硕士论文-农业温室远程智能监控系统研究.doc

摘要计算机、网络通信与自动控制技术相结合，给传统的工控应用领域充入了新内容，网络控制系统成为当今重要的研究课题。特别是Internet及Web发布技术的应用，促进工控应用技术向网络控制及Web自动化的趋势发展。本课题对工业网络控制应用技术特别是工业以太网和Web发布技术进行了研究，并以农业温室远程智能监控系统项目的研发为依托，采用先进的基于工业以太网的ADAM-5550 PAC智能控制器及基于Web发布的WebAccess组态技术，设计开发了一种新型的完全基于Internet和Intranet信息平台的监控系统，实现了农业温室现场信息监视与控制的自动化、网络化和远程化。本文详细介绍了农业温室远程智能监控系统的整体方案及软硬件设计，主要对农业温室内的温度、湿度、CO2浓度、光照等环境因子进行采集，根据典型高效作物的生长规律和环境要求等农业知识，实现智能和自动控制。同时对包括风机、顶层遮阳电机、水帘电机、卷膜电机、喷淋电机、加温设备、制冷设备、照明、室外气象站等温室辅助设备进行自动控制。本文重点对工业以太网数据传输的实时性问题、基于B/S架构的Web发布技术、高效作物生长规律的专家决策机制等关键技术进行了研究，并应用于农业温室远程和智能控制系统中。该产品样机在某温室投入运行，操作简单，性能稳定，实用性强。研究成果适用于高效设施农业数字化种植领域，具有广阔的应用前景和推广价值。关键词 农业温室；工业以太网；Web发布；远程监控；智能监控AbstractThe technical combination of computer，network communication and automatic control gives new contents to the traditional application area of industry automation. Network control system has already become the important research topic today. Especially， with the development of Internet and web browse technologies, the industry control application technology trends to network control and web automation. This subject is researching on industrial network control technologies, especially the industrial ethernet and web browse technologies. And study on remote and intelligent control system of agriculture greenhouse is focused on using ADAM-5550 PAC intelligent controller based on advanced industrial ethernet technology and WebAccess configuration based on web browse technology entirely. A new information monitoring platform based on Internet and Intranet is designed, and combination of automation, network and remote control is realized to the agricultural greenhouse.In this paper both overall system plan and designs of software and hardware are introduced in detail on remote and intelligent system of agricultural greenhouse. Mainly the temperature, humidity, CO2 concentration, light and other environmental factors of agriculture greenhouses are collected. According to a typical growth pattern of high return crops, environmental requirements and other agricultural knowledges, both intelligence and automation control are achieved. In the same time, the auxiliary equipments such as fans, top shade motor, water curtain motor, roll film motor, spray motor, heating equipment, refrigeration equipment, lighting, outdoor weather stations etc. are controlled automatically.In this paper several key technologies such as real-time data transmission of industrial ethernet, web