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摘 要： 摘要：討論了在溫室控制中引入PLC 技術(shù)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)的方法，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的特點(diǎn)、組成、軟硬件設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及通信問(wèn)題。分布式的控制結(jié)構(gòu)，使各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，管理與控制功能分開(kāi)，易于實(shí)現(xiàn)群控化管理，提高了系統(tǒng)的可靠性，且易于擴(kuò)展。系統(tǒng)成本
摘要：討論了在溫室控制中引入PLC 技術(shù)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)的方法，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的特點(diǎn)、組成、軟硬件設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及通信問(wèn)題。分布式的控制結(jié)構(gòu)，使各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，管理與控制功能分開(kāi)，易于實(shí)現(xiàn)群控化管理，提高了系統(tǒng)的可靠性，且易于擴(kuò)展。系統(tǒng)成本低廉，性能穩(wěn)定，通用性好，符合中國(guó)國(guó)情，具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān) 鍵 詞：農(nóng)業(yè)溫室;可編程邏輯控制器;分布式控制系統(tǒng);群控化管理
近百年來(lái)，溫室自動(dòng)控制和管理技術(shù)在世界各地都得到了長(zhǎng)足發(fā)展[1 ]。我國(guó)農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)型向優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目的的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，溫室工程的建設(shè)已成為都市型農(nóng)業(yè)形成和發(fā)展的重要組成部分。它不僅是對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一場(chǎng)革命，更是對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的運(yùn)用和推動(dòng)，在節(jié)能、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、增加產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)方面都發(fā)揮著舉足輕重的作用。溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在充分發(fā)揮溫室農(nóng)業(yè)的高效性，綜合應(yīng)用各種現(xiàn)代化管理技術(shù)，通過(guò)各項(xiàng)設(shè)施的有效運(yùn)做給溫室栽培物創(chuàng)造最適宜的環(huán)境條件，最大限度的減少外界不利環(huán)境和氣候條件對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，提高溫室農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化控制和管理水平。
目前我國(guó)溫室控制技術(shù)多是在分析、借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)與資料的基礎(chǔ)上，采用PC 機(jī)作為上位機(jī)，以各類單片機(jī)或控制器作為下位機(jī)組成集散式控制系統(tǒng)[2 ]。這類系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳送和系統(tǒng)拓展方面存在一些問(wèn)題，且群控化管理程度不高[3 ]。如何根據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平和管理人員的素質(zhì)水平，研究開(kāi)發(fā)成本低、可靠性、穩(wěn)定性、通用性好，便于管理維護(hù)的溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是急待解決的問(wèn)題。由于可編程控制器具有性能可靠、使用靈活、功能性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)對(duì)溫室自動(dòng)控制水平的要求以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的需求情況，本研究提出利用可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)行農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。圖1 控制系統(tǒng)組成框圖 Fig .1 The comprising figure of control system
1 系統(tǒng)組成
溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括溫室通風(fēng)系統(tǒng)、灌溉施肥系統(tǒng)、二氧化碳施肥系統(tǒng)、室內(nèi)噴霧、屋頂噴淋和濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、遮陽(yáng)保溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等。按照功能可以分為環(huán)境控制和溫室灌溉以及信息管理和動(dòng)態(tài)監(jiān)控三大部分。其中環(huán)境控制系統(tǒng)包括溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、通風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、二氧化碳調(diào)節(jié)系統(tǒng)和光照系統(tǒng)等，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、二氧化碳度和光照的調(diào)節(jié)控制;灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定量定時(shí)灌溉，可以按照設(shè)定的肥料配比和 EC、pH 等目標(biāo)值自動(dòng)施肥;動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在總控室，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)接收各個(gè)子系統(tǒng)的信號(hào)，并可根據(jù)要求向各個(gè)子系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳送和實(shí)時(shí)參數(shù)、執(zhí)行器模擬狀態(tài)等的集中顯示，以及數(shù)據(jù)歸檔、存儲(chǔ)，打印報(bào)表等，對(duì)所有的信息實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2 .1 硬件設(shè)計(jì)
由于德國(guó)SI EMENS 系列產(chǎn)品具有功能強(qiáng)大、可靠靈活等特點(diǎn)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體性、一致性出發(fā)，考慮到經(jīng)濟(jì)性、功能性等各方面的原因，我們選用西門(mén)子公司的產(chǎn)品，以最優(yōu)的性能!價(jià)格比進(jìn)行系統(tǒng)的配置。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)的單獨(dú)調(diào)控，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)由總控室進(jìn)行統(tǒng)一的管理，便于實(shí)現(xiàn)群控化控制。
