基于profibus总线的温室控制系统Word格式.docx

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2.3智能温室控制系统总体方案8

2.4系统硬件选型方案9

2.4.1PLC及扩展模块选型9

2.4.2上位机硬件配置10

2.4.3传感器的选择10

2.4.4环境调控系统11

2.5系统硬件接线图14

2.5.1系统主电路设计14

2.5.2系统其他部分电路设计15

2.5.3PLC部分电气线路设计17

2.6本章小结21

第三章Profibus-DP现场总线技术应用21

3.1引言21

3.2Profibus现场总线概述22

3.2.1Profibus-DP的协议结构22

3.2.2Profibus-DP的基本功能23

3.2.3Profibus-DP总线设备类型24

3.2.4GSD文件25

3.3基于Profibus-DP的PLC控制网络设计25

3.3.1系统总线设备类型的选择25

3.3.2系统硬件组态26

3.3.3软件编程27

3.3.4下载与调试27

3.4本章小结27

第四章温室环境控制系统实时监控软件的设计28

第五章总结与展望28

5.1工作总结28

5.2展望29

参考文献30

第一章绪论

1.1课题的研究意义及工程背景

温室环境控制是一项综合性工程，它是当代农业生物学、环境工程、自动控制、计算机网络、管理科学等多种技术的综合应用，旨在为作物创造最佳生长条件，避免外界四季变化和恶劣气候的影响，以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高农作物质量、产量、产值等目的。

研究开发并推广使用性能优越、运行可靠的温室智能控制系统将是温室生产走向产业化和效农业化的必由之路，而温室内环境因子（温度、湿度、光照度、CO2浓度等）的综合自动控制是实现温室种植物高产、优质、高效的关键。

在农业发达的国家，其现代温室已基本实现了自动化控制，但这些温室产品的成本相对较高，如加拿大ARGUS公司，每套温室控制器的价格在十万元左右；

以色列国家农业中心的一片玻璃实验温室，每间的造价高达上百万美元。

另外，由于气候条件不同，地理环境差异以及种植农作物的不同，在客观上限制了国外温室产品在我国的运用。

国内已有的一些温室存在技术水平发展缓慢，管理体系落后等缺点，不能满足现代农业和温室自动化控制发展的要求。

因此，研究开发出适合我国国情、具有独立知识产权、高效率、低成本运行的温室控制系统显得尤为重要。

苏州大学机电工程学院与宿迁市日昌升园艺有限公司联合建立了“苏州大学——日昌升智能温室工程技术与设备研究中心”。

该中心的发展目标是瞄准21世纪高科技设施农业发展趋势，研究并开发集现代生物科学技术、智能控制和工业化工程技术为一体的工厂化高效农业技术与设备，以此推进我国现代化农业进程。

本课题在上述实际工程背景下，旨在探寻温室环境的自动控制方案与实现形式，开发出适合企业实际生产需要的温室环境自动控制系统力图以合理有效的控制方案获得较为精确的控制效果，创造一个良好的人工气象环境，以消对作物生长不利的环境因素来促进作物生长，最终实现学校科研与企业生产的有机结合，并推动我国自主研发型温室系统的发展进程。

1.2国外温室发展简况

国外温室控制研究起步较早，可追溯到20世纪40年代，早在1949年，美国加利福尼亚州的Farhort植物实验室创建了世界上第一个完全由人工控制环境条件的人工气候室，并在此基础上开展了包括农作物在内的多种植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础性研究。

