温室大棚温湿度控制系统设计.docx
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温室大棚温湿度控制系统设计
温室大棚温湿度控制系统设计
1引言
PLC（ProgrammableLogicController）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输人和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
由PLC控制的温室温度在设施农业方面的应用也越来越重要。
原始的温室温度的控制系统是荷兰应用手动控制，后来又发展到机械设备，到20世纪70年代计算机的应用替代了原始的机械设备的控制，使温室控制进人一个新的时期。
美国、以色列、日本、荷兰等国均致力于该项技术的研究，并取得了公认的成就。
国外的高档温室已达到了工厂化管理的程度，对多种环境因子能够进行集中调控。
我国温室生产的整体水平与世界上发达国家相比差距较大，表现在设施结构、配套设备、环境调控与栽培、管理技术等方面。
高档温室基本上靠进口，价格昂贵。
其自动化控制与监控系统更是如此。
目前智能温室的发展趋势是采用各种传感器检测温室环境参数，自动调节各个设备的工作状况，从而达到全天气候无人监控条件下的温室正常运行。
受课程时间限制该设计主要对温室大棚内空气湿度和温度进行控制，从而达到根据农作物需求自动调节温湿度的目的。
不同农作物生长所需温度及湿度存储在PLC的数据寄存器中，通过温度和湿度传感器检测空气温度湿度经A/D转换模块转换后与寄存器中预存值相比较，根据比较结果再对执行机构做出相应的操作，直至检测到的温湿度值在寄存器中的预存值范围内。
2系统总体方案及重要参数的调节与控制
2.1系统总体方案设计
根据作物生长所需要的环境模型制定环境设施输出方案是温室环境控制的关键技术。
为避免控制方案过于复杂，本设计选择最重要的环境因子温室内空气温度、湿度作为基本的监测和控制项目。
系统以PLC为核心主要由三部分组成:
PLC、数据采集单元及执行机构组成。
各传感器对温室内温度、湿度参数实时检测，经A/D转换器后送入PLC，完成数据采集;采集到的数据由PLC处理后对执行器件发出相应命令。
系统框图如下图所示。
2.2温室大棚内重要参数的调节与控制
2.2.1温度的调节与控制
与其他环境因子比较，温度是设施栽培中相对容易调节控制的环境因子。
温室内温度的调节和控制包括保温、加温和降温3种。
温度调控要求达到能维持适宜于作物生育的设定温度。
温度的空间分布均匀，时间变化平缓。
（1）保温，为了提高大棚的保温能力，常采用各种保温覆盖。
具体方法就是增加保温覆盖的层数，采用隔热性能好的保温覆盖材料，以提高设施的气密性。
（2）加温，我国传统的单屋面温室，大多采用炉灶煤火加温，近年来也有采用锅炉水暖加温或地热水暖加温的。
大型连栋温室和花卉温室，则多采用集中供暖方式的水暖加温，也有部分采用热水或蒸汽转换成热风的采暖方式，本系统采用电炉水暖加温。
（3）降温，保护设施内降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物生育要求时，必须进行人工降温。
降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。
遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效。
另一种在室内挂遮光幕，降温效果比挂在室外差；屋面流水降温法采用时须考虑安装成本，清除玻璃表面的水垢污染问题；蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入室内，达到降温目的。
蒸发冷却法有湿帘——风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。
本系统采用室外挂遮光幕降温。
2.2.2湿度的调节与控制
土壤湿度要与空气相对湿度协调一致才能达到温室湿度的有效控制，空气湿度调控范围一般在60%RH-80%RH，精度为士5%。
湿度的调控影响温度，要求湿度与温度的调控需按一定的程序进行。
常用的湿度调节方式是加湿和去湿。
（1）加湿，一般常用的方法是水喷雾法和蒸汽加湿。
水喷雾法采用双位或多位控制来实现；蒸汽加湿则采用电极加湿器或浇蒸加湿器实现。
本系统采用水喷雾法加湿。
（2）去湿，在温室中去湿常用以下三种方式：
加热控制法、吸附法-化学除湿器、排湿换气。
在湿度的调节系统中，温室内的加湿和去湿则由温室内的调节部件完成，这些部件有天窗、侧窗、湿帘、风机等。
本系统采用排湿换气法去湿。
2.2.3温度、湿度之间的耦合
