基于PLC的智能温室控制系统的设计文献综述.doc

附件1：文献综述
智能温室系统概述
专业班级：电气093 姓名：蒋嘉伦 学号：2009017113

摘要:温室环境系统是一个非线性、时变、滞后复杂大系统，难以建立系统的数学模型，采用常规的控制方法难以获得满意的静、动态性能。本次设计控制系统硬件部分主要由 PLC、变频器和各类传感器构成，用来完成温室内部温度、湿度、二氧化碳浓度、光照 度等室内参数的检测与温室内双向天窗、侧窗、湿帘窗角度开闭驱动，内外遮阳网驱动，湿帘水泵，环流风机，节能降温排湿风扇，C02补气阀、补光灯等执行设备的控制。 本系统操作简单、工作稳定可靠、实用性强；并有良好的组态监控界面，能远程控制。 适应了当前现代化农业的需要，适用范围广，其经济效益很好。
关键词:智能温室；可编程控制器；PID控制；变频技术；组态监控
1 概述
目前，虽然有不少单位或个人引进了一些国外的计算机智能控制系统[1]，如温室环境控制系统，施肥灌溉控制系统，工厂化育苗智能控制系统等，这些系统真正实现了温室控制的智能化和自动化，但往往存在投资过大，系统维护不方便等各种发展制约瓶颈[2]，再者就是要求温室的管理操作人员本身有较高的文化素质和较丰富的工程技术经验，目前我国广大农民还不具备，这也限制了国外同类产品在国内的推广应用。开发低价位、实用型的农业智能计算机控制系统对于推进我国农业自动化、智能化进程具有重要的意义，同时也具有很大的市场潜力[3]。据调查，目前市场上迫切需要的是一种低成本、操作使用简便的实用温室控制系。，针对这一要求及我国日光温室量大、面广但档次较低的特点，研究一种既符合我国农业水平实际又适合农民经济承受能力、技术上不低于国外同类产品的日光温室智能集成控制系统是非常必要的。
本文设计的系统可以模拟基本的生态环境因子－温度、湿度、光照、空气成份等，以适应不同生物生长繁育的需要，它由相关的智能控制单元组成，按照事先设定的程序，精确测量温室的气候和土壤参数，并自动启动或关闭不同的电动外围设备（遮阳幕、加热器、湿帘水泵及风机、通风系统等），程序所需的数据通过传感器实时采集[4]。
该系统的使用，可以为植物提供一个理想的生长环境，并能起到减轻人的劳动强度、提高设备利用率、改善温室气候、减少病虫害、增加作物产量等作用。
本控制系统具有的特点：
（1）预测性 通过对气候参数的分析，可以预测控制设备的运行情况，提高设备的利用率，降低能耗。
（2）强大的扩展功能 通过选用不同的外围设备，可以控制温室环境及灌溉、施肥等。
（3）完善的资料处理功能 通过中央控制软件，可以不间断地记录各种传感器的信息以及各种控制设备的动作记录等。
（4）远程监控功能 即使工作人员不在现场，也可以通过远程监控系统对温室内的设备参数进行监视和控制。
2 智能温室控制的特点及结构
2.1 智能温室控制的特点
智能温室控制主要是根据外界环境的温度、湿度、CO2含量、光照以及风速、风向、雨量等气候因素，来控制温室内的温度、湿度、通风、光照，创造出适合作物生长的最佳环境，同时还需对影响作物生长的各种营养元素进行动态的配方管理[5,6]。在这种控制中，温度、湿度、C02含量、光照等被控量之间存在着强烈的相互关系，某个被控量的改变，会影响到其他被控量的变化。针对智能温室的特点，智能温室控制系统应是一种具有良好控制精度、较好的动态品质和良好稳定性的系统。对植物生长不同阶段的需求制定出监测的标准，对温室环境监测，将测得的参数进行比较后进行调整。
2.2 控制系统框架组成
针对智能温室的特点，智能温室控制系统应是一种具有良好控制精度、较好的动态品质和良好稳定性的系统，对植物生长不同阶段的需求制定出监测的标准，对温室环境监测，并将测得的参数进行比较后进行调整[3]。 

