基于PLC的智能温室控制系统的设计毕业论文.doc

基于PLC的智能温室控制系统的设计第一章 前言智能温室系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段发展起来的。自上世纪90年代以来，我国农业上程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础土，对温室温度、湿度、COZ浓度和光照等环境因子控制技术的研究，研制开发了我国自己的智能温室控制系统。1.1研究的背景1、山东省潍坊市于1995年在潍坊职业学院(原昌潍农校)种植基地一一潍禾示范农场，创办了我国第一批现代化温室，个部引进以色列智能温室技术，用于种植“名、优、特”花卉及高经济价值蔬菜，不仅成为潍坊市集约化设施农业样板，而且成为高新技术的辐射源和全国农业生产技术、信息的集散地(如寿光蔬菜、青州花卉)，并受到包括吴仪等在内各级领导的参观。2、“工厂化农业关键技术研究与示范一现代大型温室标准化栽培技术体系研究与产业化示范”被列为国家重点科技攻关内容并成功结题。为了推广温室技术，国家农委强调在每一个地区都要建立温室示范工程。因此，智能温室环境控制技术有巨大的市场空间。3、潍坊市重大科技攻关项目“中国兰花品种筛选与组培快繁工厂化育苗技术研究”(编号:农科攻字(2004)第5一1号)。4、潍坊职业学院园林工程系的“组培中心”被列为山东省高等职业院校示范基地，受到省市财政的大力支持。5、山东省科技攻关项目“名特优花卉工厂化育苗及产业化开发示范”。6、潍坊市于2007年在潍坊职业学院南校区投资300万人民币新建智能日光连栋温室如图l一1所示，温室主体结构框架经招标由山东省青岛蓝天有限公司承建，并于2007年7月完成。温室控制系统的设计、安装、调试由本单位独立完成，计划2007年11月工程结束。1.2研究的意义1、近两年来，农业作为国家优先发展产业正受到各级政府的高度重视，增加8亿农民收入是我们国家当前的基本国策，农业现代化是我们追求的目标，基于计算机和自动化技术的智能温室是农业现代化的一个重要方面。图1一1新建智能日光连栋温室2、以色列的园艺温室发展早，其国上面积中的2邝为丘陵和沙漠，干旱少雨，人均占有淡水资源仅相当于我国的1/8。但农产品出口额达到全国的5%，从业人员平均月收入1243美元【2。作为全国蔬菜花卉的核心地区与潍坊地区相比还有很大的差距，因此，现代化的、高效的温室工程生产技术需加大力度进行国产化、自行化研究和推广使用。3、国家“十五”重点科技攻关内容“工厂化农业关键技术研究与示范”尽管以结题。为了推广温室技术，国家农委强调的在每一个地区都要建立温室示范工程，但每一个地区的气候条件都不一样，其控制模型和控制算法都不可能一样，因此，智能温室环境控制技术仍有很多问题需要解决。4、1995年潍坊市引进的以色列智能温室其计算机控制系统依靠国外进口，核心技术掌握于国外，而且实践证明，由于地域、水质、气候乃至资源的差异，引进的温室控制系统，并不完全适合本地区的情况，引进的设备没有充分发挥作用，成本高，效益低，难以维护，难以推广。5、智能温室控制系统的自行设计，其运行工作模式符合潍坊职业学院的教学和科研要求，摈弃了引进技术的弊端，并大大减少了设计经费，也为我院教师提供了科研攻关的机会。6、该智能温室的先进控制模式适合本地区情况的，综合考虑植物生长和产量、节能、环境控制、经济效益等多方面因素，继续为本地区的种植业的发展的起到了模范作用。7、智能温室控制系统将实现对农业生产的准确管理。通过控制器实时监测温室内空气温度、空气湿度、上壤温度、土壤湿度值，使对作物生长环境监测与普通简单温度、湿度计测量相比，更准确、更可靠。人们能够通过这些监测手段实时准确地了解情况，完成相关设备调节，避免了监测误差和监测滞后带来的损失。8、智能温室将自动化技术引入了农业生产，为农业科研活动提供了有利的科学手段。通过参数设置及自动数据记录，为农艺工作者完成相关农艺科学研究，了解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方法的改进，都提供了简便、准确的手段。因此，研究该课题具有深远的理论意义和重大的现实意义。1.3国内外温室环境控制技术的研究现状1.3.1国外研究现状西方发达国家如美国、荷兰、以色列、英国、加拿大、日本等在现代温室测控技术起步比较早，都大力发展集约化的温室产业，温室内的温度、湿度、光照度、c(理浓度、水、兀、营养液等实现计算机调控。1、美国在1949年，借助于工程技术的发展，建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产【3。2、荷兰园艺温室发展较早，在1974年首次研制出计算机控制系统CECS，成功开发了一系列计算机软件、硬件，实现了温室供水、施肥和环境自动化控制。他们的全自动化温室成套设备在世界市场上享有很高的技术声誉【4】。