1953年，日本在三岛国立遗传研究所建成了用于科研的大型模拟温室，同年，荷兰建成了当时世界上规模最大的人工日光温室。

70年代中期，随着计算机技术的发展，荷兰、美国、日本和意大利等国相继采用微型计算机进行温室环境的监控，并对其应用于农业生产进行了多方面的有益尝试。

80年代起，数字式单元组合仪表的兴起，取代了原有的模拟式仪表，进行现场环境的数据采集、指示、记录和控制。

目前，在温室控制技术方面，美国、荷兰、以色列和日本等国较为先进，可以根据温室作物的要求和特点，对温室内光照、温度、湿度、CO2等诸多因子进行自动调控。

在综合控制成本和效益、环境参数优化、节能节水技术及温室配套设备的研制等方面均取得了长足的进步，并带动了温室配套产业的发展。

例如，在自然条件相当恶劣的以色列，节水灌溉技术大力发展并达到国际先进水平，该国每年投入8000多万美元（约占农业生产总值的3%）用于开展综合配套的协作攻关，创办示范基地，推广综合配套技术，诸多新技术在农业生产中的运用不仅极大的提高了劳动生产力，而且衍生出诸如温室、滴灌、育苗、栽培管理、植保、加工以及计算机控制等多个领域和行业，使得农业成为了具有高度社会化分工的知识密集型产业。

以园艺业著称的荷兰，智能玻璃温室的制造处于世界领先水平。

在设施顶面涂层隔热技术，冬天保温加湿的双层充气膜、锅炉、燃油加热系统、CO2施肥系统，人工补光的研制等方面均有所创新。

而在美国、日本等国家建造了当今世界上最为先进的植物工厂，采取完全封闭生产，人工补充光照，全电脑控制及机器人或机械手进行播种、移动作业、采收等多种先进技术。

总之，遥测技术、网络技术、控制局域网等已逐渐应用于温室的管理与控制中，发达国家的温室控制技术正向高度自动化、智能化方向发展。

1.3国内温室发展简况

相比国外而言，我国温室控制的研究与开发起步较晚，20世纪70年代，政府开始3大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展，缓和了蔬菜季节短缺的矛盾。

农业计算机在这一时期投入使用，但只限于数据统计和分析计算。

直至80年代，计算机开始应用于温室的控制与管理领域。

在随后的20年间，我国先后从荷兰、以色列、日本、美国等国引进了一批先进的现代化大中型温室，据统计，仅1995～1998年间，我国共引进温室413万平方M，主要分布于经济较发达的东部、东南沿海省份的大城市。

这现代大型温室的引进存在诸多问题：

①温室造价高，维护不方便；

②技术设备不能与我国的实际气候相适宜；

③管理滞后，机制落后，缺乏管理现代化温室的人才；

④缺乏现代化温室栽培的专用品种和技术，难以实施规模化、标准化、系列化的生产。

以上问题的存在使得一些温室入不敷出。

在吸取经验和教训的基础上，温室的生产与使用企业开始走一条从引进到消化吸收的新路，自主开发型温室逐步发展起来。

清华大学的郑学坚最先提出了应用单片机控制人工气候箱的方法和思路，随后中国农业科学院徐师华报道了TP-801控制温室的软硬件方案，以及利用单片机控制气候箱自然光照的模拟实验；

陈思聪等人研究了以节能为目标的温室微机控制系统；

于海业等人研制的温室环境自动检测系统，可自动调节温室内温度、湿度等参数。

l996年起，江苏理工大学研制了一套智能温室群集散控制系统，以IBM-PC机作上位机，MCS-51单片机为下位机，实现对多个温室温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境参数的测控；

1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果。

总之，我国温室环境控制系统应用与研究正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性研究应用阶段过渡和发展。

1.4温室控制系统的发展趋势

温室控制系统是设施农业的重要组成部分，具有广阔的应用前景，其发展趋势可概括为以下几点：

（1）温室分布式控制系统

目前开发的温室计算机控制系统主要采用了主机—终端模式，该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其它各子系统进行控制管理，灵活性差且投入大，针对时空变异性大、空间布性强、多参数相互影响的实际温室系统而言，很难实现高投入高产出的目标。

