PLC的智能溫室計(jì)算機(jī)集散完整系統(tǒng)研制

1、燕山大學(xué)學(xué)生創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目申報(bào)書項(xiàng) 目 名 稱 ：基 于 PLC 的 智 能 溫 室 計(jì) 算 機(jī) 集 散 系 統(tǒng) 研 制 所屬單位：燕山大學(xué)機(jī)械學(xué)院項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：郝琪年 限： 1 年燕山大學(xué)科技園二OO九年十二月制一、項(xiàng)目的目的及意義隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑已越來越 受到世界各國(guó)的重視，溫室生產(chǎn)通過科學(xué)管理，能最大限度的提高土地產(chǎn)出 率，資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，產(chǎn)生最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是一種完全 有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式?，F(xiàn)代化的溫室都配備有智能化的環(huán)境控制系統(tǒng)， 用來調(diào)控溫室內(nèi)相對(duì)封 閉的小環(huán)境，以適應(yīng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，使作物生產(chǎn)達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的 目的。然而，由

2、于我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)起步相對(duì)較晚，目前所使用的溫室控制系統(tǒng) 多為國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)用戶難以適應(yīng)界面操作，這樣就要求操作和維修人員具 有較高的專業(yè)素質(zhì)，同時(shí)也會(huì)造成系統(tǒng)功能使用上的浪費(fèi)， 不利于設(shè)施農(nóng)業(yè) 的推廣。另外，由于各國(guó)氣候有較大差異，按照外國(guó)氣候設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不 一定適合我國(guó)溫室的控制要求，而且其核心技術(shù)又對(duì)我們進(jìn)行封鎖，其價(jià)格 更是令人難以接受。自主研制的以可編程控制器為核心的溫室溫度控制系 統(tǒng)，由于其采用了靈活的編程方式，具有適應(yīng)惡劣環(huán)境，簡(jiǎn)單易懂，操作方 便，維修簡(jiǎn)單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，利于高 效農(nóng)業(yè)的發(fā)展。由于溫室系統(tǒng)是一個(gè)多變量、多耦合、非線性、大滯后的復(fù)雜動(dòng)

3、態(tài)系統(tǒng)， 很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，溫室的控制采用遺傳優(yōu)化模糊的控制方法。 利用模糊控制器本身的解耦特點(diǎn)，在控制器結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)解耦。由于模糊規(guī)則 的獲取和控制參數(shù)的調(diào)整都沒有系統(tǒng)的方法，主要依靠控制專家的經(jīng)驗(yàn)和設(shè) 計(jì)者的反復(fù)試驗(yàn)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，直觀經(jīng)驗(yàn)越來越難以獲得，而且 往往表達(dá)不清楚，難以直接利用，因此用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化， 這樣就使 得溫室控制系統(tǒng)能不斷根據(jù)實(shí)際情況來自動(dòng)修正控制算法， 從而真正達(dá)到智 能控制的目的。為此，本研究采用一種基于遺傳算法優(yōu)化模糊控制器的智能 控制方案控制溫室的環(huán)境參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)以PLC為核心的溫度控制系統(tǒng)很多，具有方案靈活、 運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)

4、單、易于維護(hù)和升級(jí)，且應(yīng)用面廣的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，模塊化 的設(shè)計(jì)可以有選擇的靈活的添加控制器，以滿足不同地區(qū)不同用戶的需求， 這就大大提升了系統(tǒng)的實(shí)用性，降低了開發(fā)和使用成本。另外，該控制器還 可用于工業(yè)上的加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等多種類似溫度控制場(chǎng)所， 且不 受惡劣的工作環(huán)境影響；在生活中的應(yīng)用也比較廣泛，如熱水器，智能室溫， 智能冷庫等。該控制系統(tǒng)稍作變通就有廣闊的應(yīng)用空間。因此，本次研究具有很深遠(yuǎn)的科學(xué)意義和極為廣闊的應(yīng)用前景。二、本項(xiàng)目國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展概況溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分， 在世界各地得到長(zhǎng)足發(fā)展。70年代 初、中期，較為進(jìn)的電子溫室自控系統(tǒng)，存在一定的問題：可靠性差、控制 功

