基于现场总线技术的温室环境控制系统

1、题 目基于现场总线技术的温室环境控制系统研究学生姓名 专业班级 学 号院 （系） 指导教师 完成时间 摘要温室技术具有合理利用农业资源、保护生态环境、提高农产品产量及在国际市场竞争力等优势，已成为当前国际前沿性研究领域。如何利用自动控制系统有效地提高温室环境控制水平和现代化管理程度，是温室技术研究的重要课题之一。随着过程控制技术、通讯技术、自动检测技术及计算机技术的发展，将工业上较为成熟的、先进的控制方法和管理手段引入到农业的生产设施中，实施有效的温室环境控制，已成为现阶段温室技术的主要研究方向。本文论述了温室环境的控制原理，介绍了温室的结构和材料，分析了温度、湿度对温室内作物的影响，并在此基

2、础上提出了智能化温室环境控制系统的总体方案，由PC机和多台西门子PLC组成的分布式控制系统，PC机和力控组态软件主要完成参数设定、数据处理等任务；而下位机主要完成数据采集、处理等实时控制任务。本文以智能温室为研究对象，对智能温室的控制算法进行研究。温室环境系统是一类多变量的大惯性非线性系统，且有交连，时滞等现象，很难对这类系统建立精确的数学模型及用经典控制方法实现控制。基于上述情况，本文采用模糊控制算法，选用TS模型进行模糊推理，并完成了算法的PLC程序实现。随后讨论了基于ProfibusDP的PLC网络组态方法，解决了监控层与过程控制层间的网络通讯和接口问题，并利用力控组态软件，根据温室环境

3、系统监控要求设计编写了上位监控软件，实现远程监控、报警记录、曲线显示和用户管理等多项监控功能。文章最后将模糊理论的知识表达与神经网络的自学习能力有机地结合起来，提出了一种模糊神经网络控制方案，并针对温室灌溉系统的控制，在MATLAB中进行了仿真实验，由此验证了模糊神经网络这种控制方法应用于温室自动控制系统的可行性。整个系统经实际运行表明：具有容错性强、效率高且易扩展，适用性较强等特点，为实现温室环境的更多参数测控系统的研究和设计奠定了技术基础。关键词：温室，现场总线，智能控制，可编程控制器目录第一章 绪论.51.1课题的研究意义及项目背景.51.2国外温室发展概况.51.3国内温室发展概况.6

4、1.4温室控制系统的发展趋势.71.5论文的内容安排.9第二章系统总体方案及硬件部分设计.92.1引言.92.2温室结构与材料.92.3智能温室控制系统总体方案.112.4系统硬件选型方案.112.4.1 PLC及扩展模块选型.112.4.2上位机硬件配置.122.4.3传感器的选择.132.4.4环境调控系统.132.5系统硬件接线图.172.5.1系统主电路设计.172.5.2系统其他部分电路设计.182.5.3 PLC部分电气线路设计.192.6本章小结.23第三章模糊控制算法在温室控制系统中的应用.233.1引言.233.2模糊控制系统概述.243.2.1模糊控制的特点.243.2.2

5、模糊控制器的组成.243.3温室环境因子研究.253.3.1温度对作物生长的影响.253.3.2湿度对作物生长的影响.263.3.3温度、湿度特性和控制方法分析.263.4多变量模糊控制器的设计.273.4.1输入输出变量的确定.273.4.2模糊语言值的选取.273.4.3模糊变量的论域和比例因子的确定.273.5模糊控制的PLC程序实现.283.5.1输入量采样及模糊量化算法程序设计.293.5.2模糊控制表查询程序设计.313.5.3输入量控制程序设计.323.5.4超限控制程序设计.333.6本章小结.35第四章PROFIBUS-DP现场总线技术应用.354.1引言.354.2 PRO