分布式控制系统是温室控制系统的发展方向，其采用服务器—客户模式，系统中的每一个子处理器处理所采集的数据并进行实时控制，而由主处理器存储、显示并管理子处理器传送来的数据，主处理器可以向每个子处理器发送控制设定值和其它控制参数，同时每个子处理器又可以独立工作。

系统表现出来的适应性好、可靠性高、扩展性强等特点，可使温室达到更好的控制效果，从而产生较好的经济效益。

（2）网络通信技术的发展

进入21世纪以来，全球性的网络化、信息化进程加快，并成为发展速度最快、最具活力的高科技领域，将网络通信技术应用于温室的生产与管理系统之中必将成为一种趋势。

可靠、开放、高效的信息网络为温室种植者提供各种有用信息，如利用网上发布的市场需求，来指导温室生产的规模、种植的品种、最佳上市时间等，并可通过在线服务系统进行咨询。

此外，利用网络技术可实现对温室的远程控制和管理。

随着计算机技术、控制技术、信息技术和网络技术的不断发展，对温室环境的控制将沿着综合性、多因子、开放式、多层次的复杂网络化的方向发展。

现代智能温室测控系统与Internet相连接，实现控制网络和信息网络的无缝结合，是现代化温室集群发展的要求，也是集约化可控设施农业发展的方向。

（3）专家系统的应用与控制算法的发展

专家系统是人工智能应用研究的一个重要分支，现已广泛应用于科研、工业、军事等众多领域，它作为一种知识的载体，可以捕捉和保存宝贵的工程知识，其所表现出来的可靠性、客观性、永久性及其易于传播和复制等特性，是人类专家所不及的，因此在处理与解决某些领域问题时具有不可取代的重要作用。

目前将专家系统应用于温室环境控制己得到了研究者的重视。

有代表性的农业专家系统有埃及农垦部的黄瓜栽培管理专家系统，希腊的六种温室蔬菜病虫害和缺素诊断专家系统等。

与此同时，将作物生长模型与专家系统相结合的研究也得以发展，如虚拟农业（VirtualAgriculture）概念的提出。

在控制算法方面，研究者已逐步将神经网络、遗传算法及模糊推理等智能控制算法运用到温室环境的控制中，来提高系统的自动化、智能化水平。

然而，这些温室的控制水平、精度及节能高效等方面还有待于进一步提高，合理有效的提供农作物生长所需的环境因子，从而使企业获得良好的经济和社会效益，这无疑是推动温室应用自动化的强大动力。

因此，专家系统、控制算法的进一步完善以及在温室控制系统中更为广泛的应用将是温室技术的发展趋势之一。

（4）温室规模的扩大

随着温室技术的发展，温室规模呈扩大趋势。

目前在农业技术先进的国家，单栋面积在1h㎡以上的温室已相当普遍。

在荷兰，1975～1995年间，经营0.01～0.5公顷温室面积的农户由5900户降至1660户，而经营大于2公顷的农户由101户增至442户，与此同时，经营总户数由9770户降至4640户，平均每户经营面积由0.48公顷增至0.9公顷，表现出经营农户数减少，每户经营面积增加的趋势。

21世纪我国也将重点发展大型连栋温室，以提高温室农业的总体水平和规模效益。

无疑，大型化现代温室在提高土地利用率和机械化作业水平、降低生产成本及产业化生产等方面均凸显其优势。

1.5论文的内容安排

现代化温室应用先进的科学技术，采用连续的生产方式和先进的管理方式，高效、均衡地产出各种农作物，它能不受时间、地点和气候的影响，有效的改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理应用，提高劳动生产率和社会经济效益。