3、以色列开发了一种植物生理生态监测仪:它可以监测株高、植物果实大小、叶片大小与厚薄、茎直径、茎流量、叶温、叶片附近湿度、C02浓度等，24小时连续工作，每隔一定周期就采集一次数据，得到的数据定期发送到对环境气候进行控制的PC机上。4、目前，英国的温室大量采用计算机管理，主要控制温度、湿度、通风、COZ施肥、营养液供给及pH值、EC值等。伦敦大学农学院研制的计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的温度、湿度等环境状况，并进行遥控。为保证COZ气体在温室内分布均匀，温室中通常安装通风机，搅动空气使温室中的C02浓度一致。5、在加拿大，已经开始使用一种计算机辅助温室管理软件(HGM)帮助生产者判断和解决病虫害问题，同时提高温室的整体管理水平。llGM可以将生产过程中采集的数据与标准数据库中的资料进行对比和分析，从而对作物的生长状态进行判断，进而将系统调整到最佳状态。这不但降低了生产成本，而且还可以减少农药的使用，达到利用非化学方法控制病虫害的效果闭【5。6、日本利用网络技术实现对设施栽培数量多、地点现异地监控与管理。通过网络不仅可以向种植者提供市息、专家策略，还可以从远程启动设备，对环境调控【总之，国外智能温室产业发展早，经济效益高。随新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的网络化，智能化阶段。1.3.2国内研究现状1、从20世纪70年代起，我国的农业工程技术人员借鉴国际上设施农业发展的先进经验，致力于温室工程作，逐渐地引进了大量的温室。引进的温室与我国传统间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，发展提供了借鉴作用。但这些温室也存在着许多不足之2、1995年建立的潍坊职业学院潍禾示范农场，是中建立的第一批商业示范农场。该项目一期工程总投资215引进以色列技术和设备，建成了以色列现代化玫瑰温室、卉和蔬菜种苗加工厂，引进了一条果蔬、花卉脱水漂染部为自动化控制，技术指标均高于以色列国内农场平均农场投产以来，已为社会提供种苗5000多万株;加工果并全部出口，部分产品已上网销售，对当地农业生产起带动、吸纳作用，不仅成为潍坊市集约化设施农业样板，技术的辐射源和农业生产技术、信息的集散地。2、90年代中后期起，我国高校开始研制自己的控制1996年，北京农业大学研制成功了“WJG一型实验温室环理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统;江教授研制的“温室环境测控系统”，主要用于无土栽培实较高，且处于实验阶段;吉林工业大学研制成功的用于控制器，能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面成果;还有许多高等院校、科研院所都在进行温室控制系并且许多单位都己建立起或将要建起温室控制系统的总3、近2005年来，出现了设计生产日光温室的公司，有影响的温室设计公司有:北京奥托精密科技发展有限公光温室有限公司、上海都市绿色工程有限公司、上海华有限公司等，这些公司的温室产品型号较多，但一般采山东大学硕士学位论文单片机嵌入式测控系统，由于形成的是单片机系统，所以人友好，非专业人员使用困难，难以操控，所以自动控制模式置状态，造成资源的浪费。以上产品均没有面向我国广大农村现有的1000力一亩传统工程。所以，传统的方法，人们主要还是采用温度计、湿度度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来控因此，以土产品的推广一使用价值仍然不大。总之，同国外先进水平相比，我国对于温室控制系统的综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单境调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。因此，据我国的囚情研制出适合我l6J农业的发展的初能温室控制系业设施中广泛推广【11。1.4温室环境测控技术的发展趋势温室智能控制系统作为一种资源节约型的高效农业技术，计算机综合控制下，创造适宜于作物生长的环境，实现优质耗的工业化规模生产。要提高测控系统的性能除了硬件系统算法也不可缺少。只有采用合理的控制算法，才能使温室环子达到最优的控制效果，才能使温室控制系统达到智能化的是我国现阶段在温室控制的理论研究和工程实践中常涉及到算法12。1、模糊控制算法模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，它是通成人们用自然语言所描述的控制活动。其控制算法是把各种合起来分析考虑，然后进行模糊控制。再根据实验结果和经糊控制规则，经模糊推理得到模糊控制表，使综合参数的相到最佳状态。模糊控制有许多良好的特性，它不需要事先知学模型，具有响应速度快、超调小、过渡时间短等优点。比节速度快、鲁棒性好，但模糊控制稳态精度欠佳【13】。