55）基於PLC的蔬菜大棚

摘 要

溫室環境系統是一個非線性、時變、滯後複雜大系統，難以建立系統的數學模型，採用常規的控制方法難以獲得滿意的靜、動態性能。隨著計算機技術、感測技術和自動控制技術的不斷發展，溫室計算機環境控制系統的應用將由簡單的以數據採集處理和監測為主，逐步轉向以知識處理和應用為主。因此軟體系統的研製開發將不斷深入完善，其中以專家系統為主的智能管理系統已取得了不少研究成果，而且應用前景非常廣闊.本次設計控制系統硬體部分主要由 PLC和各類感測器構成，用來完成溫室內部溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度等室內參數的檢測與溫室前後窗、遮陽網驅動，噴霧水泵，降溫風機，C02補氣閥、補光燈等執行設備的控制。本系統操作簡單、工作穩定可靠、實用性強；並有良好的組態監控界面，能遠程控制。適應了當前現代化農業的需要，適用範圍廣，其經濟效益很好。

關鍵詞：智能溫室；可編程式控制制器；組態監控

1.1 設計目的和意義

我國的智能溫室系統絕大部分應用於農作物和蔬菜的種植，自從進入九十年代後，溫室、大棚方式的蔬菜種植開始興起，並且發展非常迅速。呈現出各種各樣的溫室、大棚。玻璃溫室以及鋼管塑料大棚這些符合國家標準裝配式的溫室在實際的栽培中僅佔到很少的比例，有人們用竹木自行修建大小棚由於造價低廉在農村得到了大範圍的應用，但由於修建簡陋只具備簡單的保溫能力，根本起不到調控水氣養分溫濕度的作用，在抵抗自然環境的能力上表現的極差。即便那些符合國家標準裝配式數的玻璃溫室和塑料大棚有的也缺乏配套的儀器和相應的調控設備，僅僅依靠單因子和經驗定性調控，所以，我國在智能溫室控制系統的智能化程度上表現的非常低。除此之外，我國設施農業目前還存在著諸如土地利用率低、盲目引進溫室、設施結構不合理、能源浪費嚴重、運營管理費用高、管理技術水平低、勞動生產率低及單位面積產量低等諸多問題。

中國農業想要發展，就必須走現代化農業這條道路。隨著國民經濟的迅速發展，農業的研究和應用技術越來越受到重視，特別是溫室大棚已經成為高效農業的一個廣受關注的熱點。要實現現代化農業生產就必須檢測和控制農業生產環境中的一些重要參數。在實際的農業種植中，溫室環境在生物的發育、生長、能量交換中起到關鍵的作用。要實現溫室自動化的生產管理，就必須通過對農作物的生長環境的監測數據進行分析，並結合作物生長發育規律，從而自動調控環境條件，從而使作物達到優質、高產、高效的栽培目的。實際上生產生活中，以蔬菜大棚為代表的現代農業設施在現代化農業生產中發揮著巨大的作用。

現階段隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產效率，對大棚的自動化程度要求也越來越高。隨著社會的進步和科學的發展，我國設施農業將向著地域化、節能化、專業化發展，向著高科技、自動化、機械化、規模化、產業化的工廠型農業發展，為社會提供更加豐富的無污染、安全、優質的綠色健康食品。所以，進行溫室大棚溫度PLC 控制系統的研究設計具有重要的現實意義。本課題通過對PLC可編程式控制制器、組態軟體、感測器、數據採集系統的學習與研究，完成了利用西門子PLC與組態王軟體組成溫室大棚溫度監控系統。

1.2 國內外研究現狀

我國現代溫室技術起步較晚，80年代以來，政府大力發展以塑料大棚、節能日光溫室為主的設施農業，促進了農村經濟的發展和緩和了蔬菜季節性短缺矛盾。其中能充分利用太陽光熱資源、節約燃煤、減少環境污染的日光溫室為我國所特有。其中自日本、荷蘭、以色列、美國等國家引進的溫室面積達140公頃。最初，我國的現代溫室技術主要從國外引進，然而近幾年從國外引進的溫室大部分經營虧損，目前已處於停產狀態或僅僅利用其玻璃的外殼。隨著溫室面積的不斷增加，人們越來越重視國產化的溫室建造。目前，在構成化大型溫室的覆蓋材料以及骨架生產上基本已經實現了國產化，但在構成自能化的系統上我國與先進國家相比在計算機管理系統以及內部的配套設備等還有一大截距離，這是我國在發展智能溫室系統的道路上要面對的主要問題。

隨著智能溫室技術的不斷發展，我國在這方面也取得了突飛猛進的發展，不僅在智能控制理論上進行了研究和探索，同時還在該系統中引進了比較先進的控制演算法，結合當前流行的計算機網路構成了網路化、智能化、一體化的控制系統。

現代的智能溫室控制系統中主要的構建有：頂部通風窗、側面通風窗、內外遮陽簾幕、風扇、噴霧器、光照補光燈、CO2發生器、加熱泵以及澆灌設備。控制器綜合調節各個機構，使系統在運行中節約能源的同時保證室內氣候滿足植物生長需求。使用的控制器可以有很多選擇，如單片機、工控機、PLC、通用PC機等。