browse technology based on B/S structure, decision strategy for efficient crop have been studied. And they are applied to remote and intelligent control system of agriculture greenhouse.The prototype machine is operating in the greenhouse with simple operation, stable performance and strong practicability. The results of research are effective for digital cultivation of high performance facility agriculture, and has broad application prospects and promotion values.Keywords: agriculture greenhouse; industry ethernet; web browse; remote control; intelligent control III目录目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景11.1.1 课题研究目的和意义11.1.2 国内外设施农业温室的发展历程21.1.3 温室控制技术的几个发展阶段31.2 远程智能监控技术概况41.3 主要研究内容及关键技术51.3.1 课题资助依托51.3.2 主要研究内容61.3.3 关键研究技术61.4 本文结构7第2章 网络远程控制技术82.1 工业网络控制技术概述82.2 几种常用的网络控制技术92.2.1 分布式控制系统92.2.2 现场总线控制系统92.2.3 FDCS混合控制系统102.2.4 工业以太网102.3 工业以太网的实时性分析112.3.1 工业以太网的特点与要求112.3.2 工业以太网的实时性要求分析132.4 基于Web发布的Web自动化技术172.5 本章小结18第3章 系统总体方案设计203.1 温室现场控制模型203.2 远程监控系统的网络架构213.2.1 控制系统的上下位机结构213.2.2 网络控制三层架构233.3 软硬件设计选型253.3.1 IPC-610工控机253.3.2 基于工业以太网的ADAM-5550KW PAC智能控制器263.3.3 基于Web发布的WebAccess组态软件273.4 温室作物生长规律控制研究293.4.1 温室作物智能控制要求293.4.2 典型高效作物生长阶段特性293.4.3 计算机专家决策方案303.4.4 温度PID控制303.5 本章小结32第4章 系统硬件设计334.1 电气控制原理设计334.1.1 电机执行部件的电气设计334.1.2 PAC控制器外围监控信号设计354.2 ADAM-5550KW PAC硬件配置374.2.1 控制器及模块配置374.2.2 系统I/O分配表374.3 ADAM-5550KW控制器及其模块的电气接线404.3.1 ADAM-5550KW控制器系统404.3.2 ADAM-5051开关量输入模块414.3.3 ADAM-5056开关量输出模块424.3.4 ADAM-5017模拟量输入模块424.3.5 ADAM-5024模拟量输出模块434.4 本章小结43第5章 系统软件设计455.1 系统组态功能要求455.2 WebAccess架构及组态工程的步骤465.2.1 WebAccess软件架构465.2.2 WebAccess组态工程的步骤475.3 WebAccess组态设计485.3.1 添加监控节点485.3.2 建立通信端口和设备驱动程序485.3.3 建立变量495.3.4 组态HMI画面505.3.5 组态趋势图525.3.6 组态报警535.3.7 TCL脚本编程545.3.8 图表参数的设置555.4 温室智能控制设计555.5 本章小结60第6章 系统调试及运行616.1 Utility软件对ADAM-5550KW控制器的通信及信号测试616.2 Multiprog的硬件组态及编程调试626.3 WebAccess对ADAM-5550KW控制器的信号测试646.4 现场电控柜的调试656.5 系统综合调试及运行666.6 本章小结72总结与展望73参考文献75致谢78在学期间的研究成果及发表的学术论文79在学期间参加的科研项目80ContentsAbstractIIChapter 1 Introduction11.1 Research Background11.1.1 The Purpose and Significance of the Research11.1.2 The Development of Greenhouse in Fields of Domestic and Foreign Facility Agriculture21.1.3 Several Development Stages of Greenhouses Control Technology31.2 Survey of Remote and Intelligent Control Technology41.3 Main Research Content and Key Technology51.3.1 Subject Support of Fund51.3.2 Main Research Content61.3.3 Key Research Technology61.4 