2、专家系统专家系统作为一种知识的载体，所表现出来的可靠性、久性及其易于传播和复制的特性，是人类专家所不及的，因解决某些领域问题时具有不可取代的重要作用。特别是对人类高级专家数量很少，相应的知识传播和复制也较难，从这个山东大学硕士学位论文开发领域内的专家系统不仅非常必要，而且应用前景非3、神经网络控制神经网络采用黑箱方法能把复杂的系统通过有限的但神经网络方法也存在着明显的缺陷，即需要大量的历进行外推和演绎时可靠性明显降低。所以近年来有人利拓扑案例模型对温室番茄日产量进行模拟分析，取得了较4、改进尸D控制算法常规P工D控制是自动控制中产生最早、应用最广的采用常规PID控制器，参数不易在线调整，容易产生超差，不能满足现代温室环境参数监控的要求。因此，在温室实际控制过程中，为提高系统动态调度，通常对常规PID控制进行改进，主要有不完全微分分分离的尸ID控制、变速积分的尸D控制等。合理的选分系数和微分系数，对P工D调节器采用四点中心差分法力，比传统PID算法有了一定的改进。5、基于遗传算法的优化模糊控制算法遗传算法(GA)是模拟生物在自然环境中的遗传和进一种自适应全局优化概率搜索算法。用GA调控模糊控制GA优化过程的早熟现象，又可提高优化控制规则的速度GA优化设计的模糊控制器来控制温度，响应速度快，温有利于作物的生长，并降低了系统的能耗，达到了预期1.5本系统研究方案根据我院现在建造的日光连栋温室，提出了如下系统1、硬件系统的组成采用上位机计算机和下位机日本松下FPI型可编程式智能温室控制系统的硬件部分，即两级监控系统。上对智能温室进行监控和参数的设定。下级是以PLC为核负责温室参数的信息采集，系统逻辑运算，并对调控设备在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳采用PLC成本虽然比单片机高，但要考虑到稳定性、可素，采用PLC比单片机具有较高的性价比。并且采用C一N分布式结构，当上位机发生故障时，PLC控制器可以自行显示和输出等控制，不影响温室的自动运行。2、系统软件的编制山东大学硕士学位论文智能温室监控系统软件包括上位机监控软件和下位机系位机监控软件的编制采用组态王6.02。下位机系统软件则采的FPW工NGR编程软件来开发。系统软件不仅可以完成上位机间的通信，而且可以满足用户对温室环境数据的实时查询和能满足操作简单、界面友好、通用性和适应性强的软件开发统功能的扩充和进一步开发留下接口。1.6研究内容与方法1.6.1研究的内容1、根据外界环境对花卉生长的影响因素，选择作物环境检测系统、智能温室控制系统两部分。自动检测系统包括:光照、COZ、上壤水分等传感器与变送器。智能控制系统包括角度开闭驱动，遮阳网驱动，通风机，喷灌滴灌控制，节能打万制等。2、根据检测和控制对象，采用P工D控制算法建立温室温系统数学模型，使用MATLAB软件对其进行仿真测试。3、研制与开发基于PLC的温室智能控制系统。4、开发智能温室组态监控界面。5、通过实际运行对系统进行检验以及变频技术通风运行1.6.2拟解决的关键问题1、采用PID控制算法建立温室温度参数控制系统数学模2、室内温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境条件的控制技术。3、开发功能完善、成本低、可靠性高和扩展性好的温室件和软件系统，为温室生产的普及创造条件。4、基于变频技术的降温排湿功能的实现1.6.3研究方法和技术路线1、拟采取的研究方法(1)根据潍坊市园艺中心提供的数据，采用统计的方法内作物生长的最佳环境参数如光照、温度、湿度、二氧化碳定控制对象。(2)根据P工D控制算法确定的参数，拟用MATLAB软件系统的数学模型进行仿真测试，通过对比、模拟的方法，选测方案和控制方案。(3)拟用试验的方法，完成对室内温度、湿度、光照、度等环境条件的自动控制试验，并通过组态软件监控控制过2、拟采取的技术路线本设计拟采取下面的技术路线如下，第一步:收集相关资料第二步:建立数学模型第三步:确定最优的控制方案、第四步:温室模型控制系统的硬件、软件设计第五步:智能温室现场控制系统的硬件、软件设计第六步:组态监控其流程图如图1一2:第二章智能温室控制算法的研究2.1温室环境的主要特点温室气候环境作为计算机控制系统的控制对象，有以下特点:1、非线性系统。温室内部的气候处于热平衡混沌状态。大量随不确定性因素使得对其精确建模比较困难。2、分布参数系统。由于温室面积比较大，造成温室内部各个物的分布是不均匀的。比如温度，温室内部各点温度都不一样，四周都比中间的低，项部和底部也有一定差别，其值的大小依赖于空间和气流的方向等各种因素，在温室中的气候分布是缓慢变化的。3、时变系统。作物在生长周期的不同阶段，其光合作用能力、散热能力等均有所差别。因而，温室系统是一个参数随着时间变化态系统。4、时延系统。对于外界所施加的作用，温室系统并不立即响应是经过一段时间的延迟才有反应。