6、FIBUS现场总线概述.354.2.1 Profibus-DP的协议结构.364.2.2 Profibus-DP的基本功能.364.2.3 Profibus-DP总线设备类型.384.2.4 GSD文件.384.3基于PROFIBUS-DP的PLC控制网络设计.394.3.1系统总线设备类型的选择.394.3.2系统硬件组态.394.3.3软件编程.404.3.4下载与调试.404.4本章小结.41第五章温室环境控制系统实时监控软件的设计.41第六章总结与展望.416.1工作总结.426.2展望.42参考文献.44第一章绪论1.1课题的研究意义及项目背景温室环境控制是一项综合性工程，它是当代农

7、业生物学、环境工程、自动控制、计算机网络、管理科学等多种技术的综合应用，旨在为作物创造最佳生长条件，避免外界四季变化和恶劣气候的影响，以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高农作物质量、产量、产值等目的。研究开发并推广使用性能优越、运行可靠的温室智能控制系统将是温室生产走向产业化和效农业化的必由之路，而温室内环境因子（温度、湿度、光照度、CO2浓度等）的综合自动控制是实现温室种植物高产、优质、高效的关键。在农业发达的国家，其现代温室已基本实现了自动化控制，但这些温室产品的成本相对较高，如加拿大ARGUS公司，每套温室控制器的价格在十万元左右；以色列国家农业中心的一片玻璃试验温室，每间的造

8、价高达上百万美元。另外，由于气候条件不同，地理环境差异以及种植农作物的不同，在客观上限制了国外温室产品在我国的运用。国内已有的一些温室存在技术水平发展缓慢，管理体系落后等缺点，不能满足现代农业和温室自动化控制发展的要求。因此，研究开发出适合我国国情、具有独立知识产权、高效率、低成本运行的温室控制系统显得尤为重要。苏州大学机电工程学院与宿迁市日昌升园艺有限公司联合建立了“苏州大学日昌升智能温室工程技术与设备研究中心”。该中心的发展目标是瞄准21世纪高科技设施农业发展趋势，研究并开发集现代生物科学技术、智能控制和工业化工程技术为一体的工厂化高效农业技术与设备，以此推进我国现代化农业进程。本课题在上

9、述实际项目背景下，旨在探寻温室环境的自动控制方案与实现形式，开发出适合企业实际生产需要的温室环境自动控制系统力图以合理有效的控制方案获得较为精确的控制效果，创造一个良好的人工气象环境，以消对作物生长不利的环境因素来促进作物生长，最终实现学校科研与企业生产的有机结合，并推动我国自主研发型温室系统的发展进程。1.2国外温室发展概况国外温室控制研究起步较早，可追溯到20世纪40年代，早在1949年，美国加利福尼亚州的Farhort植物实验室创建了世界上第一个完全由人工控制环境条件的人工气候室，并在此基础上开展了包括农作物在内的多种植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础性研究。1953年，日本在三岛国

10、立遗传研究所建成了用于科研的大型模拟温室，同年，荷兰建成了当时世界上规模最大的人工日光温室。70年代中期，随着计算机技术的发展，荷兰、美国、日本和意大利等国相继采用微型计算机进行温室环境的监控，并对其应用于农业生产进行了多方面的有益尝试。80年代起，数字式单元组合仪表的兴起，取代了原有的模拟式仪表，进行现场环境的数据采集、指示、记录和控制。目前，在温室控制技术方面，美国、荷兰、以色列和日本等国较为先进，可以根据温室作物的要求和特点，对温室内光照、温度、湿度、CO2等诸多因子进行自动调控。在综合控制成本和效益、环境参数优化、节能节水技术及温室配套设备的研制等方面均取得了长足的进步，并带动了温室配

11、套产业的发展。例如，在自然条件相当恶劣的以色列，节水灌溉技术大力发展并达到国际先进水平，该国每年投入8000多万美元（约占农业生产总值的3%）用于开展综合配套的协作攻关，创办示范基地，推广综合配套技术，诸多新技术在农业生产中的运用不仅极大的提高了劳动生产力，而且衍生出诸如温室、滴灌、育苗、栽培管理、植保、加工以及计算机控制等多个领域和行业，使得农业成为了具有高度社会化分工的知识密集型产业。以园艺业著称的荷兰，智能玻璃温室的制造处于世界领先水平。在设施顶面涂层隔热技术，冬天保温加湿的双层充气膜、锅炉、燃油加热系统、CO2施肥系统，人工补光的研制等方面均有所创新。而在美国、日本等国家建造了当今世界