本文的总体目标是设计并实现一个数字化、网络化、智能化的温室控制系统。

其工作重点包含以下几个方面：

（1）借鉴目前在工业控制领域中发展迅速的现场总线模型，组建由多个温室组成的温室群分布式控制系统。

（2）运用力控软件创建上位机监控界面，对温室环境实施组态监控。

（3）利用模糊神经网络构建温室灌溉系统控制方案模型，从理论和仿真实验角度验证其合理性。

第二章系统总体方案及硬件部分设计

2.1引言

随着设施农业的不断发展，温室的设计日趋科学，结构更加合理，内部配套设施更加完善。

本文的研究对象是新型的智能化日光温室，针对温室栽培生产的特殊性，设计出基于现场总线思想的分布式温室智能控制系统，在现阶段的技术条件下很好的满足温室环境控制的需要。

本章首先介绍温室的结构与材料，在此基础上，提出温室环境控制体系的总体设计方案，并给出设备选型和硬件电路设计。

2.2温室结构与材料

温室是具有鲜明使用功能的农业生产性建筑，其主体是建筑工程问题，设计建造必须按照建筑相关的标准、规程进行，而主体结构构件的制作又类同于机械加工产品。

温室是由基础、主体结构、围护材料等所形成的相对密闭的实用型建筑，主要起到承载各种荷载、保温、防雨雪等作用。

本小节介绍的内容主要涉及温室建筑和机械方面的内容，并非本文研究重点，但又必不可少，因此作扼要介绍。

（1）主体骨架设计

采用热镀锌钢骨架，一跨三屋脊结构。

立柱采用双面热镀锌矩型钢管100×

60×

2.5mm，横梁采用热镀锌复合式焊接横梁（热镀锌）40×

40×

2mm，水槽采用2.5mm厚冷弯热镀锌钢板，设有落水管实施内排水。

主体骨架采用镀锌螺栓和自攻螺丝连接，温室覆盖材料采用专用铝合金型材固定。

（2）覆盖材料

目前我国温室所使用的覆盖材料大体分为薄膜、PC板材、单层浮法玻璃三类。

这三类覆盖材料各自的优缺点见表2.1所述。

表2.1各类温室覆盖材料的优缺点

覆盖材料

优点

缺点

薄膜

1.薄膜温室造价低（0.12mm的薄膜大约2.5～3.0元/㎡）

2.透光率高（PVC膜为88.9%）

1.使用寿命短，1～3年需换膜一次2.保温性差（传热系数为6.4W/㎡K）

PC板材

1.透光率可达79%

2.使用寿命可达10年

3.良好的保温效果（传热系数3.3W/㎡K）

1.价格较贵（约70～98元/㎡）

2.PC板中空层易进水汽，影响采光性能

3.静电原因，易吸附灰尘，清除困难

单层浮法

玻璃

1.透光率高达89%

2.使用寿命长达25年，抗老化性能好

3.价格适中（5mm的浮法玻璃约25元/㎡）

1.保温性差（传热系数为5.9W/

㎡K）

本温室采用双层中空玻璃这一新型温室覆盖材料，单层玻璃厚度分别为4mm、5mm，中间空气层厚度分别为9mm、6mm。

中空玻璃具有良好的保温效果（传热系数3.2W/㎡K），透光率可达80%，采用专用的铝条密封，内置干燥剂，可防止中空层形成水汽，并具有较好的隔声效果，外观大方，价格与双层PC中空板相当，适宜于种植兰花这一类高档花卉。

（3）性能指标

风载0.4kN/㎡；

吊挂荷载0.15kN/㎡；

雪载0.3kN/㎡；

最大排雨量140mm/h。

2.3智能温室控制系统总体方案

作物的生长发育除决定于其自身的遗传特性外，环境因子也是一个重要方面。

作物赖以生存的环境因子是由温度、湿度、光照、二氧化碳等因素构成。

各个环境因子之间不是孤立，而是相互联系、相互制约的，环境中一个因子变化会引起其他因子不同程度的变化。

因此，自然环境因子对作物的作用是各个环境因子综合作用的结果。

温室是用来改善植物的生长环境，避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响，为植物生长创造适宜的条件。

