基于PLC的智能温室计算机集散系统研制

燕山大学学生创业项目申报书项目名称：基于PLC的智能温室计算机集散系统研制所属单位：燕山大学机械学院项目负责人：郝琪年限：1年燕山大学科技园二○○九年十二月制-1-一、项目的目的及意义随着经济发展，设施农业作为农业可持续发展的一个重要途径已越来越受到世界各国的重视，温室生产通过科学管理，能最大限度的提高土地产出率，资源利用率和劳动生产率，产生最佳经济效益和社会效益，是一种完全有别于传统农业的生产模式。现代化的温室都配备有智能化的环境控制系统，用来调控温室内相对封闭的小环境，以适应作物的生长发育，使作物生产达到优质、高产、高效的目的。然而，由于我国设施农业起步相对较晚，目前所使用的温室控制系统多为国外产品，国内用户难以适应界面操作，这样就要求操作和维修人员具有较高的专业素质，同时也会造成系统功能使用上的浪费，不利于设施农业的推广。另外，由于各国气候有较大差异，按照外国气候设计的控制系统不一定适合我国温室的控制要求，而且其核心技术又对我们进行封锁，其价格更是令人难以接受。自主研制的以可编程控制器为核心的温室温度控制系统，由于其采用了灵活的编程方式，具有适应恶劣环境，简单易懂，操作方便，维修简单，可靠性高等优点，已经在设施农业中得到广泛应用，利于高效农业的发展。由于温室系统是一个多变量、多耦合、非线性、大滞后的复杂动态系统，很难建立精确的数学模型。因此，温室的控制采用遗传优化模糊的控制方法。利用模糊控制器本身的解耦特点，在控制器结构上实现解耦。由于模糊规则的获取和控制参数的调整都没有系统的方法，主要依靠控制专家的经验和设计者的反复试验。随着系统复杂度的提高，直观经验越来越难以获得，而且往往表达不清楚，难以直接利用，因此用遗传算法对其进行优化，这样就使得温室控制系统能不断根据实际情况来自动修正控制算法，从而真正达到智能控制的目的。为此，本研究采用一种基于遗传算法优化模糊控制器的智能控制方案控制温室的环境参数。目前国内外市场以PLC为核心的温度控制系统很多，具有方案灵活、运行稳定、操作简单、易于维护和升级，且应用面广的优点。同时，模块化的设计可以有选择的灵活的添加控制器，以满足不同地区不同用户的需求，这就大大提升了系统的实用性，降低了开发和使用成本。另外，该控制器还可用于工业上的加热炉、热处理炉、反应炉等多种类似温度控制场所，且不受恶劣的工作环境影响；在生活中的应用也比较广泛，如热水器，智能室温，-2-智能冷库等。该控制系统稍作变通就有广阔的应用空间。因此，本次研究具有很深远的科学意义和极为广阔的应用前景。二、本项目国内外技术发展概况温室作为设施农业的重要组成部分，在世界各地得到长足发展。70年代初、中期，较为进的电子温室自控系统，存在一定的问题：可靠性差、控制功能不强以及控制参数少等缺点。80年代，以计算机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美和日本获得快速的发展，并迈入网络化智能化阶段。我国对温室控制系统的研究比较晚，到80年代，才有对人工气候室进行的微机控制，我国的温室控制系统科研水平跟国外仍有较大差距，表现为：没有温室结构的国家标准；缺乏与我国国情相适应的温室优化控制软件和控制系统。目前国内外主要有以下几种温室控制方案：1．基于单片机的温室控制方案2．基于工控机的温室控制方案优点：硬件成本低。缺点：因温室控制器批量不大。一是元器件采购质量难以保障；二是线路板小批量定做，质量难以保证；三是手工焊接质量不稳；四是没有老化实验；五是硬件设计不一定为最优方案。由此造成系统控制器稳定性差、故障率高，时常会出现原因不明的故障。仅仅是一个单片机控制器尚可运行，如果实现分布式控制，其稳定性将会出现问题。另外，此方案控制器与其他系统兼容性差、开放性不强。此方案多采用工控板卡，优点是：因生产板卡的公司一般是波峰焊接板卡是批量定做，所以硬件稳定性要比单片机好。