The Structure of This Paper7Chapter 2 Network Remote Control Technology82.1 Overview of Industrial Network Control Technology82.2 Several Kinds of Common Network Control Technology92.2.1 Distributed Control System92.2.2 Fieldbus Control System92.2.3 Mixed FDCS Control System102.2.4 Industrial Ethernet102.3 Real Time Analysis of Industrial Ethernet112.3.1 Characteristics and Requirements of Industrial Ethernet112.3.2 Analysis of Real Time Requirements for Industrial Ethernet132.4 The Web Automatic Technology Based on Web Browse172.5 Summary for This Chapter18Chapter 3 Overall System Design203.1 Control model of Greenhouse Site203.2 the Network Structure of Remote Control System213.2.1 the Upper-lower Computer Structure of Control System213.2.2 Three-layer Structure of Network Control System233.3 Design Selection for Hardware and Software253.3.1 IPC-610 Industrial Computer253.3.2 ADAM-5550KW PAC Controller Based on Industrial Ethernet 263.3.3 WebAccess Configuration Software Based on Web Browse273.4 Control Research for Growth rule of Greenhouse Crops293.4.1 Intelligent Control Requirements for Greenhouse Crops293.4.2 Growth Characteristics of Typical High-performance Crops293.4.3 Expert Decision-making Program Based on Computer303.4.4 Temperature PID Control303.5 Summary for This Chapter32Chapter 4 Design for Hardware System334.1 Principle Design for Electrical Control334.1.1 Electric Design for Motors334.1.2 Supervise and Control Signal Design for PAC Controller354.2 Hardware Configuration of ADAM-5550KW PAC374.2.1 Configuration of Controller and its Modules374.2.2 System I/O Distribution374.3 Electric Connection of ADAM-5550KW Controller and its Modules404.3.1 ADAM-5550KW Controller System404.3.2 ADAM-5051 Digital Input Module414.3.3 ADAM-5056 Digital Output Module424.3.4 ADAM-5017 Analog Input Module424.3.5 ADAM-5024 Analog Output Module434.4 Summary for This Chapter43Chapter 5 Design for Software System455.1 Function Requirements for System Configuration455.2 WebAccess Structure and Processes of Project Configuration465.2.1 Software Structure of WebAccess465.2.2 Processes of Project Configuration Using WebAccess475.3 Configuration Design of WebAccess485.3.1 Add SCADA Node485.3.2 Establish Communication Port and Device Drivers485.3.3 Establish Variables495.3.4 Configurate HMI Screen505.3.5 Configurate Trend Diagram525.3.6 Configurate Alarm535.3.7 TCL Sript Programme545.3.8 Setup of Diagram