图2.2为智能温室控制系统的总体设计方案。

图2.2智能温室控制系统总体方案图

该系统采用可编程控制器PLC作为控制核心。

通过传感器检测温室中的环境参数，经变送转换为标准电流信号（4～20mA）后送入S7-200的模拟量输入模块EM231，PLC通过模糊控制算法进行分析处理，输出开关量，通过驱动电路控制风机、微雾、遮阳等多种执行机构。

多个温室共同构成温室群，借鉴DCS的分层控制结构形式，采用现场总线模型组建多个温室的分布式控制系统，并与上位机通讯实施监控，通过MCGS组态完成数据管理、智能决策、历史/实时曲线、报警等功能。

2.4系统硬件选型方案

系统硬件选型是温室环境控制的首要步骤与关键环节，可供选择的设备型号较多，选择余地较大，故选型时应从温室控制的实际情况以及所要求的控制功能、控制方式、资金情况等方面加以慎重考虑。

2.4.1PLC及扩展模块选型

可编程控制器（PLC）以其操作方便、可靠性高、通用灵活、使用寿命长等一系列优点，在航天、冶金、化工、机械等行业得以推广应用。

它以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的工业控制装置，不仅具有微型计算机的计算和逻辑判断能力，同时具有数据转换和通信等更强大的功能，指令系统丰富，程序结构灵活，既可以控制开关量及顺序控制，也可以用来实现模拟量等复杂的控制。

它集中了工业专用机和通用计算机的优点，运行可靠，适应性强。

PLC通信依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据，并具有智能通信的功能使PLC与上位计算机、PLC与PLC、PLC与其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

多数PLC除了具有RS-232接口，还有一些内置支持各通信协议的接口。

在综合考虑功能，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比之后，我们选择了西门子公司的S7系列PLC作为系统的PLC控制器。

CPU226是西门子公司S7-200系列（Micro-PLC）中功能最强的一种控制器，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格及强大的指令，可以近乎完美的满足单个温室环境控制的要求。

EM231为S7-200PLC的模拟量扩展模块，有4路模拟量输入，工作电压为DC24V，分辨率为12位，其输入信号可以是电压（单极性0～10V、0～5V或双极性±

5V、±

2.5V）也可以是电流（0～20mA）,用拨码开关（SW1～SW3）选择模拟量输入范围。

该模块接收检测环节送出的电流或电压信号，并将其转换为与之对应的数字量，存放于存储区域相应的寄存器，供CPU用软件实现相应算法。

CPU315-2DP是西门子公司推出的一款适合于中等规模控制系统的PLC，采用紧凑的无槽位限制的模块结构，具有扩展性好、通信能力强等特点。

CPU315-2DP带两个通信接口：

一个符合EN5170标准的Profibus-DP接口用于同S7-200的Profibus通讯，另一个MPI接口用于同上位PC机的MPI通讯。

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2.4.2上位机硬件配置

本系统上位机选用研华工控机IPC-610，256M内存，80G硬盘，机箱结构具有防尘、防震、通风等功能，并可抗强电磁干扰和高频辐射干扰。

运行MicrosoftWindows2000操作系统Professional版本，外接打印机，可打印曲线、报表，工控机由一台不间断电源UPS供电，保证数据的完整记录，主板带有串行口，配有网卡CP5611，并安装西门子STEP7编程软件和MCGS组态软件。

2.4.3传感器的选择

本文的温/湿度传感变送器采用芬兰维萨拉公司型号为HMD40的产品，该款传感器具有测量精度高，易于安装、响应速度快，对环境要求较低等特点，其外观如图2.3所示。

图2.3HMD40型温/湿度传感变送器实物图

该传感器的主要性能指标如下：

1温度检测范围：

-10～60℃；

测量精度：

±

0.3%℃

②湿度检测范围：

0～100%RH；

1.5%RH

③工作电压：

10～28VDC

④输出信号：

4～20mA

2.4.4环境调控系统

（1）外遮阳系统

我国大部分地区夏季炎热，光照充足，应在温室顶部安装外遮阳系统，利用遮阳网直接把部分太阳能阻挡在室外，可根据室内植物的要求选择合适的遮阳率，一般选用50%～70%的遮阳率，利用外遮阳系统，可使室内温度降低3～5℃。

