基于PLC技術的智能溫室控制系統研究與開發

覃貴禮，潘澤鍇

(廣西職業技術學院，廣西 南寧 530226)

本研究以廣西職業技術學院智能化農業技術國家級實訓基地建設為依托，基地建設過程中的一個重點項目是對原有溫室進行智能化的改造和升級，使其成為在廣西具有一定代表性的現代化智能溫室，通過智能溫室的示范作用來帶動廣西現代化智能溫室的建設和推廣應用。

在世界發達國家當中，如美國、以色列、荷蘭等均大力發展溫室產業，對溫室環境中的溫度、濕度、水分、光照度和CO2濃度等參數全面的實現了智能化和集約化的控制，其自動化水平程度非常高。國外的溫室業發展非常迅速，正朝著高科技方向發展。特別是GPS技術、物聯網技術、圖像識別技術和遙感技術均不斷地應用到智能溫室控制系統中，采用GPS定位和遙感技術相結合，實現超遠程控制，另外加上物聯網技術和圖形識別技術的應用，智能溫室可以實現無人值守且完全自動操作的現代智能溫室［1］。

目前，我國智能溫室面積已經達到了588.4 hm2，其中國產智能溫室約為403 hm2，進口智能溫室面積約為185.4 hm2［2］。由于我國計算機技術水平的發展比較落后，直到20世紀70年代才開始有計算機應用于農業，80年代才將計算機應用于農業的控制。有鑒于此，以溫室智能化改造為基礎，開發出一套由PLC技術、組態技術、通訊技術和傳感技術等技術有機相融合，且智能化程度較高的智能溫室控制系統，使其能夠滿足溫室控制系統的需求，保證溫室內的溫度、濕度、光照度、土壤水分和CO2濃度等重要環境因子達到預定要求，使作物能夠生長在合適的環境當中［3］。

1 智能溫室控制系統多因素變量檢測分析

1.1 多變量因素控制關系

影響溫室環境的變量包括溫度、水分、日照和CO2等其它因素，在這些因素中并不是任何時候都是共同起作用，而且它們影響整個智能溫室系統的權重不一，它們之間的影響也可以在因素間相互轉化，其中只要抓住主要的一些因素，可以使復雜的問題簡單化。

在現代智能溫室發展的今天，溫室控制系統也在不斷地發展完善，在作物整個發育生長期所需要的溫度、濕度、光照度、水和CO2等各種溫室因子，智能溫室將通過各種設備進行有效的調節。主要設備有:通風系統、灌溉系統、補光系統和內外遮陽系統等。環境變量因子與溫室設備是一個復雜的關系，當調節一個環境變量時可能引起多個溫室設備的動作，而一個溫室設備的動作也同樣可能是多個環境變量所引起的。所以環境因子溫室設備是一個多對多的復雜對應關系［4］。

如圖1所示，各環境因子和溫室設備的對應關系比較復雜，從整個智能溫室控制的流程來看，控制是一個多因素相互作用的結果，受到溫室內多因素變量影響，在考慮實際效果的時候不能眉毛胡子一把抓，應是以其中的某個決定因素為重點考慮對象，由其引起的其他因素的反應為主線，同時還必須兼顧控制效率和成本代價。

圖1 溫室環境變量與控制系統關系

1.2 多變量控制系統理論

溫室環境系統是一個復雜的大系統，溫室內各種作物的生長所要考慮的參數并不要求十分精確，只要在一定的合理范圍內，這個控制系統就是可控、可行的。智能控制技術已經廣泛應用于各個領域，而溫室控制也是智能控制應用的一個重要分支。在傳統的控制中大多數是采用PID控制，但是溫室中參數的整定比較困難，且參數要在比較小的范圍內才有效。近年提出的模糊控制很好地克服該缺點，不必精確了解對象情況，在過程控制領域得到較為廣泛的應用。