                   图1 智能温室控制系统构成图 
本系统主要由温度传感器(LM35)、湿度传感器(SY—HS一220)、集成运算放大器(LM358)、A／D转换器(ADC0809)、光电耦合器(TLP521)和PLC(三菱FXlN-40MR)组成。温度、湿度传感器分别采集温室内温度、湿度信号，经ADC0809转换成8路并行数字信号，信号通过光电耦合器传人PLC，PLC再将采集的信号经转换后与温湿度设定值进行比较。转换后的温度信号若高于设定温度上限，则开窗降温；若低于设定温度下限，则关窗并驱动加热设备。转换后的湿度信号若高于设定湿度上限，则启动风扇；若低于设定湿度下限，则启动湿帘和风扇。其系统工作原理图如图1所示。
3 基于PLC的控制系统的设计
3.1 控制系统概述
3.1.1 控制系统设计目标
温室控制系统是依据室内外装设的温度传感器、湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、外气象站等采集或观测的温室内的室内外的温度、湿度、光照强度、CO2浓度等环境参数信息通过控制设备对温室保温被、通风窗、遮阳网、喷滴灌等驱动／执行机构的控制，对温室境气候和灌溉施肥进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要，为作物生长发育提供最适宜的生态环境，以大幅度提高作物的产量和品质。
3.1.2 控制模式
系统控制的主要环境变量包括温度、湿度和CO：浓度，对这些变量的控制应采取闭环控制方式。灯光和抑制机的的控制相对独立，系统仅需要提供灯光的定时开／关和延时开／关功能，抑制机在气候室内作往复运动，安装在抑制机上的轴流风扇吹出均匀微风以增加对流，系统应能分别可靠地控制抑制机的往复运动和轴流风扇的起停。下面主要介绍温度控制，温度控制主要涉及新风控制模块、压缩机控制模块和内风机控制模块。新风控制模块可以独立考虑，其主要功能是为人工气候室提供一定温度和流量的新鲜空气，降低CO。浓度，其本
身也是一个温度调节系统。目前，进入气候室的新风温度设定在15℃左右，并且系统只提供了新风机的关闭和打开功能，不具备新风流量的控制功能。气候室内部的温控流程如图1所示。为了避免制冷和制热机组处于交替工作状态，可以设定一个温度过冲裕度S，当Ta>Tp+S时，制冷机组立即工作，当Ta降到T。时，制冷机组停止工作，即顺序关闭压缩机、延时、关闭内风机，让室温自然冷却，当Ta降到TD—S时，制热机开始工作，当Ta上升到T。时，关闭制热机组，即顺序关闭加热管、延时、关闭内风机，但新风机保持工作，让室温自然上升。当Ta升到To+S时，制冷机组又开始工作，如此往复，完成温室的温度控制循环。温度控制的过程中，若用户设定的化霜时刻到达的时候，则图1温室温度控制流程停止温控(关闭压缩机和内风机)，打开加热管化霜，化霜结束后再切换到温度控制流程。

图2 温室温度控制流程
3.2 温室控制系统PLC软件的设计
根据基本要求和技术要求列出以下几点：
（1）防止接点误动作：可利用自锁电路加以解决；（2）系统自诊断功能：PLC本身具有此项功能；（3）风机控制：温室设有一组风机，能同时启动与停止，当温室内的温度超出预定值时，受PLC的控制先是4个侧窗自动打开，延时5 s后风机启动，再延时5 s后湿帘水泵启动，从而使温室的温度降低；（4）侧窗控制：温室中设有4个侧窗，侧窗受电机控制，通过电机限位的设定来控制侧窗行程。解决方法类似上一点，但考虑到程序的精炼性，可配合PLC的中断功能命令加以解决；（5）系统自动/手动控制：可利用一个开关量作为PLC的输入信号，实现控制程序的转换；（6）湿帘泵控制；（7）遮阳网控制；（8）CO2补气控制；（9）补光灯控制；（10）可扩展性：在PLC中预留一定的存储空间和端口即可解决。
3.3 系统的组态监控软件的设计
组态软件是可从PLC以及各种数据采集卡等设备中实时采集数据，然后发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包。其主要功能如下：
（1） 远程监视功能。它可以通过通讯线远程监视多座温室的当前状态，包括“户外温度、光照强度、风速、风向、雨雪信号、室内温度、室内湿度、控制器温度、三组独立通风窗的位置和开关状态、内外遮阳幕的位置和开关状态以及一级二级风扇、湿帘、微雾、加热器、环流风扇、补光灯、CO2补气阀、水暖三通阀的状态和多种形式的报警监视，还能监视各灌溉阀的状态。
（2） 数据统计功能。它可以统计任意时刻的户外温度、光照强度、风速、室内温度、室内湿度、CO2浓度、水暖温度等全月的、全周的、全日的和本时段的最大值、最小值和平均值。
（3） 温室设备运行记录功能。它能在线记录各温室设备状态变化时的时间、当前状态和位置、当前目标温度、室内温度、目标湿度和室内湿度，并能打印输出。
（4） 远程设定功能。可以通过通讯线远程修改可编程控制器的全部设定参数。
（5） 生成曲线图功能。它能以平面图或立体图的方式同时绘制任意时刻的户外温度、光照强度、风速、目标温度、室内温度、目标湿度、室内湿度、CO2浓度、水暖温度等全年的、全月的、全周的、全日的变化曲线并打印输出。

4 总结
智能控制温室综合了多方面的技术，为植物的生长创造了适宜的环境，使植物的产量与质量有了很大的提高，因此已成为高效农业的一个发展方向。智能温室控制系统无论是对新建温室还是原有温室的改造都有很好的应用前景。本文通过分析温室执行机构的相应动作对环境因子的影响，将可编程控制技术、变频技术、组态监控技术和传感器技术应用于温室控制系统的设计，开发了基于PLC的智能温室控制系统。
参考文献
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