比如，在温室加热系统中，对系热升温，热量传到温室的各个部分需要经过很长一段时间的延迟，刁会有所提高。5、多变量藕合系统。温室系统是一个多输入多输出系统，系统量之间并不是互相独立，各个子系统的控制回路彼此祸合在一起。统任一目标的控制，都会影响其它目标的变化。综上所述，温室环境系统是一个复杂的大系统，建立精确的控型很难实现。由于作物对环境各气候因子的要求并不是特别的精确，是一个模糊区间，比如作物对温度的要求，只要温度在某一时间段一区间内，该作物就能很好地生长，因此，也没有必要将各种参数精确控制。在温室气候控制因子中温度和湿度是最重要的环境因素。对于湿度的控制可以采用传统PID控制，这种方法简单、便于实现，但数的整定比较困难，而且一组整定好的参数只在较小的控制范围内好的控制效果，所以PID控制对这一类对象的控制效果并不理想。提出的模糊控制可以不必精确了解对象状况，并且具有动态响应好升时间快、超调小的优点，在生产过程控制等领域得到了较为广泛用。2.2智能温室控制对象的数学模型山东大学硕士学位论文了解对象动态特性可以通过理论分析的数学描述法，也就运动的内在规律出发，推导出代表对象动态特性的微分方程式，的数学模型。2.2.1智能温室控制对象微分方程智能温室自动控制，最关键的环境因子是温度控制，而温仅控制夏天温度，冬季采用锅炉加热，温度最高升至20。温室的温度控制是空气系统的一个重要环节，它是用设置在室内的测温传感器，测定室内空气温度信号，并将此信号传递给温度调节器进行运算和放大，发出控制指令信号，以控制相应的执行控制机构，使送风温度或送风量随偏差值的大小而发生变化，以满足温室温度控制的要求。智能温室的温度对象如图2一1所示。严格说来，室温调节对象是有纯滞后的分布参数对象，但为了研究的简便，在建立数学模型时，把室温对象按集中参数来处理，而不考虑对象的滞后。根据能量守恒定律，单位时间内进入房间对象的能量减去单位时间由房间对象流出的能量等于房间对象内能量蓄存量的变化率，则温室的数学表达式为:2.2.3智能温室特性的确定1、智能温室实物模型本文连栋温室室内尺寸一长:科米、宽6米、高2.5米，温室针架采用钢结构，中间为聚氨脂发泡保温层。可控温度范围为OOC一40。采用湿帘通风降温系统，湿帘水泵l台，北端湿帘风机2台，中间环流风机2台，南端排湿风扇2台。温度的稳定值通过调整湿帘水泵、排湿风扇的输出功率来确定的。2、智能温室参数的估算法从湿帘通风降温系统工作后一点的温度变化到温室控制点的空气温度开始变化所经历的时间叫恒温室的传递滞后。也就是说T就是空气从降温系统开始沿流线移动到控制点所需的时间，即2.3MATLAB仿真1990年，MathworkS软件公司推出MATLAB/Simulink，该软件在系统仿真应用中很快得到了发展。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。现已发展至7.0版本本文利用MATLAB对湿帘降温系统的P工D控制进行模拟仿真。2.3.1plD控制器参数的选取针对本文的智能温室，受控对象可用一阶惯性环节表示;即传递函数为: 通过P工D控制系统的响应曲线可以看出，PID控制系统的静差为零在受到外界干扰作用后，系统最终能很好趋于原来的平衡线上。但PID控制系统在控制的过程中会产生很大的超调量，且回复时间长、衰减度较大。第三章系统总体结构与硬件设计3.1系统总体结构3.1.1控制系统设计目标温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器、湿度传感器、光照传感器、COZ传感器、室外气象站等采集或观测的温室内的室内外的温度、湿度、光照强度、COZ浓度等环境参数信息，通过控制设备对温室保温被、通风窗、遮阳网、喷滴灌等驱动/执行机构的控制，对温室环境气候和灌溉施肥进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要，为作物生长发育提供最适宜的生态环境，以大幅度提高作物的产量和品质。其总体结构示意图如下图3一1所示:3.1.2控制模式1、控制原则以时间为基准的变温管理。根据一天中时l旬的变化实行变温管理，根据作物的生长需要将一天分成四个时间段，四个时间段中根据不同的控温要求对温室进行控制。一天中四个时间段的分段方法用户可以灵活山东大学硕士学位论文的更改，而且四个时间段中的温度设定值用户也可以设定修改。2、控制模式根据潍坊地区多年的气候条件记录，本地区春天与秋天时间短，不易区分。以此控制模式采用夏天与冬天各采用一种模式，共有两种控制模式。(l)夏天模式在该模式下工作的坏境调节设备有:自然通风系统(天窗和内侧窗)、强制通风湿帘降温系统(湿帘一风机)和水平保温遮荫幕。此时室外温度很高，温室降温以强制通风湿帘降温为主。遮荫幕可以起到遮荫和降温的作用。(2)冬天模式在该模式下工作的环境调节设备有:暖气加温系统、水平保温遮荫幕。在此模式下自然通风系统不工作。不同季节的控制模式不同，只是自动控制系统启动的调节机构不相同，但不同季节的控制日的是相同的，即将环境参数调控到设定的参数附近。