在實際的應用過程中，針對智能溫室控制系統，采用模糊推理系統(FIS)方法設計通風控制系統，采用的加熱—通風模型，在一定程度上可以實現溫度和濕度之間的轉化，建立符合溫室控制系統的數學模型。Tout、T、ρ、Cp、qi、qh、V 這幾個參數分別表示:溫室的外部空氣溫度、內部空氣溫度、溫室空氣密度、空氣比熱、內部熱量、內部的加熱器輸入熱量、溫室總體的體積［6］。

上述參數中溫濕度和CO2濃度受到加熱通風等系統的影響。溫室內的溫濕度、CO2和通風模型相互影響，因此在設計溫室控制系統中要考慮魯棒性的要求。

2 智能溫室系統總體架構設計

本溫室為玻璃連棟鋼結構溫室，在頂層設置外遮陽來控制光照，設置天窗來通氣換氣進而調節溫度和濕度，設置補光燈系統來補充光照度的不足，設置噴灌系統來補濕和作物的葉面灌溉;在南面設置三個風機來調節溫室內的溫度和濕度;在北面設置濕簾系統來給溫室降溫和補濕;在地面設置滴灌系統給作物進行灌溉，以節約用水［5］。

根據智能溫室系統功能要求，本系統采用的是上位機+下位機的系統結構方案設計，可以針對溫室內部的各種環境因子進行有效控制，其系統總體結構如圖2所示。

圖2 智能溫室控制系統總體結構圖

智能溫室的控制系統主要由現場手動控制、遠程手動控制和自動控制三部分組成，其系統控制流程如圖3所示。

圖3 控制系統流程圖

根據控制系統流程圖可知，PLC控制系統在開始階段，首先進行溫室參數數據的初始化，將各環境因子的上下限值寫入寄存器中，并同時完成溫室現場環境因子的采集，為上位機組態顯示和PLC自動控制程序執行提供依據。當溫室控制系統處于現場手動控制時，根據現場需要可以任意的調控各執行機構運行;當系統處于遠程控制時，其控制原理與現場手動控制一致，主要區別是控制端在控制室中;當系統處于PLC自動控制時，系統將預先設定的環境因子參數值與當前值不斷地進行比較，并將比較結果通過PLC輸出來控制執行機構動作，以達到調節溫室環境的作用。

2.1 下位機系統方案設計

下位機系統位于智能溫室內，主要包括PLC控制器、各執行機構和各種傳感器。其中控制單元主要由三菱FX2N－48MRPLC及相關擴展模塊構成，下位機可以與上位機聯機工作，也可以脫離上位機PC獨立工作。在脫離上位機工作時，利用PLC不斷的掃描各輸入端子和特殊功能模塊的信息，分別將溫室中的溫度、濕度、土壤水分、光照度和CO2的設定值與當前值進行不斷地比較，根據比較結果采取不同的執行方案，各執行機構根據預先所設定的程序自主運行，完成對天窗、濕簾水泵、遮陽網等機構的控制。而在與上位機聯機工作時，下位機的所有信號將通過RS－485總線上傳到上位機中，在上位機中可以讀取下位機的所有狀態，并且還可以實現遠程的控制作用，實現監視與控制的結合，極大地擴展了下位機的功能。

2.2 上位機系統方案設計

上位機采用PC+組態王(Kingview6.55)控制方式，組態王監控系統主要由遠程監控畫面、報表系統畫面、趨勢曲線畫面、報警系統畫面和遠程控制系統畫面所組成，如圖4所示。

用戶可以在監控室內通過遠程監控畫面來觀察各個設備的運行狀態，如啟動或者停止，也可以通過遠程控制系統畫面來完成系統的手動/自動切換功能，對所有設備的啟動/停止實現遠程的控制功能。當需要對整個溫室的運行狀況進行分析和決策時，可以通過查看實時報表、日報表或者歷史數據報表來輸出當前或者過去一段時間的數據，也可以通過實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線來顯示當前或者過去一段時間的曲線，這樣可以分析溫室的工作情況，可以調整各控制系統得出最優的控制方法。報警系統則實時對系統進行監控，當發生溫度、濕度和光照度等相關環境因子低于或者高于設定值時及時提醒用戶進行干預，使其回到正常值范圍內，保證溫室系統的正常運行［6］。