12、上最为先进的植物工厂，采取完全封闭生产，人工补充光照，全电脑控制及机器人或机械手进行播种、移动作业、采收等多种先进技术。总之，遥测技术、网络技术、控制局域网等已逐渐应用于温室的管理与控制中，发达国家的温室控制技术正向高度自动化、智能化方向发展。1.3国内温室发展概况相比国外而言，我国温室控制的研究与开发起步较晚，20世纪70年代，政府开始3大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展，缓和了蔬菜季节短缺的矛盾。农业计算机在这一时期投入使用，但只限于数据统计和分析计算。直至80年代，计算机开始应用于温室的控制与管理领域。在随后的20年间，我国先后从荷兰、以色列、日本、美国

13、等国引进了一批先进的现代化大中型温室，据统计，仅19951998年间，我国共引进温室413万平方米，主要分布于经济较发达的东部、东南沿海省份的大城市。这现代大型温室的引进存在诸多问题：温室造价高，维护不方便；技术设备不能与我国的实际气候相适宜；管理滞后，机制落后，缺乏管理现代化温室的人才；缺乏现代化温室栽培的专用品种和技术，难以实施规模化、标准化、系列化的生产。以上问题的存在使得一些温室入不敷出。在吸取经验和教训的基础上，温室的生产与使用企业开始走一条从引进到消化吸收的新路，自主开发型温室逐步发展起来。清华大学的郑学坚最先提出了应用单片机控制人工气候箱的方法和思路，随后中国农业科学院徐师华报道

14、了TP-801控制温室的软硬件方案，以及利用单片机控制气候箱自然光照的模拟试验；陈思聪等人研究了以节能为目标的温室微机控制系统；于海业等人研制的温室环境自动检测系统，可自动调节温室内温度、湿度等参数。l996年起，江苏理工大学研制了一套智能温室群集散控制系统，以IBM-PC机作上位机，MCS-51单片机为下位机，实现对多个温室温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境参数的测控；1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果。总之，我国温室环境控制系统应用与研究正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性研究应用阶段过渡和发展。1.4温室控制系统的发展趋势温室控制系统是设施

15、农业的重要组成部分，具有广阔的应用前景，其发展趋势可概括为以下几点：（1）温室分布式控制系统目前开发的温室计算机控制系统主要采用了主机终端模式，该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其它各子系统进行控制管理，灵活性差且投入大，针对时空变异性大、空间布性强、多参数相互影响的实际温室系统而言，很难实现高投入高产出的目标。分布式控制系统是温室控制系统的发展方向，其采用服务器客户模式，系统中的每一个子处理器处理所采集的数据并进行实时控制，而由主处理器存储、显示并管理子处理器传送来的数据，主处理器可以向每个子处理器发送控制设定值和其它控制参数，同时每个子处理器又可以独立工作。系统表现出来的适应性好、可靠

16、性高、扩展性强等特点，可使温室达到更好的控制效果，从而产生较好的经济效益。（2）网络通信技术的发展进入21世纪以来，全球性的网络化、信息化进程加快，并成为发展速度最快、最具活力的高科技领域，将网络通信技术应用于温室的生产与管理系统之中必将成为一种趋势。可靠、开放、高效的信息网络为温室种植者提供各种有用信息，如利用网上发布的市场需求，来指导温室生产的规模、种植的品种、最佳上市时间等，并可通过在线服务系统进行咨询。此外，利用网络技术可实现对温室的远程控制和管理。随着计算机技术、控制技术、信息技术和网络技术的不断发展，对温室环境的控制将沿着综合性、多因子、开放式、多层次的复杂网络化的方向发展。现代智

