基于PLC的溫室控制系統(tǒng)的設計

基于PLC的溫室控制系統(tǒng)的設計,基于PLC的溫室控制系統(tǒng)的設計,基于,plc,溫室,控制系統(tǒng),設計 基于PLC的溫室控制系統(tǒng)的設計  摘 要 溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個非線性、時變、滯后復雜大系統(tǒng)，難以建立系統(tǒng)的數學模型，采用常規(guī)的控制方法難以獲得滿意的靜、動態(tài)性能。本文通過對農用溫室特點的分析，提出采用PLC來實現溫室主要參數控制的方法，該方法可同時對溫室內的溫度、濕度、光照度、CO2濃度進行有效的控制。本文闡述以PLC為核心的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)、智能控制單元和執(zhí)行機構三部分構成，信息采集系統(tǒng)利用FX2N—8AD模擬模塊完成環(huán)境參數的采集和輸入；主控單元FX2—32MT將傳感器檢測值與設定的溫室參數值進行比較，輸出相應的控制信號；執(zhí)行機構根據控制信號，帶動電機、電磁閥、風機等設備，以實現對溫室的智能控制。以PLC為核心的溫室計算機監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要特點是：PLC的接口線路簡單，外圍元器件較少，整個系統(tǒng)運行可靠，可以保證溫室的控制要求。 關鍵詞：智能溫室；PLC；溫室監(jiān)控；FX2N—8AD；  Abstract The greenhouse environment system is a misalignment，time—variable，the lag complex large．scale system．establishes system’S mathematical model with difficulty,uses conventional the control method to obtain satisfaction with difficulty the static state．the dynamic property．This article analyses the characteristics of greenhouse, we used PLC to realize the main parameter in greenhouse controlling process, this can control the temperature, humidity, light intensity and CO2 concentration in the greenhouse for effectively.This article uses PLC for the core of the control system, the system contained information collection system, smart control unit and implementation institutions, the information collection system used FX2N-8AD simulation module to completed the environment parameter of collection and import; the main control unit FX2-32MT will compare the detected date with the set date of the greenhouse , output corresponding control signals; implementation institutions controls the motor according to the signal ,as same as electromagnetic valve, and wind machine, equipment, to realize the smart control of the greenhouse.The features of the control system of greenhouse with PLC are, less components reliable and can meet the requirements of this system. Keywords : Intelligent greenhouse；PLC; Greenhouse control;FX2N — 8AD 目 錄 摘 要 2 Abstract 3 第一章 前言 6 1.1 國外溫室自動化調控系統(tǒng)發(fā)展狀況 6 1.2 國內溫室自動化調控系統(tǒng)發(fā)展狀況 7 1.3 研究的目的及意義 8 第二章 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設計 9 2.1作物對環(huán)境參數要求分析 9 2.1.1作物對溫度的要求 9 2.1.2作物對濕度的要求 9 2.1.3作物對光照度的要求 10 2.1.4作物對C02濃度的要求 10 2.2 溫室內環(huán)境參數特點 11 2.2.1 溫室內溫度變化規(guī)律 11 2.2.2 溫室內濕度變化規(guī)律 11 2.2.3 溫室內光照度變化規(guī)律 12 2.2.4 溫室內C02濃度變化規(guī)律 12 2.3 總體設計思路 12 2.4 溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體圖 14 2.5 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的要求 15 2.5.1 控制要求 15 2.5.2 用戶I/O設備 15 2.6 溫室監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計 