Parameters555.4 Design of Intelligent Control for Greenhouse555.5 Summary for This Chapter60Chapter 6 System Debug and Run616.1 Communication and Signal Test for ADAM-5550KW Controller Using Utility616.2 Hardware Configuration and Software Debug Using Multiprog626.3 Signal Test for ADAM-5550KW Controller Using WebAccess646.4 Debug of Electric Control Cabinet in Greenhouse Site656.5 Integration Debug and Run666.6 Summary for This Chapter72Summary and Outlook73References75Thanks78Research Production and Published Science Papers during Study79Science Projects during Study80第1章 绪论第1章 绪论1.1 研究背景1.1.1 课题研究目的和意义该课题主要是研究农业种植领域温室的远程监控和智能监控系统，构建可以改变高效农业作物如高档苗木花卉生长的最佳条件和环境，避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的温室场所，以调节生产产期，促进生长发育，提高质量产量。温室设施的关键技术是环境控制，最终目标是提高控制与作业的精度与自动化水平。本课题研究的目的是：基于工业以太网及Web发布技术，构建一个功能完备、结构简单、安装方便、操作简便的柔性化、模块化、标准化、系列化的设施农业智能化产品，促进农业生产数字化。该系统利用计算机、网络通信技术及现代控制理论，对温室内的各种环境因子，包括空气/水温度、光照、湿度、CO2浓度、喷淋灌溉等，进行自动控制和调节，根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作；并适应计算机网络和Internet技术发展，实现对温室现场的远程监视和控制。在控制内容上，要求系统对高效作物生长状况的改变及时作出反应，介入其生长的内在规律，建立专家决策机制，延长或缩短生长周期，推进规模化生产，提高劳动生产率和产量，以取得良好的经济和社会效益。本课题研究对于推进我国农业现代化、增强国际竞争力具有积极意义。目前设施农业温室栽培技术比较先进的国家有欧洲的荷兰、法国、英国、西班牙、意大利，美洲的美国、加拿大，亚洲和大洋洲的日本、韩国、澳大利亚、以色列、土耳其等国家。这些国家由于政府重视温室栽培的发展，在资金和政策上都给予了大力支持，因此现代温室栽培技术研究起步早、发展快，综合环境控制技术水平高。我国加入WTO，国内农产品受到世界市场的严重冲击，绝大部分传统的大田农作物在价格上难于在国际市场竞争。为适应国际大环境，我国政府已在农业结构调整、农业产业化等方面展开深入的改革。温室大棚经济的发展，对大棚内温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等的远程监视和控制可大大提高自动化程度，并对作物生长规律进行研究和推广，其工作效率和完成任务的复杂程度都得到大大提高，可作为农业结构调整的重要组成部分和农业经济增收、农民快速致富的重要手段，以大大提升我国农业在国际上的竞争力和综合环境控制技术水平。1.1.2 国内外设施农业温室的发展历程农业现代化的发展，设施农业工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。国外设施农业温室栽培技术起步早。1860年美国建立了世界上第一个温室栽培试验站，到20 世纪初，美国已有1000 多个温室用于冬季栽培蔬菜。这时，美国有1100hm2（即公顷）的温室用于生产鲜花和观赏植物，550hm2 温室生产番茄、黄瓜等蔬菜。5060 年代，美国、加拿大的温室发展与生产达到高峰，欧洲的荷兰、德国的温室工业化生产也已兴起。20 世纪60年代，美国研制成功无土栽培技术，使温室栽培技术产生一次大变革，到70 年代初，美国已有400hm2无土栽培温室用于生产黄瓜、番茄等。1980 年，全世界用于蔬菜生产的温室面积达16. 5 万hm2，年总产值达300 亿美元；用于花卉生产的温室5. 5 万hm2，年总产值达160 亿美元；亚洲和地中海地区温室数量迅速增加；欧洲南部的温室主要生产蔬菜，而北欧的温室则主要生产附加值高的鲜花和观赏植物。这个时期，中国的塑料大棚面积达到290万hm2，主要生产蔬菜和鲜花。国外对温室环境控制技术研究始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部采用计算机控制。日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整。一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和CO2浓度为随变因素，使这四个主要环境因素随时处于最佳配合状态。美国和荷兰还利用差温管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国先后从欧美和日本等发达国家引进了21.2h连栋温室。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产。