1.减速电机2.换向轮3.压幕线4.托幕线5.驱动线6.驱动边型材7.拉幕梁

图2.4钢索拉幕遮阳系统结构图

本文选用北京碧斯凯公司的钢索拉幕遮阳系统，其安装结构如图2.4所示。

其中减速电机处于整个温室的中心，电机的输出轴中心线与拉幕梁下表面之间的距离约200mm，驱动线之间的间距≤3000mm，换向轮则布置在温室的两端。

（2）扭矩分配连续开窗系统

系统的设计除包含传统连续开窗系统所需的减速电机、齿轮齿条、轴承座、驱动轴外，还增加了蜗轮减速箱、扭矩分配器等部件，系统原理如图2.5所示，蜗轮减速箱及扭矩分配器，将减速电机输出的扭矩通过扭矩分配器均匀分配至每排窗户的蜗轮减速箱上，蜗轮减速箱再带动齿轮齿条实现天窗的开闭。

1.减速电机2.扭矩分配器3.蜗轮减速箱4.齿轮齿条

图2.5连续开天窗机构示意图

减速电机选用荷兰DEGIER公司的GW30型号减速电机，其转速为30rpm，并非传统连续开窗系统所用的2.6rpm，针对上述设计的一栋跨度为9.6m，每跨3个尖顶，共2跨的温室而言，若配置双面连续开窗，按传统连续开窗方式需12台减速电13机，而采用扭矩分配连续开窗系统，则只需2台荷兰DEGIER公司的减速电机，大大降低了开窗机构的建造成本，此外，系统总功率的减少，使用过程更省电。

（3）侧窗电机

采用碧斯凯公司WJN系列减速电机，该电机采用国际流行的电动机与减速机一体化的结构，限位开关与配电控制结合具有工作和急停等功能，使得电机运行更可靠、更安全，此外还具有转动扭矩大、运行噪音低等特点。

（4）环流风机

常用的环流通风是在温室内以一定规则布置一定数量的环流风机，当风机开启时，室内的空气将在其作用下形成有序的流动，保证室内气候的均匀和稳定，并起到通风降温的作用。

在综合考虑种植作物种类、室内循环通风量等因素后，采用如图2.6所示的平行式布局形式，将风机排成两列，均匀悬挂在温室中间走道两侧的骨架上，这种布置形式通风效率高，对种植密度大、密闭要求高的温室非常适用。

图2.6循环风机布局形式俯视图

环流风机选用青州市三和温控设备厂的产品，其中，电机采用性能卓越的“海尔”三防专用电机，经过“海尔”实验室360小时破环性实验；

外壳采用先进的整体集流器设计，国际先进的节能技术及热自动保护系统，轻型铝板冲压扇叶，具有大角度，风量大，低噪音等特点。

（5）风机湿帘系统

系统选用青州市三和温控设备厂产品，该系统由纸质多孔湿帘、风机、水循环系统组成，其原理如图2.7所示，未饱和的空气流经多孔、湿润的湿帘表面时，大量水分蒸发，空气中由温度体现的显热转化为蒸发潜热，从而降低空气自身的温度。

风机抽风时将经过湿帘降温的冷空气源源不断的引入室内，从而达到降温效果。

“风机—湿帘”组合降温是夏季温室降温的最经济、最有效的强制降温方式。

图2.7风机湿帘系统原理图

（6）燃油热风机加热系统

系统选用北京盛芳园科技有限公司KR80-100型燃油热风机，额定发热量为

92880kcal/h，经测算，能满足供热面积在600㎡左右的温室，其结构如图2.8所示。

图2.8KR80-100型燃油热风机结构示意图

设备由风机