17 2.6.1 主回路設計 17 2.6.2 控制回路設計 18 第三章 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的元器件選擇及軟件設計 20 3.1 傳感變送器的選用 21 3.2 模擬量輸入模塊的選擇 22 3.2.1 概述 22 3.2.2FX2N—8AD的電路接線 22 3.2.3 緩沖存儲器的分配（BFM) 23 3.2.4 數據的采樣與轉 24 3.2.5 讀取模擬量輸入模塊的方法 25 3.3 時間控制 26 3.4 溫度控制 28 3.4.1 升溫和降溫的元器件選擇 28 3.4.2 溫度控制系統(tǒng)的軟件設計 29 3.5 濕度控制 30 3.5.1 加濕和除濕的元器件選擇 30 3.5.2 濕度控制系統(tǒng)的軟件設計 31 3.6 光照度控制 31 3.6.1 補光與遮光的元器件選擇 31 3.6.2 光照度控制系統(tǒng)的軟件設計 32 3.7 C02濃度控制 33 3.7.1 增加C02的元器件選擇 33 3.7.2 C02濃度控制系統(tǒng)的軟件設計 33 第四章 溫室控制系統(tǒng)外部接線圖 35 第五章 結論 36 5.1 工作總結 36 5.2 改進的思路 36 參考文獻 37 致 謝 38 附錄 39 附錄2 ：指令表 42 第一章 前言 設施農業(yè)是通過人工、機械或智能化技術，有效地調控設施內光照、溫度、濕度、室內CO2濃度、土壤水分與營養(yǎng)等環(huán)境要素，按照栽培的要求為各種栽 培作物、花卉及林木果樹提供適宜乃至最佳的環(huán)境，在一定程度上擺脫對自然環(huán)境的依賴，以達到增加產量、改善品質的目的[1]。設施農業(yè)包含有塑料大棚、溫室和工廠化栽培[2]。此次我們將溫室作為主要的研究對象。 溫室設施的關鍵技術是環(huán)境調控技術與自動化技術。一方面是環(huán)境調控技術,人們用溫室創(chuàng)造作物生育的適宜條件，主要包括室內溫度、濕度的自動調節(jié)，光照度與CO2濃度的自動調節(jié)、通風降濕等方面的調節(jié)與控制方法。其方式有兩種：一種為單因子控制：分別對溫度、濕度、光照、CO2濃度等因子進行調控，主要是土壤與空氣的溫度與濕度[3]。另一種是復因子調控：用計算機調控室內多種環(huán)境因子，首先要將各種不同作物不同生育階段所需的綜合環(huán)境要素輸入計算機中，用一定的計算機控制程序軟件，當溫室中某一環(huán)境要素發(fā)生變化時，其他多項要素能自動做出相應的反應，并進行修正與調整。一般以光照為始變條件，溫度、濕度、濃度為隨變條件，使這幾個主要環(huán)境要素始終處在最佳的匹配狀態(tài)。另一方面是溫室內部生產作業(yè)與管理的自動化，溫室內的作業(yè)項目有耕耘、開溝作畦、施肥、育苗、定植、管理等，作業(yè)項目大，勞動強度大，而且設施內經常處于高溫、高濕、通風不良的作業(yè)環(huán)境，因此非常需要發(fā)展自動化[4]。 1.1 國外溫室自動化調控系統(tǒng)發(fā)展狀況 國外溫室主要是屬于現代化溫室階段，至今已形成有成套技術、完整的設備和生產規(guī)范，并在向高層次、高科技和高自動化、智能化方面發(fā)展，將形成 完全擺脫自然的全新技術體系[5]。荷蘭、以色列、美國、韓國、西班牙、意大利、法國、加拿大等國是設施農業(yè)十分發(fā)達的國家，其設施設備標準化程度、種苗技術及規(guī)范化栽培技術、植物保護及采后加工商品化技術、新型覆蓋材料開發(fā)與應用技術、設施綜合環(huán)境調控及農業(yè)機械化技術等有較高的水平，居世界領先地位。 荷蘭溫室發(fā)展較早，由于地處高緯度地區(qū)，日照短，平均氣溫較低，為了盡最大程度吸收太陽光，荷蘭溫室以玻璃溫室為主，主要種植蔬菜和花卉。荷蘭從20世紀80年代以來就大規(guī)模發(fā)展配套設施，并全面開發(fā)溫室計算機自動控制系統(tǒng)。荷蘭的自動化配套溫室設施出口額占世界貿易的80%，在世界市場上享有很高的聲譽[6]。但是荷蘭溫室是一種高耗能產業(yè)，全國每年溫室消耗天然氣達42x108hm2，占全國天然氣消耗量的12.6%，占全國總能量消耗的6.1%是一個能源、資金、技術密集，髙產值、高效益的農業(yè)支柱產業(yè)[7]。 以色列的設施栽培發(fā)展很快，其溫室也大多是塑料溫室，但其溫室結構非常先進，可以根據光線強度的不同自動進行調節(jié)和轉移，受其干旱、沙漠氣候和地理因素的影響，以色列對農作物的灌溉采用了現代化的滴灌和微噴灌系統(tǒng)，其節(jié)水灌溉技術己達到國際先進水平。該國的大型塑料溫室采用全自動控制，充分利用光熱資源的優(yōu)勢和節(jié)水灌溉技術，基本上實現了一年四季生產。設施內的灌溉目前已釆用電腦控制和電腦水質監(jiān)測，施肥裝置與滴灌裝置系統(tǒng)結合起來而形成灌溉施肥系統(tǒng)，根據設定的土壤水分和養(yǎng)分而自動進行灌溉，營養(yǎng)液除對N、P、K有準確的定量參數外，對某些微量元素的施用也有比較合理的參數，設施內C02供給系統(tǒng)不僅能準確定量，而且施入均勻[8]。 由此可見，溫室控制技術沿著手動、自動、智能化控制的發(fā)展進程，向著越來越先進、功能越來越完備的方向發(fā)展。溫室環(huán)境控制朝著基于作物生長模型、溫室綜合環(huán)境因子分析模型和農業(yè)專家系統(tǒng)的溫室信息自動采集及智能控制趨勢發(fā)展。 1.2 國內溫室自動化調控系統(tǒng)發(fā)展狀況 我國對現代化溫室的研究起步較晚，始于上世紀80年代。 80年代以來，我國陸續(xù)從荷蘭、以色列等國引進了許多先進的現代化溫室，在引進發(fā)達國家高科技溫室生產技術的基礎上，加大消化吸引的力度，自行設計建造了一些符合我國國情的溫室，如華北型連棟塑料溫室、上海智能型溫室、華南型溫室等大型現代化溫室。除了研究溫室的外形構造外，我國農業(yè)科研人員還進行了內部溫度、濕度、光照度和C02濃度等環(huán)境因子控制技術的研究。 