蔬菜大棚温度自动控制系统设计
2017-10-14冯程程龚希武刘要
冯程程 龚希武 刘要
摘要随着现代化温室技术的发展与应用，以及人们对反季节蔬菜的庞大需求，温室在反季节蔬菜的培育中发挥着显著的作用，成为相关技术人员的关键课题之一。我国蔬菜大棚还处于发展的初期阶段，而国外的蔬菜大棚系统虽然趋于完善，但其经济性和适应能力却有待商榷。因此，需要创造一种基于我国环境的价格亲民、操作简单、功能稳定的现代化蔬菜大棚自动控制系统。通过对蔬菜大棚自动控制系统特性的分析，设计了基于可编程逻辑控制器（PLC）的蔬菜大棚温度数字化智能控制（PID）的自动控制系统。PLC将各种传感装置勘测的变量实时检测数据，通过和设定参数比较，对大棚内的温度进行调节。对系统进行仿真测试显示，该蔬菜大棚温度自动控制系统已经基本达到了控制目标，控制相对稳定可靠，具有较高的经济性。
关键词自动控制；可编程逻辑控制器；数字化智能控制
中图分类号S23文献标识码
A文章编号0517-6611（2017）22-0171-03
AbstractWith the development and application of modern greenhouse technology and the huge demand of antiseason vegetables， greenhouse plays an important role in the cultivation of antiseason vegetables， which is one of the key issues of relevant technical personnel.China′s vegetable greenhouses are still in the early stages of development， while the foreign vegetable greenhouses， although tend to improve， but its economy and adaptability are open to question.A modern regetable greenhouse automatic control system based on the environment of our coutry，whose price is close to the people，the operation is simple and the funciton is stable，needs to be created.Based on the analysis of the characteristics of the automatic control system of vegetable greenhouses， this paper designed the PID automatic control system of vegetable greenhouse temperature based on PLC. PLC realtime detection data of the variables surveyed by various sensing devices， and adjust the temperature in the greenhouse by comparing with the set parameters. The simulation test of the system shows that the greenhouse temperature automatic control system has basically reached the control target， the control is relatively stable and reliable， with high economy.
Key wordsAutomatic control；PLC；PID
我國人口众多，食品在国家命脉中占据着至关重要的位置，同时，人民对于绿色蔬菜的需要也骤然增加。然而我国长期以来都推行传统的作业栽培，手工生产和半自动化生产的绿色蔬菜食品远远不能够满足全国人民的需求。故而推动蔬菜温室技术革新，推进自动化温室控制系统显得尤为必要，同时还能创造良好的经济生态效益[1]。由于大棚蔬菜成长主要受温度、湿度、光度等相关因素干扰，自动蔬菜大棚主要总结微机理论、传感器理论等原理，在过去的蔬菜大棚基础上拓展完善。这在很大程度节省了大量的人力物力资源，扩大生产规模，实现快捷便利高效能地控制蔬菜大棚温室。
1我国蔬菜大棚温度自动控制系统的发展历史及研究意义
农业是国家的三大产业之一，农业的发展也为温室大棚的发展提供了契机，温室大棚可以在很大程度上促进农业的发展。但是据市场的调查显示，现在很多温室大棚主要还是靠人工进行控制，不具备科学性，很多指标都不能进行量化，精确性很差。简单地依据生产者自身的生产经验去进行温室大棚的调控，必然不能实现精确调控，影响到大棚内植物的生长，甚至影响了农业发展[2-3]。
1.1我国大棚的主要发展阶段
1.1.1手动化。这是发展的最初阶段，技術含量较低。这种控制的核心主要还是种植人员凭借自身的种植经验去调控整个温室大棚。该阶段调控效率低下，没有任何指标可以依据，调控也没有目标性，自然调整的效率就很低下，不能满足农业生产发展的需要，同时这样的调控方式对种植者的要求也很高，没有经验的种植者不能做好这方面的工作。
1.1.2自动化。在经过了手动化控制之后，自动化成为新时代农业控制技术发展的里程碑。在这个过程中，生产者在种植前根据各项技术参数和指标提前设置，在蔬菜的生长过程中，根据蔬菜大棚中各种传感器和变送器对蔬菜生长环境的检测对比，通过测量数值和设定数值之间的差别，可以有效地判断蔬菜生长环境的变动，从而通过可编程逻辑控制器（PLC）等相关的控制器进行误差调试，进而使蔬菜生长环境的温度等保持在一定的范围之内，保持蔬菜应有的生长条件。这种自动化控制技术大大提高了生产效益，易于扩大生产规模。
