王治軍，李浙昆，韓子偉，王遠富，楊 濤

(昆明理工大學機電工程學院，云南昆明 650500)

溫室自動控制系統(tǒng)，主要在農業(yè)溫室、農業(yè)特定作物環(huán)境控制、實驗型作物溫室中得到廣泛應用。在溫室中主要起環(huán)境自動控制的作用，可控環(huán)境因素有風向、風速、溫度、濕度、光照、氣壓、雨量、太陽輻射量、太陽紫外線、土壤溫濕度等［1］。一般國內外所研制的溫室自能控制系統(tǒng)是根據(jù)溫室植物在生長周期中，某一時期所需的最適宜農業(yè)環(huán)境因素，來自動控制開窗、卷膜、風機濕簾、生物補光、灌溉施肥等環(huán)境控制設備，以控制溫室內環(huán)境，達到植物所適合的較優(yōu)生長環(huán)境［2］。

溫室農業(yè)就是能夠按人們的控制進行發(fā)展的農業(yè)，這種農業(yè)能夠降低外界自然因素的影響，改變傳統(tǒng)農業(yè)模式，提高農業(yè)生產效率。溫室的通俗理解就是人工構建農作物生長的適宜環(huán)境。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，溫室自動控制也應時代的變化得到快速的發(fā)展，特別是對單個環(huán)境因子自動控制、全溫室的自動控制和自動管理都得到了改進。

我國溫室技術主要的特點如下:①在分布上，我國溫室集中在北方，主要是在東北、華北等地區(qū)。②在結構上，我國的溫室結構主要是塑料溫室和塑料大棚溫室，并且因地制宜地采用溫室結構材料，但是大部分都是結構簡單的溫室，以日光溫室為主。③在控制和管理上，我國的溫室呈現(xiàn)出自動化水平低、系統(tǒng)結構復雜、難以操作等特點，雖然就這些問題進行了一些研究，但只是在小范圍內進行的，沒有達到整體化水平的提高。

筆者采用PLC為控制器設計了一種溫室智能控制系統(tǒng)，為以后溫室智能控制設備擴展打下一定基礎，同時可配合其他溫室內智能控制設備，為溫室整體運行提供了一項必要條件。

1 上位機系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 上位機系統(tǒng)的設計方案［3］智能溫室控制系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)采用的控制方式為歐姆龍和組態(tài)王在PC機上進行連接，其中遠程控制系統(tǒng)界面、報警系統(tǒng)主機操作界面、趨勢曲線顯示畫面、報表系統(tǒng)界面及遠程監(jiān)控畫面共同構成了組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)。在對溫室內環(huán)境進行控制的過程中，借助遠程監(jiān)控界面，用戶能夠在監(jiān)控室內掌握多種設備的運行狀況，根據(jù)需要采取相應的停止或啟動措施，并在遠程控制系統(tǒng)主機圖像界面下實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動或手動切換功能，發(fā)揮遠程控制的作用。在報警系統(tǒng)的實時監(jiān)控下，可以提醒用戶對超過參數(shù)設置值的一些環(huán)境因子進行調節(jié)，保證各項環(huán)境因子保持在合理范圍。此外，利用歷史數(shù)據(jù)輸出表、日報表及實時報表，可以更加清楚地了解溫室環(huán)境在過去或當前時刻的各項數(shù)據(jù)信息，為分析和決策提供數(shù)據(jù)參考，有利于達到溫室環(huán)境控制方案的最優(yōu)化［4］。

1.2 溫室系統(tǒng)上位機軟件設計 溫室系統(tǒng)上位機的控制和監(jiān)視系統(tǒng)包括組態(tài)王、PC機，一方面保證了系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)查詢/處理、環(huán)境參數(shù)儲存、參數(shù)控制、數(shù)據(jù)/曲線顯示、通訊及系統(tǒng)控制等功能，另一方面也符合上位機的控制條件。

智能溫室控制系統(tǒng)的主設計畫面由登錄、遠程控制、歷史曲線、報警系統(tǒng)、實時曲線、日報表和退出等操作按鈕共同構成，便于用戶更加清楚、直觀地進行操作。運行智能控制系統(tǒng)的過程中，登錄系統(tǒng)進入控制界面后，可以根據(jù)實際需求按下相關操作按鈕，對溫室環(huán)境因子進行查看或操作;為了進一步方便管理，還能夠對按鈕功能權限進行劃分，由特定的工作人員進入相應的操作界面。智能溫室群控系統(tǒng)的人機交互界面見圖1。

2 FX2N系列PLC的測量模塊

2.1 測量模塊 FX2N系列PLC能夠測量溫度的功能模塊主要有FX2N－4AD－PT。FX2N－4AD－PT能夠輸入4通道的鉑電阻溫度傳感器進行測量，并具有數(shù)/模轉換功能，是具備顯示、輸入與測量功能的模塊。