90年代末，江蘇理工大學研制了一套溫室環(huán)境控制設備，通過對溫室內部溫、濕、光及C02的監(jiān)控，在一個150M2的溫室內，實現了溫度、濕度、光照度及C02濃度的綜合控制。在此期間，上海市設計并建成了我國首座智能化塑料 連棟溫室，面積3300 M2，實現了溫、光、水、氣、肥等多種環(huán)境因子全程自動 控制。與其配套使用的生長架、噴滴灌、C02施用、液體營養(yǎng)液供給等設備，技術先進、性能可靠、造價低廉，克服了 上海地區(qū)進口溫室夏季高溫高濕病害嚴重、冬季采暖能耗成本高，投入產出不合理的問題。 到目前為止，對溫室環(huán)境控制的系統(tǒng)仍在不斷的研究中。雖然各個溫室系 統(tǒng)的控制設備及軟件內核可能相差很大，但其主要的控制原理基本相同。以溫室產家為例，胖龍公司開發(fā)的自動化控制系統(tǒng)能夠自動測量溫室的氣候和土壤參數，并對溫室內配置的所有設備均能實現優(yōu)化運行自動控制，如開窗、加溫、降溫、加濕、光照、C02補充、灌溉、施肥和環(huán)流等。超越京鵬溫室公司開發(fā)的 京鵬計算機控制系統(tǒng)能自動抵御各種惡劣天氣，溫度、濕度、光照、C02濃度以及肥水供應數量、濃度和時間都在系統(tǒng)的調控之中。九天溫室公司開發(fā)的溫室 環(huán)境控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方法，對室外風速、風向、日照輻射、溫度及室內的濕度等因素進行采集，通過控制器處理后，將控制結果返回到現場，調節(jié)現場的執(zhí)行機構，對室內的氣候因素實施實時控制，以此來保證控制的精度及控制的可靠性[9]。 1.3 研究的目的及意義 溫室的作用是用來改變植物的生長環(huán)境,避免外界四季變化和惡劣氣候對作物生長的不利影響,為植物生長創(chuàng)造適宜的良好條件。溫室一般以采光和覆蓋材料作為主要結構材料 ,它可以在冬季或其他不適宜植物露地生長的季節(jié)栽培植物 ,從而達到對農作物調節(jié)產期、促進生長發(fā)育、防治病蟲害及提高產量的目的。溫室環(huán)境指的是作物在地面上的生長空間 ,它是由光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等因素構成的。溫室控制主要是控制溫室內的溫度、濕度、CO2濃度與光照。 雖然有些溫室也安裝有各種加熱、加濕、通風和降溫的設備 ,但其主要操作大多仍是由人工來完成的當溫室面積較大或數量較多時 ,操作人員的勞動強度很大 ,而且也無法達到對溫濕度的準確控制。本文介紹一種基于PLC溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現了室內溫度、濕度、CO2濃度自動測量和調節(jié) ,大大降低了操作人員的勞動強度。 第二章 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設計 2.1作物對環(huán)境參數要求分析 2.1.1作物對溫度的要求 不同作物間，甚至是同一作物的不同生長發(fā)育階段，溫度三基點也是各不相同的，以黃瓜為例，種子發(fā)芽期要求的適宜溫度在到20OC與30OC范圍，幼苗的適宜溫度比種子發(fā)芽期略有降低，約22OC與25OC之間，而果實生長期的溫度又比幼苗期略高。因此，設計前要了解植物的生長階段，以便確定一個能大致滿足的生育適溫。 對每一個生長階段，保持任何單一的溫度是不行的，要根據不同時間的活動重心來調整溫度的高低。白天的活動重心是光合作用，光合作用強度受溫、光、氣的條件，因此適溫條件要隨光強而異。晴天光照條件好時，午前光合作用強，溫度應適當提髙，午后光合作用減弱，溫度應比午前略低；陰天光強減弱，則溫度也應有所降低，適溫比晴天略降低2?3OC。夜間呼吸作用成為活動重心，若溫度升高要增大呼吸消耗，因此要盡可能的降低夜溫，抑制呼吸消耗，前半夜16?20OC對一般作物都是適宜的，后半夜降低到12?13OC甚至更低些，有利于養(yǎng)分的儲存。 除了考慮氣溫對作物的影響，也要考慮地溫，但也氣溫相比，地溫較穩(wěn)定，且氣溫與地溫又互有聯(lián)系，因此地溫的影響暫不予以考慮。綜合上述的條件，總結出黃瓜的生育適溫。 2.1.2作物對濕度的要求 在溫度條件適宜的情況下，濕度的大小將會影響溫室中作物的生長環(huán)境，濕度太大的話會降低植物葉面與周圍空氣之間的水蒸氣壓差，影響植物的蒸騰作用，并導致病原體組織的大量繁殖，降低作物產量，所以濕度仍是溫室環(huán)境控制的一個重要參數。 相對濕度指空氣中水蒸氣的含量與同一溫度下的飽和水蒸氣含量的比值，用百分比來表示?？諝獾南鄬穸葲Q定于空氣的含水量和溫度，在空氣含水量不變的情況下，隨著溫度的升高，其相對濕度也就相應地降低；開始溫度每升1oC,相對濕度要下降6%?5%,以后則下降4%?3%。實際上隨著溫度的升高，地面蒸發(fā)和作物葉面蒸騰在不斷增強，空氣中的水氣在不斷得到補充，只是空氣中水氣的增加遠不及由于溫度升高而引起飽和水氣壓增加來的快，因此,相對濕度仍然在降低之中。 濕度是反映空氣中水蒸氣含量的多少，常用絕對濕度和相對濕度來表示。絕對濕度指單位空氣體積中所含水蒸氣質量的多少。 以黃瓜的生理需求為例，黃瓜對較高的空氣濕度適應能力較強。白天的空氣相對濕度一般以70%?90%為宜，夜間空氣濕度高達95%?100%時也能忍受，但長時期的高濕會招致病害。因此將空氣相對濕度控制在白天75%，夜間90%的范圍內。 2.1.3作物對光照度的要求 光照強度是衡量光照強弱的一個指標，光照強度的單位為勒克斯，1個勒克斯就是1支蠟燭點燃后在距蠟燭1米處的光照強度。 作物在進行光合作用的同時，也需要呼吸消耗。當光合作用所制造的養(yǎng)分 等于呼吸消耗的養(yǎng)分時所處的光照強度稱為光補償點，而在光補償點以上的一 定范圍內，在一定的溫度和C02濃度下，光合作用隨光照強度的增加而提高， 但當光照強度達到一定程度后，再增加光照強度，其光合作用不再增加，這一光照強度稱為光飽和點。