PLC编程智能温室监控系统.docx
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PLC编程智能温室监控系统
我国作为世界第一农业大国，农业生产在我国国民经济中有着举足轻重的地位。
作为一个占全世界人口1/5的大国，可耕地面积却只占世界可耕地面积的7%,人均可耕地面积仅为世界平均水平的1/3,土地资源较为匮乏。
同时由于环境污染和农产品消费需求的转变，人们对绿色食品的需求也大大增加。
因此我国农业由粗放式向集约式、精细式发展已经成为一种必然趋势，设施农业作为其中的一个重要途径，越发受到重视。
作物生长主要受温度、湿度、光照强度、C02浓度等因素的影响，而建造智能温室的目的就是为了对这些环境参数进行自动控制。
温室农业避免了作物受自然环境因素的限制，能够使作物按照自身的最佳模式生长，让作物与环境统一起来,对农业的发展有重要的意义。
智能温室控制是基于传统温室，结合了计算机技术，自动控制技术，传感器技术等高科技手段而发展起来的，能够为各种各样的作物提供无关地域、季节的良好自然环境。
从而提高土地产出率，实现无污染，高效，高产，优质的目标。
本文将探讨并设计实现一种可靠性高，实用性强，控制精准的智能温室监控系统。
国内研究现状
我国从设施农业面积不足1万hm2发展到2010年的362.7万hm2的设施农业大国，如表1-1所示。
自1999年以来我国一直保持世界设施农业第一大国，占世界设施农业面积的85%以上，设施农业人均面积为27m2，仅次于以色列，居世界第二位［6］。
我国的设施农业主要集中在山东、辽宁、河北、江苏、浙江、宁夏等地。
近年来,我国设施农业得到长足的发展，势头迅猛；涉及的领域也更加广泛，从蔬菜种植发展到了花卉、水果、中草药等更多高附加值的经济作物的种植；设施农业的面积也在大幅增加，开展设施农业的省份也大幅增加，设施农业生产遍布全国所有省、市、自治区。
设施农业的发展也因地域的特点呈现区域化分布的态势，北方因气候寒冷以发展高效节能温室为主；南方则以夏季简易设施农业为主；在经济发达的大中型城市的郊区，现代化自控温室作为都市农业的载体得以发展。
据2008年的调查显示，设施农业的投入产出比高达1比4.5,由于其高产量和上市时机可控等因素，比相应露地农业的收入高30%以上
表1-1全国设施蔬菜面积万hm2
年份
1978
1982
1988
1992
1996
1998
面积
0.53
1.03
12.00
24.35
83.81
138.87
年份
2000
2002
2006
2008
2010
面积
183.27
210.63
257.70
334.67
344.33
但是我国发展现代智能温室起步较晚，同许多其他高科技产业一样，我国的智能温室也走着一条从引进模仿到自主创新的道路。
早期的智能温室主要从国外引进，尽管设备本身比较先进，但是由于与我国气候环境的不适应以及高运行成本等问题的存在，导致引进温室的实际实用性和经济效益并不理想。
温室性能好坏的关键在于温室调节对影响植物生长要素（如温度，湿度，二氧化碳浓度和光照强度等）的能力，以及调节的自动化水平。
通常自动化程度越高的智能温室，其造价也就相应越高。
近年来，我国也根据各地不同的气候特点，在消化吸收国外先进温室技术的基础上，自主研发了许多高水平的智能温室系统。
不断将最新的传感器技术和控制算法应用于智能温室的控制，大大提高了智能温室的控制水平。
为真正实现发展高效、节能的智能温室的目标而努力。
科研人员和从业人员的不断努力，对温室各个环境要素的控制和控制执行部件开展了卓有成效的研究，形成了中国特色的温室产业与技术凶。
与此同时，商用智能温室的研发生产也如火如荼，国内目前声称具有生产智能温室能力的公司有40余家，水平却参差不齐，市场占有率差距也很大。
其中规模较大的有四家，上海长征、北京农机所、廊坊九天、胖龙公司。
