基于PLC的日光溫室二氧化碳?xì)夥收{(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單慧勇　趙輝　楊延榮等

摘要： 為了進(jìn)一步提高溫室大棚農(nóng)作物產(chǎn)量，設(shè)計(jì)出了一種新型溫室CO2濃度調(diào)控系統(tǒng)。以海微Hw-36MT-3DA型PLC為控制中心，利用溫濕度、光強(qiáng)、CO2濃度等多路傳感器對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，采用模糊控制技術(shù)，控制電加熱氣肥發(fā)生器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室CO2濃度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；上位機(jī)選用MCGS觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞： 溫室；二氧化碳；模糊控制；PLC

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273+ 4；S625 5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0388-03

現(xiàn)有的溫室大棚主要通過(guò)控制溫度、濕度和光照來(lái)達(dá)到增產(chǎn)目的，二氧化碳作為植物生長(zhǎng)光合作用的必要原料，合理適時(shí)施用CO2氣肥是提高設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段 [1]。目前市場(chǎng)上電加熱型二氧化碳?xì)夥拾l(fā)生器多采用開(kāi)環(huán)定時(shí)控制，不具備閉環(huán)控制功能，不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制CO2施肥量，無(wú)法達(dá)到對(duì)CO2濃度的準(zhǔn)確控制，尤其是在日出后光合作用旺盛期間經(jīng)常處在虧缺狀態(tài)，影響溫室作物產(chǎn)量。因此，本研究擬設(shè)計(jì)一種基于PLC的智能日光溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2氣肥補(bǔ)施、溫濕度、光照度等溫室環(huán)境因子的綜合調(diào)控。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)采用PLC為控制中心，通過(guò)溫濕度、光強(qiáng)、CO2濃度、土壤濕度等多路傳感器將溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到數(shù)據(jù)采集模塊，再通過(guò)RS485總線傳給PLC，系統(tǒng)根據(jù)溫室環(huán)境參數(shù)綜合判斷，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行CO2氣肥補(bǔ)施。MCGS觸摸屏作為系統(tǒng)的上位機(jī)，通過(guò)RS232實(shí)現(xiàn)與PLC通信，具有實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)及對(duì)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。系統(tǒng)有自動(dòng)/手動(dòng)2種工作狀態(tài)，自動(dòng)模式下系統(tǒng)依據(jù)檢測(cè)環(huán)境參數(shù)和相關(guān)設(shè)定自動(dòng)調(diào)控氣肥發(fā)生器，手動(dòng)模式用于手動(dòng)調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示 [2]。

1 1 PLC的選擇

目前市場(chǎng)上PLC的種類(lèi)很多，如三菱、歐姆龍、西門(mén)子等，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇國(guó)產(chǎn)海微Hw-36MT-3DA型PLC，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)及價(jià)格低廉等特點(diǎn)。該P(yáng)LC可以直接驅(qū)動(dòng)大功率電磁閥，通信接口有RS232C、RS485、SPI_MS，36路I/O輸入輸出，程序空間為256K步，不用電池記憶，無(wú)需維護(hù)，編程語(yǔ)言采用梯形圖，支持高級(jí)語(yǔ)言（C，C+ +）混合。

[ （W11][TPSHY11 TIF]

1 2 傳感器的選擇

1 2 1 CO2傳感器 CO2傳感器選用CM1101，該傳感器模塊采用NDIR紅外測(cè)量原理，即CO2在紅外線波長(zhǎng)區(qū)域具有吸收光譜，當(dāng)對(duì)應(yīng)某一氣體特征吸收波長(zhǎng)的光波通過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，其強(qiáng)度將明顯減弱，強(qiáng)度衰減程度與該氣體濃度有關(guān)，測(cè)量范圍0～5 000 mg/kg，供電電壓DC 5 V±5%，電壓線性輸出DC 0 8～4 V。

1 2 2 溫濕度傳感器 采用LM-300智能溫濕度采集模塊，它是一種具有廣泛前景的全數(shù)字化溫濕度采集模塊，采集溫度范圍-40 ℃～+85 ℃，精確度±0 1 ℃，相對(duì)濕度范圍0～100%， 精度為±10%。該模塊可通過(guò)隔離的RS485通信接口與RS485現(xiàn)場(chǎng)總線連接，采用MODBUS RTU協(xié)議，有操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、精度高、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)。

1 2 3 光照度傳感器 光照度傳感器為KZD系統(tǒng)的光照度變送器，由對(duì)弱光也有較高靈敏度的硅藍(lán)光伏探測(cè)器組成，具有測(cè)量范圍寬、線性度好、防水性能好、便于安裝、傳送距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。適用于各種場(chǎng)合，尤其是溫室大棚。該傳感器暗電流小，低照度響應(yīng)，靈敏度高，電流隨光照度增強(qiáng)呈線性變化；能輸出較大的電流和范圍較寬的工作電壓，溫度穩(wěn)定性好，測(cè)量范圍較廣，范圍為0～105 lx。該傳感器的供電電源為DC 12～30 V，可采用二線制4～20 mA電流輸出或三線制0～5 V電壓輸出。

1 2 4 土壤濕度傳感器 采用FDS100土壤水分傳感器，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、土質(zhì)影響較小、密封性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。該傳感器輸出為DC 0～5 V，在飽和含水量范圍內(nèi)具有良好的線性特征。

1 3 人機(jī)接口

選用北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化科技有限公司型號(hào)為T(mén)PC1062K的觸摸屏。觸摸屏與PLC聯(lián)機(jī)能實(shí)時(shí)顯示傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)與實(shí)際系統(tǒng)相近的組態(tài)界面，使系統(tǒng)在控制、功能、顯示上更為具體直觀。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2 1 模糊控制設(shè)計(jì)