光照強度下降到光補償點以下時，植物呼吸作用消耗量超過光合作用的積累量，時間長了植物會枯死，但若光照強度大于光飽和點以上時，對光合作用沒有太大的影響，只會徒增溫室內的溫度。因此要選擇適 合作物生長的光照強度。不同作物對光照強度的要求也不同，本課題所研究的作物對象為黃瓜，其生長要求有較強的光照，光補償點為2000勒克斯，光飽和 點為40000到60000勒克斯。 除了光照強度外，不同的作物對日照時數的要求也存在很大的差異，按照 對日照時間長短的不同，分為長日照作物，短日照作物，中光性作物。本課題所研究的黃瓜為中光性作物，它只要溫度適宜，在較長或較短 的日照條件下均能開花，適應光照長短的范圍較廣。 2.1.4作物對C02濃度的要求 植物吸收C02和水，在光照條件下，通過光合作用合成有機物并釋放氧氣。在一定范圍內，光合作用強度隨C02濃度的增加而增強，因此，提高生長環(huán)境中的C02濃度對作物有促進生長、增加產量和提高品質的作用。 C02的適宜濃度與作物種類和光照強度有關，光照弱、室溫低，C02適宜濃度也低，相反，則C02濃度應相對提高。以黃瓜為例，晴天所需C02濃度約為1000毫升/m3，陰天所需CO2濃度約為750毫升/m3。而大氣中CO2的平均含量約為320毫升/m3。遠遠達不到作物所需要的適宜濃度。 一般作物的光合作用主要集中在上午進行，占到全天光合產物的3/4;中午 強光下作物在都有“午休”現象，吸收C02較少；下午的光合作用只占全天光合產物的1/4，更多的對上午的光合產物進行分配；而晚上沒有光合作用，室內 C02濃度處于積累狀態(tài)。 2.2 溫室內環(huán)境參數特點 2.2.1 溫室內溫度變化規(guī)律 溫室內的氣溫受到多種因素的影響，包括進入室內的輻射傳熱、作物表面蒸發(fā)等。溫室內氣溫雖然與室外溫度有一定的相關性，但他主要取決于室外的光照強度，與室外的溫度并不一定呈正相關性。比如雖然在冬天，但只要光照充足，即使室外溫度很低，室內的溫度卻能很快升髙，而遇到陰天時，光照強度弱，就會出現室外溫度相對較高，但室內溫度上升量偏低的情況。 按照一般規(guī)律的話，溫室內最低氣溫出現在日出前，此后溫度迅速上升，每小時平均升溫5～6OC，到12時后緩慢上升，最高氣溫出現時間因天氣而異，晴天出現在13時，比自然界提前1個小時，陰天時最高氣溫出現在云層較薄、散射光較強時候，接著氣溫開始下降，直至第二天日出后升溫。 溫室內氣溫分布不均勻，表現在垂直分布和水平分布上，這與光照分布不均基本是一致的。通常，溫室內白天上部溫度高于下部，中部溫度高于四周。不僅如此，循環(huán)風扇以及通風窗的位置也會造成溫度空間分布的不均勻性。 2.2.2 溫室內濕度變化規(guī)律 溫室內空氣濕度的日變化規(guī)律與溫度相反，即白天低，夜間高。曰出后，隨著溫度的升高，室內空氣相對濕度呈下降趨勢，中午前后空氣相對濕度在60%?70%，午后開始逐漸升高，到夜間時空氣相對濕度達90%以上，甚至處于飽和狀態(tài)，而后一直持續(xù)到第二天清晨。 室內空氣相對濕度的變化隨季節(jié)和天氣而有所差別。從季節(jié)來看，低溫季節(jié)比高溫季節(jié)變化幅度大，南部城市，夏季由于帶來的強降水影響，空氣相對濕度在80%?90%間，使得溫室內的空氣相對濕度都在90%以上；冬季由于空氣中水汽含量的減少，空氣相對濕度降低至70%左右，因此溫室內空氣相對濕度在80%左右。從天氣情況來看，陰天特別是雨天，室內空氣相對濕度可達80%?90%，甚至100%;而晴天空氣相對濕度則在70%?80%。 2.2.3 溫室內光照度變化規(guī)律 溫室內的光照不僅明顯低于自然界，而且垂直分布和水平分布與自然界也有很大的區(qū)別。 由于太陽光透入溫室內受到薄膜的過濾，溫室內光照中可見光、紅外線和紫外線的成分含量比自然界低，室內平均光照度不超過自然光的80%。溫室內 外的光照強度日變化基本是一致的，午前隨太陽高度角的增大而增大，中午光照度值最大，午后隨太陽高度角的減小而降低。溫室內光強的垂直分布表現為，溫室內同一位點，光照強度在靠近屋面處最強，向下遞減，遞減速度比室外大。溫室內光強的水平分布表現為，溫室不同位置的光照強度存在一定的差異。 2.2.4 溫室內C02濃度變化規(guī)律 溫室是個相對封閉的環(huán)境，作物在溫室內不斷進行C02的吸收和釋放過程。因此，溫室內的C02濃度與外界有明顯差異。 夜間光合作用停止，作物呼吸作用釋放C02，室內C02濃度逐漸升高，在日出前， 溫室內C02濃度達到最高。日出后，作物光合作用開始，吸收C02, 而此時為了保持室內溫度不能進行通風換氣，因此，室內C02濃度急劇下降，常常低于大氣中的C02濃度；溫度升高溫室通風后，室內C02濃度上升，幾乎可以保持在室外濃度水平。 2.3 總體設計思路 本次設計主要采用的思路是利用在溫室內外安裝的溫濕度傳感器、光照傳感器、C02傳感器等設備來采集室內外的溫濕度、光照度和C02濃度，然后把相關的環(huán)境參數變換成標準信號，進而送給模擬量輸入模塊；模擬量輸入模塊把標準電信號換成PLC可處理的數字信息；PLC對此信息進行處理后，根據一定的規(guī)則產生相應的控制信息輸出，從而控制驅動/執(zhí)行機構（如循環(huán)風機、電暖氣、遮陽網等)，使溫室內的氣候環(huán)境達到作物的生長發(fā)育需要。并在輸入環(huán) 境參數的同時，把PLC與上位機用串行通信接口相連接，以實現數據的傳輸、存儲等功能。 方案：以PLC為核心的溫室控制系統(tǒng)，如圖1所示： 室外數據采集 室內數據采集 PLC 驅 動 機 構 執(zhí)行機構 上位機 圖1 基于PLC的溫室控制系統(tǒng) Fig1 The control system of greenhouse based on PLC 以PLC為核心的溫室控制系統(tǒng)主要是由信息采集系統(tǒng)、智能控制單元PLC、驅動/執(zhí)行機構這三部分組成的。