5、能不強(qiáng)以及控制參數(shù)少等缺點(diǎn)。80年代，以計(jì)算機(jī)為核心的溫室綜合環(huán)境 控制系統(tǒng)，在歐美和日本獲得快速的發(fā)展，并邁入網(wǎng)絡(luò)化智能化階段。我國(guó)對(duì)溫室控制系統(tǒng)的研究比較晚，到80年代，才有對(duì)人工氣候室進(jìn)行 的微機(jī)控制，我國(guó)的溫室控制系統(tǒng)科研水平跟國(guó)外仍有較大差距，表現(xiàn)為： 沒有溫室結(jié)構(gòu)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；缺乏與我國(guó)國(guó)情相適應(yīng)的溫室優(yōu)化控制軟件和控 制系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外主要有以下幾種溫室控制方案：1. 基于單片機(jī)的溫室控制方案2. 基于工控機(jī)的溫室控制方案優(yōu)點(diǎn)：硬件成本低。缺點(diǎn)：因溫室控制器批量不大。一是元器件采購質(zhì)量難以保障；二是線 路板小批量定做，質(zhì)量難以保證；三是手工焊接質(zhì)量不穩(wěn)；四是沒有老化實(shí) 驗(yàn)；五是硬件

6、設(shè)計(jì)不一定為最優(yōu)方案。由此造成系統(tǒng)控制器穩(wěn)定性差、故障 率高，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)原因不明的故障。僅僅是一個(gè)單片機(jī)控制器尚可運(yùn)行， 如 果實(shí)現(xiàn)分布式控制，其穩(wěn)定性將會(huì)出現(xiàn)問題。另外，此方案控制器與其他系 統(tǒng)兼容性差、開放性不強(qiáng)。此方案多采用工控板卡，優(yōu)點(diǎn)是：因生產(chǎn)板卡的公司一般是波峰焊接板 卡是批量定做，所以硬件穩(wěn)定性要比單片機(jī)好。上位機(jī)軟可采用組態(tài)軟件， 編程較方便。缺點(diǎn)：第一，因溫室控制采集參數(shù)多，如溫度、濕度、光照度、風(fēng)速、 風(fēng)向、雨雪、雨量、C°2濃度等。傳感器信號(hào)參數(shù)各異，有電流、電壓、開 關(guān)量、脈沖等。需要采用不同的輸入板卡，因此成本較高。第二，板卡插在 工控機(jī)上，一旦計(jì)算機(jī)發(fā)生故

7、障，則溫室控制不能實(shí)現(xiàn)。第三，采集速度慢 所有的采集、顯示、計(jì)算、控制邏輯關(guān)系、輸出控制等都在計(jì)算機(jī)上完成， 上位機(jī)負(fù)擔(dān)重。第四，不能實(shí)現(xiàn)分布式控制?？傊还苁浅杀具€是功能，工控機(jī)方案都不是溫室控制的首選。3.基于PLC的溫室控制方案優(yōu)點(diǎn)：第一，穩(wěn)定性高。PLC在工業(yè)控制中已應(yīng)用多年，屬大批量生產(chǎn)產(chǎn)品。 PLC產(chǎn)品在生產(chǎn)、調(diào)試、應(yīng)用、服務(wù)等方面都有一套完備的標(biāo)準(zhǔn)，所以產(chǎn)品 質(zhì)量穩(wěn)定。由此保證了溫室控制器的硬件穩(wěn)定性， 從而具有控制準(zhǔn)確、運(yùn)行 可靠的特點(diǎn)。第二，豐富的I/O 口。本系統(tǒng)需要13個(gè)輸入口和9個(gè)輸出口。PLC自帶的 口線可滿足需要。第三，易于組網(wǎng)和進(jìn)行功能擴(kuò)展。整個(gè)系統(tǒng)最多可支持

8、256個(gè)可尋址的 模塊，最長(zhǎng)走線距離可達(dá)9.6公里。系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)，增加控制單兀只需增 加數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)即可，不用更換主控計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，減小了升級(jí) 成本，提咼系統(tǒng)實(shí)用性。系統(tǒng)可根據(jù)栽培作物不同分別設(shè)定控制參數(shù)，最多可冋時(shí)管理60棟栽培不同作物的溫室，適合大中型溫室群的集中管理。第四，操作方便。良好的人機(jī)界面對(duì)操作人員的要求不高， 經(jīng)過簡(jiǎn)單培 訓(xùn)就可以使用。表1為以上幾種溫室控制方案的對(duì)比表格。表1幾種溫室控制方法的比較萬案單片機(jī)工控機(jī)PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體式模塊式模塊式加工元器件選擇需要無需加工 直接米用無需加工 直接米用制版需要焊接需要測(cè)試電磁兼容性- 抗干擾性無法測(cè)試測(cè)試項(xiàng)目全優(yōu)測(cè)試項(xiàng)