随着季节的变化，以及随作物的生长阶段的变化，各时间段所需要的温度也是变化的，这时可以通过修改设定温度值来调整温室的温度控制目标。3.1.3控制方案本系统采用自动与手动互相切换控制两种方式来实现对温室的自动控制，提高设备运行的可靠性。在运行的时候可以通过按钮对这两种控制方式进行切换。1、手动控制模式手动控制简单可靠，由继电器、接触器、按钮、限位开关等电气元器件组成。2、自动控制模式我们采用计算机自动控制模式，通过传感器对环境因子进行监测，并对其设定上限和下限值，当检测到某一值超过设定值，便发出信号自动对驱动设备进行开启和关闭，从而使温室环境因子控制在设定的范围内。其运行成本较低，可以大大节约劳动力，降低劳动者的劳动强度。3.2系统的硬件组成为了实现智能温室的环境监控，本设计建立了温室环境控制参数的长时间在线计算机自动控制系统。实现了温室内温度、湿度、C02浓度、光照强度等参数的长期监测。并可根据智能温室温湿度的需求，对天窗、侧窗、降温湿风扇、风机、湿帘、内外遮阳网等设备自动控制。采用计算机作为上位机安装有组态王6.02监控软件，能将数据汇总、显示、记录、自动形成数据库，并实现了温室调控设备的自动设置与远程监控。为了确保系统的可靠性，温室设备的控制采用手动/自动切换方一式，即在某些特殊情况下系统可以切换成手动，使用灵活力一便。系统的硬件结构图如下图3一2所示:3.2.2信息采集系统的设计1、温度采样电路设计对于智能温室环境控制而言，温度参数是监测控制系统输入的最基本的变量之一。温度传感变送器是具有在恶劣环境中长期使用而保持精度不变的少数几类传感器中的一种，目前常用的温度传感器有热电偶传感器、热敏电阻传感器及集成电路(固态)型传感器。在各种温度传感器中，热敏电阻和集成温度传感器均可满足要求。本系统温度控制的范围为10“C一SOOC(1)温度传感器的选择温度传感器的种类很多，根据温室使用条件，选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。根据温室温度控制的特点，本系统中温度传感器选用AD59O集成温度传感器如图3一6。该温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。我们选用电压输出型的灵敏度一般为IOmV/K。温度O“C时输出为O，温度25“C时输出2.982V。它的主要特性参数如下:(2)温度检测电路的设计温度检测电路如图3一7所示，其中运算放大器Al被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放AZ的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给AZ的同相输入端输入一个恒定的电压，然后将此电压放大到2.732V。这样，A!一歹AZ输出端之问的电压即为转换成的摄氏温t/J、。2、湿度采样电路设计(1)湿度传感器的选择湿度信号的传递必须靠水对湿敏元件直接接触来完成，因此湿敏元件只能直接暴露于待测环境中，而不能密封。目前己有几十种湿敏器件，按感湿材料来分，大致有四类:电解质、半导体陶瓷、高分子和其它。本系统需要检测温室内空气的相对湿度，它是绝对湿度和饱和湿度之比。根据温室湿度控制的特点，本系统中湿度传感器选用A1203型湿度传感器。A1203型湿度传感器属于电容型的高分子材料制成的湿敏元件。它具有线形度好、滞后性小、响应快以及能在较寒冷的环境中使用等优点，其主要的特性参数为:工作环境温度:一30OC一+80OC。相对湿度测量范围:O一100%RH。测湿精度:士4%Rha。(2)湿度检测电路当环境湿度发生变化时，传感器的电容量也随着变化，这种变化反应到由振荡电路提供的正弦波信号，通过电压跟随器输出电压值。3、光照度传感器光控用于控制遮阳幕的启闭，使作物得到合理的光照度并实现以下目的:免除作物超过光饱合点，提高光合作用;实现对长日照作物、中同照作物和短日照作物的光照控制。光照度传感器采用北京易盛泰和科技有限公司产品型号Pol88一c光照度传感器，外形图如图:一10所示。说明:采用先进的电路模块技术开山东大学硕士学位论文发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小，安装方便，线性度好，传输距离长，抗干扰能力强。可广泛用于环境、养殖、建筑、楼宇等的光照度测量。量程可调。接线原理图见图3.2.3执行机构系统设计从图3一2系统总体设计框图中，可以看出执行机构系统包括湿帘降温系统，天窗、侧窗、风扇、内外遮阳网开闭系统、变频器驱动降温排湿风扇系统等部分。1、湿帘降温水循环系统湿帘降温水循环系统的系统组成:湿帘、湿帘水泵、风扇和附件。通过利用水的蒸发原理实现降温的目的。湿帘安装在温室的北端，风扇安装在南端。