其中信息采集系統(tǒng)包括室內數據采集和室外數據采集，主要采集影響溫室的環(huán)境參數如溫濕度、光照度和C02濃度等；智能控制單元即包括基本單元，也包括擴展模塊（如模擬量輸入模塊及通信模塊等)，主要功能是根據作物生長的要求來設定合適的匹配參數，并把匹配參數與采集到的參數進行比較控制輸出，并同時完成與上位機的通信。驅動/執(zhí)行機構則是根據輸出的規(guī)則來實現設備的通斷。 2.4 溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體圖 擴展模塊 輸入接口 系統(tǒng)程序存儲器 用戶程序存儲器 輸出接口 中央處理單元 電源模塊 輸入接口 輸出接口 FX2N-8AD 自動/手動切換 晴/陰天切換 自動/停止按鈕 溫濕度傳感器H7030 光照度變送器LT/G C02 變送器CDD 編程器 通信接口 計算機 中間繼電器 報警指示燈 循環(huán)風機風扇 電暖氣電磁閥 C02電磁閥 抽風機風扇 遮陽網電磁閥 電源 RS232C 圖2 系統(tǒng)總體框圖 Fig2 Diagram of the system 溫室控制系統(tǒng)的核心是FX系列（FX2N—32MT)控制單元，它有16個開關輸入和16個開關輸出，內置8000步的RAM存儲器和24V的電源模塊，有強大的數據存儲和運算功能，能夠基本實現溫室控制系統(tǒng)功能。16個開關輸入接口根據實際需要接自動按鈕、手動按鈕、晴/陰天切換按鈕等。PLC—般使用工頻電壓（220V，50HZ),釆用帶屏蔽層的隔離變壓器供電，以抑制供電電源中的干擾信號，并且在供電系統(tǒng)中加入UPS不間斷電源，它平時處于充電狀態(tài)，當輸入電源掉電時，UPS能自動切換到輸出狀態(tài)，繼續(xù)向系統(tǒng)供電10?30分鐘，為了防止UPS內部切換瞬時失電造成PLC計時電路混亂，在其兩端并接大容量電容，以保證系統(tǒng)的可靠運行。 對于溫度、濕度、光照度、C02濃度的實時數據分別由溫濕度變送器(H7030型)、光照變送器（LT/G型)、C02變送器（CDD型）采集得到，為了簡化數據釆集量，這三種變送器都采用電流輸出量，采集到的模擬量不能直接送入PLC,而是利用外接FX系列擴展模塊（FX2N—8AD),轉換成所需要的開關量后再與設定匹配參數進行比較判斷。 驅動/執(zhí)行機構根據控制要求對電磁閥和繼電器進行通斷控制，在控制單元和執(zhí)行機構中間加入一個中間繼電器，既可以實現即時的通斷，保證PLC的使用壽命，也可以屏蔽一定的干擾，提高系統(tǒng)的精確性。 利用通信擴展板RS232—BD連接到計算機，計算機與PLC間可以實現數據的互通，即可以由PLC輸出數據到計算機上，也可以由計算機設定數據輸入到PLC。二者主要以無協(xié)議通訊格式傳輸，RS指令控制。對于程序的設計輸入有兩種選擇，手持編程器或者是GPPW專用軟件。 2.5 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的要求 2.5.1 控制要求 溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)要求溫室內的室溫隨時間而變化，控制范圍在10～30oC之間，當溫室內的溫度不符合要求時，根據室外溫度條件來確定執(zhí)行機構，若室內溫度低于設定的溫度時，比較室外與所設定的溫度，若不低于設定溫度值時，開啟通風直到溫度達到設定值；否則開啟電暖氣采暖；若室內溫度高于設定溫度值時，比較室外與所設定的溫度，若不高于設定溫度值時，開啟通風直到溫度達到設定值，否則投入降溫裝置；溫室內的溫度控制還應根據每一個不同的時間段自動調節(jié)控制要求。 在溫度條件適合的情況下考慮濕度，濕度控制根據白天和晚上的不同時間而變化，控制范圍在75%?95%之間，當濕度低于75%以下就進行噴淋，若濕度超過95%時，應立即進行通風，將濕空氣排出。 在設定的時間范圍內，當一定時間內傳感器測得的溫室內光照強度大于作物的光飽和點以上時，開啟遮陽網，以達到遮光降溫的目的，在設定的時間范圍外，或者光照強度未達到作物的光飽和點以上時，遮陽網不動作或關閉。 將早上的時間分為兩段，前半段時間內，若C02濃度低于設定的濃度范圍, 開啟C02增施設備，同時要啟動循環(huán)風機，使室內空氣產生流動，避免形成靜止空氣層，確保通風換氣設備關閉。而在接下來的時間段內，若C02濃度還是低于設定的濃度值時，開啟通風換氣，確保C02增施設備關閉。 2.5.2 用戶I/O設備 根據系統(tǒng)配置，選用FX2-32MT可編程控制器作為主控單元，其輸入、輸出點均為16個，基本滿足控制需要。同時選用FX2N-8AD擴展模塊，可將溫濕度、光照度等傳感器的輸出信號進行A/D轉換處理后發(fā)送到PLC的內存中。PLC各個輸入/輸出點分配情況如表1、表2所示。 表1 PLC輸入點分配 Table 1 Input point distribution of PLC 輸入 類型 數量 輸入點 溫濕度傳感器 模擬 4個（室內和室外各2個） 接FX2N-8AD輸出口 光照度傳感器 模擬 1 接FX2N-8AD輸出口 晴一陰天切換SB13 開關 1 X2 C02濃度傳感器SQ1 開關 1 X3 自動運行SB1 開關 1 X4 手動運行SB2 幵關. 1 X5 遮陽網啟動SB3 開關 1 X6 遮陽網停止SB4 開關 1 X7 抽風機啟動SB5 幵關 1 X10 抽風機停止SB6 開關 1 XII 濕簾風機啟動SB7 開關 1 X12 濕簾風機停止SB8 開關 1 X13 循環(huán)風機啟動SB9 開關 1 X14 循環(huán)風機停止SB10 開關 1 X15 電暖器啟動SB11 開關 1 X16 電暖器停止SB12 開關 1 X17 表2 PLC輸出點分配 Table 2 Output point allocation of PLC 輸出 類型 數量 輸出點 報警指示燈KM8 開關 1 Y10 噴淋KM7 開關 1 Y11 釋放C02設備KM9 開關 1 Y12 抽風機KM2 開關 1 Y13 循環(huán)風機KM1 開關 1 Y14 濕簾風機KM3 開關 1 Y15 遮陽網KM4 開關 1 Y16 電暖氣KM6 開關 1 Y17 2.6 溫室監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計 PLC控制系統(tǒng)硬件設計包括控制系統(tǒng)主回路的設計，控制回路設計，PLC輸入/輸出回路設計等部分。 