9、目全優(yōu)傳導(dǎo)和輻射至多一項(xiàng)高壓和絕緣溫度測(cè)試穩(wěn)定性一般良好優(yōu)工作環(huán)境要求高較低低可擴(kuò)展性差一般優(yōu)通訊穩(wěn)定性r -般良好優(yōu)分布式結(jié)構(gòu)是否是成本低較高較高結(jié)論:一般良好優(yōu)綜合各項(xiàng)指標(biāo)得出：雖然采用PLC成本要比單片機(jī)高，但應(yīng)用于系統(tǒng)時(shí) 要考慮穩(wěn)定性、功能性、可維護(hù)性、可拓展性等綜合因素，比較得出采用PLC 比單片機(jī)和工控機(jī)板卡具有較高的性價(jià)比。故選擇基于PLC的溫室控制方案實(shí)現(xiàn)控制。三、主要研究、開發(fā)內(nèi)容及采用工藝技術(shù)路線主要研究?jī)?nèi)容：1調(diào)研智能控制發(fā)展與方向，進(jìn)行智能溫室分布式系統(tǒng)總體的制定與設(shè) 計(jì)。2進(jìn)行基于PLC的溫室控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)由傳感器子系 統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息處理子系統(tǒng)

10、、執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)組成。3系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試：（1）控制面板的設(shè)計(jì)由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。不僅用來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，還 可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)顯示、打印等功能。（2）上位機(jī)和下位機(jī)的通信用于下位機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境監(jiān)控信息實(shí)時(shí)傳送，并將上位機(jī)的遠(yuǎn)程控制指 令下達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)PLC。（3）智能控制算法的設(shè)計(jì)溫室環(huán)境控制采用遺傳優(yōu)化模糊控制器的控制算法。利用模糊控制器本 身的解耦特點(diǎn)，在控制器結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)解耦；同時(shí)用遺傳算法來進(jìn)行優(yōu)化，這 樣就使得溫室控制系統(tǒng)能不斷根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)修正控制算法， 達(dá)到智能控 制的目的。4樣機(jī)的搭建與測(cè)試。主要開發(fā)內(nèi)容：1. 模塊化結(jié)構(gòu)此設(shè)計(jì)可以有選擇的靈活的添加

11、控制器，以滿足不同地區(qū)不同用戶的需 求，這就大大提升了系統(tǒng)的實(shí)用性，降低了開發(fā)和使用成本。2. 分布式結(jié)構(gòu)上位機(jī)與下位機(jī)采用232或458串口通信。當(dāng)上位機(jī)發(fā)生故障時(shí)下位機(jī) 可自行實(shí)現(xiàn)采集、顯示、輸出自動(dòng)控制，不影響溫室的自動(dòng)運(yùn)行。在整個(gè)過 程中，計(jì)算機(jī)還承擔(dān)著存儲(chǔ)即時(shí)數(shù)據(jù)的工作， 這樣，我們就可以根據(jù)這些數(shù) 據(jù)，對(duì)植物未來的生長(zhǎng)趨勢(shì)做出分析和預(yù)測(cè)， 隨時(shí)顯示和打印當(dāng)前數(shù)據(jù)或歷 史數(shù)據(jù)。3. 多種控制方式有自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制三種控制方式，從而更好的保證系統(tǒng)的整體性能。4. 室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境共同監(jiān)測(cè)如下圖所示。其優(yōu)點(diǎn)是可以將室外信息和室內(nèi)的相合結(jié)， 根據(jù)室外環(huán)境 情況自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)

