發(fā)布時間：2022-05-16所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
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，詳細介紹了系統(tǒng)的特點、組成、軟硬件設(shè)計、實時動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及通信問題。分布式的控制結(jié)構(gòu)，使各子系統(tǒng)相對獨立，管理與控制功能分開，易于實現(xiàn)群控化管理，提高了系統(tǒng)的可靠性，且易于擴展。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，詳細介紹了系統(tǒng)的特點、組成、軟硬件設(shè)計、實時動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及通信問題。分布式的控制結(jié)構(gòu)，使各子系統(tǒng)相對獨立，管理與控制功能分開，易于實現(xiàn)群控化管理，提高了系統(tǒng)的可靠性，且易于擴展。系統(tǒng)成本低廉，性能穩(wěn)定，通用性好，符合中國國情，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，溫室自動控制和管理技術(shù)在世界各地都得到了長足發(fā)展[1 ]。我國農(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)代科學技術(shù)的發(fā)展和進步，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。它不僅是對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一場革命，更是對現(xiàn)代科學技術(shù)的運用和推動，在節(jié)能、降低勞動強度、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。溫室自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，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)，通過各項設(shè)施的有效運做給溫室栽培物創(chuàng)造最適宜的環(huán)境條件，最大限度的減少外界不利環(huán)境和氣候條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，提高溫室農(nóng)業(yè)的自動化控制和管理水平。
目前我國溫室控制技術(shù)多是在分析、借鑒國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)與資料的基礎(chǔ)上，采用PC 機作為上位機，以各類單片機或控制器作為下位機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題，且群控化管理程度不高[3 ]。如何根據(jù)我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展水平和管理人員的素質(zhì)水平，研究開發(fā)成本低、可靠性、穩(wěn)定性、通用性好，便于管理維護的溫室計算機控制系統(tǒng)，是急待解決的問題。由于可編程控制器具有性能可靠、使用靈活、功能性強等優(yōu)點，結(jié)合目前國內(nèi)對溫室自動控制水平的要求以及自動控制系統(tǒng)的需求情況，本研究提出利用可編程邏輯控制器(PLC)進行農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計。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
溫室自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括溫室通風系統(tǒng)、灌溉施肥系統(tǒng)、二氧化碳施肥系統(tǒng)、室內(nèi)噴霧、屋頂噴淋和濕簾風機降溫系統(tǒng)、遮陽保溫系統(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，主要實現(xiàn)對溫度、濕度、二氧化碳度和光照的調(diào)節(jié)控制;灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)定量定時灌溉，可以按照設(shè)定的肥料配比和 EC、pH 等目標值自動施肥;動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計在總控室，通過通信網(wǎng)絡(luò)接收各個子系統(tǒng)的信號，并可根據(jù)要求向各個子系統(tǒng)發(fā)送控制信號，實現(xiàn)信息的實時傳送和實時參數(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，打印報表等，對所有的信息實現(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
2 .1 硬件設(shè)計
由于德國SI EMENS 系列產(chǎn)品具有功能強大、可靠靈活等特點，從系統(tǒng)設(shè)計的整體性、一致性出發(fā)，考慮到經(jīng)濟性、功能性等各方面的原因，我們選用西門子公司的產(chǎn)品，以最優(yōu)的性能!價格比進行系統(tǒng)的配置。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的單獨調(diào)控，通過通訊網(wǎng)絡(luò)由總控室進行統(tǒng)一的管理，便于實現(xiàn)群控化控制。
