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        基于PLC的日光溫室二氧化碳?xì)夥收{(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2015-09-10 15:57:43單慧勇趙輝楊延榮等
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年8期
        關(guān)鍵詞:模糊控制二氧化碳溫室

        單慧勇 趙輝 楊延榮等

        摘要: 為了進(jìn)一步提高溫室大棚農(nóng)作物產(chǎn)量,設(shè)計(jì)出了一種新型溫室CO2濃度調(diào)控系統(tǒng)。以海微Hw-36MT-3DA型PLC為控制中心,利用溫濕度、光強(qiáng)、CO2濃度等多路傳感器對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集,采用模糊控制技術(shù),控制電加熱氣肥發(fā)生器的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室CO2濃度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié);上位機(jī)選用MCGS觸摸屏,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

        關(guān)鍵詞: 溫室;二氧化碳;模糊控制;PLC

        中圖分類號(hào):TP273+ 4;S625 5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        文章編號(hào):1002-1302(2015)08-0388-03

        現(xiàn)有的溫室大棚主要通過控制溫度、濕度和光照來達(dá)到增產(chǎn)目的,二氧化碳作為植物生長(zhǎng)光合作用的必要原料,合理適時(shí)施用CO2氣肥是提高設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段 [1]。目前市場(chǎng)上電加熱型二氧化碳?xì)夥拾l(fā)生器多采用開環(huán)定時(shí)控制,不具備閉環(huán)控制功能,不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制CO2施肥量,無法達(dá)到對(duì)CO2濃度的準(zhǔn)確控制,尤其是在日出后光合作用旺盛期間經(jīng)常處在虧缺狀態(tài),影響溫室作物產(chǎn)量。因此,本研究擬設(shè)計(jì)一種基于PLC的智能日光溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2氣肥補(bǔ)施、溫濕度、光照度等溫室環(huán)境因子的綜合調(diào)控。

        1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)下位機(jī)采用PLC為控制中心,通過溫濕度、光強(qiáng)、CO2濃度、土壤濕度等多路傳感器將溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到數(shù)據(jù)采集模塊,再通過RS485總線傳給PLC,系統(tǒng)根據(jù)溫室環(huán)境參數(shù)綜合判斷,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行CO2氣肥補(bǔ)施。MCGS觸摸屏作為系統(tǒng)的上位機(jī),通過RS232實(shí)現(xiàn)與PLC通信,具有實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)及對(duì)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。系統(tǒng)有自動(dòng)/手動(dòng)2種工作狀態(tài),自動(dòng)模式下系統(tǒng)依據(jù)檢測(cè)環(huán)境參數(shù)和相關(guān)設(shè)定自動(dòng)調(diào)控氣肥發(fā)生器,手動(dòng)模式用于手動(dòng)調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示 [2]。

        1 1 PLC的選擇

        目前市場(chǎng)上PLC的種類很多,如三菱、歐姆龍、西門子等,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,選擇國(guó)產(chǎn)海微Hw-36MT-3DA型PLC,具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)及價(jià)格低廉等特點(diǎn)。該P(yáng)LC可以直接驅(qū)動(dòng)大功率電磁閥,通信接口有RS232C、RS485、SPI_MS,36路I/O輸入輸出,程序空間為256K步,不用電池記憶,無需維護(hù),編程語言采用梯形圖,支持高級(jí)語言(C,C+ +)混合。

        [ (W11][TPSHY11 TIF]

        1 2 傳感器的選擇

        1 2 1 CO2傳感器 CO2傳感器選用CM1101,該傳感器模塊采用NDIR紅外測(cè)量原理,即CO2在紅外線波長(zhǎng)區(qū)域具有吸收光譜,當(dāng)對(duì)應(yīng)某一氣體特征吸收波長(zhǎng)的光波通過被測(cè)氣體時(shí),其強(qiáng)度將明顯減弱,強(qiáng)度衰減程度與該氣體濃度有關(guān),測(cè)量范圍0~5 000 mg/kg,供電電壓DC 5 V±5%,電壓線性輸出DC 0 8~4 V。

