基于PLC对温室温度控制系统的设计Word下载.docx

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本文论述了温室环境的控制原理，介绍了温室的结构和材料，分析了温度、湿度对温室内作物的影响，并在此基础上提出了智能化温室环境控制系统的总体方案，由PC机和多台西门子PLC组成的分布式控制系统，PC机和力控组态软件主要完成参数设定、数据处理等任务；

而下位机主要完成数据采集、处理等实时控制任务。

本文以智能温室为研究对象，对智能温室的控制算法进行研究。

温室环境系统是一类多变量的大惯性非线性系统，且有交连，时滞等现象，很难对这类系统建立精确的数学模型及用经典控制方法实现控制。

基于上述情况，本文采用模糊控制算法，选用T—S模型进行模糊推理，并完成了算法的PLC程序实现。

随后讨论了基于Profibus—DP的PLC网络组态方法，解决了监控层与过程控制层间的网络通讯和接口问题，并利用力控组态软件，根据温室环境系统监控要求设计编写了上位监控软件，实现远程监控、报警记录、曲线显示和用户管理等多项监控功能。

文章最后将模糊理论的知识表达与神经网络的自学习能力有机地结合起来，提出了一种模糊神经网络控制方经网络这种控制方法应用于温室自动控制系统的可行性。

整个系统经实际运行表明：

具有容错性强、效率高且易扩展，适用性较强等特点，为实现温室环境的更多参数测控系统的研究和设计奠定了技术基础。

第一章绪论

1.1课题的研究意义及项目背景

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试验温室，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。

本课题在上述实际项目背景下，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）利用模糊控制技术实现对温室环境的智能控制。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

2.4.1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

2.4.2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小时破环性试验；

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、高效换热器、燃烧器及自动控制系统组成。

风机采用FZL型轴流风机，风量大，风压高，噪声低，可采用风管送风，热风传输距离长，采暖区温度更均匀。

换热器采用圆环柱筒形烟、空气夹套式结构，换热器材料全为不锈钢，换热面积大，排烟温度低，热效率高。

燃烧器采用世界品牌意大利RIELLO公司的产品，燃烧效率高达98～100%，环保节能设有火焰探测装置，燃烧安全可靠。

采用电子温控器设定，可选择手动、自动控制，自动控制方式可外接控制器，控制精度高，性能稳定，具有风机过载保护、炉膛过热保护、点火失败保护、环境及炉膛监控等功能，能实现自动化运行。

（7）微雾加湿机

选用北京瀚宁空气技术有限公司生产的高压微雾加湿机，该产品将精滤的自来水加压至7MPa，再通过高压水管传送到喷嘴，经超微细的喷头雾化后以3～10微米的微雾喷射到整个空间，使温室达到增湿的效果。

加湿器主机采用美国进口高压陶瓷柱塞泵，压力大、硬度强，配备品质卓越的专业电机一起工作，具有效率高、省电、噪音小等特点，喷头及水雾分配器无动力易损部件，耐磨损，喷雾均匀。

一台FCB-3微雾加湿器的加湿量为60～300kg/h，可满足加湿面积在600㎡左右温室的需要。

2.5系统硬件接线图

2.5.1系统主电路设计

图2.9系统主电路

系统硬件主电路如图2.9所示，其中天窗电机、侧窗电机、遮阳幕电机除功率有所不同之外，都配有限位开关，需通过电机正转、反转和停止来完成相应结构的开启与闭合，因此它们的工作主电路相似。