当需要降温时，启动风扇将室内的空气强制抛出，形成负压，同时湿帘水泵将水打到湿帘墙上，室外的空气因负压被吸入室内的过程中，以一定的速度从湿帘的缝隙穿过，导致水分蒸发和降温，冷空气流经温室，吸收室内热量后，经风扇排出，从而达到降温的目的。(1)湿帘水泵湿帘水泵采用玉门县兴龙电器厂生产的湿帘专业水泵，外壳采用塑料，和金属结核具有重量轻，电机噪声小，经久耐用等特点。电压:三相38OV/SOHZ，功率0.75KW。(2)直排水湿膜加湿器直排水湿膜加湿器结构图如图3一13，其安装要求如下:安装Dmm厚度直排水湿膜加湿器的空调机组，其表冷器后部预留空段，空段长度以大与(D+150)mm为最佳。安装Dmm厚度直排水湿膜加湿器的空调机组，其所安装加湿器的底部一定要有接水盘，且接水盘内要预留放置加湿器的空间。直排水湿膜加湿器安装时应垂直，左右倾斜角度不大于5度。现场需提供DN15供水管和22OV/50HZ的电源三芯插座，水源和电源均需引到距离加湿器电控箱安装位置0.5米范围之内，且周围不得有任何障碍物。直排水湿膜加湿器工作原理(图3一14)经过过滤的水通过管路送到加湿器顶部淋水器，水沿湿膜材料向下渗透的同时，被湿膜材料吸收，形成均匀的水膜;当干燥的空气通过湿膜材料时，水分子充分吸收空气中的热量而汽化，蒸发，使空气的湿度增加，形成湿润的空气。这一过程空气的湿度增加，温度下降，但空气的焙值保持不变。2天窗、侧窗、风扇、内外遮阳网开闭系统本系统的所有执行设备都是通过PLC控制输出执行，并且控制的设备多数是电机。下面以PLC控制天窗电机为例(见图3一15)来介绍执行机构控制的原理。其它主线路、控制线路原理图图见附2。控制回路:SAI自动/手动选择继电器触点，当手自动开关扳到自动状态时，IKCA通电，表示开窗;ZKCA接通时，表示关窗。SAI是三位自复位的开关，当手自动开关扳到手动状态时，IKCA和ZKCA保持常开状态，按SBI时是开窗状态时，KMI交流接触器接通、KMZ交流接触器断开:按SBZ时是开窗状态时，KMZ交流接触器接通、KMI交流接触器断开。KM工和KMZ互锁，SQI为天窗开到位限位开关，SQZ为天窗关到位限位开关，FRI为主回路热保护继电器常闭触电，XJ为系统急停开关。IKCA和ZKCA是PLC控制中间继电器KI和KZ的触点，实现PLC控制天窗的开关。由以上说明，我们可以看出，天窗电机手动工作时由手动开关控制，自动工作时由尸LC控制。并且有互锁、限位、热保护和工作指示的功能。3、变频器驱动降温排湿风扇的设计目前，在国内外温室的降温排湿风扇基本采用传统的开一关控制方式，即风扇以恒速间歇式运行。基于变频技术的风扇变风量通风技术可以为温室通风量优化运行和节能性运行创造条件，因此采用了变频器驱动排湿风扇设计。(1)变频器容量的选择由于该排湿风扇容量为60OW，并且连续运转，所需变频器容量的计算公式:(2)变频器的参数设置上限频率因为风机的机械特性具有二次方律特性，所以，当转速超过额定转速时，阻转矩将增大很多，容易使电动机和变频器处于过载状态，因此，上限频率九不应超过额定频率九。下限频率从特性或工作状况来说，风机对下限频率人没有要求，但转速太低时，风量太小，在多数情况下无实际意义。一般可预置为人多ZOHz。加、减速时间风机的惯性很大，加速时间过短，容易产生过电流;减速时间过短，容易引起过电压。一般风机起动和停止的次数很少，起动和停止时间不会影响正常生产。所以加、减速时间可以设置长些，具体时间可根据风机的容量大小而定。通常是风机容量越大，加、减速时间设置越长。加、减速方式风机在低速时阻转矩很小，随着转速的增高，阻转矩增大得很快;反之，在停机开始时，由于惯性的原因，转速下降较慢。所以，加、减速方式以半S方式比较适宜。回避频率风机在较高速运行时，由于阻转矩较大，容易在某一转速下发生机械谐振。遇到机械谐振时，极易造成机械事故或设备损坏，因此必须考虑设置回避频率。可采用试验的方法进行预置，即反复缓慢山东大学硕士学位论文地在设定的频率范围内进行调节，观察产生谐振的频率范围，然后进行回避频率设置。起动前的直流制动为保证电动机在零速状态下起动，许多变频器具有“起动前的直流制动”功能设置。这是因为风机在停机后，其风叶常常因自然风而处于反转状态，这时让风机起动，则电动机处于反接制动状态，会产生很大的冲击电流。为避免此类情况出现，要进行“起动前的直流制动”功能设置。第四章系统的软件设计4.1温室控制系统pLC软件的设计4.1.1控制系统软件设计要求根据基本要求和技术要求列出以下几点:(l)防止接点误动作:可利用自锁电路加以解决。(2)系统自诊断功能:PLC本身具有此项功能。(3)风机控制:温室设有一组风机，能同时启动与停止，当的温度超出预定值时，受PLC的控制先是4个侧窗自动打开，延后风机启动，再延时5秒后湿帘水泵启动，从而使温室的温度降低(4)侧窗控制:温室中设有4个侧窗，侧窗受电机控制，通过限位的设定来控制侧窗行程。解决方法类似上一点，但考虑到程序炼性，可配合尸LC的中断功能命令加以解决。(5)系统自动/手动控制:可利用一个开关量作为PLC的输入实现控制程序的转换。