上位机软可采用组态软件，编程较方便。缺点：第一，因温室控制采集参数多，如温度、湿度、光照度、风速、风向、雨雪、雨量、2CO浓度等。传感器信号参数各异，有电流、电压、开关量、脉冲等。需要采用不同的输入板卡，因此成本较高。第二，板卡插在工控机上，一旦计算机发生故障，则温室控制不能实现。第三，采集速度慢所有的采集、显示、计算、控制逻辑关系、输出控制等都在计算机上完成，上位机负担重。第四，不能实现分布式控制。-3-总之，不管是成本还是功能，工控机方案都不是温室控制的首选。3．基于PLC的温室控制方案优点：第一，稳定性高。PLC在工业控制中已应用多年，属大批量生产产品。PLC产品在生产、调试、应用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳定。由此保证了温室控制器的硬件稳定性，从而具有控制准确、运行可靠的特点。第二，丰富的I/O口。本系统需要13个输入口和9个输出口。PLC自带的口线可满足需要。第三，易于组网和进行功能扩展。整个系统最多可支持256个可寻址的模块，最长走线距离可达9.6公里。系统扩展能力强，增加控制单元只需增加数据采集与处理系统即可，不用更换主控计算机及网络设备，减小了升级成本，提高系统实用性。系统可根据栽培作物不同分别设定控制参数，最多可同时管理60栋栽培不同作物的温室，适合大中型温室群的集中管理。第四，操作方便。良好的人机界面对操作人员的要求不高，经过简单培训就可以使用。表1为以上几种温室控制方案的对比表格。表1几种温室控制方法的比较方案单片机工控机PLC系统结构整体式模块式模块式加工元器件选择需要无需加工直接采用无需加工直接采用制版需要焊接需要测试电磁兼容性-抗干扰性无法测试测试项目全优测试项目全优传导和辐射至多一项高压和绝缘温度测试稳定性一般良好优工作环境要求高较低低可扩展性差一般优通讯稳定性一般良好优分布式结构是否是成本低较高较高结论一般良好优-4-综合各项指标得出：虽然采用PLC成本要比单片机高，但应用于系统时要考虑稳定性、功能性、可维护性、可拓展性等综合因素，比较得出采用PLC比单片机和工控机板卡具有较高的性价比。故选择基于PLC的温室控制方案实现控制。三、主要研究、开发内容及采用工艺技术路线主要研究内容：1.调研智能控制发展与方向，进行智能温室分布式系统总体的制定与设计。2.进行基于PLC的温室控制系统硬件的设计。硬件系统由传感器子系统、数据采集子系统、信息处理子系统、执行机构子系统、显示子系统组成。3.系统软件的设计与调试：（1）控制面板的设计由上位机实现。不仅用来实现远程监控，参数设置，实时数据显示，还可以实现历史数据显示、打印等功能。（2）上位机和下位机的通信用于下位机将现场的环境监控信息实时传送，并将上位机的远程控制指令下达到现场PLC。（3）智能控制算法的设计温室环境控制采用遗传优化模糊控制器的控制算法。利用模糊控制器本身的解耦特点，在控制器结构上实现解耦；同时用遗传算法来进行优化，这样就使得温室控制系统能不断根据实际情况自动修正控制算法，达到智能控制的目的。4.样机的搭建与测试。主要开发内容：1．模块化结构此设计可以有选择的灵活的添加控制器，以满足不同地区不同用户的需求，这就大大提升了系统的实用性，降低了开发和使用成本。2．分布式结构上位机与下位机采用232或458串口通信。当上位机发生故障时下位机可自行实现采集、显示、输出自动控制，不影响温室的自动运行。在整个过程中，计算机还承担着存储即时数据的工作，这样，我们就可以根据这些数-5-据，对植物未来的生长趋势做出分析和预测，随时显示和打印当前数据或历史数据。3．多种控制方式有自动控制、现场手动控制、远程控制三种控制方式,从而更好的保证系统的整体性能。4．室内环境与室外环境共同监测如下图所示。其优点是可以将室外信息和室内的相合结，根据室外环境情况自动调节室内控制方案，达到充分利用自然资源、节能环保的目的。