2 1 1 模糊控制基本結(jié)構(gòu) 日光溫室環(huán)境具有時(shí)變性、非線性和時(shí)滯性的特點(diǎn)，很難用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型去描述。模糊控制從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種非線性智能控制技術(shù)，它無(wú)須知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制行為，遵循反饋及反饋控制思想，總結(jié)成一系列控制規(guī)則，并運(yùn)用軟件程序加以實(shí)現(xiàn)。因此采用模糊控制技術(shù)可以較好地實(shí)現(xiàn)溫室CO2的靈活調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)首先通過(guò)模糊控制器對(duì)輸入變量e和ec的精確量分別模糊量化成模糊量，再由e、ec和模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量，最后將模糊控制量解模糊成精確量輸出?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖2所示 [3]。

[ （W9][TPSHY22 TIF]

2 1 2 輸入輸出變量模糊化

系統(tǒng)采用雙輸入單輸出的模型，將CO2濃度偏差e及其變化率ec（ec=de/dt）作為模糊控制的2個(gè)輸入變量，控制二氧化碳發(fā)生器加熱裝置的繼電器開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)作為輸出變量T。根據(jù)溫室CO2濃度變化的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，溫室的CO2濃度偏差變化范圍為-6%～6%，是農(nóng)作物最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。設(shè)置CO2濃度偏差e的變化范圍為[-6，6]，模糊論域取值為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，則偏差的量化因子K1=1；CO2濃度偏差變化率ec變化范圍為[-1，1]，模糊論域取值為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，則偏差變化率的量化因子K2=6。CO2濃度的模糊語(yǔ)言變量設(shè)置為正大（PL）、正中（PM）、正?。≒S）、零（Z）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NL）。隸屬度函數(shù)選用三角形函數(shù)，輸入變量隸屬度函數(shù)如圖3所示。endprint

輸出變量T不存在負(fù)值，變化范圍為[0，60]，模糊論域取值為[0，1，2，3]，量化因子K3=20，控制器加熱時(shí)間的模糊語(yǔ)言變量為零（Z）、短時(shí)（PS）、中時(shí)（PM）、長(zhǎng)時(shí)（PL），輸出變量隸屬度函數(shù)如圖4所示。為達(dá)到精確加熱目的，將控制繼電器開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)分為4段：關(guān)閉、20 min、40 min、60 min。

2 1 3 模糊控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則實(shí)質(zhì)上是將操作者在控制過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)（即手動(dòng)控制策略）加以總結(jié)而得到的一條條模糊條件語(yǔ)句的集合。選取控制量變化的原則是當(dāng)偏差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除偏差為主；而當(dāng)偏差較小時(shí)，選擇控制量要以防止超調(diào)和保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。

根據(jù)模糊控制的規(guī)則，對(duì)于雙輸入、單輸出模型的模糊控制器，控制語(yǔ)句可寫(xiě)成“if-and-then”條件語(yǔ)句的形式，例如：if E=NL and EC=PL then T=PS，表明當(dāng)前CO2濃度負(fù)大，且CO2偏差變化率正大，則控制器輸出控制量為PS，此時(shí)繼電器開(kāi)啟短時(shí)工作模式；if E=PL and EC=PL then T=Z，表明當(dāng)前CO2濃度正大，且CO2偏差變化率為正大，則此時(shí)繼電器關(guān)閉，停止加熱。表1為模糊控制器的控制規(guī)則。在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用當(dāng)中，可根據(jù)不同情況對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行調(diào)整和完善，逐步形成最佳方案。

系統(tǒng)采用Mamdani模糊推理方法，根據(jù)模糊關(guān)系R=E×Ec×T 可算出所有控制規(guī)則所對(duì)應(yīng)的，然后再根據(jù)偏差和偏差的論域值計(jì)算出模糊控制量，最后根據(jù)從屬度最大原則進(jìn)行模糊決策，使模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，將其乘以相應(yīng)的比例因子K3，即得到繼電器開(kāi)啟的時(shí)長(zhǎng) [4]。

2 2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面由觸摸屏通過(guò)MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，分為手動(dòng)和自動(dòng)兩部分，系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)模式完成相應(yīng)設(shè)定后，組態(tài)就可以通過(guò)傳感器模塊自動(dòng)采集環(huán)境參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，自動(dòng)控制溫室環(huán)境。手動(dòng)模式下，用戶可以任意控制設(shè)備，通過(guò)上位機(jī)界面直接控制，方便快捷。手動(dòng)和自動(dòng)二者互相協(xié)調(diào)，共同實(shí)現(xiàn)高效管理。設(shè)計(jì)上位機(jī)組態(tài)主界面如圖5所示。

3 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)的溫室二氧化碳測(cè)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)以PLC為控制中心，利用多路傳感器可對(duì)CO2、溫濕度、光照度、土壤濕度等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；（2）為取得理想的控制效果，采用模糊控制實(shí)現(xiàn)溫室二氧化碳濃度的調(diào)控；（3）采用MCGS觸摸屏，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，人機(jī)交互友好；（4）為了增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性和使用靈活性，硬件、軟件均采用了模塊化結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱慶松，劉秀青 設(shè)施蔬菜二氧化碳施肥技術(shù)[J] 北方園藝，2013（17）：55-57

[2]王智乾 基于PLC的溫室模糊灌溉控制系統(tǒng)研究[D] 昆明：昆明理工大學(xué)，2012

[3]李紅萍，賈秀明，趙曉莉 基于MCGS的PLC溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2012（5）：83-85，88

[4]崔天時(shí)，楊廣林，劉 磊，等 基于模糊控制的溫室灌溉控制系統(tǒng)的研究[J] 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（3）：84-86endprint