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基于PLC的温室大棚控制
摘要
温室已成为当今时代反季节作物培育的主要场所，随着科技的发展，温室技术已日臻成熟。
同时，温室技术合理利用农业资源、保护生态环境、提高农产品产量及在国际市场竞争力的这一特性，深受广大反季节作物培育者的喜爱。
如何能使温室实现全自动化控制，减少人力的参与，已成为温室技术的重要研究课题之一。
随着过程控制技术、自动检测技术、通信技术的发展，将工业上较为成熟的、先进的控制方法和管理手段引入到农业的生产设施中，实施有效的温室环境控制，已成为现阶段温室技术的主要研究方向。
本文介绍了温室工作环境的控制原理，讨论了在温室控制中引入PLC技术构成分布式控制系统的方法,详细介绍了系统的特点、组成、硬件设计、实时动态监控系统及通信问题。
分布式的控制结构,使各子系统相对独立,管理与控制功能分开,易于实现群控化管理,提高了系统的可靠性,且易于扩展。
关键词:
温室大棚;PLC;集散控制；智能控制
ABSTRACT
Greenhousehasbecomethemainplaceintoday’seraanti-seasoncropcultivation.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thegreenhousebecomesmoreandmoremature.Atthesametime,greenhouseutilizingagriculturalresources,protectingtheenvironment,improvingagriculturalproductionandthecharacteristicsofthecompetitivenessintheinternationalmarket,wasdeeplylovedbythemajorityofanti-seasoncropbreeders.Howtomakethegreenhousefullyautomatedcontrolandreducehumaninvolvement,hasbecomeanimportantresearchtopicingreenhousetechnology.Withthedevelopmentoftheprocesscontroltechnology,automaticdetectiontechnologyandthecommunicationtechnology,advancedcontrolmethodsandmanagementtoolsintroducedintheindustrytoagricultureproductionfacilities,theimplementationofeffectivecontrolofthegreenhouseenvironment,greenhousetechnologyhasbecomeamainresearchdirectionofpresentgreenhousetechnology.
Thispaperintroducesthecontrolprincipleofgreenhouseenvironment,discussestheintroductionofPLCtechnologyinthegreenhousecontrolsystemofdistributedcontrolsystem,detailedintroducesthesystemcomposition,characteristics,hardwaredesign,real-timedynamicmonitoringsystemandcommunicationproblems.Distributedcontrolstructure,makeeachsubsystemarerelativelyindependentandseparatemanagementandcontrolfunction,easytoimplementmanagement,thegroupcontrol,improvethereliabilityofthesystem,andeasytoextend.
Keywords:
Greenhouse;PLC;distributedcontrol;intelligentcontrol
1绪论
1.1研究背景
随着科技水平的迅速发展，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。
在实际的农业种植中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换等有着密切的关系。
现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。
作为实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，环境测控可通过对监测数据的分析，并结合作物生长发育规律，从而控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。
在实际上生产生活中，温室大棚在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。
我国现代温室技术起步较晚。
目前的栽培设施中，有国家标准的装配式温室大棚仅占设施栽培面积的少部分，大多数的农村仍采用自行建造的大小棚，只能起到一定的保温作用，根本谈不上对温光水气养分等环境条件的调控，抗自然环境的能力极差。
即使那些数量不多的装配式温室大棚也缺乏配套的调控设备和仪器，仅仅依靠经验和单因子定性调控，所以，我国设施栽培的智能化程度非常低。
西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。
80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化、智能化阶段。
目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。
1.2研究目的及意义
改革开放以来，我国的农业生产取得了可喜的成绩，但同时，我国农业发展中存在的问题也越来越凸现出来，如果这些问题得不到解决，将成为严重制约我国农业可持续发展的瓶颈。
首先是我国人口众多。
其次是资源短缺。
第三是我国农产品成本高，科技含量低，无法形成产业规模。
要解决这些问题，根本在于实现我国农业从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业转化。
农业环境综合控制作为农作物优质、高效、高产的手段，是农业现代化的重要标志，随着社会经济的发展，以温室为代表的设施农业将成为现代农业的发展主要方向之一，成为21世纪最有活力的农业新产业。