        1 2 2 溫濕度傳感器 采用LM-300智能溫濕度采集模塊,它是一種具有廣泛前景的全數(shù)字化溫濕度采集模塊,采集溫度范圍-40 ℃~+85 ℃,精確度±0 1 ℃,相對(duì)濕度范圍0~100%, 精度為±10%。該模塊可通過隔離的RS485通信接口與RS485現(xiàn)場(chǎng)總線連接,采用MODBUS RTU協(xié)議,有操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、精度高、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)。

        1 2 3 光照度傳感器 光照度傳感器為KZD系統(tǒng)的光照度變送器,由對(duì)弱光也有較高靈敏度的硅藍(lán)光伏探測(cè)器組成,具有測(cè)量范圍寬、線性度好、防水性能好、便于安裝、傳送距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。適用于各種場(chǎng)合,尤其是溫室大棚。該傳感器暗電流小,低照度響應(yīng),靈敏度高,電流隨光照度增強(qiáng)呈線性變化;能輸出較大的電流和范圍較寬的工作電壓,溫度穩(wěn)定性好,測(cè)量范圍較廣,范圍為0~105 lx。該傳感器的供電電源為DC 12~30 V,可采用二線制4~20 mA電流輸出或三線制0~5 V電壓輸出。

        1 2 4 土壤濕度傳感器 采用FDS100土壤水分傳感器,具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、土質(zhì)影響較小、密封性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。該傳感器輸出為DC 0~5 V,在飽和含水量范圍內(nèi)具有良好的線性特征。

        1 3 人機(jī)接口

        選用北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化科技有限公司型號(hào)為TPC1062K的觸摸屏。觸摸屏與PLC聯(lián)機(jī)能實(shí)時(shí)顯示傳感器所測(cè)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)與實(shí)際系統(tǒng)相近的組態(tài)界面,使系統(tǒng)在控制、功能、顯示上更為具體直觀。

        2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

        2 1 模糊控制設(shè)計(jì)

        2 1 1 模糊控制基本結(jié)構(gòu) 日光溫室環(huán)境具有時(shí)變性、非線性和時(shí)滯性的特點(diǎn),很難用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型去描述。模糊控制從本質(zhì)上來說是一種非線性智能控制技術(shù),它無須知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制行為,遵循反饋及反饋控制思想,總結(jié)成一系列控制規(guī)則,并運(yùn)用軟件程序加以實(shí)現(xiàn)。因此采用模糊控制技術(shù)可以較好地實(shí)現(xiàn)溫室CO2的靈活調(diào)節(jié)。

        系統(tǒng)首先通過模糊控制器對(duì)輸入變量e和ec的精確量分別模糊量化成模糊量,再由e、ec和模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策,得到模糊控制量,最后將模糊控制量解模糊成精確量輸出??刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖2所示 [3]。

        [ (W9][TPSHY22 TIF]

        2 1 2 輸入輸出變量模糊化

        系統(tǒng)采用雙輸入單輸出的模型,將CO2濃度偏差e及其變化率ec(ec=de/dt)作為模糊控制的2個(gè)輸入變量,控制二氧化碳發(fā)生器加熱裝置的繼電器開啟時(shí)長(zhǎng)作為輸出變量T。根據(jù)溫室CO2濃度變化的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,溫室的CO2濃度偏差變化范圍為-6%~6%,是農(nóng)作物最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。設(shè)置CO2濃度偏差e的變化范圍為[-6,6],模糊論域取值為[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6],則偏差的量化因子K1=1;CO2濃度偏差變化率ec變化范圍為[-1,1],模糊論域取值為[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6],則偏差變化率的量化因子K2=6。CO2濃度的模糊語言變量設(shè)置為正大(PL)、正中(PM)、正?。≒S)、零(Z)、負(fù)?。∟S)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(NL)。隸屬度函數(shù)選用三角形函數(shù),輸入變量隸屬度函數(shù)如圖3所示。endprint