国产化的智能温室制造业，也有望成为中国的又一新兴产业。
中国的智能温室市场已经从潜在市场成为了一个现实市场，并且正不断扩大，将对农业和制造业等产业的发展起到重要的推动作用。
智能温室的发展趋势
随着科学技术的飞速发展，科技含量和技术水平的提高已成为温室发展的必然趋势。
温室的发展总体有以下态势：
（1）标准化
标准化有两层含义，第一是根据地域特点，即当地的水土资源，气候条件，设计适合当地条件的标准化温室，并健全温室配套设施的设计、安装、使用标准；第二是对温室内各种作物的生长模型进行标准化处理，在模型中作物生长的每一个环节都量化，做到及时精确管理，保证作物最适合的生长条件。
（2）规模化、多样化
温室产业也随着生产力的发展由粗放型向集约型转变，逐渐走上规模化、产业化的道路，更多的大型智能温室将出现在人们的视野。
温室种植的作物也由单一的蔬菜向附加值更高的经济作物转变，这些都是市场经济的选择。
（3）智能化
温室控制技术是智能温室的重点所在。
现代智能温室中，所有环境因子都由计算机来监测、控制。
现在已经由对单一环境因子的控制发展到对多个环境因子综合控制，并且控制算法也在不断进步中。
（4）节能环保
农业的发展与自然界和谐一致，是新世纪农业发展的要求。
通过对温室水资源、营养液的循环利用，节能LED灯，优化温室结构，余热回收，雨水回收，精确施肥等方式有效实现温室的节能环保。
（5）温室工厂化
植物工厂是在全封闭设施内全年进行作物生产的高度自动化控制体系。
近年来，无土栽培技术的应用使农业工厂化变为了可能。
无土栽培可以让作物在保证质量的同时生长更加快速，从而提高产量，一般蔬菜无土栽培的产量为土壤栽培的数倍甚至数十倍。
同时无土栽培也可以充分利用空间，通过多层立体种植提高了单位面积的栽培效率。
系统整体方案分析
温室整体概况
温室控制对象
温室控制系统是对温室环境参数进行控制的系统，在设计监控系统之前，需要对控制的对象有较深的了解。
影响植物生长的因素很多，为了保证作物的高产高质，掌握植物生长环境中的这些因素是很重要的。
下面简单分析本系统所关注的环境参数温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度对植物的影响。
（1）温度
温度对植物的影响是综合的，它可以通过气温、土温、水温、植物体温等从各个方面影响植物的生长发育。
每种植物的生长发育都有其最高温度、最低温度和最适温度。
植物只能生存在最低温度到最高温度的范围内。
在最适温度，植物生长最快，但却会因为植物的呼吸作用使有机物消耗过多，长得细长柔弱。
要想植物健壮生长，就需要植物生长在其协调的最适温度，这个温度常比最适温度略低。
因此，将温室温度控制在协调最适温度的一定范围内对作物的生长将具有重要意义。
（2）湿度
影响水汽的来源、水汽输送的条件、空气保持水汽能力的条件都可能影响空气的相对湿度。
当空气湿度过小，会因为干旱造成植物缺水，影响植物生长；长时间湿度过大也会抑制植物的生长，并且过大的湿度会带来许多病虫害，如小麦锈病和小麦吸浆虫等；只有空气湿度较小且土壤水份充足，才是植物生长的较好条件。
因此，将温室的相对湿度保持在一个最适宜的范围内对温室内作物的生长和病虫防治具有重要意义。
（3）光照强度
一切绿色植物都必须在光照下才能进行光合作用。
通常根据植物对光的不同要求，分为阳性植物、中性植物、阴性植物。
阳性植物在低光照下难以正常生长，阴性植物在高光照下生长会受到抑制，但即使对光照强度要求最低的阴性植物也要达到其光补偿点才能生长。
对于同一种植物，不同的光照强度和光谱特性也影
响着各器官的生长速度和发育比例。
此外，光照还能抑制某些病菌的活动。
因此,针对不同的作物，提供合适的光照强度将有利于作物的生长。
（4）二氧化碳浓度
二氧化碳是植物生长的原材料。