圖4 上位機系統機構圖

3 智能溫室系統軟件設計

3.1 溫室系統下位機軟件設計

將溫室中的溫度、濕度、CO2濃度、土壤水分和光照度的設定值與當前值進行比較，再根據它們的比較結果來執行不同的控制方案，其自動控制程序流程如圖5所示。

根據溫室系統控制要求，PLC系統程序主要完成手動/自動控制的任意切換，即在手動控制程序部分，溫室控制系統不受環境因子的影響，可根據需要完全實行手動控制。而在自動控制階段，可根據系統采集的信號進行比較，進行完全的自動控制，并不斷的循環執行。根據相關要求，可把控制系統程序分為:數據初始化程序、溫度參數采集程序、手動控制程序、環境因子高低判斷程序和執行機構輸出控制程序等部分。本控制系統的程序的編制采用三菱全系列編程軟件GX DeveLoper Version8.34做為編程環境，使用梯形圖語言進行整個程序的編制工作。

3.2 溫室系統上位機軟件設計

上位機選用PC+組態王KingView6.55來構成溫室監視與控制系統，這樣的系統配置可以很好的滿足上位機的控制要求，也可以很好的實現系統控制、數據處理、通訊、實時數據顯示、曲線顯示、修改控制參數、保存環境參數數據、查詢等各種所需功能。

圖5 自動控制程序流程圖

在智能溫室監控系統主畫面的設計中，主要由登錄、退出、日報表、歷史報表、實時曲線、歷史曲線、報警系統和遠程控制等圖形按鈕組成，這些按鈕的設置，可以非常直觀的引導操作人員進行操作進入相關畫面，或者登錄和退出系統。系統在運行時，首先進入智能溫室監控系統畫面，可在本界面下通過相關按鈕任意的進入到日報表、歷史報表、實時曲線、歷史曲線、報警系統和遠程控制等畫面中，實施查看或者操作，遠程控制系統畫面如圖6所示。也可以在不同的按鈕中設置不同的權限，使不同的用戶可以進入不同的畫面進行操作。

圖6 遠程控制系統畫面

由于組態王WEB版本采用B/S結構，客戶只要在能夠上網的地方，均可以通過互聯網實現無地域限制的監視與控制功能。

4 總結

針對當前溫室控制系統中的不足之處，本文在分析了溫室環境控制中溫度、濕度、光照度和CO2等幾個因子的影響的基礎上，通過對影響溫室環境的多個變量進行研究，采用上位機+下位機的人機交互模式設計溫室控制系統軟硬件結構。完成了系統程序中的數據初始化、溫度參數采集、手動控制、環境因子高低判斷和執行機構輸出控制等全部程序的設計工作，并使用軟件對溫室系統的智能溫室監控畫面、報表系統、趨勢曲線系統、報警系統和遠程控制系統進行了設計。實現溫室內各環境因子調節控制，以及遠程控制、數據記錄和處理等功能，符合智能溫室的控制要求。

［1］馬萬征，馬萬敏.智能溫室環境控制的研究現狀及發展趨勢［J］.北方園藝，2011，23:179－180.

［2］姚有峰，張斌.溫室環境因子智能化控制系統的設計［J］.計算機測量與控制，2011，19(12):2 955－2 957.

［3］狄敬國，李秀美.基于PLC、變頻器和觸摸屏技術的溫室大棚控制系統設計［J］.農業裝備技術，2012(5):39－41.

［4］寧翠珍.自動控制技術與設施農業［J］.農業工程，2007(5):47.

［5］降惠，李杰.農業專家系統應用現狀與前景展望［J］.山西農業科學，2012，40(1):76－78.

［6］宋永飛.基于PLC和組態思想的智能溫室控制系統［J］.工業控制計算機，2009(1):7－9.