基于PLC苗圃大棚自动控制系统设计
基于PLC苗圃大棚自动控制系统设计
1概述
1.1国内外温室控制技术的研究现状
现代温室中常见的能自动控制的调控机构有:顶部通风窗、侧面通风窗、外遮阳帘幕、内遮阳帘幕、轴流通风机、降温湿帘、人工补光灯、二氧化碳施肥器、加热设备、喷雾系统及熏蒸设备。控制器综合调节各个机构，使系统在运行中节约能源的同时保证室内气候满足植物生长需求。使用的控制器可以有很多选择，如单片机、工控机、PLC、通用PC机等。控制器之间可以通过局域网或现场总线进行信息交换。国内外研究学者对控制系统和控制算法做了大量的研究。
西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。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。温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。
我国温室产业起步比较晚。自70年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了40套左右的现代化温室成套设备。虽然这些温室技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在较严重问题，主要有以下几点:引进价格高，运行经济效益差;技术要求过高，要求经营者既要懂农业技术，熟悉英文，还要掌握电脑操作和机械运营和维护;运营模式没有与中国的实际结合起来，不
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适合于我国的气候特征。所以，研究开发符合我国国情、产生明显经济效益并适用于大范围推广应用的自动控制温室系统己经迫在眉睫。基于以上的种种原因，我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度、光照等单因子控制技术的研究，并逐步推出既适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件要求的温室控制系统。
1.2研究的意义
国家“十五”重点科技攻关内容“工厂化农业关键技术研究与示范”尽管以结题。为了推广温室技术，国家农委强调的在每一个地区都要建立温室示范工程，但每一个地区的气候条件都不一样，其控制模型和控制算法都不可能一样，因此，智能温室环境控制技术仍有很多问题需要解决。
该智能温室的先进控制模式适合本地区情况的，综合考虑植物生长和产量、节能、环境控制、经济效益等多方面因素，继续为本地区的种植业的发展的起到了模范作用。
智能温室控制系统将实现对农业生产的准确管理。通过控制器实时监测温室内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度值，使对作物 生长环境监测与普通简单温度、湿度计测量相比，更准确、更可靠。人们能够通过这些监测手段实时准确地了解情况，完成相关设备调节，避免了监测误差和监测滞后带来的损失。
智能温室将自动化技术引入了农业生产，为农业科研活动提供了有利的科学手段。通过参数设置及自动数据记录，为农艺工作者完成相关农艺科学研究，了解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方法的改进，都提供了简便、准确的手段。
因此，研究该课题具有深远的理论意义和重大的现实意义。
2 本系统研究方案
2.1控制系统设计目标
温室的作用是用来改变植物的生长环境 ,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良好条件。温室一般以采光和覆盖材料作为主要结构材料 ,它可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物 ,从而达到对农作物调节产期、促进生长发育、防治病虫害及提高产量的目的。温室环境指的是作物在地面上的生长空间 ,它是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等因素构成的。温室控制主要是控制温室内的温度、湿度、通风与光照。节约了水源，温度调节主要有遮阴帘风机的动作来解决。
温室控制系统是基于室内和室外的温度，湿度，光传感器，二氧化碳传感器，室外气象站收集或观察的室内和室外的温度，湿度，光照强度温室，CO2浓度的信息环境参数，控制温室保温被，开窗通风，遮阳，通过温室环境控制喷滴灌等
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驱动/执行器，气候和灌溉和施肥控制以满足作物生长的需要，生态环境的作物生长和发展提供最适合的，很大的提高了苗圃的产量和质量。其示意图如下图2—1所示：
遮阳帘顶窗顶窗环流风机补光灯补光灯湿帘温湿度传感器侧窗侧窗计算机控制器Co2传感器C锅炉热水片湿帘泵
图2—1温室控制系统示意图．
2.2控制方案
从控制器类型来划分，主要有以下几种温室自动控制系统:
1. 基于单片机的温室检测系统。
温度传感器
显示
A|湿度传感器单 D片转 机
光照传感器CO2传感器换报警图2-2基于单片机检测原理图
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2.基于PLC的温室自动控制系统。
温度传感器 A|执湿度传感器D行 PLC转机 光照传感器换构 CO2传感器
图2-3基于PLC的温室自动控制系统原理图
天窗电机风机系统CO2罐补光设备根据现在建造的日光温室，提出了如下系统研究方案：
采用上位机计算机和可编程控制器组成分布式智能温室控制系统的硬件部分，即两级监控系统。上级控制系统负责对智能温室进行监控和参数的设定。下级是以PLC为核心的控制单元，负责温室参数的信息采集，系统逻辑运算，并对调控设备进行控制。
PLC在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在生产、调试、应用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳定、可靠性高。
采用PLC成本虽然比单片机高，但要考虑到稳定性、可维护性等综合因素，采用PLC比单片机具有较高的性价比。而且当上位机发生故障时，PLC控制器可以自行实现数据采集、显示和输出等控制，不影响温室的自动运行。
要依据苗圃的最适生长环境来制定温室环境，将最重要的环境因素如温室内空气温度、湿度、光照、二氧化碳浓度作为基本监测和控制项目, 这样避免了太复杂的控制方案。根据温室本身的特点设置了如图2 - 1所示控制系统的总体设计方案。
3系统硬件设计
3.1系统的硬件组成
为了实现智能温室的环境监控，本设计建立了温室环境控制参数的长时间在线计算机自动控制系统。实现了温室内温度、湿度、C02浓度、光照强度等参数的长期监测。并可根据智能温室温湿度的需求，对天窗、侧窗、降温湿风扇、风机、湿帘、内外遮阳网等设备自动控制。结构图如下图3-1所示：
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