17、能温室测控系统与Internet相连接，实现控制网络和信息网络的无缝结合，是现代化温室集群发展的要求，也是集约化可控设施农业发展的方向。（3）专家系统的应用与控制算法的发展专家系统是人工智能应用研究的一个重要分支，现已广泛应用于科研、工业、军事等众多领域，它作为一种知识的载体，可以捕捉和保存宝贵的工程知识，其所表现出来的可靠性、客观性、永久性及其易于传播和复制等特性，是人类专家所不及的，因此在处理与解决某些领域问题时具有不可取代的重要作用。目前将专家系统应用于温室环境控制己得到了研究者的重视。有代表性的农业专家系统有埃及农垦部的黄瓜栽培管理专家系统，希腊的六种温室蔬菜病虫害和缺素诊断专家系统等

18、。与此同时，将作物生长模型与专家系统相结合的研究也得以发展，如虚拟农业 (VirtualAgriculture)概念的提出。在控制算法方面，研究者已逐步将神经网络、遗传算法及模糊推理等智能控制算法运用到温室环境的控制中，来提高系统的自动化、智能化水平。然而，这些温室的控制水平、精度及节能高效等方面还有待于进一步提高，合理有效的提供农作物生长所需的环境因子，从而使企业获得良好的经济和社会效益，这无疑是推动温室应用自动化的强大动力。因此，专家系统、控制算法的进一步完善以及在温室控制系统中更为广泛的应用将是温室技术的发展趋势之一。（4）温室规模的扩大随着温室技术的发展，温室规模呈扩大趋势。目前在农业

19、技术先进的国家，单栋面积在1h以上的温室已相当普遍。在荷兰，19751995年间，经营0.010.5公顷温室面积的农户由5900户降至1660户，而经营大于2公顷的农户由101户增至442户，与此同时，经营总户数由9770户降至4640户，平均每户经营面积由0.48公顷增至0.9公顷，表现出经营农户数减少，每户经营面积增加的趋势。21世纪我国也将重点发展大型连栋温室，以提高温室农业的总体水平和规模效益。无疑，大型化现代温室在提高土地利用率和机械化作业水平、降低生产成本及产业化生产等方面均凸显其优势。1.5论文的内容安排现代化温室应用先进的科学技术，采用连续的生产方式和先进的管理方式，高效、均衡

20、地产出各种农作物，它能不受时间、地点和气候的影响，有效的改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理应用，提高劳动生产率和社会经济效益。本文的总体目标是设计并实现一个数字化、网络化、智能化的温室控制系统。其工作重点包含以下几个方面：（1）利用模糊控制技术实现对温室环境的智能控制。（2）借鉴目前在工业控制领域中发展迅速的现场总线模型，组建由多个温室组成的温室群分布式控制系统。（3）运用力控软件创建上位机监控界面，对温室环境实施组态监控。（4）利用模糊神经网络构建温室灌溉系统控制方案模型，从理论和仿真实验角度验证其合理性。第二章系统总体方案及硬件部分设计2.1引言随着设施农业的不断发展，温

21、室的设计日趋科学，结构更加合理，内部配套设施更加完善。本文的研究对象是新型的智能化日光温室，针对温室栽培生产的特殊性，设计出基于现场总线思想的分布式温室智能控制系统，在现阶段的技术条件下很好的满足温室环境控制的需要。本章首先介绍温室的结构与材料，在此基础上，提出温室环境控制体系的总体设计方案，并给出设备选型和硬件电路设计。2.2温室结构与材料温室是具有鲜明使用功能的农业生产性建筑，其主体是建筑工程问题，设计建造必须按照建筑相关的标准、规程进行，而主体结构构件的制作又类同于机械加工产品。温室是由基础、主体结构、围护材料等所形成的相对密闭的实用型建筑，主要起到承载各种荷载、保温、防雨雪等作用。本小

22、节介绍的内容主要涉及温室建筑和机械方面的内容，并非本文研究重点，但又必不可少，因此作扼要介绍。（1）主体骨架设计采用热镀锌钢骨架，一跨三屋脊结构。立柱采用双面热镀锌矩型钢管100602.5mm，横梁采用热镀锌复合式焊接横梁（热镀锌）40402mm，水槽采用2.5mm厚冷弯热镀锌钢板，设有落水管实施内排水。主体骨架采用镀锌螺栓和自攻螺丝连接，温室覆盖材料采用专用铝合金型材固定。（2）覆盖材料目前我国温室所使用的覆盖材料大体分为薄膜、PC板材、单层浮法玻璃三类。这三类覆盖材料各自的优缺点见表2.1所述。表2.1各类温室覆盖材料的优缺点覆盖材料优点缺点薄膜1.薄膜温室造价低（0.12mm的薄膜大约2