系統(tǒng)配置上各個(gè)子系統(tǒng)選擇了SI EMENS 系列的S7 -215 PLC，這是因?yàn)樵?00 系列PLC 中，只有215 具有Profi bus - DP 口，可以聯(lián)到Profi bus 上進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。S7 -215 本機(jī)14 個(gè)輸入點(diǎn)和10 個(gè)輸出點(diǎn)，內(nèi)存13 K 字節(jié)。擴(kuò)展模塊EM231 可以實(shí)現(xiàn)3 路模擬量輸入的A!D 轉(zhuǎn)換，EM235 實(shí)現(xiàn)3 路模擬量輸入的A! D 轉(zhuǎn)換1 路模擬量輸出的D!A 轉(zhuǎn)換，可以根據(jù)需要方便地進(jìn)行功能的擴(kuò)展。另外調(diào)整相應(yīng)系統(tǒng)的硬件設(shè)備或者對(duì)應(yīng)的用戶子程序，可以方便地改變對(duì)參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)關(guān)量傳感器、模擬量傳感器對(duì)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照等進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)D!A 通道要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種執(zhí)行和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制，以及各種環(huán)境設(shè)備的啟停和電機(jī)等設(shè)備的保護(hù)。各子系統(tǒng)選用PLC 的主機(jī)內(nèi)部帶有存儲(chǔ)程序的EPROM，停電后程序不會(huì)丟失。圖2 硬件配置原理圖 Fig .2 Principle diagram of hardware
總控室選擇 S7 - 315 ，它集成有數(shù)據(jù)通訊接口，可以方便地通過(guò)PROFI BUS - DP 口實(shí)現(xiàn)和其他子系統(tǒng)的通信，進(jìn)行集中管理。在這里通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)控畫(huà)面可以動(dòng)態(tài)地了解各種參數(shù)的變化。各個(gè)子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)意外或其他子系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題也不會(huì)引起癱瘓。環(huán)境控制子系統(tǒng)配置硬件原理圖如圖2 所示。
2 .2 軟件和動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
軟件部分主要完成對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的控制，并集成有模糊控制算法，可以根據(jù)參數(shù)設(shè)定值達(dá)到對(duì)環(huán)境參數(shù)的精確控制，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、通訊和監(jiān)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)等功能。動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是采用西門(mén)子的視窗控制中心—SI MATI C Wi ncCC，它是一種可視化的人機(jī)界面，可以很容易地結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和用戶程序生成人- 機(jī)界面，準(zhǔn)確地滿足實(shí)際要求。
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SI MATI C Wi nCC 的組成包括計(jì)算機(jī)(Computer )、標(biāo)簽管理(Tag Management )、數(shù)據(jù)類型(Data Type )和編輯器(Editor )幾個(gè)部分。動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)的瞬時(shí)值和動(dòng)態(tài)顯示他們的變化趨勢(shì)，同時(shí)每隔一定時(shí)間間隔對(duì)采集值進(jìn)行存儲(chǔ)以提供數(shù)據(jù)報(bào)表，同時(shí)將其保留在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中供作物栽培者日后進(jìn)行檢查、檢驗(yàn)和加工分析，另外軟件還有自動(dòng)報(bào)警和防止非法操作功能，監(jiān)控畫(huà)面如下圖3 所示。
2 .3 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)溫室運(yùn)做的信息傳送，它需要3 條信號(hào)圖4 PLC 與PC 之間的傳輸過(guò)程 Fig .4 Tranmission process bet ween PC and PLC 線，RXD(收)、TXD(發(fā))、GND(地)。選用可保證波特率在9 600 bpS 時(shí)，通信距離可達(dá)到 1. 2 k m。設(shè)計(jì)采用主從方式管理，主機(jī)通過(guò) RS-232/RS485 通信接口轉(zhuǎn)換器完成信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，從機(jī)采用 MAX485 接口可以實(shí)現(xiàn) RS/485 與TTL 電平的轉(zhuǎn)換。信號(hào)通信程序分為初始化、接收和發(fā)送三個(gè)部分。本設(shè)計(jì)中所選PLC 都是SI EMENS 的產(chǎn)品，本身都集成了PROFI BUS 接口，可以方便可靠的連接成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。本機(jī)主站和從站的分配情況如下：d在本系統(tǒng)中選用了帶有 Profi buS 接口的S7 -315 為主站，它為每一個(gè)站點(diǎn)分配一個(gè)地址，在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站點(diǎn)交換信息。i本系統(tǒng)中總控室的上位PC 機(jī)屬于第二類主站，選用帶PROFI BUS- DP 網(wǎng)卡(CP5611 )接口的工控機(jī)。@從站為各個(gè)子系統(tǒng)的S7 -215 。@PLC 與PC 之間的通訊，二者進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，各站周期性地交換1 字節(jié)數(shù)據(jù)。主站發(fā)送命令信息，從站上通過(guò)DP - RECV(read )，調(diào)用DP - RECV 功能從主站讀取數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到從站DB11 中，然后通過(guò)DP -SEND( rite )，調(diào)用DP -SEND 功能存儲(chǔ)在DB11 中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到主站的輸入?yún)^(qū)。PLC 與PC 之間的傳輸過(guò)程如圖4 所示。
3 結(jié)論
本系統(tǒng)可以提高溫室的自動(dòng)化控制和管理水平，充分發(fā)揮溫室農(nóng)業(yè)的高效性，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室生產(chǎn)時(shí)各個(gè)參數(shù)的分散控制和集中管理。特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
1 )群控化管理：即可實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地區(qū)的多個(gè)溫室集中統(tǒng)一管理。
2 )可靠性高：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理與直接控制分開(kāi)，各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，分別完成不同的控制功能，即使系統(tǒng)某部分工作異常，也不影響各個(gè)溫室控制系統(tǒng)的正常工作。
3 )易擴(kuò)展性：隨著溫室農(nóng)業(yè)的發(fā)展，控制環(huán)節(jié)的增多，該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能方面可方便地進(jìn)行擴(kuò)展。
4 )經(jīng)濟(jì)性好：該系統(tǒng)成本低廉、性能穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益顯著，符合中國(guó)目前的國(guó)情，具有誘人的應(yīng)用前景——論文作者：孟 華， 顏翠英， 齊樹(shù)興
參考文獻(xiàn)：
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