温度与湿度之间有一定的耦合关系，对一个因子的控制常会带来另一个因子的变化。
在冬季温室环境控制中，默认为温度控制优先的原则，在温度条件满足后，再来满足湿度条件。
如温度过低、湿度过大的情况下，以加温为主导，只有当温度上升到一定值后，才能通风降湿，另一方面，温度提高本身可以使相对湿度降低。
在夏季降温加湿的过程中，采用以湿度优先的原则。
本方案采用湿度优先原则。
3各部分元器件的设计说明
3.1传感器系统设计
传感器系统的主要功能是将传感器采样得到的模拟信号转换成温室现场控制器所需要的信号。
温室环境参数的检测中，传感器位于作物需要检测的位置，一般通过双绞线将检测的信号传输到温室控制器内。
考虑到传输距离的问题，本文设计中将系统的输出电流都控制在0-10mA，从而减小传输过程中的干扰，保证采样值的准确性与可靠性。
3.1.1温度传感器系统设计
对传感器型号的选用应该首先考虑使用方便，变换电路简单等特点。
现存的传感器类型很多，根据对传感器的应用分析，AD590是应用较普遍的一类传感器。
温度传感器AD590是电流输出型温度传感器，以电流输出量作为温度指示，其电流温度灵敏度为1μA/K。
它的输出电流精确地正比于绝对温度，可以作为精确测温元件。
AD590只需要一个电源（+4V～+30V），即可实现温度到电流源的转换，使用方便。
AD590的校准精度可达±0.5℃，当其在常温区范围内校正后，测量精度可达±0.1℃。
作为一种正比于温度的高阻电流源，它克服了电压输出型温度传感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声干扰问题，不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，因此，除适用于多点温度测量外，特别适用于远距离温度测量和控制。
因此，选用温度AD590传感器与可达到设计要求。
要想克服简单电路的缺陷，就要使得增益调整和补偿调整相互独立。
本文设计了具有独立调节功能的测温电路，具体如下图所示。
AD590的输出电流I=（273+T）uA（T为摄氏温度），因此测得电压U01=（273+T）uA×10KΩ=（273+T）×10-2V。
但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。
调整的方法为：
把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R1，使U01=2.732V；或者在室温（25C）的条件下通过调节电位器R2，使电压U02=-2.73V，调整电位器R3，使U0=1.25V。
这种调整的方法，可以保证在0℃或25℃附近有较高精度。
3.1.2湿度传感器系统设计
国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见。
电容式湿度传感器的动态范围大，动态响应快，几乎没有零漂，结构简单，适应性强。
基于以上原因，本设计选用电容式湿度传感器HS1101
电容式湿度传感器HS1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，固态聚合物结构，精度高达±2％RH；极好的线性输出；1～99％RH湿度量程；-40～100℃的温度工作范围，响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小，防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿，无需校准；电容与湿度变化0.34pf/％RH；典型值180pf@55%RH；长期稳定性及可靠性；年漂移量0.5％RH/年。
电容式湿敏元件，具有最突出的优点是长期稳定性极强，通过严格的工艺制作，制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度。
将HS1101接入555定时器组成的振荡器电路中，输出一定频率的方波信号。
这种方法具有结构简单，使用方便，因此被广泛使用。
具体的测量电路如下图所示：
本文选用的是NE556芯片，它内部含有两个NE555定时器。
其中R1、R2、C1、C2和NE556构成多谐振荡器，外接电阻R1、R2与湿敏电容C1构成了对电容C1的充电回路，7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C1的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器。
该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：
