后溫室智能控制設(shè)備擴(kuò)展打下一定基礎(chǔ)，同時(shí)可配合其他溫室內(nèi)智能控制設(shè)備，為溫室整體運(yùn)行提供了一項(xiàng)必要條件。

1 上位機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案［3］智能溫室控制系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)采用的控制方式為歐姆龍和組態(tài)王在PC機(jī)上進(jìn)行連接，其中遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)界面、報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)操作界面、趨勢曲線顯示畫面、報(bào)表系統(tǒng)界面及遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面共同構(gòu)成了組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)。在對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行控制的過程中，借助遠(yuǎn)程監(jiān)控界面，用戶能夠在監(jiān)控室內(nèi)掌握多種設(shè)備的運(yùn)行狀況，根據(jù)需要采取相應(yīng)的停止或啟動(dòng)措施，并在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主機(jī)圖像界面下實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)或手動(dòng)切換功能，發(fā)揮遠(yuǎn)程控制的作用。在報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控下，可以提醒用戶對(duì)超過參數(shù)設(shè)置值的一些環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證各項(xiàng)環(huán)境因子保持在合理范圍。此外，利用歷史數(shù)據(jù)輸出表、日?qǐng)?bào)表及實(shí)時(shí)報(bào)表，可以更加清楚地了解溫室環(huán)境在過去或當(dāng)前時(shí)刻的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，為分析和決策提供數(shù)據(jù)參考，有利于達(dá)到溫室環(huán)境控制方案的最優(yōu)化［4］。

1.2 溫室系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 溫室系統(tǒng)上位機(jī)的控制和監(jiān)視系統(tǒng)包括組態(tài)王、PC機(jī)，一方面保證了系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)查詢/處理、環(huán)境參數(shù)儲(chǔ)存、參數(shù)控制、數(shù)據(jù)/曲線顯示、通訊及系統(tǒng)控制等功能，另一方面也符合上位機(jī)的控制條件。

智能溫室控制系統(tǒng)的主設(shè)計(jì)畫面由登錄、遠(yuǎn)程控制、歷史曲線、報(bào)警系統(tǒng)、實(shí)時(shí)曲線、日?qǐng)?bào)表和退出等操作按鈕共同構(gòu)成，便于用戶更加清楚、直觀地進(jìn)行操作。運(yùn)行智能控制系統(tǒng)的過程中，登錄系統(tǒng)進(jìn)入控制界面后，可以根據(jù)實(shí)際需求按下相關(guān)操作按鈕，對(duì)溫室環(huán)境因子進(jìn)行查看或操作;為了進(jìn)一步方便管理，還能夠?qū)Π粹o功能權(quán)限進(jìn)行劃分，由特定的工作人員進(jìn)入相應(yīng)的操作界面。智能溫室群控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面見圖1。

2 FX2N系列PLC的測量模塊

2.1 測量模塊 FX2N系列PLC能夠測量溫度的功能模塊主要有FX2N－4AD－PT。FX2N－4AD－PT能夠輸入4通道的鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測量，并具有數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，是具備顯示、輸入與測量功能的模塊。

2.2 工作原理 FX2N－4AD－PT的工作原理如圖2所示。模塊經(jīng)過電纜能夠與擴(kuò)展單元或者基本單元連接起來，并經(jīng)過PLC的TO/FROM命令，完成模塊與PLC之間的命令和數(shù)字量的傳輸。

在使用4通道的鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測量時(shí)，從CH1～CH4輸入端輸入模擬量，并通過PLC通道對(duì)復(fù)用器進(jìn)行控制，可以選取需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換的輸入通道，選定的輸入被送入模塊的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中，并轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量。

在FX2N－4AD－PT模塊內(nèi)部，經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量被傳送到模塊CPU的緩沖存儲(chǔ)器(BFM)中寄存，CPU數(shù)據(jù)總線與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器之間采取了采用了光隔離的技術(shù)。

PLC能夠采取FROM命令對(duì)CPU緩存中的數(shù)據(jù)作相應(yīng)的讀取，或者采取TO命令將命令或者數(shù)據(jù)寫入CPU的緩存中。

2.3 主控制電路I/O連接圖的實(shí)現(xiàn)［5－6］根據(jù)各I/O端口的分配可以得到系統(tǒng)控制電氣柜的主控制回路及各設(shè)備部件安排，如圖3所示。

由圖3可知，系統(tǒng)整體接入380 V三相電壓，因?yàn)檎陉栐O(shè)備電機(jī)為三相電源啟動(dòng)，電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)是通過改變兩根電線的接線達(dá)成，所以直接將電機(jī)配合繼電器KM1、KM2與三相電源相連接，同理可以確定空調(diào)開關(guān)的接線。實(shí)際控制中由于繼電器開關(guān)電流較大，PLC直接控制繼電器容易損壞輸出端口，因此在KM1、KM2外再加一個(gè)接觸器來控制繼電器開關(guān)。類似濕簾風(fēng)機(jī)和地?zé)岵膳到y(tǒng)，它們自生啟動(dòng)電壓為DC直流電源，接入一個(gè)變壓器后控制其運(yùn)作?？刂苹芈方?jīng)變壓器變壓后，可內(nèi)接控制按鈕到控制面板上實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，控制器電源是為了配合FX2N－4AD－PT的使用，經(jīng)變壓后變?yōu)?4V控制電源。

2.4 PLC編程［7］該研究僅對(duì)溫度測量控制部分進(jìn)行編程操作:通過FX2N－4AD－PT模塊對(duì)4通道的溫度作相應(yīng)的測量，并且需要將通道1～4的平均溫度值，分別讀入到PLC數(shù)據(jù)寄存器D0～D3中，通過的采樣次數(shù)為4次，并最終求的D0～D3的整體平均溫度值，存入D20中。

測量時(shí)需要檢查模塊的ID號(hào)，在ID正確時(shí)才能輸入溫度測量值，否則當(dāng)模塊錯(cuò)誤時(shí)，將PLC內(nèi)部繼電器M30的狀態(tài)置“1”，系統(tǒng)報(bào)警。

根據(jù)需要，設(shè)計(jì)的PLC程序如圖4所示。

3 結(jié)語

我國對(duì)溫室控制系統(tǒng)的研究相對(duì)落后，而智能溫室控制系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的集約化和高效化發(fā)展有著非常重要的意義?；跍厥噎h(huán)境多變量控制關(guān)系及系統(tǒng)理論，在歐姆龍PLC下位機(jī)和上位機(jī)的人機(jī)交互模式下，能夠有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)的不足，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境因素采集、判斷分析、數(shù)據(jù)初始化及控制輸出的自動(dòng)化，完善了數(shù)據(jù)記錄、遠(yuǎn)程控制和環(huán)境因素控制等功能，達(dá)到溫室控制系統(tǒng)的要求。

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