日光温室发展到今天，已由生产各种反季节蔬菜的生产设施，发展为日光温室园艺设施，进而发展为设施农业，已成为种植业、养殖业和水产业全面发展的新兴产业。
据统计，全国节能日光温室面积到2002年底已到达760万亩。
随着我国现代温室产业的快速发展，在温室产业的运营中暴露出了一些问题:
1）现代温室管理和种植的人才缺乏，温室种植技术落后，造成了现代温室的功能和优势不能充分发挥。
2）能源消耗大，以现代温室为代表的设施农业生产企业效益低下，导致温室产业出现了滑坡的现象。
3）不同地域的气候环境制约了进口大型温室适用性，温室不能周年运行。
4）计算机控制水平低。
目前国内温室计算机控制系统与国际选进技术存在很大差距，商用控制系统不能满足高效节能有效控制温室机构运行的要求。
1.3课题研究的主要内容
本论文研究的是基于PLC控制技术和MCGS组态技术的温室大棚设计，从整体上分析和研究了控制系统的电路设计、硬件设计、软件设计，控制对象的模型建立、控制算法的选择和参数的整定，组态方案的设计，完成了温室大棚智能控制系统设计。
1.4控制系统设计的初步方案
1.4.1温度的控制
与其他环境因子比较，温度是设施栽培中相对容易调节的环境因子。
室内温度的调节和控制包括保温、加温和降温3种。
（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。
（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。
1.4.2湿度的控制
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，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。
（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。
1.4.3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。
当湿度过小时，开启蒸发降温加湿装置。
而当温度过高需要启动蒸发降温执行机构时，必须先检测室内的相对湿度，只有湿度低于某一设定范围时，才能启动蒸发装置。
1.4.4二氧化碳浓度调节
大气中二氧化碳平均浓度一般为0.03%，变幅较小。
在冬春设施蔬菜生产中，为了保温，设施经常处于密闭状态，缺少内外气体交换，二氧化碳浓度变幅较大，中午设施内由于光合作用，二氧化碳浓度下降，接近甚至低于补偿点，二氧化碳处于亏缺状态应当及时的补充二氧化碳。
补充二氧化碳的方法很多，常用的主要有三种：
（1）燃烧法；
（2）化学反应法（目前在我国的设施栽培中运用较多）；（3）施用颗粒有机生物气肥法。
1.5系统设计的总体方案
1.5.1温室控制系统
温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器等采集和观测的温室内外的温度、湿度、二氧化碳浓度等环境参数信息，通过控制设备对温室保温被、通风窗、喷滴灌等驱动、执行机构的控制，对温室环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合事宜的生态环境，以大幅度提高作物的产量和品质。
总体结构示意图如图1所示：
图1温室控制系统总体结构示意图
1.5.2控制原则
（1）以时间为基准的变温管理:
根据一天中时间的变化实行变温管理,根据作物生长的需要将一天分成四个时间段,四个时间段中根据不同的控温要求对温室进行控制。
一天中四个时间段中的分段方法用户可以灵活的更改，而且四个时间段中的温度设定用户也可以设定修改。
（2）以种植的作物为基准的变控管理：
可能每个阶段用户种植的作物不同，所需的环境参数也不同，每个阶段的各个参数都可以依据作物所需的生长环境进行灵活的设定。
1.5.3控制方案
本系统采用自动与手动互相切换控制两种方式来实现对温室的控制,提高设备运行的可靠性。
在运行的时候可以通过按钮对这两种控制方式进行切换。
（1）手动控制模式手动控制简单可靠，有继电器、接触器、按钮、限位开关等电器元件组成。
（2）自动控制模式通过传感器对环境因子进行监测,并对其设定上限和下限值,当检测到某一值超过设定值,便发出信号自动对驱动设备进行开启和关闭,从而使温室环境因子控制在设定的范围内。
可以大大节约劳动力降低劳动者的劳动强度。
2控制系统的硬件设施
2.1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。
（1）温度传感器本系统采用比较方便的AD590温度传感器,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。
具体的测量电路如图2所示：
图2温度测量电路
（2）湿度传感器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。
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。
基于以上原因，本设计选用电容式湿度传感器HS1101。
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。
具体的测量电路如图3所示：
图3湿度测量电路
（3）二氧化碳传感器在二氧化碳浓度测量上采用响应速度快、测量精度高、技术成熟的红外二氧化碳气体传感器6004，并配合了一系列有效的补偿措施。
为了增加系统的通用性、灵活性，本系统硬、软件都采用了模块化结构，根据应用场合不同而选用不同的配置。
该系统可广泛地应用于诸如温室大棚、蔬菜储藏以及其它农业生产和科研领域，并且由于系统的灵活性和模块化，可以方便地满足其它场合的需要。
2.2电气控制系统的设计
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。
主控系统结构如图4所示：
图4主控系统结构
2.2.1PLC的选择、安装及相应要求
（1）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。
S7系列可编程控制器包括S7-200系列、S7-300系列和S7-400系列。
其功能强大，分别应用于小型、中型和大型自动化系统。
本控制系统采用德国西门子S7-200PLC。
S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型整体式结构可编程序控制器。
S7-200系列PLC广泛应用于集散自动化系统，使用范围覆盖机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等自动化控制领域，既可用于继电器简单控制的更新换代，又可实现复杂的自动化控制。
