基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的畢業(yè)論文

【專(zhuān)家解說(shuō)】：基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要：溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)非線(xiàn)性、時(shí)變、滯后復(fù)雜大系統(tǒng)，難以建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用常規(guī)的控制方法難以獲得滿(mǎn)意的靜、動(dòng) 態(tài)性能。根據(jù)溫室環(huán)境控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵諞：PLC；智能控制：溫室控制 智能溫室系統(tǒng)是近年逐步發(fā)展起來(lái)的一種資源節(jié)約型高 效設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)。本文在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù) 的基礎(chǔ)上，對(duì)溫室溫度、濕度、CO，濃度和光照等環(huán)境因子控 制技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)。 1智能溫室控制算法的研究 1．1溫室環(huán)境的主要特點(diǎn) 溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，建立精確的控制模 型很難實(shí)現(xiàn)。由于作物對(duì)環(huán)境各氣候因子的要求并不是特別 的精確，而是一個(gè)模糊區(qū)間，比如作物對(duì)溫度的要求，只要溫 度在某一時(shí)間段在某一區(qū)間內(nèi)，該作物就能很好地生長(zhǎng)，因 此，也沒(méi)有必要將各種參數(shù)進(jìn)行精確控制。溫室氣候環(huán)境作 為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，有以下特點(diǎn)：非線(xiàn)性系統(tǒng)、分 布參數(shù)系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)、時(shí)延系統(tǒng)、多變量藕合系統(tǒng)。 1．2智能溫室控制對(duì)象微分方程 智能溫室溫度微分方程為： 式中，為智能溫室的放大系數(shù)；為智能溫室的時(shí)間常數(shù)； 為智能溫室內(nèi)外干擾熱量換算成送風(fēng)溫度的變化量；為智 能恒溫室室內(nèi)溫度。 2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì) 2．1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 2．1．1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 溫室控制系統(tǒng)是依據(jù)室內(nèi)外裝設(shè)的溫度傳感器、濕度傳 感器、光照傳感器、CO，傳感器、室外氣象站等采集或觀(guān)測(cè)的 溫室內(nèi)的室內(nèi)外的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO，濃度等環(huán)境參 數(shù)信息，通過(guò)控制設(shè)備對(duì)溫室保溫被、通風(fēng)窗、遮陽(yáng)網(wǎng)、噴滴灌 等驅(qū)動(dòng)／執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，對(duì)溫室環(huán)境氣候和灌溉施肥進(jìn)行 調(diào)節(jié)控制以達(dá)到栽培作物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，為作物生長(zhǎng)發(fā)育 提供最適宜的生態(tài)環(huán)境，以大幅度提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。 2．1．2控制模式 以時(shí)間為基準(zhǔn)的變溫管理。根據(jù)一天中時(shí)間的變化實(shí)行 變溫管理，根據(jù)作物的生長(zhǎng)需要將l天分成4個(gè)時(shí)間段，4個(gè)時(shí) 間段中根據(jù)不同的控溫要求對(duì)溫室進(jìn)行控制。1天中4個(gè)時(shí)間 段的分段方法用戶(hù)可以靈活的更改，而且4個(gè)時(shí)間段中的溫度 設(shè)定值用戶(hù)也可以設(shè)定修改。 不同季節(jié)的控制模式不同，只是自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)的調(diào) 節(jié)機(jī)構(gòu)不相同，但不同季節(jié)的控制目的是相同的，即將環(huán)境參 數(shù)調(diào)控到設(shè)定的參數(shù)附近。隨著季節(jié)的變化，以及隨作物生 長(zhǎng)階段的變化，各時(shí)間段所需要的溫度也是變化的，這時(shí)可通 過(guò)修改設(shè)定溫度值來(lái)調(diào)整溫室的溫度控制目標(biāo)。 2．1-3控制方案 本系統(tǒng)采用自動(dòng)與手動(dòng)互相切換控制兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 溫室的自動(dòng)控制，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。在運(yùn)行時(shí)可通過(guò) 按鈕對(duì)這兩種控制方式進(jìn)行切換。手動(dòng)控制簡(jiǎn)單可靠，由繼 電器、接觸器、按鈕、限位開(kāi)關(guān)等電氣元器件組成。自動(dòng)控制 模式采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。通過(guò)傳感器對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 并對(duì)其設(shè)定上限和下限值，當(dāng)檢測(cè)到某一值超過(guò)設(shè)定值，便發(fā) 出信號(hào)自動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉，從而使溫室環(huán)境因 子控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。其運(yùn)行成本較低，可大大節(jié)約勞動(dòng) 力，降低勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。 2．2系統(tǒng)的硬件組成 為了實(shí)現(xiàn)智能溫室的環(huán)境監(jiān)控，本設(shè)計(jì)建立了溫室環(huán)境 控制參數(shù)的長(zhǎng)時(shí)間在線(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi) 溫度、濕度、CO，濃度、光照強(qiáng)度等參數(shù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。并可根據(jù) 智能溫室溫濕度的需求，對(duì)天窗、側(cè)窗、降溫濕風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)、濕 簾、內(nèi)外遮陽(yáng)網(wǎng)等設(shè)備自動(dòng)控制。