首先电源UCC通过R1、R2向C2充电，经t1充电时间后，UC2充至芯片内比较器的高触发电平，约2/3UCC，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t2放电时间后，UC2下降到比较器的低触发电平，约1/3UCC，此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。
如此翻来覆去，形成方波输出。
3.2PLC选型
主控系统由可编程控制器与输入输出设备及驱动/执行机构组成。
主控系统核心结构是PLC。
PLC具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合高效温室的控制。
本系统选用三菱PLC，考虑到单栋温室开关量输入的点数以及必要的点数冗余，具体的配置如下:
FX2N-48MR（控制单元）+FX2N-485-BD（通讯板）。
FX2N是FX系列中功能最强、速度最快的微型可编程序控制器,它的基本指令执行时间高达0.08μs每条指令，远远超过了很多大型可编程序控制器
3.3执行设施及电气控制设计
3.3.1执行机构
温室的执行机构可分为两大类:
一类是正反转运行电机，如开窗、拉幕等，这些电机需要正转、反转和停止，必须有限位开关；另一类是开关控制设备，如通风机、喷水泵等。
本设计中包括的环境调控装置有:
外遮阳幕、保温被、前后窗、天窗侧窗、通风机、加热炉、喷水泵。
3.3.2电气控制设计
（1）电气主回路的实现
接触器位于主回路中，以实现三相电机的启动、停止与换向以及单相电机的启动、停止。
主要实现保温被、前窗、后窗、天窗、侧窗、遮阳幕等电机正反运作，以及喷水泵、通风机、加热炉的启停。
相关电机型号及参数、熔断器及接触器型号参数都已标注在主回路电路原理图中。
主回路原理图如下图所示。
（2）PLC输入输出分配表
PLCI/O分配见下表。
SQ表示行程开关，SB表示不带锁按钮，分别用于把各自的开关信号输入PLC到中，KM表示继电器。
X0
开启电源SB1
Y1
打开保温被控制继电器KM1
X1
停止SB2
Y2
关闭保温被控制继电器KM2
X2
启动SB3
Y3
打开前窗控制继电器KM3
X3
保温被始端行程开关SQ1
Y4
关闭前窗控制继电器KM4
X4
保温被终端行程开关SQ2
Y5
打开后窗控制继电器KM5
X5
前窗始端行程开关SQ3
Y6
关闭后窗控制继电器KM6
X6
前窗终端行程开关SQ4
Y7
打开天窗控制继电器KM7
X7
后窗始端行程开关SQ5
Y10
关闭天窗控制继电器KM8
X10
后窗终端行程开关SQ6
Y11
打开侧窗控制继电器KM9
X11
天窗始端行程开关SQ7
Y12
关闭侧窗控制继电器KM10
X12
天窗终端行程开关SQ8
Y13
打开遮阳幕控制继电器KM11
X13
侧窗始端行程开关SQ9
Y14
关闭遮阳幕控制继电器KM12
X14
侧窗终端行程开关SQ10
Y15
喷水泵控制继电器KM13
X15
遮阳幕始端行程开关SQ11
Y16
通风机控制继电器KM14
X16
遮阳幕终端行程开关SQ12
Y17
加热炉控制继电器KM15
（3）PLC输入输出接线图
PLC输入输出接线图如下图。
SQ表示行程开关，SB表示不带锁按钮，KM表示继电器线圈。
4PLC部分的软件
PLC部分用梯形图编辑主控程序，主控程序在GXDeveloper7.0环境下开发，而PLC本身又有多种程序设计语言，如梯形图语言、指令语句表语言、功能表语言等。
其中梯形图语言沿袭传统的电气符号控制图，但简化了符号，编程容易且直观。
根据设计要求，本系统软件流程图如下图所示。
控制策略。
根据传感器采集的存储在PLC指定数据寄存器中的温度、湿度、以及根据生产经验设置的各参数的上下限，决定各执行机构的输出状态。
由于各环境参数之间的祸合关系，某一环控设备的启闭会对多个环境因子产生影响，如打开喷水泵不仅使温室内的湿度增大，还使温室内的温度降低;需要增温时，采用打开加热炉的方法，一方面温度增加了，但同时湿度也降低了，给温度方面的控制带来了负面影响。
针对这些情况，我们采取了以下相应的措施:
（l）根据环境因子的重要性不同，设置不同的优先级，首先考虑优先级高的环境因子的要求，比如我们在此采用湿度优先的原则。
5源程序梯形图
总结
本控制系统经实际运行，满足温室作物对生长温度的要求，起到了减轻人的劳动强度，提高劳动效率，降低能耗，提高种植者的种植水平等多方面的作用。
巧妙合理应用功能指令，可大大缩短编程时间减少程序内存，提高系统反应精度，是提高温室利用水平和综合效益的有效手段。
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