2.6.1 主回路設計 電氣控制系統(tǒng)上將高壓、大電流的回路稱為主回路。主回路主要包括用于電機控制的接觸器（如KM1、KM2等）、電機保護的斷路器（如FU1、FU2等)、各種動力驅動電路的接觸器（如KM6、KM7等)、電源總開關（Q)等。 在主回路的設計中，首先要考慮電源總開關（Q)的設定，總開關的設定要求是有足夠的分斷能力，能夠分斷處于“堵轉”狀態(tài)的最大電動機的電流與其他所有用電設備和電動機的電流總和。 為了對設備主回路進行可靠、有效的保護，設備中每一獨立的部件都要安裝用于短路、過電流保護的保護器件（如斷路器、熔斷器等），保護器件要能夠可靠分斷被保護的用電設備或電動機。 控制系統(tǒng)應安裝總接地母線（N)，用于電位平衡與接地。與主回路連接的各種獨立電氣控制裝置，應有專門的、符合要求的接地連接線與設備接地母線進行連接，以防止干擾，提高可靠性。 用于系統(tǒng)安全保護、緊急停機控制裝置的輔助電源（如開關電源等），要確保不會因“急?！钡炔僮鞫謹唷Ｈ鐖D3所示為主回路原理圖 圖3 主回路原理圖 Fig3 Diagram of the main circuit 2.6.2 控制回路設計 PLC控制系統(tǒng)中的控制回路，是指由繼電器、接觸器等低壓電器構成的強電控制回路。控制回路包括電機、電氣控制裝置、電磁閥等設備的啟動/停止控 制線路，主回路中接觸器的通斷控制電路等，其中KTW1、KTW2、KTE1、KTE2都為繼電器分別對應二氧化碳濃度、光照度、溫度以及濕度。如圖4所示為部分控制回路的電氣控制線路圖。 圖4 控制回路圖 Fig 4 Diagram of control circuit 第三章 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的元器件選擇及軟件設計 本系統(tǒng)主要由三部分組成，信息采集系統(tǒng)、智能控制單元和驅動/執(zhí)行機構。利用在溫室內外安裝的溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等設備來采集室內外的溫濕度、光照度和CO2濃度，然后把相關的環(huán)境參數變換成標準信號，進而送給模擬量輸 入模塊；模擬量輸入模塊把標準電信號換成PLC可處理的數字信息；PLC對此信息進行處理后，根據一定的規(guī)則產生相應的控制信息輸出，從而控制驅動/執(zhí)行機構（如循環(huán)風機、電暖氣、遮陽網等)，使溫室內的氣候環(huán)境達到作物的生長發(fā)育需要。如圖5所示為溫室計算機監(jiān)控系統(tǒng)框圖。 圖5 溫室計算機監(jiān)控系統(tǒng)框圖 Fig 5 Diagram of the computer monitoring system in the greenhouse 大部分的工業(yè)控制中，不可避免的要與模擬量打交道。模擬量是指一些連續(xù)變化的物理量，如溫度，濕度，光照度和C02濃度等，模擬量是連續(xù)量，多數是非電量。而PLC只能處理數字量、電量。因此要有傳感器，把模擬量轉換成電量，如果這電量是不標準的，還需要有變送器，把電量變換為標準的電信號，如4～20mA、1?5V、0?10V 等[10]；還要有模擬量（A)到數字量（D)轉換的模擬量輸入模塊，把這些標準的電信號變換成數字信號后，再傳送到PLC進行處理[11]。如圖6所示為信息采集系統(tǒng)。 溫濕度變送器 H7030型 CO2變送器 CDD型 光照度變送器 LT/G型 FX2N-8AD PLC 圖6 信息采集系統(tǒng) Fig 6 The information collection system 3.1 傳感變送器的選用 變送器將溫度、濕度、光照度等物理量轉換成標準量程的直流電流或電壓，變送器分為電壓輸出型和電流輸出型。電壓輸出型具有恒壓源的性質，但是輸入阻抗很高，如果變送器距離PLC較遠時，通過線路間的分布電容和分布電感感應的干擾信號在模塊的輸入阻抗上將產生很高的干擾電壓，所以在遠程傳送 模擬量電壓信號時抗干擾能力很差。而電流型變送器具有恒流源的性質，輸入阻抗很低，線路上的干擾信號在模 塊的輸入阻抗上產生的干擾電壓很低，因此現在工業(yè)上廣泛使用適于遠程傳送的電流型變送器，通常用4?20mA電流來傳輸模擬量。本系統(tǒng)選用的傳感器其主要技術指標如下： 表3 傳感器主要參數指標 Table 3 Main parameter of the sensor index 類型 測量范圍 輸出 備注 溫濕度變送器H7030 溫度范圍: -10?60OC 4?20mA 溫度傳感器：PT100 濕度范圍：0?100% 濕度傳感器：HIH3610 光照傳感器LT/G 0?200000LUX 4?20mA C02濃度傳感器CDD 0?2000ppm 4?20mA 3.2 模擬量輸入模塊的選擇 模擬量輸入模塊的選型除了要考慮能與主機單元相容外，還要考慮模擬量輸入模塊的性能，包括分辨率、轉換速度、通道數以及量程等。應此次系統(tǒng)的要求，我們選 擇FX2N—8AD模擬輸入模塊作為模擬量的輸入。 3.2.1 概述 FX2N—8AD模擬模塊將8點模擬輸入數值（電壓輸入、電流輸入和溫度 輸入）轉換成數字值，并把它們傳輸到PLC主單元。這個模塊采用擴展電纜連接到PLC主單元的右邊，并占有16個擴展I/O地址（8點輸入、8點輸出)，其模擬量的輸入范圍有一10V到+ 10V (分辨率有0.63mV與2.5mV)、-20mA 到+20mA (分辨率有 2.50 u A 與 5.00 u A)、+4mA 到+20mA (分辨率有 2.00 UA與4.00UA)。它與主機的數據交換利用該模塊內部的緩沖存儲器（簡稱為 BFM),數字輸出為16位有符號的二進制[12]。 