12、控制方案，達(dá)到充分利用自然資源、節(jié)能環(huán)保的目的。比 如雨天需要灌溉時(shí)可以卷起溫室屋頂薄膜節(jié)水灌溉；如果出現(xiàn)降雨，或是風(fēng) 力過大的情況，室外控制系統(tǒng)就會(huì)合攏遮蔭、將天窗關(guān)閉，保護(hù)室內(nèi)作物等。 這樣更科學(xué)合理地控制溫室內(nèi)環(huán)境， 真正最大限度地保護(hù)農(nóng)作物，發(fā)揮系統(tǒng) 的幫助功能。圖1溫室系統(tǒng)組成框圖5. 良好的人機(jī)界面對(duì)操作人員要求不高、易于操作，經(jīng)過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)就可以使用。同時(shí)， 控制面板不僅用來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、 參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、還可以實(shí)現(xiàn)歷 史數(shù)據(jù)顯示、打印等功能。工藝技術(shù)路線:圖1技術(shù)路線控制面板的設(shè)計(jì)上/下位機(jī)通信四、本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵本研究的創(chuàng)新之處有兩大方面：一是硬件上。目前我國(guó)科

13、技人員也進(jìn)行了溫室的環(huán)境控制研究， 但是由 于我國(guó)的設(shè)施大都比較簡(jiǎn)單，大量的作業(yè)和調(diào)整都要人工操作，作物生長(zhǎng)小 環(huán)境中環(huán)境因子調(diào)控程度很低，這樣使溫室生產(chǎn)的潛力和效率與國(guó)外的工廠 化生產(chǎn)相比還有很大差距。目前，我國(guó)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)還大多處于單控制 器十單傳感器十執(zhí)行機(jī)構(gòu)這種較原始的狀態(tài)， 控制效果不太理想。目前我國(guó) 既便是引進(jìn)的溫室設(shè)施基本也還是采用落后且價(jià)格亦不低的集中式控制系 統(tǒng)，所以控制效果也較差。本研究首先從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上對(duì)其加以改進(jìn)，采用分 布式控制方式，使系統(tǒng)的控制量、控制的靈活性、遠(yuǎn)程操作等功能得以實(shí)現(xiàn) 或性能進(jìn)一步提高；模塊式I/O結(jié)構(gòu)使得用戶可根據(jù)需要方便靈活的組合， 系統(tǒng)方案靈

14、活，應(yīng)用面廣，現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)變能力強(qiáng)；同時(shí)室內(nèi)外環(huán)境共同監(jiān)測(cè)的 設(shè)計(jì)可以最大限度的利用自然資源實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。另一方面是軟件方面，目前國(guó)內(nèi)溫室控制的計(jì)算機(jī)軟件較為落后， 而且 缺乏針對(duì)性，本研究采用遺傳算法優(yōu)化模糊器的控制方案， 加之河北省優(yōu)越 的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐肯定可以研究出適合河北氣候條件和植物生長(zhǎng)要 求的控制規(guī)則，使該系統(tǒng)更加具有針對(duì)性。重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)：1硬件電路的可制造性設(shè)計(jì)和可測(cè)試性設(shè)。2軟件設(shè)計(jì)的可靠性。其關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，設(shè)計(jì)的軟件要與硬 件電路匹配。3控制算法的優(yōu)越性。算法的優(yōu)劣直接決定了溫室自動(dòng)控制的優(yōu)劣。目 前，溫室的控制算法有很多種，但是適合實(shí)際應(yīng)用、滿足智

15、能控制要求的算 法還不多。故控制算法的優(yōu)越性是重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題之一。4下位機(jī)與上位機(jī)的通訊協(xié)議和 PC機(jī)串行通訊軟件的設(shè)計(jì)。五、創(chuàng)業(yè)進(jìn)度第一階段第二階段第三階段第四階段第五階段收集資料；系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)； 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì);軟件設(shè)計(jì)；進(jìn)行模擬調(diào)試；第六階段：總結(jié)，準(zhǔn)備鑒定2009.12009.22009.32009.42009.52009.62009.72009.92009.102009.112009.122010.1獲其它基金資助情況（含校內(nèi)基金）獲得創(chuàng)新基地學(xué)生課外科技項(xiàng)目基金資助七、本項(xiàng)目完成后成果提供形式（包括產(chǎn)品、成果等） 發(fā)表若干篇論文和制作控制系統(tǒng)的樣機(jī)。八、經(jīng)費(fèi)預(yù)算1. 業(yè)務(wù)費(fèi)（1000元），用于