90年代初，我国大型温室跌入了发展的低谷。“九五”初期，北京中以示范农场引进以色列温室，拉开了我国第二次引进和学习国外现代温室技术的序幕。到90年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。1995年，北京农业大学研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统。1996年，江苏理工大学研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统，该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是国产化温室控制技术比较典型的研究成果。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统，该系统由大棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成。近年，我国对温室控制技术的研究进入了新的发展阶段。以江苏省为例，2009年初，省信息产业厅在多轮调研的基础上，对设施农业规模化种植智能控制项目进行专题立项研究，常州市科技局也把高效设施农业智能化系统的研制列为2009-2010年度重点攻关项目。温室控制技术的研究对于温室产业乃至我国的农业现代化进程具有深远的影响。1.1.3 温室控制技术的几个发展阶段从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段：1、手动控制阶段这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。80年代中期，以辽宁海城和瓦房店为代表的高效节能日光温室基本属于这种控制方式。荷兰温室发展的初期，环境因子也是根据种植者的经验来控制。如使用手动加热系统和手动通风系统，在玻璃窗上涂上石灰以减少过多的光照等。另外，在温室中挂上温度计用来检查对温室环境的控制效果。2、自动控制阶段第二次世界大战以后，温室生产己远远超过“温室效应”的概念。手动控制的生产方式正逐渐被机械设备所替代。首先被引入使用的是自动调温仪，其后，与环境控制和作物生长有关的研究成果相继问世，这些新的成果促进了新型环境控制设备的诞生。于是利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子，包括温度、光照、湿度、CO2浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。根据温室作物的生长习性和市场的需要，部分甚至完全摆脱自然环境的约束，使人为创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便。这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时作出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。3、远程智能监控阶段在自动控制的基础上，适应计算机网络和Internet技术发展而兴起的一个新型的研究方向，可以实现对温室现场的远程监视和控制；同时要求系统对作物生长状况的改变及时作出反应，建立专家决策机制，介入作物生长的内在规律，延长或缩短作物生长时间、提高作物产量，以取得良好的经济和社会效益。我国是农业大国，近年高效种植业、养殖业、水产业发展迅速，目前这方面在国内正处于研究阶段，基于计算机网络和Internet技术的远程监控和农作物生长全自动控制的设施温室大棚必然具有广阔的发展空间和产业化前景。1.2 远程智能监控技术概况计算机、通信及网络技术的飞速发展，引起了自动控制系统结构上的深刻变革，工控系统已日益向智能化、集成化和综合化方向发展。工厂的管控一体化系统日益摆脱现场控制信息与企业管理层信息的隔离，实现包括现场控制层、信息监控层及企业管理层组成的综合系统成为国内外工控系统发展的总趋势。在企业现场，各种智能控制设备的信号通过分布式DCS（Distributed Control System）或现场总线FCS（Fieldbus Control System）等网络控制系统NCS（Network Control System），将现场控制层的信号传输到信息监控层；信息监控层对这些信息进行采集和组态，经过运算处理后发出命令控制现场设备，同时将控制层信息通过各种网络（现在一般采用以太网）传输到企业管理层（MIS、ERP等系统），并通过Web技术向Intranet/Internet发布信息，形成系统信息传输的神经网络，完成信息从底层到上层的传输和共享。现场控制层一般采用PLC、智能模块、PAC控制器、智能仪表等设备。现在NCS系统多趋于采用FCS或由FCS和DCS组成的混合系统。不同厂商的智能设备一般支持不同的现场总线标准，全世界共有Modbus、Profibus、Can、FF等40多种标准并存，不同厂商的产品互用很麻烦，而无法形成统一的国际标准。以太网具有FCS开放性、互操作性、互换性、可集成性、数字化信号传输等特点，同时克服了FCS各厂家各自制定标准、产品种类繁多、不同协议之间不能相互通讯、相互接口麻烦等不利，是现场数据通信的一种最佳选择。以太网应用于工业领域，就是工业以太网，它们在技术上相互兼容，只是前者在产品设计的实时性、可靠性、环境适应性等方面能满足工业现场的需要，是一种典型的工业通信网络。它基于IEEE802.3局域网标准，采用统一的TCP/IP协议，可以直接和局域网中的计算机互连而不需额外的硬件设备，通信速率高，连接电缆和接口设备价格相对较低，是目前最先进的工业控制技术。