3.2.2FX2N—8AD的電路接線 圖7 電壓電流接線原理圖 Fig 7 The wiring schematic of voltage and current FX2N-8AD的幾個輸入通道可以同時分別輸入直流電壓和電流信號。在使用時有幾個問題要注意，如上圖所示，其模擬量的輸入接線端為V+，1+和COM三個，其中COM為電壓輸入和電流輸入的參考端，與電路內部的經過隔離的模擬地AG相聯(lián)。如果輸入信號為電流，則電流輸出信號的正端必須同時接V+和1+，它實際上是利用內部的一個接AG端的250Q電阻將電流信號轉換為電壓信號后再從電壓輸入端輸入，經過兩個電阻分壓進入模擬信號輸入通道。本次系統(tǒng)全部選用電流模擬輸入信號，以避免干擾。 3.2.3 緩沖存儲器的分配（BFM) 通過FX2N-8AD的緩沖存儲器來完成FX2N-8AD和PLC主單元之間的數據傳輸。每個BFM包含1個字，16位，BFM的編號從0到3399，每個BFM分配一項功能。在電源由關閉打開時，在每個BFM中寫入初始值，若要更改其內容，則需創(chuàng)建一個PLC程序。需要注意的是，不能訪問由FROM/TO指令保留的緩沖存儲器，否則會引起錯誤。 表4 BFM編號說明 Table 4 The description of the BFM BFM編號 說明 初始值 #0 指定CH1—CH4的輸入模式 裝運時為H0000 #1 指定CH5—CH8的輸入模式 裝運時為H0000 #2-#9 CH1-CH8設置范圍的平均次數：1到4095次 1 #10-#17 CH1—CH8數據（直接數據或平均數據） K0 #21 寫入I/O值（寫入偏移/增益值后自動返回K0) K0 #29 錯誤狀態(tài) K0 #30 型號編碼（K2050) K2050 #41-#48 CH1-CH8偏移數據（mV或uA) K0 #51-#58 CH1-CH8增益數據（mV或nA) R4000 BFM#0,#1：指定輸入模式。在BFM#0里寫入一個數值，可以指定CH1到CH4的輸入模式。而在BFM# 1里寫入一個數值，可以指定CH5到CH8的輸入模式。在輸入模式的指定中，每一個BFM表示為一個4位十六進制的代碼，每一位分配了一個通道的編號，對每一通道，在每一位中指定一個0到F的數值。其中各個數值代表不同的輸入模式，根據所選購傳感器的類型要求，我們選擇電流輸入模式（4到20mA)，分辨率為4.00uA，即通道數值取3。當輸入通道不用的時候，相應的通道數值為F。根據此次系統(tǒng)內的要求，令BFM#0=H3333, BFM#l=H3FFF。 BFM#2到BFM#9:平均次數。設置范圍為1到4095。若設為1時，則保存直接數據。根據以往經驗，選擇平均次數為8。 BFM#10到BFM#17:通道數據。每一個通道的A/D轉換數據寫入BFM#10到BFM#17。通道設置平均次數，可以選擇直接數據或平均數據。 BFM#21：寫入1/0特性。每一個通道號被分配到BFM#21的低8位，如下所示。若一個位被設為1,則指定編號通道的偏移數據和增益數據將寫入內存，并開始生效[13]。 3.2.4 數據的采樣與轉 圖8 模擬量輸入值與A/D轉換值線性圖 Fig 8 The analogue linear map of input data and A/D conversion data 轉換時應綜合考慮變送器的輸入/輸出量程種和模擬量輸入模塊的量程，找 出被測物理量與A/D轉換后的數據之間的比例關系。如上圖所示，模擬量輸出的值是二進制數與設定值溫度對應的公式為,濕度對應的公式為,其中XI代表溫度值，X2代表濕度值。由此可得出溫濕度相對應的二進制數，如表5所示（以溫濕度為例)。 表5 溫濕度轉換值 Table 5 The conversion data of temperature and humidity 溫度值XI(OC) 二進制值 濕度值X2 (%) 二進制值 10 2000 40 2320 12 2080 70 3160 16 2240 75 3300 20 2400 80 3440 25 2600 85 3580 28 2720 90 3720 30 2800 95 3860 3.2.5 讀取模擬量輸入模塊的方法 使用FX2N—8AD采集模擬數據到PLC，首先應將FX2N—8AD連接到最靠近PLC主單 元的單元編號（本次設計采用單元編號:0)，其次設置模擬量輸 入模塊的輸入模式，即將使用的通道值設為3,未使用的通道值設為F;設置通 道的平均次數，此次是應用于溫室中，傳感器傳輸數據滯后，故對平均值要求不高，此次設置每個通道的平均次數為10，具體應用可參考實際情況更改；設置輸入PLC主機的數據存儲地址為D500—D504，分別對應室內溫度值、室外溫室值、室內濕度值、室外濕度值、光照度值（操作中以實際應用為主）。 工作過程：在首次掃描時，從特殊功能模塊NO.O號中的BFM#30中讀出標識碼，存放在基本單元D0中，如果是FX2N—8AD,設置通道CH1—CH5的量程，確保修改完輸入模式后執(zhí)行寫入TO指令時至少有6秒的時間間隔，設置通道CH1—CH5的平均次數、偏移數據和增益數據，分別為K8、K1200、K4000。然后將模塊運行狀態(tài)從BFM#29讀入M30—M45，如果模塊運行沒有錯誤，且數字量輸出正常，則將通道CH1—CH5的平均采樣值分別存入D500—D504中。如圖9為A/D模塊設置的梯形圖。 圖9 A/D模塊設置的梯形圖 Fig 9 Ladder diagram set by the A / D module 3.3 時間控制 PLC內部時鐘的時間和日期存儲在D8013～D8019中，如下表所示。第一次上電工作時，PLC利用TRD時鐘數據讀取指令將存儲在D肋13?D8019中的實時時鐘的時間和日期數據讀到為首地址的7個連號單元中。如表6所示。 表6 實時時鐘的時間日期范圍 Table 6 The range of time and date real-time clock's 數據寄存器 時間日期 時間日期取值范圍 D8018 年（公歷） 0—99 (公歷后2位） D8017 月 1-12 D8016 日 1-31 D8015 時 0—23 D8014 分 0—59 D8013 秒 0—59 D8019 星期 0 1 2 3 4 5 6 日 一 二 三 四 五 六 溫室內作物各個時段所適合的溫濕度并不一致，按照一般規(guī)律的話，溫室內最低氣溫出現在日出前，此后溫度迅速上升，每小時平均升溫5?6OC，到12時后緩慢上升，最高氣溫出現時間因天氣而異，晴天出現在13時，比自然界提前1個小時，陰天時最高氣溫出現在云層較薄、散射光較強時候，接著氣溫開始下降，直至第二天日出后升溫。