二氧化碳浓度与植物光合作用强度的关系是一条对数曲线，也即是说，植物光合作用的强度随着二氧化碳的浓度升高而加强，但是加强的趋势逐渐变慢，二氧化碳达到一定浓度的之后，光合作用不再加强。
试验表明，在二氧化碳浓度增加的情况下，通常农作物的产量是增加，但除了产量增加外，随着二氧化碳浓度的增加，农作物的质量略有下降。
因此，将温室的二氧化碳浓度保持在既能保证作物产量又能保证质量的范围内将具有重要意义
温室整体结构
本文所设计监控系统针对的温室如下文所述，温室为9.6m跨三屋脊文洛式温室，南北向长9.6m，东西向长8m；面积76.8m2,为独栋温室；三角形顶棚，肩高4m，顶高5m，外遮阳高6m；温室骨架为轻钢结构，顶部使用聚碳酸酯板（PC板）为透光材料，四面使用玻璃材料。
温室顶部开有天窗，在屋脊两边面积相同，天窗大小2mX1mX2；四周开有侧窗，侧窗高2m,宽1.5m。
根据温室内所需控制的环境参数的种类，用以下几种执行设备调节温室环境，包括外遮阳幕，内保温幕，湿帘系统，天窗，侧窗，循环风机，通风风机，C02补气装置，补光灯和加温装置。
温室控制系统的选择
在温室数据通信、数据处理、智能控制等模块的设计中，都需要一些智能元件来完成这些功能。
目前，温室监控根据采用的主控制器不同主要分为以下几种：
基于单片机，基于工业控制机，基于可编程控制器［9］。
下面分别介绍并分析比较它们的优缺点，选取适合于温室控制的方案。
（1）基于单片机的控制系统
基于单片机的控制系统，其主控制元件就是单片机。
系统通常采用集中控制方式。
系统的结构如图2-1所示。
图2-1基于单片机的控制系统结构
系统接收来自温室内传感器的信号，通过信号处理模块和A/D转换后发送到单片机，然后由单片机发送控制信号以控制执行部件。
从而完成从检测到控制的系统流程。
单片机控制系统的优点是制作和操作简便、成本低，缺陷是系统的扩展性差、可靠性差、容易发生故障。
温室内环境干扰多，信号噪声大，单一的单片机控制系统难以达到温室的控制要求。
（2）基于工业控制机的控制系统
工业控制机（IPC）,简称工控机，是基于PC总线的工业电脑。
采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及电磁兼容技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。
基于工控机的温室控制系统由三部分组成：
各类传感器、工控机、执行机构，如下图所示：
传感器
\
工控机
执行机构
图2-2基于工控机的控制系统结构
工控机的优势在于可靠性强，通常其平均失效时间即可运作平均时间是普通PC的10倍；实时性高，能对工作状况的变化给予快速响应；并有可扩充性和兼容性。
缺点在于成本较高、体积庞大、功耗高，软件编程方面对编程人员的要求较高，并且由于所有输入输出功能都由工控机完成，造成危险过于集中[10]o
（3）基于可编程控制器的控制系统
可编程控制器（PLC）是一种存储程序的控制器。
PLC是在继电-接触器控制系统的基础上发展起来的计算机控制装置，控制功能侧重于开关量处理、顺序控制、逻辑运算等方面。
PLC的优势在于开发简单，安装简单，可靠性高，抗干扰能力强，功能强大，接口模块丰富具有很好的可扩充性，总体性价比较高。
缺点在于单纯的PLC控制系统的人机交互能力较差，用户使用不是太方便。
（4）分布式控制系统
分布式控制系统（DCS）,一般又称为分散控制系统或集散控制系统，所谓分散式是相对于集中式而言的。
DCS是在生产过程仪表控制的基础上发展起来的计算机控制装置，控制功能侧重于模拟量处理、回路调节、状态显示等方面。
分布式控制系统分为上位机和下位机，上位机。
上位机PC机实现人机交互、数据管理和分析等功能，下位机主要实现现场控制。
在分布式控制系统中，控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。