比如雨天需要灌溉时可以卷起温室屋顶薄膜节水灌溉；如果出现降雨，或是风力过大的情况，室外控制系统就会合拢遮荫、将天窗关闭，保护室内作物等。这样更科学合理地控制温室内环境，真正最大限度地保护农作物，发挥系统的帮助功能。图1温室系统组成框图5．良好的人机界面对操作人员要求不高、易于操作，经过简单的培训就可以使用。同时，控制面板不仅用来实现远程监控、参数设置、实时数据显示、还可以实现历史数据显示、打印等功能。2co传感器温度传感器湿度传感器光照传感器风速传感器风向传感器测雨传感器室外环境传感器上位机可编程控制器驱动及执行部分热风机补光灯开窗电机遮阳电机通风电机滴灌阀门湿帘风机酸碱度调节2co生成器2co传感器温度传感器湿度传感器光照传感器酸碱度传感室内环境传感器-6-工艺技术路线：图1技术路线系统总体设计建立数学模型软件设计数据采集子系统传感器子系统信息处理子系统执行机构子系统显示子系统下位机软件设计上/下位机通信控制面板的设计搭接硬件控制系统仿真实验软件测试系统整合基于PLC的温室控制系统的硬件设计-7-四、本项目创新点及技术关键本研究的创新之处有两大方面：一是硬件上。目前我国科技人员也进行了温室的环境控制研究，但是由于我国的设施大都比较简单，大量的作业和调整都要人工操作，作物生长小环境中环境因子调控程度很低，这样使温室生产的潜力和效率与国外的工厂化生产相比还有很大差距。目前，我国的计算机控制技术还大多处于单控制器十单传感器十执行机构这种较原始的状态，控制效果不太理想。目前我国既便是引进的温室设施基本也还是采用落后且价格亦不低的集中式控制系统，所以控制效果也较差。本研究首先从系统结构上对其加以改进，采用分布式控制方式，使系统的控制量、控制的灵活性、远程操作等功能得以实现或性能进一步提高；模块式I/O结构使得用户可根据需要方便灵活的组合，系统方案灵活，应用面广，现场的应变能力强；同时室内外环境共同监测的设计可以最大限度的利用自然资源实现节能环保的目标。另一方面是软件方面，目前国内温室控制的计算机软件较为落后，而且缺乏针对性，本研究采用遗传算法优化模糊器的控制方案，加之河北省优越的实验环境，经过反复实践肯定可以研究出适合河北气候条件和植物生长要求的控制规则，使该系统更加具有针对性。重点解决的关键技术：1.硬件电路的可制造性设计和可测试性设。2.软件设计的可靠性。其关系到系统运行的可靠性，设计的软件要与硬件电路匹配。3.控制算法的优越性。算法的优劣直接决定了温室自动控制的优劣。目前，温室的控制算法有很多种，但是适合实际应用、满足智能控制要求的算法还不多。故控制算法的优越性是重点解决的关键问题之一。4.下位机与上位机的通讯协议和PC机串行通讯软件的设计。-8-五、创业进度第一阶段：收集资料；2009.1~2009.2第二阶段：系统总体设计；2009.3~2009.4第三阶段：系统的硬件设计；2009.5~2009.6第四阶段：软件设计；2009.7~2009.9第五阶段：进行模拟调试；2009.10~2009.11第六阶段：总结，准备鉴定。2009.12~2010.1获其它基金资助情况（含校内基金）获得创新基地学生课外科技项目基金资助。七、本项目完成后成果提供形式（包括产品、成果等）发表若干篇论文和制作控制系统的样机。八、经费预算1.业务费（1000元），用于发表若干篇学术论文的版面费，资料的复印费等。2.实验材料费（2500元），用于购置构成系统的传感器、电气元件的费用。3.仪器设备费（6500元），用于购置PLC及相关模块、选配头、PC机、传感器等实验设备。4.合计（10000元）-9-九、指导老师(李仕华)本项目具有很多创新点，研究目标明确，研究内容翔实，研究方案和技术路线正确、可行，经费预算合理。项目负责人具备了实施项目的能力，同意立项申请。十、学院意见（公章）年月日十一、燕大科技园意见（公章）年月日