由于以太网通信技术的发展和工业控制领域对网络需求越来越强烈，以及其优良的技术性能和广阔的市场应用空间，吸引世界著名的自动化厂商如Siemens、施耐德、台湾研华等份份推出PLC、PAC控制器等工业以太网产品，以太网从传统的商用领域迅速进入工业控制领域，形成了新型的工业以太网应用领域，一些专家预测将成为现场总线的最终发展方向。Internet、浏览器技术的快速发展及普及，信息交流和资源共享成为推动网络技术发展的巨大动力，基于Web的B/S架构，即Browser/Server(浏览器/服务器)架构己经成为当今应用软件的首选体系结构。本课题就是将上述工业控制技术应用于农业温室的智能控制和远程控制。1.3 主要研究内容及关键技术1.3.1 课题资助依托本课题以江苏省信息产业厅资助项目“苗木花卉规模化种植智能控制研究”为依托。该项目主要由以下二大子系统组成：高效作物生长环境支持子系统：主要对农业温室内的温度、湿度、CO2浓度、光照等生长环境因子进行控制，根据典型对象的生长规律和环境要求等农业知识，实现智能和自动控制。温室设施支持子系统：主要对温室各类设备，包括风机、顶层遮阳电机、水帘电机、喷淋电机、加温设备、制冷设备、照明、室外气象站等设施单元进行智能和自动控制。1.3.2 主要研究内容本课题主要研究内容为：1、工业网络控制技术，特别是工业以太网技术在农业温室控制系统中的应用，重点对工业以太网的安全性问题进行分析研究；2、基于Web发布的远程信息监控技术，对农业温室现场信息进行远程监控的基本原理；3、设计系统总体方案，采用工业以太网及Web发布技术，实现农业温室远程智能控制；4、进行系统硬件设计：采用上下位机结构的工业级硬件控制智能设备，上位机采用高性能的研华IPC-610工业控制计算机，下位机采用支持工业以太网技术的研华可编程智能控制器PAC（Programmable Automatic Controller）ADAM-5550KW，保证系统稳定、可靠运行；5、进行系统软件设计：监控软件采用B/S结构，Web发布的控制方式，可根据需要向Internet/Intranet网络发布信息，实现异地、远程对整个系统的监视和数据共享。采用完全基于Internet技术的研华网络组态软件Advantech WebAccess，用户可非常方便地通过IE浏览器进行网络访问。6、对农业温室智能控制进行研究，对高效作物生长状况的改变及时作出反应，介入其生长的内在规律，建立专家决策机制，控制温室环境因子达到最佳，以延长或缩短生长周期，推进规模化生产。7、系统的实现：制作系统样机，组态人机操作HMI（Human Machine Interface）画面，现场投入调试和运行。系统包含下列模块：温湿度控制单元、风机控制单元、顶层遮阳控制单元、侧窗卷膜控制单元、水帘降温及加温控制单元、喷淋及照明单元、室外气象站单元，并具有实时及历史趋势图、信号报警等功能。1.3.3 关键研究技术本课题为应用性工程项目，在具体实施中，主要需解决以下关键技术：1、工业以太网数据传输的实时性问题研究，保证远程监控系统的信息传输通道安全、可靠、稳定；2、基于B/S架构和Web发布技术的研究，实现基于Internet和IE浏览器的远程监控；3、高效作物生长规律的专家决策机制研究，自动控制温室各环境因子，实现智能控制。1.4 本文结构全文共分七章，各部分内容安排如下：第一章，主要介绍课题研究的目的和意义，国外设施农业温室的发展历程，温室控制技术的三个发展阶段，远程智能监控技术概况，课题主要研究内容及关键技术。第二章，介绍分布式控制系统DCS、现场总线控制系统FCS、混合系统FDCS、工业以太网IE、Web自动化等工业网络控制技术，对工业以太网的实时性特点及要求进行分析。第三章，对温室现场控制模型、温室远程监控系统的网络架构等进行整体设计，在此基础上对系统软硬件进行选型，并介绍典型温室作物生长规律、计算机专家决策方案及数字PID控制原理。第四章，设计电控柜的电气控制原理，重点对ADAM-5550KW PAC控制器外围监控信号、模块配置及I/O分配表进行设计，并介绍PAC输入输出模块的电气接线。第五章，设计系统软件功能框图，介绍WebAccess组态软件中设备驱动、画面、趋势图、报警、脚本编程等组态技术，并重点对温室智能控制方案进行设计。第六章，介绍Utility、Multiprog、WebAccess软件同ADAM-5550KW PAC控制器之间的信号测试、调试，现场电控柜的电气调试，系统综合调试及运行等方面的内容。第七章，对本课题主要工作成果进行总结，提出需要完善和改进的地方，并对下一步需深入研究的问题提出设想与展望。79第2章 网络远程控制技术第2章 网络远程控制技术工业网络控制技术特别是工业以太网控制和Web发布技术，是当今先进的自动控制技术。把工业以太网和Web发布技术应用于设施农业的温室控制领域，进行深入的研究和应用，实现远程和智能监控，具有十分重要的经济价值和社会意义。2.1 工业网络控制技术概述随着计算机、网络通信及控制技术的发展，现代工业控制领域向网络化、集成化、分布化、Web自动化发展，普遍采用网络控制系统NCS（Network Control System）。网络控制系统即网络化的控制系统，通常根据系统构成的层次结构而分成三种基本通信方法，即分布式控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）及工业以太网（IE），它们构成当今工业控制的主流。工控系统通过这三种类型的通信方法将主机与现场各种设备连接起来，将现场信号传输到控制级（一般采用可编程逻辑控制器PLC或可编程自动化控制器PAC），再将控制级信息传输到监控级（一般采用工控机IPC）及管理级（通常为MIS网），形成了系统信息传输的神经网络。