23、.53.0元/）2.透光率高（PVC膜为88.9%）1.使用寿命短，13年需换膜一次2.保温性差（传热系数为6.4W/ K）PC板材1.透光率可达79%2.使用寿命可达10年3.良好的保温效果（传热系数3.3W/K）1.价格较贵（约7098元/）2.PC板中空层易进水汽，影响采光性能3.静电原因，易吸附灰尘，清除困难单层浮法玻璃1.透光率高达89%2.使用寿命长达25年，抗老化性能好3.价格适中（5mm的浮法玻璃约25元/）1.保温性差（传热系数为5.9W/K）本温室采用双层中空玻璃这一新型温室覆盖材料，单层玻璃厚度分别为4mm、5mm，中间空气层厚度分别为9mm、6mm。中空玻璃具有良好的保

24、温效果（传热系数3.2W/K），透光率可达80%，采用专用的铝条密封，内置干燥剂，可防止中空层形成水汽，并具有较好的隔声效果，外观大方，价格与双层PC中空板相当，适宜于种植兰花这一类高档花卉。（3）性能指标风载0.4kN/；吊挂荷载0.15kN/；雪载0.3kN/；最大排雨量140mm/h。2.3智能温室控制系统总体方案作物的生长发育除决定于其自身的遗传特性外，环境因子也是一个重要方面。作物赖以生存的环境因子是由温度、湿度、光照、二氧化碳等因素构成。各个环境因子之间不是孤立，而是相互联系、相互制约的，环境中一个因子变化会引起其他因子不同程度的变化。因此，自然环境因子对作物的作用是各个环境因子综

25、合作用的结果。温室是用来改善植物的生长环境，避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响，为植物生长创造适宜的条件。图2.2为智能温室控制系统的总体设计方案。图2.2智能温室控制系统总体方案图该系统采用可编程控制器PLC作为控制核心。通过传感器检测温室中的环境参数，经变送转换为标准电流信号（420mA）后送入S7-200的模拟量输入模块EM231，PLC通过模糊控制算法进行分析处理，输出开关量，通过驱动电路控制风机、微雾、遮阳等多种执行机构。多个温室共同构成温室群，借鉴DCS的分层控制结构形式，采用现场总线模型组建多个温室的分布式控制系统，并与上位机通讯实施监控，通过MCGS组态完成数据管理

26、、智能决策、历史/实时曲线、报警等功能。2.4系统硬件选型方案系统硬件选型是温室环境控制的首要步骤与关键环节，可供选择的设备型号较多，选择余地较大，故选型时应从温室控制的实际情况以及所要求的控制功能、控制方式、资金情况等方面加以慎重考虑。2.4.1 PLC及扩展模块选型可编程控制器（PLC）以其操作方便、可靠性高、通用灵活、使用寿命长等一系列优点，在航天、冶金、化工、机械等行业得以推广应用。它以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的工业控制装置，不仅具有微型计算机的计算和逻辑判断能力，同时具有数据转换和通信等更强大的功能，指令系统丰富，程序结构灵活，既可以控制开关量及顺序

27、控制，也可以用来实现模拟量等复杂的控制。它集中了工业专用机和通用计算机的优点，运行可靠，适应性强。PLC通信依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据，并具有智能通信的功能使PLC与上位计算机、PLC与PLC、PLC与其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC除了具有RS-232接口，还有一些内置支持各通信协议的接口。在综合考虑功能，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比之后，我们选择了西门子公司的S7系列PLC作为系统的PLC控制器。CPU226是西门子公司S7-200系列（Micro-PLC）中功能最强的一种控制器，具有紧凑的设计、

