畢業(yè)設計-基于plc的智能溫室控制系統(tǒng)設計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 溫室環(huán)境自動檢測與控制系統(tǒng)中的各個電子檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)無線地連接起來，以達到便捷地對溫室環(huán)境參數(shù)進行自動檢測，靈活地對溫室環(huán)境參數(shù)進行自動控制的目的。便攜式環(huán)境參數(shù)采集器內(nèi)部裝有溫度、濕度、光照等各種傳感器，并嵌入了藍牙芯片，因此，這種參數(shù)采集器具有無線通信功能，可以便捷地放 置在溫室內(nèi)的不同位置。控制器同樣嵌入了藍牙芯片，它一方面與便攜式環(huán)境參數(shù)采集器無線連接，另一方面通過 RS485 通信總線與溫室內(nèi)的計算機控制裝置相連接。 6 2 研究方案的設計 溫度的調(diào)節(jié)與控制 與其他環(huán)境因子比較，溫度是設施栽培中相對容易調(diào)節(jié)控制的環(huán)境因子。溫室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)和控制包括保溫、加溫和降溫 3種。溫度調(diào)控要求達到能維持適宜于作物生育的設定溫度。溫度的空間分布均勻，時間變化平緩。（ 1）保溫，為了提高大棚的保溫能力，常采用各種保溫覆蓋。具體方 法就是增加保溫覆蓋的層數(shù)，采用隔熱性能好的保溫覆蓋材料，以提高設施的氣密性。（ 2）加溫，我國傳統(tǒng)的單屋面溫室，大多采用爐灶煤火加溫，近年來也有采用鍋爐水暖加溫或地熱水暖加溫的。大型連棟溫室和花卉溫室，則多采用集中供暖方式的水暖加溫，也有部分采用熱水或蒸汽轉(zhuǎn)換成熱風的采暖方式。（ 3）降溫，保護設施內(nèi)降溫最簡單的途徑是通風，但在溫度過高，依靠自然通風不能滿足作物生育要求時，必須進行人工降溫。降溫包括遮光降溫法、屋面流水降溫法、蒸發(fā)冷卻法及強制通風法。遮光降溫法是一種在室外與溫室屋頂部相距 40cm 處張掛遮光幕，對 溫室降溫很有效。另一種在室內(nèi)掛遮光幕，降溫效果比掛在室外差；屋面流水降溫法采用時須考慮安裝成本，清除玻璃表面的水垢污染問題；蒸發(fā)冷卻法使空氣先經(jīng)過水的蒸發(fā)冷卻降溫后再送入室內(nèi)，達到降溫目的。蒸發(fā)冷卻法有濕簾 —— 風機降溫法、細霧降溫法、屋頂噴霧法。 濕度的調(diào)節(jié)與控制 土壤濕度要與空氣相對濕度協(xié)調(diào)一致才能達到溫室濕度的有效控制，濕度調(diào)控范圍一般在 60%RH80%RH，精度為 177。 5%。濕度的調(diào)控影響溫度，要求濕度與溫度的調(diào)控需按一定的程序進行。常用的濕度調(diào)節(jié)方式是加濕和去濕。（ 1）加濕，一般常用的方法是 水噴霧法和蒸汽加濕。水噴霧法采用雙位或多位控制來實現(xiàn)；蒸汽加濕則采用電極加濕器或澆蒸加濕器實現(xiàn)。（ 2）去濕，在溫室中去濕常用以下三種方式：加熱控制法、吸附法 化學除濕器、排濕換氣。在濕度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，溫室內(nèi)的加濕和去濕則由溫室內(nèi)的調(diào)節(jié)部件完成，這些部件有天窗、側(cè)窗、濕簾、風機等。 溫度、濕度之間的耦 合 溫度與濕度之間有一定的耦合關系，對一個因子的控制常會帶來另一個因子的變化。在冬季溫室環(huán)境控制中，默認為溫度控制優(yōu)先的原則，在溫度條件滿足后，再來滿足濕度條件。如溫度過低、濕度過大的情況下，以加溫為主 導，只有 7 當溫度上升到一定值后，才能通風降濕，另一方面，溫度提高本身可以使相對濕度降低。在夏季降溫加濕的過程中，采用以濕度優(yōu)先的原則。當濕度過小時，開啟蒸發(fā)降溫加濕裝置。而當溫度過高需要啟動蒸發(fā)降溫執(zhí)行機構(gòu)時，必須先檢測室內(nèi)的相對濕度，只有濕度低于某一設定范圍時，才能啟動蒸發(fā)裝置。 