同时Internet及Web发布技术的发展，促进工业控制系统向Web自动化的趋势发展，通过Web服务器向Intranet或Internet发布信息，最终完成现场监控信息从底层到上层通信、实现共享的目的7。工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，担负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性等特殊要求和特点。与此同时，开放性、分散化和低成本也是工业控制网络的重要特征。即工业控制网络应该具有下列特点1：较好的响应实时性。工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为ms0.1s级；高可靠性。能安装在工业控制现场，具有耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，在现场设备或网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路；力求简洁。减小软硬件开销，不仅可以减低设备成本，而且可以提高系统的鲁棒性；开放性要好。工业控制网络尽量不要采用专用网络。网络控制技术应用于各行各业并带动其发生具大变化，不仅实现了现场设备的自动控制和协同运作，解决了以前的自动化孤岛现象，而且通过网络，将现场信息与远离现场的管理层之间建立了交互通信链路，使远程监控成为现实，大大方便了企业管理，提高了生产效率和效益。本课题的任务就是将工业网络控制技术应用于设施农业领域，对高档作物温室实现自动和远程控制，以提高高效设施农业的管理水平和经济效益。2.2 几种常用的网络控制技术2.2.1 分布式控制系统分布式控制系统DCS（Distributed Control System）又称集散控制系统，基本思想是分散控制集中管理，其典型结构是上、下位机系统及其通信网络，上位机称为操作站，下位机称为控制站，操作站实现控制系统的控制操作、过程状态显示、报警状态显示、历史数据的收集和各种趋势的显示及报表生成与打印；控制站是对现场物理信号(包括模拟及开关信号)进行实时采集并进行数据处理、控制运算，或将结果传送到上位机；系统的网络负责各种控制站之间的数据通信和联络。自1975年Honeywell公司推出了TDC2000 DCS系统以来，分布式控制系统在三十年的发展过程中逐步完善、成熟和不断发展，从70年代由各DCS厂家自己开发，操作站软硬件都是专用的，通信网络基本上是轮询方式；到80年代通信网络较多采用令牌方式；再到90年代操作站出现了通用系统，以及90年代末通信网络已开始采用以太网，遵循TCP/IP协议，DCS已发展成为一个相当成熟的工业控制方式。DCS系统目前仍广泛应用于国内各种工业控制现场。虽然DCS有许多缺点，如一对一结构、采用单向信号传输、布线及调试成本高、可靠性及互操作性相对较差等，而这些恰恰是现场总线控制系统FCS的优势；但控制现场很多设备不是智能仪表，不能直接与现场总线相连，如采用FCS则价格昂贵，而且DCS也在不断发展，不断采用新技术，如与PLC很好地融合、渗透和集成，普遍采用工业控制机（IPC）作为其操作站，人工智能技术应用于DCS各级等，DCS呈现出向综合化和智能化发展的趋势。因此，DCS不会随着FCS和工业以太网的发展而马上退出现场过程控制的舞台。2.2.2 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）产生于20世纪80年代，在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链路，它的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加强大。与传统的控制系统相比，现场总线减少了布线、调试及安装的费用，因而发展非常迅速。目前现场总线的种类有40多种，全国自动化系统工程师资格认证（ASEA）推荐的国内较为流行的现场总线有Profibus-DP、DeviceNet、Lonworks、Modbus、Ethernet/IP五种。多种现场总线并存不利于其广泛应用，如同一系统中采用不同的现场总线设备需进行协议转换，往往造成许多通信可靠性问题，而且一般价格都很昂贵。国际标准化组织试图制订统一的标准，但已经形成的群雄割据的局面很难实现统一。成熟的以太网技术如何应用于工业控制领域成为新兴的研究课题。2.2.3 FDCS混合控制系统在实际应用中，往往同时考虑DCS技术的成熟和高可靠性，FCS技术的优越性，以及智能现场设备的配套情况，在PLC/PAC与现场设备间采用DCS，而在PLC/PAC之间则采用FCS，并连至工控机，组成为一套混合系统，称为FDCS（Fieldbus Distributed Control System），如果现场设备具备FCS接口，则也可直接挂到FCS网上，如图2.1所示是采用PLC的FDCS原理框图。图2.1 混合FDCS系统的组成Fig.2.1 composition of the mixed FDCS system 2.2.4 工业以太网在现场总线标准处于激烈的争论之际，以太网技术已经从商用领域进入了现场总线控制网络领域，产生了工业以太网IE（Industrial Ethernet）。以太网具有现场总线开放性、互操作性、互换性、可集成性、数字化信号传输等特点，同时克服了FCS各厂家各自制定标准、产品种类繁多、相互接口麻烦等不利。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格相对较低，带宽迅速增长，十兆、百兆、千兆及以上以太网产品在不同领域得到广泛应用，可