而溫室內空氣濕度的日變化規(guī)律與溫度相反，隨著溫度的升高，室內空氣相對濕度呈下降趨勢，中午前后空氣相對濕度在60%?70%，午后開始逐漸升高，到夜間時空氣相對濕度達90%以上，甚至處于飽和狀態(tài)，而后一直持續(xù)到第二天清晨。內空氣相對濕度的變化隨季節(jié)和天氣而有所差別。從季節(jié)來看，低溫季節(jié)比高溫季節(jié)變化幅度大，南部城市，夏季由于帶來的強降水影響，空氣相對濕度在80%?90%間，使得溫室內的空氣相對濕度都在90%以上；冬季由于空氣中水汽含量的減少，空氣相對濕度降低至70%左右，因此溫室內空氣相對濕度在80%左右。從天氣情況來看，陰天特別是雨天，室內空氣相對濕度可達80%?90%，甚至100%;而晴天空氣相對濕度則在70%～80%。 溫濕度要在一定的時間段基礎上進行控制，因此根據控制要求，將一天之中分成五個時段，分別為： 6:00:00----8:59:59; 9:00:00----13:59:59; 14:00:00----16:59:59; 17:00:00----20:59:59; 21:00:00---5:59:59 (該時段分割成21:00:00---23:59:59與00: 00:00---5:59:59) 將這四個時段與實時時鐘比較輸出M。如表7所示。 表7 實時時鐘比較輸出值 Table 7 The comparison and output data of the real-time clock's Time Time Time <14 =14 >14 M10 M11 M12 Time Time Time Time< Time Time> <9 =9 >9 17 =17 17 M13 M14 M15 M16 M17 M18 Time< Time Time Time< Time Time> 6 =6 >6 21 =21 21 M22 M23 M24 M19 M20 M21 M22- M23 M24 M14 M15 M11 M16 M17 M19 M20 M21 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 0:0:0 -- 6:0:0 6:0:0 -- 9:0:0 9:0:0 -- 14:0：0 14:0:0 -- 17:0:0 17:0:0 -- 21:0:0 21:0:0 -- 5:59 8:59 13:59 16:59 20:59 23:59 :59 :59 :59 :59 :59 :59 3.4 溫度控制 3.4.1 升溫和降溫的元器件選擇 當溫室內溫度低于設定溫度，設定溫度又高于室外溫度時，投入升溫設備。升溫設備也叫采暖系統(tǒng)，它一般是由熱源、室內散熱設備和熱媒輸送系統(tǒng)組成 的。目前溫室米暖系統(tǒng)主要有熱水采暖、熱風米暖、地面米暖等方式。根據湖南省的氣候條件，可知溫室內的濕度都比較大，一般在75%～85%間，如果采用熱水采暖，雖然熱損失較小，但是會加劇室內濕度值，且一次性投資較多，不適宜小面積的單棟溫室。雖然熱風采暖系統(tǒng)的加溫運行費用比熱水采暖系統(tǒng)高，不過它的投資小、安裝簡單，而且福建省的冬季溫度高，冬季采暖時間較短，所以綜合考慮各方面因素，本次設計采用熱風采暖系統(tǒng)也就是使用電暖氣。 濕簾一風機降溫系統(tǒng)由濕簾、抽風機、水循環(huán)系統(tǒng)以及控制裝置組成。它是利用水蒸發(fā)降溫原理，將濕簾與抽風機分別安裝在溫室的兩側，當抽風機抽風時，造成室內負壓，迫使室外未飽和空氣流經多孔濕潤的濕簾表面，引起水分蒸發(fā)，使室內的空氣溫度降低。濕簾一風機降溫系統(tǒng)在低濕干熱的情況下降溫效果最好，若室外空氣濕度較大時，它的降溫效果就差，而且濕簾-風機需要密閉的環(huán)境，不利用于自然通風，在福建地區(qū)由于夏季的強臺風帶來普遍的 高濕環(huán)境，若用此系統(tǒng)降溫效果不大。 噴霧降溫系統(tǒng)的原理則是利用設備將水變成細微顆粒狀噴入空氣中，利用水蒸發(fā)吸收周圍空氣的熱量來降溫室內溫度。目前裝置一般采用固定式，根據噴霧動力的不同，分成液力式噴霧、氣力輔助式噴霧和離心式噴霧[14]。噴霧降溫系統(tǒng)在加強換氣通風的前提下，降溫效果較好，但當室內空氣濕度較大時，降溫效果受到限制，且該系統(tǒng)對霧化的元件要求較高，一次性投資較大，因此在南方地區(qū)雖然有一定的降溫效果，但是仍要謹慎使用。 圖10 濕簾一風機降溫系統(tǒng)圖 Fig 10 The cooling system of wet curtain fan 結合我省特有的氣候條件，采用屋頂降溫方法最為有效，原理是在屋頂安裝水管，利用水的蒸發(fā)吸熱降低溫室內部溫度，一方面該系統(tǒng)投資的設備成本低，對元件要求不高，減輕了室內空氣濕度的影響，另一方面落在屋頂的水可以吸收部分熱輻射，阻止溫室內溫度的快速回升，對作物的生長較為有利。但是它降溫的效果畢竟有限，所以在安裝屋頂降溫系統(tǒng)的同時應加一些輔助系統(tǒng)，如自然通風降溫、遮陽降溫等，降溫效果會更好。 3.4.2 溫度控制系統(tǒng)的軟件設計 根據不同時間段來設置不同的程序，首先在6:00:00至8:59:59這一時間段內，植物所需要的溫度為20oC。當1分鐘內室內溫度都一直低于20oC時，電暖氣投入運行并同時開啟循環(huán)風機；當1分鐘內室內溫度一直高于20oC時，考慮天氣情況，若是晴天，則讓室內溫度超過30oC時進行降溫，否則不動作；若是陰天時，則要直接進行降溫。 9:00:00至13:59:59這一時間段內；晴天所要的溫度在30OC，陰天所要的溫度在28OC。當室內溫度低于30OC