光照的調(diào)節(jié)與控制 在溫室內(nèi)光照強度調(diào)節(jié)中通常選用改變溫室大棚的硬件環(huán)境方法，人工調(diào)節(jié)大棚外部設施的方法來改變溫室內(nèi)的光照強度。調(diào)節(jié)方法一般有以下四種：（ 1）改善設施的透光率；（ 2）應用反光幕；（ 3）人工補光；（ 4）遮光。 二氧化碳含量的調(diào)節(jié)與控制 大氣中二氧化碳平均濃度一般為 %，變幅較小。在冬春設施蔬菜生產(chǎn)中，為了保溫，設施經(jīng)常處于密閉狀態(tài)，缺少內(nèi)外氣體交換，二氧化碳濃度變幅較大，中午設施內(nèi)由于光合作用，二氧化碳濃度下降，接近甚至低于補償點，二氧化碳處于虧缺狀態(tài)應當及時的補充二氧化碳。補充二氧化碳的方法很多，常用的主要有三種：（ 1）燃燒法；（ 2）化學反應法（目前在我國的設施栽培中運用較多）；（ 3）施用顆粒有機生物氣肥法。 因為溫室中有多種環(huán)境因素，溫室環(huán)境是多因子的、相互影響 性 的、非 線性的、有延時性的 和親合性的 復雜系統(tǒng)。如下所示： （ 1） 相互影響性：溫室中有多種環(huán)境因子，它們之間是有影響的，例如升高溫室中的溫度，其濕度必定相應降低，對溫室進行通風降溫還會影響其二氧化碳的濃度。所以，溫室內(nèi)的環(huán)境都是相互影響的； （ 2） 非線性：溫室內(nèi)的各個環(huán)境因素沒有一個是穩(wěn)定不變的，溫室或多或少還是會受到外界影響。而且溫室中農(nóng)作物自身不停的進行化學變化，也會影響環(huán)境因素，因此該環(huán)境因素都是非線性的； （ 3） 延時性：當我們調(diào)控溫室環(huán)境時，各個環(huán)境不是瞬時就能改變的，這需要一個過程，而且傳感器采集到數(shù)據(jù)后，傳送到相應的控制器 ，控制器處理數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)，做出控制調(diào)整還需要一個過程。通常改變溫室內(nèi)的某個環(huán)境因素是慢慢擴散的一種現(xiàn)象，例如對溫室內(nèi)加溫，溫度變化就是擴散的過程；對溫室內(nèi)補充二氧化碳，二氧化碳濃度的變化也是擴散過程，這就是溫室環(huán)境的延時性； （ 4） 親合性：溫室系統(tǒng)包含了多種的環(huán)境因素，各因素之間不是相互獨立互不干擾的，各個因素的控制過程是彼此耦合在一起的，當我們對其中一個變量 8 進行調(diào)控，會影響其他變量發(fā)生相應的改變。 綜上四個特點可知，溫室系統(tǒng)是復雜的，具有多種環(huán)境影響因子的，對溫室系統(tǒng)提出的控制要求并不是一成不變的，要根據(jù)不同作 物相應調(diào)整，因此想要建立精準控制模型幾乎無法實現(xiàn)。通常溫室控制中我們往往采取區(qū)間化控制，例如某作物只要求環(huán)境溫度控制在一定的區(qū)間內(nèi)就能良好的生長，我們在設計溫室控制系統(tǒng)時只要保證溫室內(nèi)部溫度調(diào)控在某一區(qū)間即可，完全沒必要對溫度或其他環(huán)境因素進行精準控制。 影響農(nóng)作物生長發(fā)育的因素主要有兩個，其一是由農(nóng)作物自身的遺傳特性決定的，即所謂的品種。如果想通過改變農(nóng)作物的遺傳特性達到促進農(nóng)作物生長發(fā)育的目的需要大量的人力財力投入，而且會形成轉(zhuǎn)基因食品；其二是農(nóng)作物所在的生長環(huán)境，智能溫室內(nèi)部就是 一個小生態(tài)，在目前的科學技術(shù)幫助下，完全通過調(diào)控智能溫室內(nèi)的環(huán)境因子的方式有效的提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。 溫度 溫度是否適宜，是農(nóng)作物生長過程中非常重要的因素之一，溫度可以影響農(nóng)作物體內(nèi)在的化學變化。每種農(nóng)作物對溫度都有其獨特的要求，擁有最適宜溫度以及最高最低溫度。當農(nóng)作物在極限溫度下，雖然還能維持生存，但已經(jīng)極大的影響其生長發(fā)育；只有生長在最適溫度下，農(nóng)作物才能迅速健康生長，達到最佳狀態(tài)。