温室控制系统中的温度控制与灌溉控制

温室控制系统中的温度控制与灌溉控制

0温室控制plc温室环境控制充分利用自然资源，通过改变温度、湿度、光照等环境变量获得植物的最佳生长机会，从而提高植物产量，提高植物质量，调节植物生长周期，提高经济效益。目前，温室控制多是采用以单片机（MCU）为主控制器，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的，因而这类系统所有性能都集中在单片机上。但是，由于单片机的可靠性低易于受外界干扰，而温室控制环境噪声大、环境恶劣，这类系统难以达到预期的控制效果。可编程控制器(PLC)性能可靠、操作方便灵活、功能性强、稳定性好，能够实现在恶劣环境下长时间、不间断地运转；编程简单，维护也十分方便；同时，配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接，很适合作控制温室的主控制器。本文以为中国农科院柑橘研究所设计的温室控制系统为例进行说明由可编程控制器(PLC)作为主控制器的温室控制研究，温、网室大棚共6个。温室1个，主要用于橘种的培育，需要控制的环境因素有温度、光照、灌溉时间、灌溉时长以及1天内灌溉的次数；其它5个网室用于培育移栽以后的苗木，由于受重庆地区气候因素的影响，需控制量可以简化为光照和灌溉，控制方法与温室内采用的方法相同。1上位机控制系统6个温（网）室的温室环境由1台计算机控制，组成一套系统。该系统主要由上位机、下位机、变频器、电机等组成。上位机采用的是奔腾Ⅳ计算机，下位机采用的是欧姆龙公司的PLC，变频器采用的是森兰公司的BT12S系列。2系统硬件设计2.1系统的a/d输入及d/a转换根据系统配置，选用CPM2AE-60CDR-A可编程控制器输入36点(0.00～2.11)、输出24点(10.00～12.07)，供电电源为100～240V交流电；带外围端口能与上位链接连接，方便编程、调试及其以后的使用控制；同时，选用CPM1A-MAD02-CH扩展模块，能实现3路模拟量输入的A/D转换1路模拟量输出的D/A转换。系统可以根据需要方便地扩展输入/输出口，系统中需控制的模拟信号有温度传感器、光照传感器模拟量的输入以及变频器控制模拟量的输出。选用一个AD模块就能达到控制的要求。PLC各个输入/输出点分配情况，如表1和表2所示。温室控制系统结构由3部分组成：一是信息采集及信号输入部分，它包括室内温度、光照信息采集等；二是信息转换与处理部分，主要功能是将采集的信息转化成电压或电流输入CPM1A-MAD02-CH模块，再由该模块将其转换成PLC可以识别的标准量信息进行处理，输出决策的指令；三是输出及控制部分，控制风机、湿帘水泵、喷雾系统、遮阳系统等系统，使植物的生长能按照预定方案进行。按照功能系统可以分为：环境控制、灌溉控制和通讯控制。环境控制包括温度控制，光照（遮阳）控制；灌溉控制实现定时定量灌溉；通讯控制实现信息的实时传送及数据的存储管理。其系统结构框图，如图1所示。2.2足驱动电路设计中采用了2W,24V直流电磁阀。通过计算，其所需的驱动电流约为100mA。考虑到PLC输出电流只有5mA无法满足驱动要求，需要在外部加一驱动电路。驱动电路的原理图，如图2所示。驱动电路采用光电隔离设计，这样可以将强电和弱电分开，可以防止驱动电路对PLC的干扰。当灌溉开始时间到达时，PLC输出24V电压，L0049的发光二极管导通发光，使L0049另外一端的三极管导通。从而使得三极管9013饱和导通，这时9013射极输出电位接近24V，供电磁阀使用。3各系统功能和设计3.1环境控制3.1.1plc的测量设备温度控制主要由温度设定和风机变速两部分组成。温度设定根据目标温度以及实际温度给出风机相应的加速和减速信号，实现风机调速，自动跟踪室温变化。为了保证系统能够快速、稳定、可靠地实现变速，可采用变频调速方法，即通过变频器变换电源频率来实现风机变速运转。要通过CPM1A-MAD02-CH模块将温度传感器的模拟信号转换成数字信号，那么在程序中需要给规定的通道设定量程控制字；同样如需通过CPM1A-MAD02-CH模块输出模拟信号控制变频器，也需设定量程控制字。