28、良好的扩展性、低廉的价格及强大的指令，可以近乎完美的满足单个温室环境控制的要求。EM231为S7-200 PLC的模拟量扩展模块，有4路模拟量输入，工作电压为DC24V，分辨率为12位，其输入信号可以是电压（单极性010V、05V或双极性5V、2.5V）也可以是电流（020mA）,用拨码开关（SW1SW3）选择模拟量输入范围。该模块接收检测环节送出的电流或电压信号，并将其转换为与之对应的数字量，存放于存储区域相应的寄存器，供CPU用软件实现相应算法。CPU315-2DP是西门子公司推出的一款适合于中等规模控制系统的PLC，采用紧凑的无槽位限制的模块结构，具有扩展性好、通信能力强等特点。CPU3

29、15-2DP带两个通信接口：一个符合EN5170标准的Profibus-DP接口用于同S7-200的Profibus通讯，另一个MPI接口用于同上位PC机的MPI通讯。112.4.2上位机硬件配置本系统上位机选用研华工控机IPC-610，256M内存，80G硬盘，机箱结构具有防尘、防震、通风等功能，并可抗强电磁干扰和高频辐射干扰。运行Microsoft Windows2000操作系统Professional版本，外接打印机，可打印曲线、报表，工控机由一台不间断电源UPS供电，保证数据的完整记录，主板带有串行口，配有网卡CP5611，并安装西门子STEP 7编程软件和MCGS组态软件。2.4.3

30、传感器的选择本文的温/湿度传感变送器采用芬兰维萨拉公司型号为HMD40的产品，该款传感器具有测量精度高，易于安装、响应速度快，对环境要求较低等特点，其外观如图2.3所示。图2.3 HMD40型温/湿度传感变送器实物图该传感器的主要性能指标如下：温度检测范围：-1060；测量精度：0.3%湿度检测范围：0100%RH；测量精度：1.5%RH工作电压：1028V DC输出信号：420mA2.4.4环境调控系统（1）外遮阳系统我国大部分地区夏季炎热，光照充足，应在温室顶部安装外遮阳系统，利用遮阳网直接把部分太阳能阻挡在室外，可根据室内植物的要求选择合适的遮阳率，一般选用50%70%的遮阳率，利用外遮

31、阳系统，可使室内温度降低35。1.减速电机2.换向轮3.压幕线4.托幕线5.驱动线6.驱动边型材7.拉幕梁图2.4钢索拉幕遮阳系统结构图本文选用北京碧斯凯公司的钢索拉幕遮阳系统，其安装结构如图2.4所示。其中减速电机处于整个温室的中心，电机的输出轴中心线与拉幕梁下表面之间的距离约200mm，驱动线之间的间距3000mm，换向轮则布置在温室的两端。（2）扭矩分配连续开窗系统系统的设计除包含传统连续开窗系统所需的减速电机、齿轮齿条、轴承座、驱动轴外，还增加了蜗轮减速箱、扭矩分配器等部件，系统原理如图2.5所示，蜗轮减速箱及扭矩分配器，将减速电机输出的扭矩通过扭矩分配器均匀分配至每排窗户的蜗轮减速箱

32、上，蜗轮减速箱再带动齿轮齿条实现天窗的开闭。1.减速电机2.扭矩分配器3.蜗轮减速箱4.齿轮齿条图2.5连续开天窗机构示意图减速电机选用荷兰DE GIER公司的GW30型号减速电机，其转速为30rpm，并非传统连续开窗系统所用的2.6rpm，针对上述设计的一栋跨度为9.6m，每跨3个尖顶，共2跨的温室而言，若配置双面连续开窗，按传统连续开窗方式需12台减速电13机，而采用扭矩分配连续开窗系统，则只需2台荷兰DE GIER公司的减速电机，大大降低了开窗机构的建造成本，此外，系统总功率的减少，使用过程更省电。（3）侧窗电机采用碧斯凯公司WJN系列减速电机，该电机采用国际流行的电动机与减速机一体化的