2.2 工作原理 FX2N－4AD－PT的工作原理如圖2所示。模塊經過電纜能夠與擴展單元或者基本單元連接起來，并經過PLC的TO/FROM命令，完成模塊與PLC之間的命令和數(shù)字量的傳輸。

在使用4通道的鉑電阻溫度傳感器進行測量時，從CH1～CH4輸入端輸入模擬量，并通過PLC通道對復用器進行控制，可以選取需要進行數(shù)/模轉換的輸入通道，選定的輸入被送入模塊的數(shù)/模轉換器中，并轉換為12位數(shù)字量。

在FX2N－4AD－PT模塊內部，經過數(shù)/模轉換器的數(shù)字量被傳送到模塊CPU的緩沖存儲器(BFM)中寄存，CPU數(shù)據(jù)總線與數(shù)/模轉換器之間采取了采用了光隔離的技術。

PLC能夠采取FROM命令對CPU緩存中的數(shù)據(jù)作相應的讀取，或者采取TO命令將命令或者數(shù)據(jù)寫入CPU的緩存中。

2.3 主控制電路I/O連接圖的實現(xiàn)［5－6］根據(jù)各I/O端口的分配可以得到系統(tǒng)控制電氣柜的主控制回路及各設備部件安排，如圖3所示。

由圖3可知，系統(tǒng)整體接入380 V三相電壓，因為遮陽設備電機為三相電源啟動，電機正轉/反轉是通過改變兩根電線的接線達成，所以直接將電機配合繼電器KM1、KM2與三相電源相連接，同理可以確定空調開關的接線。實際控制中由于繼電器開關電流較大，PLC直接控制繼電器容易損壞輸出端口，因此在KM1、KM2外再加一個接觸器來控制繼電器開關。類似濕簾風機和地熱采暖系統(tǒng)，它們自生啟動電壓為DC直流電源，接入一個變壓器后控制其運作。控制回路經變壓器變壓后，可內接控制按鈕到控制面板上實現(xiàn)手動控制，控制器電源是為了配合FX2N－4AD－PT的使用，經變壓后變?yōu)?4V控制電源。

2.4 PLC編程［7］該研究僅對溫度測量控制部分進行編程操作:通過FX2N－4AD－PT模塊對4通道的溫度作相應的測量，并且需要將通道1～4的平均溫度值，分別讀入到PLC數(shù)據(jù)寄存器D0～D3中，通過的采樣次數(shù)為4次，并最終求的D0～D3的整體平均溫度值，存入D20中。

測量時需要檢查模塊的ID號，在ID正確時才能輸入溫度測量值，否則當模塊錯誤時，將PLC內部繼電器M30的狀態(tài)置“1”，系統(tǒng)報警。

根據(jù)需要，設計的PLC程序如圖4所示。

3 結語

我國對溫室控制系統(tǒng)的研究相對落后，而智能溫室控制系統(tǒng)的研發(fā)對我國農業(yè)生產方式的集約化和高效化發(fā)展有著非常重要的意義。基于溫室環(huán)境多變量控制關系及系統(tǒng)理論，在歐姆龍PLC下位機和上位機的人機交互模式下，能夠有效地彌補傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)的不足，實現(xiàn)了環(huán)境因素采集、判斷分析、數(shù)據(jù)初始化及控制輸出的自動化，完善了數(shù)據(jù)記錄、遠程控制和環(huán)境因素控制等功能，達到溫室控制系統(tǒng)的要求。

［1］陳杰，楊祥龍，周勝軍.中國設施園藝研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中國農學通報，2005，21(1):236 －238.

［2］姜云超，王三反.青藏高原生態(tài)大棚溫度環(huán)境的仿真研究［J］.西北農林科技大學學報，2004，32(5):92 －96.

［3］蔡自興，徐光祐.人工自能及其應用［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［4］吳肖龍，柯建宏，姚然，等.溫室土壤濕度的模糊控制系統(tǒng)研究［J］.安徽農業(yè)科學，2014，42(30):10798 －10800.

［5］杜尚豐，孫明，董喬雪.智能控制理論與應用［M］.北京:中國農業(yè)大學出版社，2005.

［6］郭俊，劉暢，姚峰林，等.基于PLC溫控系統(tǒng)的PID控制器的實現(xiàn)［J］.機械工程與自動化，2005，130(3):31 －32.

［7］郭洪源，許維勝，余有靈.基于MATLAB GUI的汽車外燈控制系統(tǒng)演示模型［J］.計算機應用與軟件，2012，29(2):187－189.