(6)湿帘泵控制:(7)遮阳网控制:(8)COZ补气控制:(9)补光灯控制:(10)可扩展性:在PLC中预留一定的存储空间和端口即可解4.1.2控制系统中的地址分配1、构成PLC控制系统的硬件的地址分配范围见表4一1。4.1.3控制系统软件设计系统中对风扇、天窗、侧窗、环流风机、遮阳幕和湿帘泵的控制是通过PLC发出开关指令，通过交流接触器控制相关机构的启停。由于尸LC检测系统具有较高的灵敏度，能够把温室内的扰动快速反应出来，同时由于温室较大的传递滞后，执行机构动作频繁，从而影响使用寿命。为此，在程序中加有时间可调的延时模块，使用时可根据具体情况调整延时，使控制效果达到最佳。系统流程图如4一1所示。利用FPwINGR软件采用梯形图语言编写系统的程序，以PID温度控制为例。详见附录程序清单。4.1.4温室温度pID控制软件设计1、测量信号的变换由于温度传感器输出的信号为4一20mA，PLC的A/D单元输入电流为0一20mA，满量程20mA。对应PLC的数字量为K1000，因此需要进行数值变换。测量出当前温度的数字值Tc为:4.2系统的组态监控软件的设计组态软件是可以从可编程控制器以及各种数据采集卡等设备中实时采集数据，然后发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包。本系统中的监控界面采用的是北京亚控公司开发的组态王kingview6.02，该软件是运行在Wind。w98/NT系统上，由工程浏览器TouChMaker和画面运行系统TouchViewer两部分组成。工程浏览器TouchMaker可以查看工程的各个组成部分也可完成数据库的构造、定义外部设备等;画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TouehMake的画面运行系统TOuChView完成。用组态王6.02开发的监控软件通过与PLC进行通信，用于远距离温室监控，温室环境数据的不间断连续收集、整理、统计、制图以及温室设备运行状态的在线记录。其主要功能如下:(1)远程监视功能:它可以通过通讯线远程监视多座温室的当前状态，包括“户外温度、光照强度、风速、风向、雨雪信号、室内温度、室内湿度、控制器温度、三组独立通风窗的位置和开关状态、内外遮阳幕的位置和开关状态以及一级二级冈J扇、湿帘、微雾、加热器、环流风扇、补光灯、C02补气阀、水暖三通阀的状态和多种形式的报警监视。还能监视各灌溉阀的状态。(2)数据统计功能:它可以统计任意时刻的户外温度、光照强度、风速、室内温度、室内湿度、C02浓度、水暖温度等的全月的、全周的、全日的和本时段的最大值、最小值和平均值。山东大学硕士学位论文(3)温室设备运行记录功能:它能在线记录各温室设备状态变化时的时间、当前状态和位置、当前目标温度、室内温度、目标湿度和室内湿度，并能打一印输出。(4)远程设定功能:可以通过通讯线远程修改可编程控制器的全部设定参数。(5)生成曲线图功能:它能以平面图或者立体图的方式同时绘制任意时刻的户外温度、光照强度、风速、目标温度、室内温度、目标湿度、室内湿度、COZ浓度、水暖温度等的全年的、全月的、全周的、全目的变化曲线并打印输出。4.2.1智能温室的远程监控画面的设计智能温室的远程监控画面如图4一l。该画面中以1#、2#、3#通风窗、外遮阳网为例介绍温室设备与组态王6.()2的控制连接画面的程序，其他程序见附页。4.2.5DDE与PLC在系统中除了需要对温度、湿度等参数的数值进行显示以及实时趋势曲线、历史趋势曲线、报警记录的显示、打印外，还要求在“手动”状态下在微机中可以直接点击系统设置画面上的“开窗”、“关窗”、“开帘”、“关帘”、“开风机”、“关风机”等模拟开关，从而对温室内的窗、帘以及风机进行控制，以及将设定的温度、湿度的高、低限控制参数传入PLC内部。但是由于画面上的开关是模拟开关，不能直接控制PLC，因此要使用PL内部的中间继电器，通过DDE动态连接库与画面上的模拟开关的变量一致。当单击模拟开关时，开关的状态通过组态王6.02中的数据词典，经DDE传到PL的中间继电器上，来控制PLC实际的输出。如图魂一5所示。第五章系统安装与调试及变频节能测试5.1控制系统的安装1、室外温度传感器应安装在室外通风良好的背阴处，远离热源，离地2米以巨。2、室外气象站传感器应安装在高于温室天窗2米处，并且四周无高大建筑物，以避免阴影遮蔽光照传感器和影响流动的空气对风速风向传感器的作用。“风速风向传感器”的长臂应指向正北方向。传感器支架附近应有避雷装置。(离传感器支架较近并且高于传感器支架的电线杆能提供间接避雷，最理想的是安装避雷针)3、将“风速风向传感器”的长臂指向正北方向后，轻轻旋转风向传感器的金属杆，用万用表测红_线和绿线见的电阻，当电阻在20K和200欧姆跃变时，停止旋转金属杆，将风标长杆指向正北方向，轻轻插入风向传感器的金属杆，并用顶丝锁紧。4、两支室内温度传感器应安装在温室两侧具有温度代表性的地方，湿度传感器应安装在温室中部能代表温室湿度的地方，避免将其靠近热源或较凉的地方(例如:打开的天窗下方)。