33、结构，限位开关与配电控制结合具有工作和急停等功能，使得电机运行更可靠、更安全，此外还具有转动扭矩大、运行噪音低等特点。（4）环流风机常用的环流通风是在温室内以一定规则布置一定数量的环流风机，当风机开启时，室内的空气将在其作用下形成有序的流动，保证室内气候的均匀和稳定，并起到通风降温的作用。在综合考虑种植作物种类、室内循环通风量等因素后，采用如图2.6所示的平行式布局形式，将风机排成两列，均匀悬挂在温室中间走道两侧的骨架上，这种布置形式通风效率高，对种植密度大、密闭要求高的温室非常适用。图2.6循环风机布局形式俯视图环流风机选用青州市三和温控设备厂的产品，其中，电机采用性能卓越的“海尔”三防专用

34、电机，经过“海尔”实验室360小时破环性试验；外壳采用先进的整体集流器设计，国际先进的节能技术及热自动保护系统，轻型铝板冲压扇叶，具有大角度，风量大，低噪音等特点。（5）风机湿帘系统系统选用青州市三和温控设备厂产品，该系统由纸质多孔湿帘、风机、水循环系统组成，其原理如图2.7所示，未饱和的空气流经多孔、湿润的湿帘表面时，大量水分蒸发，空气中由温度体现的显热转化为蒸发潜热，从而降低空气自身的温度。风机抽风时将经过湿帘降温的冷空气源源不断的引入室内，从而达到降温效果。“风机湿帘”组合降温是夏季温室降温的最经济、最有效的强制降温方式。图2.7风机湿帘系统原理图（6）燃油热风机加热系统系统选用北京盛芳

35、园科技有限公司KR80-100型燃油热风机，额定发热量为92880kcal/h，经测算，能满足供热面积在600左右的温室，其结构如图2.8所示。图2.8 KR80-100型燃油热风机结构示意图设备由风机、高效换热器、燃烧器及自动控制系统组成。风机采用FZL型轴流风机，风量大，风压高，噪声低，可采用风管送风，热风传输距离长，采暖区温度更均匀。换热器采用圆环柱筒形烟、空气夹套式结构，换热器材料全为不锈钢，换热面积大，排烟温度低，热效率高。燃烧器采用世界品牌意大利RIELLO公司的产品，燃烧效率高达98100%，环保节能设有火焰探测装置，燃烧安全可靠。采用电子温控器设定，可选择手动、自动控制，自动控

36、制方式可外接控制器，控制精度高，性能稳定，具有风机过载保护、炉膛过热保护、点火失败保护、环境及炉膛监控等功能，能实现自动化运行。（7）微雾加湿机选用北京瀚宁空气技术有限公司生产的高压微雾加湿机，该产品将精滤的自来水加压至7MPa，再通过高压水管传送到喷嘴，经超微细的喷头雾化后以310微米的微雾喷射到整个空间，使温室达到增湿的效果。加湿器主机采用美国进口高压陶瓷柱塞泵，压力大、硬度强，配备品质卓越的专业电机一起工作，具有效率高、省电、噪音小等特点，喷头及水雾分配器无动力易损部件，耐磨损，喷雾均匀。一台FCB-3微雾加湿器的加湿量为60300kg/h，可满足加湿面积在600左右温室的需要。2.5系

37、统硬件接线图2.5.1系统主电路设计图2.9系统主电路系统硬件主电路如图2.9所示，其中天窗电机、侧窗电机、遮阳幕电机除功率有所不同之外，都配有限位开关，需通过电机正转、反转和停止来完成相应结构的开启与闭合，因此它们的工作主电路相似。环流风机、热风机、湿帘风机、湿帘水泵、微雾加湿机、补光灯则属于开/关设备。QK为刀开关，用于控制整个主电路的启停；QF0为总分断器，QF1QF8为分断路器，FU1为熔断器，分别对主线路与各个分线路实施短路和过载保护；FR1FR8为热继电器，对电机起断相和过载保护的作用。KM1KM13为交流接触器的主触头，用其实现电机的正反转、停止以及风机等开/关设备的启停控制。2