系統(tǒng)配置上各個子系統(tǒng)選擇了SI EMENS 系列的S7 -215 PLC，這是因為在200 系列PLC 中，只有215 具有Profi bus - DP 口，可以聯(lián)到Profi bus 上進行高速數(shù)據(jù)傳輸。S7 -215 本機14 個輸入點和10 個輸出點，內(nèi)存13 K 字節(jié)。擴展模塊EM231 可以實現(xiàn)3 路模擬量輸入的A!D 轉(zhuǎn)換，EM235 實現(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)需要方便地進行功能的擴展。另外調(diào)整相應(yīng)系統(tǒng)的硬件設(shè)備或者對應(yīng)的用戶子程序，可以方便地改變對參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)通過開關(guān)量傳感器、模擬量傳感器對溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照等進行檢測。通過D!A 通道要實現(xiàn)對各種執(zhí)行和調(diào)節(jié)機構(gòu)的控制，以及各種環(huán)境設(shè)備的啟停和電機等設(shè)備的保護。各子系統(tǒng)選用PLC 的主機內(nèi)部帶有存儲程序的EPROM，停電后程序不會丟失。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PROFI BUS - DP 口實現(xiàn)和其他子系統(tǒng)的通信，進行集中管理。在這里通過動態(tài)監(jiān)控畫面可以動態(tài)地了解各種參數(shù)的變化。各個子系統(tǒng)可以實現(xiàn)獨立運行，當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)意外或其他子系統(tǒng)出現(xiàn)問題也不會引起癱瘓。環(huán)境控制子系統(tǒng)配置硬件原理圖如圖2 所示。
2 .2 軟件和動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
軟件部分主要完成對各個子系統(tǒng)的控制，并集成有模糊控制算法，可以根據(jù)參數(shù)設(shè)定值達到對環(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)行機構(gòu)等功能。動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計是采用西門子的視窗控制中心—SI MATI C Wi ncCC，它是一種可視化的人機界面，可以很容易地結(jié)合標準和用戶程序生成人- 機界面，準確地滿足實際要求。
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SI MATI C Wi nCC 的組成包括計算機(Computer )、標簽管理(Tag Management )、數(shù)據(jù)類型(Data Type )和編輯器(Editor )幾個部分。動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以實時檢測溫室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)的瞬時值和動態(tài)顯示他們的變化趨勢，同時每隔一定時間間隔對采集值進行存儲以提供數(shù)據(jù)報表，同時將其保留在歷史數(shù)據(jù)庫中供作物栽培者日后進行檢查、檢驗和加工分析，另外軟件還有自動報警和防止非法操作功能，監(jiān)控畫面如下圖3 所示。
2 .3 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計
通信系統(tǒng)實現(xiàn)對整個溫室運做的信息傳送，它需要3 條信號圖4 PLC 與PC 之間的傳輸過程 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，通信距離可達到 1. 2 k m。設(shè)計采用主從方式管理，主機通過 RS-232/RS485 通信接口轉(zhuǎn)換器完成信號之間的轉(zhuǎn)換，從機采用 MAX485 接口可以實現(xiàn) RS/485 與TTL 電平的轉(zhuǎn)換。信號通信程序分為初始化、接收和發(fā)送三個部分。本設(shè)計中所選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現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。本機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，它為每一個站點分配一個地址，在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站點交換信息。i本系統(tǒng)中總控室的上位PC 機屬于第二類主站，選用帶PROFI BUS- DP 網(wǎng)卡(CP5611 )接口的工控機。@從站為各個子系統(tǒng)的S7 -215 。@PLC 與PC 之間的通訊，二者進行數(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DP - RECV(read )，調(diào)用DP - RECV 功能從主站讀取數(shù)據(jù)并存儲到從站DB11 中，然后通過DP -SEND( rite )，調(diào)用DP -SEND 功能存儲在DB11 中的數(shù)據(jù)寫入到主站的輸入?yún)^(qū)。PLC 與PC 之間的傳輸過程如圖4 所示。
3 結(jié)論
本系統(tǒng)可以提高溫室的自動化控制和管理水平，充分發(fā)揮溫室農(nóng)業(yè)的高效性，實現(xiàn)對溫室生產(chǎn)時各個參數(shù)的分散控制和集中管理。特點主要體現(xiàn)在：
1 )群控化管理：即可實現(xiàn)對同一地區(qū)的多個溫室集中統(tǒng)一管理。
2 )可靠性高：該系統(tǒng)實現(xiàn)管理與直接控制分開，各子系統(tǒng)相對獨立，分別完成不同的控制功能，即使系統(tǒng)某部分工作異常，也不影響各個溫室控制系統(tǒng)的正常工作。
3 )易擴展性：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行擴展。
4 )經(jīng)濟性好：該系統(tǒng)成本低廉、性能穩(wěn)定，經(jīng)濟效益顯著，符合中國目前的國情，具有誘人的應(yīng)用前景——論文作者：孟 華， 顏翠英， 齊樹興
參考文獻：
[1 ] 顧奇南，毛罕平. 國內(nèi)外實施栽培綜合環(huán)境控制技術(shù)及其發(fā)展[J ]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，1999(3 )：1 -3 .
[2 ] 楊樞，葛繼忠，趙世付. 棚室環(huán)境智能控制系統(tǒng)的研究[J ]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2002(1 )：7 -10 .
[3 ] 何黎明，繞家明，田作華. 基于現(xiàn)場總線的溫室分布式控制系統(tǒng)[J ]. 計算機工程，2002(4 )：222 -223 .