综上所述，单片机控制系统和工业PC控制系统由于其集中控制等缺陷，不适合温室这种复杂环境。
分布式控制系统由于其上、下位机结合完成控制的特点成为温室控制的最优结构。
当上位机出现问题的时候，下位机可以单独完成控制，从而提高了整个系统的可靠性。
但是由于普通的现场控制器作为下位机的单独控制能力较弱，所以选用PLC作为下位机，组态软件作为上位机，这样也克服了单独的PLC人机交互能力差的问题。
目前上位机监控软件主要用VB、VC、MFC等软件开发，但是这些软件有开发周期长，适应性较差等缺点，最后我们选择组态王软件做为上位机监控软件来完成数据管理、数据分析等人机交互的工作。
系统的整体方案
系统控制方案
本系统采用的是可以在手动自动之间切换的控制模式，在开关量输入设置一个变量作为PLC的输入信号，即可实现控制模式的转换。
（1）自动控制
将温度传感器、湿度传感器、C02传感器、光照强度传感器采集到的环境参数信息，与用户设定的上限下限值比较后，如果某一个传感器采集到的实际值在用户所设置的环境参数目标值下限到上限的区间之外，则会通过PLC发出开关指令,来控制天窗电机、侧窗电机、湿帘、遮阳幕、保温幕、加温锅炉等这些执行部件中的相应部件的启停，使实际环境参数回到目标值下限到上限的区间之间[11]o
本系统所针对的温室面积较大，光照强度和C02浓度分布均匀性较好，一组传感器采集可以满足要求，但是温度、湿度的分布均匀性较难保证，固而需要多组传感器。
本系统设计了4组温度、湿度传感器分别从温室顶部、底部，靠南、靠北来检测温度、湿度［12］，这样的情况下，温度、湿度控制方案为，将各组传感器采集实时参数与用户设置的上限下限值比较，一旦有某一个传感器采集到得实时参数在下限到上限的区间外，就触发相应执行部件。
考虑到温室内温度差、湿度差不会大于相应上限与下限之差（用户应尽量避免这种情况出现），所以若同时出现温度传感器1采集的实时值小于下限，温度传感器2采集的实时值大于上限的情况，触发故障报警。
4组传感器的传感器的放置如下图所示，其中1号组包含4种传感器，2〜4号组只包含温度、湿度传感器。
图2-3传感器组放置示意图
当实际温度低于目标下限，控制保温幕展开，加温设备开启，循环风设备开启；当实际温度高于目标上限，控制湿帘系统开启，遮阳幕展开，循环风设备开启。
当实际湿度低于目标下限，控制湿帘系统开启，循环风开启；当实际湿度大于目标上限，控制通风风机开启，侧窗开启。
当实际C02浓度低于目标值下限，打开C02补气装置和循环风设备；当实际C02浓度高于目标值上限，打开通风设备和循环风设备。
当实际光照度低于目标值下限，打开补光灯；当实际光照度高于目标值上限，展开遮阳幕。
另外由于PLC检测系统反应灵敏，能够迅速反应实际环境值的变化。
当环境实际值在上限、下限值附近扰动时，PLC会频繁发出开关指令，造成执行部件的频繁动作，会减少执行部件的使用寿命，并且由于温室环境的时延特性，也不需要对执行部件进行即时控制，所以在程序中加入延时模块，并且根据实际情况修改延时的长短，以优化控制的效果［13］。
（2）手动控制
手动模式则是通过点击组态王手动控制画面中的开窗、关窗，打开C02补气阀、关闭C02补气阀，打开通风电机、关闭通风电机等模拟开关，从而控制这些执行部件来改变环境参数，达到手动控制的目的。
系统结构与技术手段
系统采用安装有北京亚控公司生产的组态王6.55的计算机作为上位机，通过串行通信接口与下位机PLC进行通信，采集温室当前环境参数，进而根据控制方案通过输出接口对执行机构进行控制。
系统还具有手动/自动的切换功能，当需要时直接通过手动开关控制执行机构，使系统更具可靠性。
通过系统结构可知，需要用到温度、湿度、C02浓度、光照强度4种传感器，并设计信号变送电路；对PLC编程进行数据采集和控制执行机构；通过组态王软件开发人机交互界面，对环境参数和执行机构状态进行显示，进行手动控制等。