设定输入控制字助记符，如表3所示。工作原理：PLC上电运行后，温度传感器将室内温度转化为电压输入到CPM1A-MAD02-CH模块的VIN1点。电压信号数字化以后，再存入比较通道DM5等待处理。其助记符，如表4所示。为了避免变频器的频繁启动，PLC每隔5min采集成电路1次数据；同时，将转化来的数据与设定数据进行比较。设定数据分为4段：加热、正常、降温1、降温2。其对应的温度范围分别为：t11～t12℃，t21～t22℃，t31～t32℃，t41～t42℃。txx取至专家的经验数据。如果所测温度t在“加热”范围内，PLC输出口IR1200输出24V直流电压。通过驱动电路，使继电器常开触点闭合，使交流接触器线圈通电常开触点闭合，热风炉电源接通，热风炉风扇运转，从出风口输出的热气。如果所测得温度在“正常”范围内，则PLC无输出。如果所测温度在“降温”范围内，要分两种情况：一是当温度在“降温2”范围内，即室内温度比较高时，模拟量输出的电压值为Uin2,PLCIR1105点输出信号启动变频器。同时CPM1A-MAD02-CH模块VOUT点根据Uin2输出电压Uout2，使变频器工作频率为P2。在此频率下，风机的工作转速为v2。同时，PLCIR1104点输出高电平驱动湿帘水泵工作。在风机和湿帘的共同作用下，室内温度逐渐下降，湿度变大。二是当温度降到“降温1”范围内，温度传感器输入值变为Uin1，此时PLCIR1104和IR1105点依然保持高电平，即变频器和湿帘水泵继续工作。只是当改变变频器工作频率的输出电压变为Uout1(Uout2>Uout1），相应的变频器输出频率变为1P(2P>1P)，从而使风机的转速下降到1v。当风机工作一段时间后，温度下降到“正常”范围内，PLC根据实时采集的数据，发送信号使变频器、湿帘水泵和风机停止工作，由此实现温室内温度的自动控制及调节。室内的温度检测只有一路温度测试点，安装在温室的中央。由于重庆地区冬夏温差相差大约30℃，所以冬夏需采用不同的设定值。其主要是根据植物生长期各阶段的温度的要求不同进行控制。除通过温度的控制外，还应充分利用自然光照射升温和遮阳网避阳降温来配合温度控制子系统的控制。3.1.2光线检测阴虚整个温室顶部有一整体遮阳系统，首先满足植物生长所需要的光合作用。在这个前提下，也可以根据室内的温度等因素通过手动开关控制遮阳网。3.2控制灌溉时间，系统运行控制作物湿度主要通过喷雾及湿帘两种方法来实现。喷雾是指直接对作物进行顶部喷灌以调节湿度，而湿帘主要是在降温的同时增大室内的湿度。由于温室内没有安装检测土壤湿度的传感器，只能由人工检测，再根据检测所得的数据，设定灌溉时间及时长。其工作原理：首先根据人工所测得的湿度数据、种植管理员的经验及试验的目的进行确定每天的灌溉次数，每次灌溉的时间和时长，并输入计算机，再由计算机传入PLC内预先设定的存储单元，然后启动时间比较系统及其各个温、网室的灌溉系统。在PLC内部，“设定时间”不断与“系统时间”进行比较，当“设定时间”和“系统时间”相同时，PLC发送执行指令，继电器常开触点闭合，电磁阀吸合，灌溉水路接通，安装在作物顶部的微喷头喷雾。其工作示意图，如图3所示。3.3plc与计算机的串行通信通信控制实现对温室运作信息的传送。上位机系统选用了个人计算机，主要用于输入数据、观察数据以及存储数据。由于VisualBasic6.0界面开发灵活，同时提供串行通信控件MSComm，因此采用VB6.0为开发工具实现PLC与计算机的串行通信。欧姆龙公司生产的PLC，自带外部接口，使用PLC自带的电缆即能与计算机方便的连接，组成一个简单的监控网络。通讯模式选用1:1hostlink，波特率9600bps，偶校验。计算机发送命令信息,将数据传送到PLC预先设定的存储单元，PLC根据传入数据执行程序，达到控制的目的。控制窗口，如图4所示。4plc系统的优点本系统通过对温室生产中各个参数的分散控制和集中管理，实现了温室的自动化控制，提高了温室管理的水平，降低了成本，充分发挥了温室农业的高效性。其特点主要体现在：一是群体化管理，可以实现对同一地区的多个温室的集中统一管理；二是可靠性高，从PLC本身来说，比之抗干扰性较弱的单片机，其工作稳定性好