因此，對溫室內(nèi)的環(huán)境溫度進行范圍內(nèi)的調(diào)控可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，較為常見的溫控設備包括加熱設備和通風風機，同時在溫室中通 過安裝溫度傳感器獲取溫室內(nèi)溫度，將采集的數(shù)值與農(nóng)作物最適宜溫度對比，執(zhí)行相應升降溫操作，啟動相應控制設備。 濕度 農(nóng)作物對空氣濕度也有不同的要求，如果更加細致的分析，同一種農(nóng)作物在它整個生命周期中的不同階段以及一天中的不同時段對空氣濕度也有不同的需求。針對 溫室 中所種植不同類別的作物的不同特性，溫室控制系統(tǒng)應當控制溫室保持相應的濕度環(huán)境，保證當前農(nóng)作物快速健康生長。同時濕度調(diào)控與溫度調(diào)控還存在一定的耦合關系，對其中一個因子調(diào)控常會帶來另外一個因子的變動，而且影響較大。因此，在溫室環(huán)境控制中要綜合的考 慮這兩個因素之間的耦合性。 光照強度 陽光是農(nóng)作物生長必不可少的，沒有陽光，農(nóng)作物或植物就無法進行光合作 9 用，進而農(nóng)作物無法生長發(fā)育。陽光是作物光合作用非常重要的條件，同時它又是控制農(nóng)作物光周期的因素。充足的光照可以促進光合作用，使農(nóng)作物合成更多的有機物，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。如果光照不足或光照強度過強，都會極大的影響農(nóng)作物正常的光合作用，還會減退葉片的同化作用，造成植株脆弱，引發(fā)病蟲害，導致落花落果，產(chǎn)量低，質(zhì)量差等問題。在溫室中，內(nèi)部的光照強度與外部的光照強度有著明顯的相關性，但是與室外相 比室內(nèi)的光照強度明顯較低。當溫室內(nèi)光照強度不能滿足農(nóng)作物生長需求時，需要補光燈進行補光。 二氧化碳 二氧化碳也是農(nóng)作物進行光合作用必不可少的，光合作用就是植物合成有機物的過程，而二氧化碳就是為這個過程提供了碳源，但是二氧化碳濃度過高和不足都影響作物的生長，在一定程度上會降低產(chǎn)量。一定量的提高二氧化碳濃度可以讓農(nóng)作物的物候期提前，提高農(nóng)作物體內(nèi)有機物含量。大部分農(nóng)作物的產(chǎn)量隨二氧化碳濃度升高而升高，并且還可以影響某些農(nóng)作物的蛋白質(zhì)、氨基酸和淀粉的含量。同時二氧化碳的充足還能保證作物幼苗期的質(zhì)量，促進 其快速生長，抑制或減輕疾病的發(fā)生。 土壤含水量 土壤中總有一定間隙的，而占據(jù)了間隙的是水與空氣。當水分含量太少時，植物根系吸收的水分不充足，而植物的蒸騰作用又使植物失去大量水分，從而導致植物失水萎蔫。同時土壤缺乏水分時，造成土壤板結(jié)、裂縫的產(chǎn)生會將植物根系拉斷，嚴重時直接導致植物死亡。當含水量過多時，土壤 縫隙 中空氣所占的比例就很小，導致植物根系有氧呼吸大大減弱，植物根系被迫轉(zhuǎn)向無氧呼吸。無氧呼吸會生成酒精傷害作物根部，導致根部潰爛。嚴重時同樣致使植物枯萎死亡。 10 3 PLC 概述 PLC 簡介 PLC 的產(chǎn)生和定義 在 PLC 誕生之前，繼電器控制系統(tǒng)已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域，起著不可替代的作用。隨著生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴大，繼電器控制系統(tǒng)已越來越難以適應現(xiàn)代 化 工業(yè)生產(chǎn)的要求。繼電器控制系統(tǒng)通常是針對某一固定的動作順序或生產(chǎn)工藝而設計，他的控制功能也局限于邏輯控制、定時、計數(shù)等一些簡單的控制，一旦動作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就必須重新進行設計、布線、裝配和調(diào)試，造成時間和資金的嚴重浪費。