总结起来需要用到得技术有，传感器电路设计、PLC硬件连接和软件编程、组态王开发。
PLC和组态软件简介
PLC的组成
PLC性能根据其种类而异，但是在硬件组成上大致相同如图2-6所示:
图2-6PLC的硬件设备组成
13
CPU是直接决定PLC基本性能的最核心部件，它采用了PLC独特的循环扫描方式，在操作系统的控制下，不断重复输入采样、执行用户程序、通信处理、内部诊断、输出刷新扫描循环。
PLC的存储器用于存储程序和程序执行时的中间状态与信息。
输入接口的主要作用是完成外部信号到PLC内部信号的转换。
输出接口的主要作用是完成PLC内部信号到外部信号的转换。
输入输出接口电路的形式根据输入输出信号的类型的不同，可以选择不同类型的输入输出模块，以实现PLC与不同现场输入输出信号之间的连接。
通信接口的主要作用是实现PLC与外部设备之前的数据交换，最基本的有USB、RS-232、RS-422/RS-485等标准串行接口。
PLC的输入电源有交流输入和直流输入两种基本形式。
PLC的软件组成总体上可分为系统程序和应用程序两大部分oPLC系统程序是指控制PLC自身运行的控制程序，主要由管理程序、指令译码程序、标准程序块等部分组成。
应用程序是指PLC用户根据各种控制要求与控制条件编制的设备控制程序。
PLC的工作原理
由于操作系统和系统软件之间的差异,PLC的工作过程与通用计算机有很大的不同。
PLC的主要工作过程可以分为输入采样、执行程序、通信处理、CPU诊断、输出刷新5个扫描循环且不断重复。
扫描时有两个状态：
停止状态（STOP）和运行状态（RUN）。
处于停止状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容；处于运行状态时，则进行5个扫描循环的不断重复。
输入采样是PLC输入的集中批处理过程，读入的输入映像状态将一直保持到下次输入采样来到。
执行程序是PLC按用户程序指令的要求，结合PLC输入映像、输出映像及辅助继电器等的状态，完成相应的逻辑运算、算术运算、数据处理操。
CPU诊断是指CPU对PLC硬件、模块的连接状态、存储器状态、用户程序等进行的检查与监控。
通信处理是PLC自检结束后，需要进行通信请求检查，以决定PLC是否需要与编程器等外部设备或网络设备进行通信。
输出刷新时PLC的输出集中批处理过程。
CPU根据用户程序的处理结果，将输出暂存器的状态一次性输出到外部，控制执行部件动作。
PLC的工作过程如图2-7所示：
图2-7循环扫描工作过程
PLC的编程语言
PLC的编程语言主要五种，梯形图、顺序功能图、逻辑功能块图式图形编程语言，指令表和结构化文本是文字语言。
梯形图是一种沿用了继电器的触点、线圈、连线等图形与符号的编程语言，也是最为常用的PLC编程语言。
指令表是一种是用助记符的PLC编程语言。
逻辑功能块图是一种沿用了数字电子线路的逻辑门电路、触发器、连线等图形与符号的编程语言。
指令表程序是一种与汇编语言中的指令相似的助记符表达式组成的程序。
顺序功能图是一种新颖的、按照工艺流程图进行编程的编程语言。
组态王简介
（1）组态王的组成和特点
组态王由工程管理器、工程浏览器和运行系统三部分构成。
其中工程管理器是用于创建和管理工程；工程浏览器是工程的开发设计工具；运行系统是人机运行界面，把采集的数据通过与画面对象的关联显示于画面。
组态王的功能特点如下：
人机界面功能丰富；
通信能力强大；
报警和事件管理先进；
强大的网络和冗余功能[16]o
（2）组态王创建工程的一般步骤
创建工程，利用组态王工程创建向导，指定工程路径，输入工程名称、工程描述等，并设置新建工程为当前工程。
画面组态，组态王采用的是面对对象的编程技术，用户可以为每个工程建立多个画面，这些画面都是由组态王提供的类型丰富的图形组合而成。
定义变量，主要包括变量名，变量类型，如果变量类型是I/O型，则还需要选择连接设备，寄存器和数据类型。