        輸出變量T不存在負(fù)值,變化范圍為[0,60],模糊論域取值為[0,1,2,3],量化因子K3=20,控制器加熱時(shí)間的模糊語言變量為零(Z)、短時(shí)(PS)、中時(shí)(PM)、長(zhǎng)時(shí)(PL),輸出變量隸屬度函數(shù)如圖4所示。為達(dá)到精確加熱目的,將控制繼電器開啟時(shí)長(zhǎng)分為4段:關(guān)閉、20 min、40 min、60 min。

        2 1 3 模糊控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上是將操作者在控制過程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)(即手動(dòng)控制策略)加以總結(jié)而得到的一條條模糊條件語句的集合。選取控制量變化的原則是當(dāng)偏差大或較大時(shí),選擇控制量以盡快消除偏差為主;而當(dāng)偏差較小時(shí),選擇控制量要以防止超調(diào)和保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。

        根據(jù)模糊控制的規(guī)則,對(duì)于雙輸入、單輸出模型的模糊控制器,控制語句可寫成“if-and-then”條件語句的形式,例如:if E=NL and EC=PL then T=PS,表明當(dāng)前CO2濃度負(fù)大,且CO2偏差變化率正大,則控制器輸出控制量為PS,此時(shí)繼電器開啟短時(shí)工作模式;if E=PL and EC=PL then T=Z,表明當(dāng)前CO2濃度正大,且CO2偏差變化率為正大,則此時(shí)繼電器關(guān)閉,停止加熱。表1為模糊控制器的控制規(guī)則。在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用當(dāng)中,可根據(jù)不同情況對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行調(diào)整和完善,逐步形成最佳方案。

        系統(tǒng)采用Mamdani模糊推理方法,根據(jù)模糊關(guān)系R=E×Ec×T 可算出所有控制規(guī)則所對(duì)應(yīng)的,然后再根據(jù)偏差和偏差的論域值計(jì)算出模糊控制量,最后根據(jù)從屬度最大原則進(jìn)行模糊決策,使模糊量轉(zhuǎn)換為精確量,將其乘以相應(yīng)的比例因子K3,即得到繼電器開啟的時(shí)長(zhǎng) [4]。

        2 2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

        人機(jī)界面由觸摸屏通過MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,分為手動(dòng)和自動(dòng)兩部分,系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)模式完成相應(yīng)設(shè)定后,組態(tài)就可以通過傳感器模塊自動(dòng)采集環(huán)境參數(shù),根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置,自動(dòng)控制溫室環(huán)境。手動(dòng)模式下,用戶可以任意控制設(shè)備,通過上位機(jī)界面直接控制,方便快捷。手動(dòng)和自動(dòng)二者互相協(xié)調(diào),共同實(shí)現(xiàn)高效管理。設(shè)計(jì)上位機(jī)組態(tài)主界面如圖5所示。

        3 結(jié)論

        通過測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)的溫室二氧化碳測(cè)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)系統(tǒng)以PLC為控制中心,利用多路傳感器可對(duì)CO2、溫濕度、光照度、土壤濕度等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);(2)為取得理想的控制效果,采用模糊控制實(shí)現(xiàn)溫室二氧化碳濃度的調(diào)控;(3)采用MCGS觸摸屏,實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài),人機(jī)交互友好;(4)為了增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性和使用靈活性,硬件、軟件均采用了模塊化結(jié)構(gòu)。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 朱慶松,劉秀青 設(shè)施蔬菜二氧化碳施肥技術(shù)[J] 北方園藝,2013(17):55-57

        [2]王智乾 基于PLC的溫室模糊灌溉控制系統(tǒng)研究[D] 昆明:昆明理工大學(xué),2012

        [3]李紅萍,賈秀明,趙曉莉 基于MCGS的PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2012(5):83-85,88

        [4]崔天時(shí),楊廣林,劉 磊,等 基于模糊控制的溫室灌溉控制系統(tǒng)的研究[J] 農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(3):84-86endprint

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