环流风机、热风机、湿帘风机、湿帘水泵、微雾加湿机、补光灯则属于开/关设备。

QK为刀开关，用于控制整个主电路的启停；

QF0为总分断器，QF1～QF8为分断路器，FU1为熔断器，分别对主线路与各个分线路实施短路和过载保护；

FR1～FR8为热继电器，对电机起断相和过载保护的作用。

KM1～KM13为交流接触器的主触头，用其实现电机的正反转、停止以及风机等开/关设备的启停控制。

2.5.2系统其他部分电路设计

（1）电气控制柜设计

电气控制柜是由多个开关设备和相应的控制、测量、信号等元件，以及所有内部

的电气和机械连接部件构成的一个组合体。

控制柜上配有手动/自动的切换开关，手动功能用于系统中部分设备出现故障或设备维护检修时使用，正常情况下，切换至自动状态，由PLC实施控制。

其中按钮部分用于手动控制下控制各执行机构的运行状态，而指示灯部分则显示各执行机构的实际运行状态。

（2）正反转设备控制电路17

天窗、前侧窗、后侧窗和外遮阳这些执行机构均属于正反转设备，其控制电路相

似，现以天窗为例，做以下介绍。

图2.10天窗控制电路原理图

天窗控制电路原理图如图2.10所示，K1为手动/自动的切换开关。

在手动状态下，SB1、SB2分别为开窗、关窗按钮，SB3为天窗停止按钮。

按下按钮SB1，交流接触器KM1的线圈得电，指示灯L1亮，同时KM1的常开触点闭合，起自锁作用，此时电机正转，天窗打开，当天窗开启到最大位置后触碰天窗限位开关SQ1，其常闭触点断开，KM1的线圈失电，电机停止转动；