在現代化智能溫室控制技術上西方發達國家起步比較早。1949年，隨著工業技術的飛速發展，第一個智能溫室在美國建成，展開了對農作物的一系列研究，其中包括自然環境的抗禦能力以及對自然環境的適應能力。二十世紀七十年代，應用於生產的高級智能化大棚開始大量普及，加拿大首先建成了花卉生產基地，八十年代後德國、奧地利、荷蘭、俄羅斯、法國等國家智能溫室工業技術迅速發展，溫室設施不僅用於農作物，同時在花卉、水產養殖業、園藝作物生產等上得到了廣泛的應用。

1.3 設計內容

可編程式控制制器(PLC)是集計算機技術、自動控制技術和通信技術為一體的新型自動控制裝置。其性能優越，已被廣泛應用於工業控制的各個領域，並已成為工業自動化的三大支柱(PLC、工業機器人、CAD/CAM)之一。PLC的應用已成為一個世界潮流，在不久的將來PLC技術在我國將得到更全面的推廣和應用。

本論文研究的是PLC技術在溫室控制系統上的應用。從整體上分析和研究了控制系統的電路設計、硬體設計、軟體設計，控制對象數學模型的建立、控制演算法的選擇和參數的整定，人機界面的設計等。

本次研究內容為溫室大棚溫度PLC控制系統設計。溫室大棚的作用是改變植物的生長因子，從而避免四季的氣候變化和惡劣氣候對植物生長的不良影響，為植物提供一個良好的生長環境。在植物的生長過程中，溫室中的溫度，光照，濕度，CO2濃度等環境參數對植物的生長起著重要作用。本次研究採用可編程式控制制器PLC作為控制核心。通過感測器檢測溫室中的環境參數，經變送轉換為標準電流信號（4～20mA）後送入CP1H的模擬量輸入模塊CP1W-AD041，PLC通過分析處理，輸出開關量，通過驅動電路控制通風扇、遮陽簾、風機等多種執行機構。

.1系統的設計任務

本智能溫室控制系統就是依據室內裝設的溫度感測器、光照感測器、CO2感測器等採集或觀測的溫室內的溫度、光照強度、CO2濃度等環境參數信息，通過控制設備對溫室通風窗、加熱器、發光體、遮陽簾、CO2添加器等執行機構的控制，設計採用的一種分散式控制系統結構, 系統為由上位計算機和CP1H型PLC構成的2級監控系統上位機採用組態王監控軟體，可以監控溫室大棚中的溫度、濕度、光照、CO2濃度等參數並進行實時查詢和歷史數據的查詢,並根據溫室參數給PLC發送指令,以控制相應的執行機構,從而調節相應的參數維持在農作物生長的最佳狀態,必要和允許時也可以進行控制參數的修改和緊急命令等的輸入等。下位機是以PLC為核心的控制單元,負責溫室參數的信息採集,並根據上位機指令對調控設備進行控制。對溫室環境環境因素進行調節控制以達到栽培作物生長發育的需要，為作物生長發育提供最適宜的生態環境，以大幅度提高作物的產量和品質。

.2系統的控制方案

在溫室大棚中，上述控制任務的實現需要有一套完善的硬、軟體溫室系統進行控制。該溫室大棚控制系統以PLC為控制中心，採用感測器對溫室溫度、光照、二氧化碳濃度等環境因素進行測量，並將結果送到PLC中。由PLC對結果進行處理，然後調控各設備對環境因子進行補嘗。

考慮到實際生產生活中的安全性與可靠性，本控制系統設有手動、自動兩種工作模式，自動方式是指周期性地進行PLC控制的方式；而手動方式則是指在出現應急情況等一些突發事件時，通過手動操作控制執行器件的工作。自動工作中，當溫室的光照低於設定值時，系統打開遮陽簾或開啟發光體；當溫室的光照高於設定值時，系統關閉遮陽簾或發光體。當溫室的二氧化碳濃度低於設定值，系統開啟二氧化碳發生器。但由於各環境參數之間的禍合關係，某一環控設備的啟閉會對多個環境因子產生影響，如打開噴霧泵泵不僅使溫室內的濕度增大，還使溫室內的溫度降低;需要增溫增濕時，採用打開供熱泵的方法，一方面溫度增加了，但同時濕度也降低了，給溫度方面的控制帶來了負面影響。針對這些情況，我們採取了以下相應的溫濕聯合控制方案。

5 結 論

本次設計旨在利用歐姆龍CP1HPLC系列PLC系統設計，熟悉掌握好PLC中基本的軟組件使用方法和作用，按照選題利用定時器和繼電器特點進行編程， 實現蔬菜大棚智能溫室控制系統的設計。熟悉掌握好CX-ONE編程軟體和組態王軟體的使用和調試系統，當程序編好後，利用這兩個模擬軟體進行調試，根據功能要求使其一步步實現。其中每個程序都進行反覆調試，直至實現相應的功能。如果調試沒有成功再校驗程序有沒有輸入錯誤或者檢查程序是否編輯錯誤，就這樣周而復始直至程序調試成功。

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