1.1.3数字智能化。数字化以及智能化是自动化技术的升级版，是现代温室发展和运用的顶级阶段，这项技术充分发挥了自动控制理论并建立在日常生产的经验上，这是综合蔬菜种植知识、技能和各项数据而成的一套专业系统，通过建立最完善的数学模型，开发出的最完美的专业控制系统。该系统是在手动、自动化控制发展之后发展起来的，因此更先进。
就我国的蔬菜温室大棚来看，我国目前对于现代温室技术的研究相对而言还是落后的，以普通的数字化智能控制（PID）调节为例，普通的PID调节只能够达到常见的温度控制系统的要求，在一些复杂变化的情形下难以实现有效控制。随着科技的进步，这些问题也终将被解决，我国农业正朝着信息化现代农业发展，为人民提供优质绿色的食品。
1.2蔬菜大棚温度自动控制系统研究目的及意义
尽管从表面上来看，我国基本上所有的蔬菜温室都安装了加热、降温、通风设施，然而很多系统都是通过人工操作使其运转，这对于大规模的蔬菜温室种植者来说作业强度非常大，而且无法精确适时地操作，也没有办法拓展。综合以上，笔者基于PLC设计的蔬菜大棚温度自动控制系统有着重要的意义。这套系统体现了PLC在控制方面精准的自我调节，能够确保蔬菜温室的温度保持在合理的范围内，同时这套系统易拓展，有利于蔬菜生产规模的扩大，大大提高了生产自动化的水平和效率，有利于蔬菜大棚温室技术的发展[4]。这种温室大棚减少了自然条件对蔬菜的影响，能够使蔬菜按照最佳模式生长，对温室的发展有重要意义。
2系统整体方案分析
2.1蔬菜大棚控制系统的选择
该研究以2个温室大棚A、B进行蔬菜大棚温度自动控制系统的模拟，需要设计出A号棚和B号棚的温控单位，分别控制A号棚和B号棚的内部环境变量[5]。
2.2PLC的特点和功能
PLC作为一种先进的控制设备，具有典型的可靠性高、通用性好的优点，这就大大满足了蔬菜大棚对于温度控制稳定可靠的需求。在工业使用中与普通控制装置相对比，PLC的主要特点和优势有：
能耗较低、性价比高；
采用模块化结构，适应性强；使用方便，编程简单；没有复杂的硬件接线，可靠性高；安装简单，维修方便；设计施工周期短。
2.3PLC的组成
虽然PLC的种类繁多，但是其最重要的成分就是中央处理器（CPU），它通过循环扫描的方式工作，处理程序，PLC的基本结构一般如图1所示。
3蔬菜大棚温度自动控制系统设计
3.1系统功能结构
系统整体需要1个测量温度的变量当做模拟输入量，该测量输入主要用来检测大棚的温度变量，除此之外，系统还需要1个进气阀用来经PID调节调控进入的热气的模拟输入[6]。另外该系统需要1个PID调节的模拟输出的排气阀排出高温气体和1个送风风机，设开启、关停、紧急3个按键。2个按键分别控制开启、关闭整个系统，A号、B号棚互不干扰，自如控制。系统布局示意如图2所示。
该温室系统控制的运行过程也非常简便，首先，开动电机促进蒸气流动循环往复；接着，开动进气开关让热气进入大棚加温并控制温度；其次，若大棚内的温度过高，则开启排气开关排出热气降温控温。当总停止按键被按下之后，则风机排气扇等均将停止[7]。因此可知，总进排气开关受2个大棚的进排气开关影响。
3.2系统硬件设计
AIW0是A号温室大棚热敏电阻；AIW2是B号温室大棚热敏电阻。Q0.0是A号温室大棚排气阀；Q0.1是A号温室大棚电动机；Q0.2是B号温室大棚排气电磁阀；Q0.3是B号温室大棚排气电动机；Q0.4是总排气电磁阀；Q0.5是总进气电磁阀；AQW0是A号温室大棚进气阀；AQW2是B号温室大棚进气阀。为方便起见，现令A号为1号大棚，令B号为2号大棚。
3.3系统程序设计
3.3.1系统程序I/O接口分配。
蔬菜大棚温度控制系统的模拟量输入开关量如表1所示。蔬菜大棚温度控制系统模拟输出量如表2所示。
3.3.2程序设计部分。
该蔬菜大棚温度控制系统控制1号和2号大棚的控制程序用的是PID调节，通过控制系统的输出來控制阀门气流的大小，变化进气的数量，以满足控制要求。基于PLC的PID温度控制框图主要的结构图如图3所示。
该控制程序的初始化运行，经过第1次扫描，调子程序0，调定时中断0：时间间隔数值20 ms，把定時中断0加在INT_0上，全局中断启用。该控制程序启动/停止，在I0.6的上升沿使Q0.4得电启动；在I0.7的上升沿使Q0.4失电停止。当C1或C2的计数值≥600时，Q0.5得电启动。1号棚程序如图4所示，I0.0闭合M1.0置位，同时Q0.1得电；I0.1闭合M1.0复位；C1值≥600时Q0.0得电；I0.2闭合时Q0.0失电；当VD100
4结论
通过对该PLC控制的PID温度自动控制系统进行可靠性分析以及对上述系统程序的仿真测试，该蔬菜大棚温度控制系统功能仿真测试结果可靠、稳定准确、便捷高效而且易于操作，是实际温室控制系统的最佳选择，具备巨大的应用潜力。全力推动这套控制系统有利于大大提高生产自动化的水平和效率，扩大生产规模，对我国蔬菜大棚温室技术的发展有着极大的意义。
参考文献
[1]
王文新.拱式蔬菜大棚自动控制系统的设计[D].青岛：中国海洋大学，2013.
[2] 李先山.基于PLC的蔬菜大棚温度控制系统[J].兰州工业高等专科学校学报，2012，19（4）：14-16.
[3] 杨娟娟.蔬菜大棚智能温度控制系统应用探析[J].北京农业，2012（33）：42.
[4] 宋志君.温室大棚温湿度监控系统研究[D].长春：吉林大学，2015.
[5] 李海南.温室蔬菜大棚监控系统研究与实现[D].长春：吉林大学，2015.
[6] 刘静.基于环境参数的蔬菜大棚监控系统研究[D].成都：西南交通大学，2013.
[7] 孔国利，席红旗.蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能管理系统[J].农机化研究，2015（8）：184-188.