动画连接，关联画面与变量，当变量的实际值发生改变时，画面也相应变化。
运行和调试，在组态王开发系统中通过菜单命令进入组态王运行系统。
显示出组态王实际运行时的画面，并与设计要求对比，如果不合要求，再进入开发系统修改，反复如此，优化界面直到满足要求[17][18]o
下位机硬软件设计
系统功能需求
温室监控系统主要起到的是监视和控制的作用，通过传感器将温度、湿度、C02浓度、光照强度的信息传输到主控制器PLC，主控制器根据控制方案控制执行部件动作，系统自动采集执行部件运行状况，对异常情况进行报警。
系统主要实现的功能有：
（1）实时检测温室中的温度、湿度、C02浓度、光照强度参数。
（2）实时显示温室执行部件的状态。
（3）在线设定温度、湿度等参数的上限下限值以及设备执行的延迟时间。
（4）各参数的实时趋势曲线、历史趋势曲线。
（5）实时数据库、历史数据报表的查询和打印功能。
（5）具有用户管理功能，不同操作人员有各自账号密码，有不同操作权限。
（6）自动控制功能，PLC输出控制信号控制执行部件，使环境参数在用户所设区间内。
（7）故障报警功能，当数据出错，执行部件状态显示出错时故障报警。
整个控制系统功能需要上位机下位机协同完成，有些功能需要通过上位机设计实现，比如数据存储、状态显示、打印查询、生成趋势曲线、用户管理等。
还有一些功能需要下位机来实现，比如监测数据的采集，控制信号的输入输出等。
本系统设计的流程图如图3-1所示，首先分析系统需求，然后对系统硬件进行设计，然后设计PLC程序，最后进行上位机设计和系统调试。
图3-1温室系统设计流程
PLC选型与I/O分配3.2.1PLC选型
PLC的选用是根据系统设计的具体要求，统计输入/输出（I/O）点数。
系统的I/O点数是根据所设计温室监控系统的输入、输出信号的实际需要，再加上10%〜15%的裕量来确定，从而选择合适的PLC[19]o系统所关注的温室参数有温度、湿度、CO2浓度、光照强度，因此也就有与之对应的执行部件。
本系统的开关量输入输出点估算如表3-1所示。
（1）开关量输入输出点估算
表3-1输入输出点估算
输入点估算
输出点估算
端口说明
端口数量
端口说明
端口数量
自动/手动开关切换
1
故障报警灯
1
故障报警消除
1
天窗/侧窗电机
5
天窗状态反馈
2
湿帘水泵
1
侧窗状态反馈
8
遮阳幕展开
1
湿帘水泵状态反馈
1
遮阳幕合拢
1
遮阳幕状态反馈
2
保温幕展开
1
保温幕状态反馈
2
保温幕合拢
1
加温系统状态反馈
1
加温系统
1
CO2补气阀状态反馈
1
CO2补气阀
1
补光灯状态反馈
1
补光灯
1
循环风风机状态反馈
1
循环风风机
1
通风风机状态反馈
1
通风风机
1
备用
2
备用
2
合计
24
合计
18
（2）用户程序存储容量估算
通常来讲估算程序存储容量按照式3-1,并加上20%〜30%的裕量来计算：
存储容量（字节）=开关量//。
点数X10+模拟量//。
通道数X100（3-1）
本系统同时采集温度1、湿度1、温度2、湿度2、温度3、湿度3、温度4、湿度4、CO2浓度、光照强度10路模拟量，合计43个开关量输入输出点，所以存储容量=1430B，再考虑裕量和其他因素，初步估计需要1600B。
（3）PLC选择
基于以上估算，本系统选择了日本三菱公司生产的FX2N-48MR-001型PLC，该型号PLC是AC电源，DC输入。
FX2N-48MR-001型PLC基本单元有24个输入端子，24个输出端子，可以满足开关量输入输出的需求，不再需要I/O扩展单元。
FX2N-48MR-001型PLC的外形如图3-2所示。
图3-2FX2N-48MR-001型PLC的外形图
模拟量输入模块
对于温度、湿度、C02浓度、光照强度4种环境参数，则需
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