5、电控柜应安装在通风良好，背荫防水处，并要远离强磁干扰源及化学污染源。夏季，若阳光能直射在控剖器箱体上，为避免箱内温度过高，应为其搭置遮阳罩。6、通讯电缆的走向应避免与动力电缆平行，在经过强磁干扰源时，应穿铁管并埋于地下。5.2智能温室控制系统的调试5.2.1初次运行时的操作该系统接线正确，设定值正确，投入电源，即可进入自动运行状态。初次运行时，应按以下步骤测试，调整:1、检查控制器的所有连线是否正确。2、检查各执行机构能否正常工作。检测完毕后，将所有执行机置于自动状态。3、投入电源，观察PLC的工作状态指示灯，检查是否有内容显示。4、观察PLC的监控程序，检查是否所有传感器均有信号送到，是否气象站数据通过通讯线正毋送到5、进入设定项，校正传感器数值。6、进入设定项，将控制器能控制的设备的有效性设为有。7、进入设定项，根据实际种植需求，正确设置各设定值。2.2传感器调试温、湿度等传感器每年需校准一次，该控制系具有的校准功能，只将标准仪表或温湿度计所测的标准温湿度值输入系统，控制器自动完补偿值的运算。1、温度传感器的校正拿一个较准确温度计和温度传感器放在一起，等其稳定后，将通过程软件FPWINGR显示PLC的数据寄存器中DT10、DTll的数值和温度读数值一记录下来;接着等温度再升高一个稳定数值时，同样的方法再录一组数据。将两组数据分两次输入到PLC的数据寄存器中需要较准，得到一个度传感器的数值，分别保存退出。系统会自动完成对温度传感器的较。2、湿度、COZ、光照传感器的校正方法同温度、湿度传感器类似。2.3电控柜的使用与执行机构的调试电控箱应用三相四线制，交流380V50HZ。由小型高分断断路器、交接触器、过热、过载继电器、各种控制按钮等系列电器件构成。结构图所示5一1所示:结合图5一2将调试原理介绍如下:电控箱设有自动手动换旋钮SAI，将其旋到自动位置时有尸LC智能控制，旋到手动时由电控箱按钮手动控制。温室在投入使用时，应先将电控箱打开，合上。总电源断路器(QF总)和控制线路断路器(QF控)以及各部分电机所对应的断路器。然后合上电控箱门，电源指示灯亮，即可投入使用。温室的天窗、侧窗和内外遮阳由面板上的控制按钮控制。操作时，按动相应的按钮即可。相应的开启度由电机减速箱内置的行程开关决定。也可在行程开关控制范围内山停止按钮决定其开启度大小。(行程开关控制决定的位置为最大位置)如:打开天窗1自动一停止三动旋钮旋到手动位置，然后按天窗1开启按钮SBZ，交流接触器KMI工作，天窗1电机开始正转运行，天窗l开始开启，到达预调最大开启度时，行程开关SQI动作电机停止，天窗1停止开启。在开启过程中，可随时按天窗l停止按钮，使电机停止运行，将天窗1停在行程范围内任意一个所需位置;按天窗1关闭按钮SB3，交流接触器KMZ工作电机反转运行，天窗1开始关闭，行程开关SQZ动作电机停止。在运行过程中也可随时按天窗停止按钮，使其停在关闭的任何一个位置。其它设备调试过程同上。5，2.4电控箱使用中的一般故障和排除方法1、面板上各控制旋钮动作，而交流接触器不动作，检查控制线路是否接通，急停旋转按钮是否复位。2、单路线路不能接通，检查按钮触头是否到位，交流接触器线圈是否烧毁，坏则更换同型号元件，检查热继电器常闭触头是否接通，按热继电器上的红色复位按钮，排除故障后重新启动。3、电机受到过载负荷，电路断开，电机不能运行，检查线路和电机驱动部分是否卡住或异物堵塞，排除故障，热继电器红色复位按钮后，再重新启动。4、电机在运行中，通过控制按钮，不能停止其运行，迅速断开对应的断路器，检查线路、按钮触头是否熔焊或不到位、交流按触器触头是否熔焊不能断开，更换同元件，排除故障后，再重新启动。5、带限位开关的机构，限位失灵时应迅速断开对应的断路器或按停止按钮停止电机运行，检查线路中的行程开关线路是否失效，排除故障后再重新启动。6、按动按钮后，交流按触器动作，而电机不运转，且有“嗡嗡”声，应迅速断开线路，检查线路是否缺相，排除故障后，再重新启动。注:请勿在通电状态下触摸各压线端子，拆卸内部各种电气件，防止触电!山东大学硕士学位论文5.3采用变频技术的温室降温排湿节能效果试验5.3.1试验条件试验在潍坊职业学院南校区的连栋智能温室中进行。温室是三角形顶，单跨IOnl，南北墙距离SOnl，并且内外遮阳网、侧窗均闭合。该温室用尸VC板和塑料布双层分割成5部分即A区、B区、C区、D区、E区，温室A区中的2台风机安装了变频运行模式，而温室B区中2台风机保持原有的非变频运行模式，在2个温室中都安装电度表以测量通风机耗电量。为了获得准确的气候参数，在温室的不同部位布置有3个温度计和3个湿度计，数据采集由专人定点负责记录。测试时间为2007年9月中旬至2007年10月中旬。5.3.2试验方法为了进行2种温室通风方式节能效果和温室内部气候特征的对比，2个温室的温度设置饭一致，都设在24一25OC，即室内温度等一于或高一于25时风机开始工作，等于或低于24OC时风机停止工作