因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226XM等6种不同型号。
其中CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，具有13K字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
此控制系统的I/O点数为14输入9输出，在既能实现该系统控制要求，又能满足以后发展的前提下，选用的S7-200系列的CPU226。
（2）PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须附加通讯模块。
（3）相应功能要求
一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可以满足。
对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A/D和D/A转换单元，具有加减算术运算数据传送功能的增强型低档PLC。
对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信互联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，可选用中档或高档PLC。
但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
（4）响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。
如果要跨范围使用PLC，或者某些功能活信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选具有高速I/O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
2.2.2执行设施及电气控制设计
（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，如风机、水泵等。
本设计中包括的环境调控系统有:
外遮阳幕系统、保温被系统、钠灯补光系统、前后窗自然通风系统、湿帘水泵系统、环流风机系统、热水采暖系统、喷灌系统。
喷灌系统是一个相对独立的系统，是温室自动控制系统的一个重要组成部分，从安全角度考虑设计为灌溉提醒从而实现自动喷灌。
为了保证执行机构的安全，各执行部件的限位开关的常闭接点都连接在电机电路中，用常开接点作为下位机的输入信号，达到双保险的目的。
（2）电气控制设计
图5温室控制子系统组成
2.3系统主电路设计
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。
图6电气主回路
系统硬件主电路如图6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、反转和停止来完成响应结构的开启与闭合，因此它们的工作主电路相似。
环流电机、热风机、湿帘风机、微雾加湿器、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；QFO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，对电机起端详和过载保护的作用。
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/关设备的起停控制。
2.4系统控制电路设计
（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
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7天窗控制电路原理图
天窗控制电路原理图如图7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。
（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8热风机控制电路原理图
热风机控制电路原理图如图8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得电时，其常开触点闭合，热风机运行。
3PLC控制系统的软件设计
3.1控制系统的程序设计
3.1.1程序设计思路
PLC部分用梯形图编辑主控程序，设计为“手动”、“自动”两种工作方式，根据从单片机送来的实测参数与预先设定值进行自动控制，驱动执行机构。
当PLC处于“离线”工作方式时，主要通过EPROM内存储的程序进行输出控制，控制策略比较简单。
下位机软件在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，本系统涉及的电气设备中:
保温被在早晨打开，夜间收拢;室内环流风机定时打开和关闭（使用湿帘时禁用）;湿帘风机与湿帘水泵为同时控制;前后开窗互锁。
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、光照强度、CO2浓度值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，如打开湿帘水泵不仅使温室内的湿度增大，还使温室内的温度降低;当温室内的CO2浓度较低需通风换气时，也使温室内的温度降低;需要增温增湿时，采用打开供热水泵的方法，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）根据时间的不同（昼夜）、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3级优先级，即温度、湿度>光照强度>CO2浓度。
（2）温度、湿度采用联合控制策略，策略如表1。
（3）考虑意外情况的影响，如湿度低于湿度下限时，采用报警输出的方式，由人工操作喷灌机给作物喷灌。
（空气湿度高低反应土壤水分的多少）。
温湿度、光照强度、CO2浓度的控制策略如下:
光照强度>光强上限时，打开遮阳幕;
光照强度<光照下限时，打开补光钠灯；
CO2浓度>浓度上限或者CO2浓度<浓度下限时，开窗通风换气。
表1温湿度联合控制策略
湿度
温度
前后窗
后窗风机
湿帘水泵、风机
遮阳幕
供热泵
报警
高
高
开
开
关
关（卷起）
关
中
开
关
关
关
关
低
关
关
关
关
开
中
高
关
关
开
关
关
中
关
关
关
关
关
低
关
关
关
关
开
低
高
关
关
开
开（放开）
关
喷灌提醒
中
开
关
关
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