采用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)安裝 有組態(tài)t6．02監(jiān)控軟件，能將數(shù)據(jù)匯總、顯示、記錄、自動(dòng)形成 數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)了溫室調(diào)控設(shè)備的自動(dòng)設(shè)置與遠(yuǎn)程監(jiān)控。為了 確保系統(tǒng)的可靠性，溫室設(shè)備的控制采用手動(dòng)／自動(dòng)切換方 式，即在某些特殊情況下系統(tǒng)可以切換成手動(dòng)，使用靈活方 便。 3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 3．1溫室控制系統(tǒng)PLC軟件的設(shè)計(jì) 根據(jù)基本要求和技術(shù)要求列出以下幾點(diǎn)：(1)防止接點(diǎn)誤 動(dòng)作：可利用自鎖電路加以解決；(2)系統(tǒng)自診斷功能：PIG本 身具有此項(xiàng)功能；(3)風(fēng)機(jī)控制：溫室設(shè)有一組風(fēng)機(jī)，能同時(shí)啟 動(dòng)與停止，當(dāng)溫室內(nèi)的溫度超出預(yù)定值時(shí)，受PLC的控制先是 4個(gè)側(cè)窗自動(dòng)打開(kāi)，延時(shí)5s后風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，再延時(shí)5s后濕簾水泵 啟動(dòng)，從而使溫室的溫度降低；(4)側(cè)窗控制：溫室中設(shè)有4個(gè) 側(cè)窗，側(cè)窗受電機(jī)控制，通過(guò)電機(jī)限位的設(shè)定來(lái)控制側(cè)窗行 程。解決方法類(lèi)似上一點(diǎn)，但考慮到程序的精煉性，可配合 PGI的中斷功能命令加以解決；(5)系統(tǒng)自動(dòng)／手動(dòng)控制：可利 用一個(gè)開(kāi)關(guān)量作為PLC的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制程序的轉(zhuǎn)換； (6)濕簾泵控制；(7)遮陽(yáng)網(wǎng)控制；(8)CO，補(bǔ)氣(控制；(9)補(bǔ)光燈控制；(1O)可擴(kuò)展性：在PLC中預(yù)留一定的存 儲(chǔ)空間和端口即可解決。 3．2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)中對(duì)風(fēng)扇、天窗、側(cè)窗、環(huán)流風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)幕和濕簾泵的 控制是通過(guò)PLC發(fā)出開(kāi)關(guān)指令，通過(guò)交流接觸器控制相關(guān)機(jī) 構(gòu)的啟停。由于PLC檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的靈敏度，能夠把溫 室內(nèi)的擾動(dòng)快速反應(yīng)出來(lái)，同時(shí)由于溫室較大的傳遞滯后，執(zhí) 行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁，從而影響使用壽命。為此，在程序中加有時(shí) 間可調(diào)的延時(shí)模塊，使用時(shí)可根據(jù)具體情況調(diào)整延時(shí)，使控制 效果達(dá)到最佳。 3．3系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì) 組態(tài)軟件是可從可編程控制器以及各種數(shù)據(jù)采集卡等設(shè) 備中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，然后發(fā)出控制命令并監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行是否正 常的一種軟件包。其主要功能如下： (1)遠(yuǎn)程監(jiān)視功能。它可以通過(guò)通訊線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視多座溫 室的當(dāng)前狀態(tài)，包搖‘戶(hù)外溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨雪信 號(hào)、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、控制器溫度、三組獨(dú)立通風(fēng)窗的位置 和開(kāi)關(guān)狀態(tài)、內(nèi)外遮陽(yáng)幕的位置和開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及一級(jí)二級(jí)風(fēng) 扇、濕簾、微霧、加熱器、環(huán)流風(fēng)扇、補(bǔ)光燈、C0，補(bǔ)氣閥、水暖 三通閥的狀態(tài)和多種形式的報(bào)警監(jiān)視，還能監(jiān)視各灌溉閥的 照強(qiáng)度、風(fēng)速、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、CO，濃度、水暖溫度等全 月的、全周的、全日的和本時(shí)段的最大值、最小值和平均值。 (3)溫室設(shè)備運(yùn)行記錄功能。它能在線(xiàn)記錄各溫室設(shè)備 狀態(tài)變化時(shí)的時(shí)間、當(dāng)前狀態(tài)和位置、當(dāng)前目標(biāo)溫度、室內(nèi)溫 度、目標(biāo)濕度和室內(nèi)濕度，并能打印輸出。 (4)遠(yuǎn)程設(shè)定功能?？梢酝ㄟ^(guò)通訊線(xiàn)遠(yuǎn)程修改可編程控 制器的全部設(shè)定參數(shù)。 (5)生成曲線(xiàn)圖功能。它能以平面圖或立體圖的方式同 時(shí)繪制任意時(shí)刻的戶(hù)外溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、目標(biāo)溫度、室內(nèi) 溫度、目標(biāo)濕度、室內(nèi)濕度、CO，濃度、水暖溫度等全年的、全 月的、全周的、全日的變化曲線(xiàn)并打印輸出。 4結(jié)語(yǔ) 本文通過(guò)分析溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)動(dòng)作對(duì)環(huán)境因子的影 響，將可編程控制技術(shù)、變頻技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)和傳感器技 術(shù)應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了基于PLC的智能溫室 控制系統(tǒng)。圜 狀態(tài) (2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。它可以統(tǒng)計(jì)任意時(shí)刻的戶(hù)外溫度、光[2] 。 它可以統(tǒng)計(jì)任意時(shí)刻的戶(hù)外溫度、光 14O [參考文獻(xiàn)】 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．現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2003(12)：1～3 申茂向等．荷蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)的考察與中國(guó)工廠(chǎng)化農(nóng)業(yè)建設(shè)的思 考．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16(5)