繼電器控制系統(tǒng)體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運行速度慢、適應性差。為了改變這一現(xiàn)狀， 1968 年美國最大的汽車制造商通用汽車公司（ GM），為了適應汽車型號不斷更新的需求，并能在競爭激烈的汽車工業(yè)中占有優(yōu)勢，提出要研制一種新型的工業(yè)控制裝置來取代繼電器控制裝置，為此，擬定了 10項公開招標的技術(shù)要求，即： 編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序 ； 維護方便，最好是插件式 ； 可靠性高于繼電器控制柜 ； 體積小于繼電器控制柜 ； 可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機 ； 在成本上可與繼電器控制柜競爭 ； 輸入可以是交流 115V； 輸出可以是交流 115V、 2A以上，可直接驅(qū)動電磁閥等 ； 在擴展時，原有系統(tǒng)只要很小變更 ； 用戶程序存儲器容量至少能擴展到 4KB； 根據(jù)招標的技術(shù)要求，第二年，美國數(shù)字設備公司（ DEC）研制出了世界上第一臺 PLC，并在通用汽車公司自動裝配線上試用成功。這種新型的工控裝置，以其體積小、可變性好、可靠性高、使用壽命長、簡單易懂、操作維護方便等一系列優(yōu)點，很快就在美國的許多行業(yè)里得到推廣應用，也受到了世界上許多國家的高度重視。 1971 年，日本從美國引進了這項新技術(shù) ，很快研制出了他們的第 1臺 PLC。 1973 年，西歐國家也研制出他們的第 1 臺 PLC。我國從 1974 年開始研制，到 1977 年開始應用于工控領域。在這一時期， PLC 雖然采用了計算機的設計思想，但實際上 PLC 只能完成順序控制，僅有邏輯運算等簡單功能，所以人們 11 將它稱為可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller）簡稱為 PLC。 20 世紀 70 年代末至 80 年代初期，微處理器日趨成熟，使 PLC 的處理速度大大提高，增加了許多功能。在軟件方面，除了保持原有的邏緝運算、計時、計數(shù)等功能以外，還 增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡通信、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊，并擴大了存儲器的容量，而且還提供一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器。為此，美國電氣制造協(xié)會將可編程序邏輯控制器，正式命名為編程序控制器（ Programmable Controller），簡稱 PC。但由于 PC 容易和個人計算機 PC（ Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤晳T地用 PLC 作為可編程序控制器的簡稱。 1985 年，國際電工委員會 (IEC)對 PLC 作出如下定義： 可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。 由該定義可知： PLC 是一種由“事先存貯的程序”來確定控制功能的工控類計算機。 PLC 它是按照成熟而有效的繼電器控制概念和設計思想，利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子器件，逐步形成 了具有特色的各種系列產(chǎn)品，是一種數(shù)字運算操作的專用電子計算機。它是將邏輯運算，順序控制，時序和計數(shù)以及算術(shù)運算等控制程序，用一串指令的形式存放到存儲器中，然后根據(jù)存儲的控制內(nèi)容，經(jīng)過模擬，數(shù)字等輸入輸出部件，對生產(chǎn)設備和生產(chǎn)過程進行控制的裝置。 PLC 的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的發(fā)展， PLC 已由最初一位機發(fā)展到現(xiàn)在的以 16 位和 32位微處理器構(gòu)成的微機化 PC，而且實現(xiàn)了多