同理当按下按钮SB2，天窗关闭，到关闭的最大位置后，电机停转；

按下按钮SB3，KM1或KM2的线圈失电，天窗停止动作，用于急停操作。

接触器KM1、KM2的互锁可防止两个接触器同时得电吸合。

在自动状态下，由PLC控制器实现控制，中间接触器KM15的线圈（连接在PLC输出触点上，见2.5.3节）得电时，其常开触点闭合，天窗开启；

中间接触器KM16的线圈得电时，其常开触点闭合，天窗闭合。

天窗等正反转设备何时开启或闭合由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将着重介绍。

（3）开/关设备设备控制电路

热风机、环流风机、湿帘风机、湿帘水泵、微雾加湿器均属于开/关设备，其控

制电路相似，现以热风机为例，做以下介绍。

图2.12热风机控制电路原理图

热风机控制电路原理图如图2.12所示，K1为手动/自动的切换开关。

在手动状态下，SB13为启动按钮，SB14为停止按钮。

按下按钮SB13，交流接触器KM9的线圈得电，指示灯L9亮，同时KM9的常开触点闭合，起自锁作用，此时热电机运转；

按下按钮SB14，KM9的线圈失电，热电机停止工作。

在自动状态下，由PLC控制器实现控制，中间接触器KM23（连接在PLC输出触点上，见2.5.3节）得电时，其常开触点闭合，热风机运行。

热风机等开/关设备的启停同样由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将作详细介绍。

2.5.3PLC部分电气线路设计

（1）PLCI/O分配

可编程控制器主单元采用西门子公司的S7-200系列CPU226，并扩展一个四路模拟量输入模块EM231，用于温度湿度两个模拟量的数据采集。

根据本系统的设计需要，进行表2.2的I/O分配。

表2.2I/O分配表

信号

类型

名称

电路中

的编号

PLC中

地址

数字

量输

入信

号

手动/自动切换按钮

K1

I0.0

出信

天窗电机正转（开窗）

KM15

Q0.0

总启动按钮

SB1

I0.1

天窗电机反转（关窗）

KM16

Q0.1

总停止按钮

SB2

I0.2

前侧窗电机正转

（开窗）

KM17

Q0.2

天窗限位开关（开极限）

SQ11

I1.0

前侧窗电机反转

（关窗）

KM18

Q0.3

天窗限位开关

（关极限）

SQ12

I1.1

后侧窗电机正转

KM19

Q0.4

前侧窗限位开关

（开极限）

SQ13

I1.2

后侧窗电机反转

KM20

Q0.519

前侧窗限位开关（关极限）

SQ14

I1.3

外遮阳电机正转

（开幕）

KM21

Q0.6

后侧窗限位开关

SQ15

I1.4

外遮阳电机反转

（关幕）

KM22

Q0.7

SQ16

I1.5

热风机

KM23

Q1.0

外遮阳限位开关

SQ17

I1.6

环流风机

KM24

Q1.1

SQ18

I1.7

湿帘风机

KM25

Q1.2

模拟

温/湿度传感器

（温度部分）

HMD4

AIW0

湿帘水泵

KM26

Q1.3

温/湿度传感器（湿度部分）

AIW2

微雾加湿机

KM27

Q1.4

（2）PLC主体模块接线图

图2.13PLC主体模块接线图

PLC主体模块接线如图2.13所示。

PLC的输出触点负载能力偏低，如果直接带20动风机等负载，输出触点容易损坏，故采用交流接触器作为驱动元件，间接控制电机的启停及正反转。

在输出回路中，采用熔断器进行短路保护，此外接触器启动和停止时产生感应电流，需在每个接触器上并接一个阻容吸收电路，吸收浪涌电流，保护PLC触点，阻容吸收电路由一个560Ω的电阻和一个0.1μF/400V的电容串联组成。

（3）温、湿度传感变送器HMD40与PLC扩展模块EM231的接口电路

图2.14温、湿度传感变送器与EM231的接口电路

EM231具有四路模拟量输入，输入的信号可以是电压也可以是电流，兼于电流对噪声不敏感，设计时选用电流信号，传感器经变送后，由4～20mA电流来传输信号，可避免噪声干扰和传输线分布电阻产生的电压降。

电流输入时，需将“R”与“+”短接后作为电流的进入端，“-”作为电流的流出端，并将SW1、SW2、SW3三个开关分别设定为“ON”、“ON”、“OFF”。

图2.14给出了温、湿度传感变送器与EM231的接口电路。

2.6本章小结

本章首先介绍了智能日光温室的结构和材料，并在此基础上提出温室环境控制系统的总体设计方案，设计了整个监控系统的硬件结构，并给出主要设备的选型和硬件电路的设计，这些工作为后续章节中控制系统软件和上位机监控系统设计奠定了基础。

第三章模糊控制算法在温室控制系统中的应用

3.1引言

温室环境系统具有非线性、大滞后、耦合、时变等特征，难以用传统的方法对其进行建模控制。

模糊控制的方法是以人对被控系统的控制经验为依据而设计的控制器，故无需建立被系统的精确数学模型，具有良好的适应性和鲁棒性。

本章的主要内容是根据模糊理论，研究该控制系统中的核心部分——模糊控制器的设计方法，在完成模糊控制器的整套设计后还必须通过相应工控设备完成算法实现，基于SIMATICS7-200PLC，应用STEP7软件实现模糊控制的程序编写。

3.2模糊控制系统概述

生产规模的不断扩大使得控制过程越来越复杂，经典控制理论和现代控制理论由于种种原因己不能满足日益复杂的控制要求。

在处理过程模型不确定或难以建模等问题时，PID控制和基于现代控制理论的控制策略就显得无能为力，应用于复杂过程控制时往往受到限制，因此，先进的控制算法得以研究推广，模糊控制便是其中的一种。

1965年，美国加利福尼亚大学L.A.Zadeh教授首先提出了模糊集合的概念，为模糊集合的运用和模糊数学的发展奠定了基础，模糊科学得以发展。

1974年，英国伦敦大学的教授E.H.Mamdani成功地将模糊控制运用于锅炉与蒸汽发动机上，这一开拓性的工作标志着模糊控制应用阶段的诞生，并继而得到大规模发展。

模糊控制从诞生到现在仅仅经历了几十年的时间，就己在工业、经济、医学、军事等方面取得了巨大的发展。

对象越模糊，这种控制方法就越能反映出比其它控制方法更多的优越性，例如在纯滞后、难以准确建模、参数漂移大及非线性不确定分布参数系统中，采用模糊控制往往能取得令人满意的效果。

3.2.1模糊控制的特点

模糊控制是一种应用模糊集合理论，统筹考虑控制策略的应用方式，具有如下几个主要特点：

（1）模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，不需要被控对象精确的数学模型，特别适合被控对象具有多输入多输出的强耦合性、参