38、.5.2系统其他部分电路设计（1）电气控制柜设计电气控制柜是由多个开关设备和相应的控制、测量、信号等元件，以及所有内部的电气和机械连接部件构成的一个组合体。控制柜上配有手动/自动的切换开关，手动功能用于系统中部分设备出现故障或设备维护检修时使用，正常情况下，切换至自动状态，由PLC实施控制。其中按钮部分用于手动控制下控制各执行机构的运行状态，而指示灯部分则显示各执行机构的实际运行状态。（2）正反转设备控制电路17天窗、前侧窗、后侧窗和外遮阳这些执行机构均属于正反转设备，其控制电路相似，现以天窗为例，做以下介绍。图2.10天窗控制电路原理图天窗控制电路原理图如图2.10所示，K1为手动/自动的切

39、换开关。在手动状态下，SB1、SB2分别为开窗、关窗按钮，SB3为天窗停止按钮。按下按钮SB1，交流接触器KM1的线圈得电，指示灯L1亮，同时KM1的常开触点闭合，起自锁作用，此时电机正转，天窗打开，当天窗开启到最大位置后触碰天窗限位开关SQ1，其常闭触点断开，KM1的线圈失电，电机停止转动；同理当按下按钮SB2，天窗关闭，到关闭的最大位置后，电机停转；按下按钮SB3，KM1或KM2的线圈失电，天窗停止动作，用于急停操作。接触器KM1、KM2的互锁可防止两个接触器同时得电吸合。在自动状态下，由PLC控制器实现控制，中间接触器KM15的线圈（连接在PLC输出触点上，见2.5.3节）得电时，其常开

40、触点闭合，天窗开启；中间接触器KM16的线圈得电时，其常开触点闭合，天窗闭合。天窗等正反转设备何时开启或闭合由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将着重介绍。（3）开/关设备设备控制电路热风机、环流风机、湿帘风机、湿帘水泵、微雾加湿器均属于开/关设备，其控制电路相似，现以热风机为例，做以下介绍。图2.12热风机控制电路原理图热风机控制电路原理图如图2.12所示，K1为手动/自动的切换开关。在手动状态下，SB13为启动按钮，SB14为停止按钮。按下按钮SB13，交流接触器KM9的线圈得电，指示灯L9亮，同时KM9的常开触点闭合，起自锁作用，此时热电机运转；按下按钮SB14，KM9的线圈失电，热

41、电机停止工作。在自动状态下，由PLC控制器实现控制，中间接触器KM23（连接在PLC输出触点上，见2.5.3节）得电时，其常开触点闭合，热风机运行。热风机等开/关设备的启停同样由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将作详细介绍。2.5.3 PLC部分电气线路设计（1）PLC I/O分配可编程控制器主单元采用西门子公司的S7-200系列CPU 226，并扩展一个四路模拟量输入模块EM231，用于温度湿度两个模拟量的数据采集。根据本系统的设计需要，进行表2.2的I/O分配。表2.2 I/O分配表信号类型名称电路中的编号PLC中地址信号类型名称电路中的编号PLC中地址数字量输入信号手动/自动切换按

42、钮K1I0.0数字量输出信号天窗电机正转（开窗）KM15Q0.0总启动按钮SB1I0.1天窗电机反转（关窗）KM16Q0.1总停止按钮SB2I0.2前侧窗电机正转（开窗）KM17Q0.2天窗限位开关（开极限）SQ11I1.0前侧窗电机反转（关窗）KM18 Q0.3天窗限位开关（关极限）SQ12I1.1后侧窗电机正转（开窗）KM19Q0.4前侧窗限位开关（开极限）SQ13I1.2后侧窗电机反转（关窗）KM20Q0.519前侧窗限位开关（关极限）SQ14I1.3外遮阳电机正转（开幕）KM21Q0.6后侧窗限位开关（开极限）SQ15I1.4外遮阳电机反转（关幕）KM22 Q0.7后侧窗限位开关（关极

43、限）SQ16I1.5热风机KM23Q1.0外遮阳限位开关（开极限）SQ17I1.6环流风机KM24Q1.1外遮阳限位开关（关极限）SQ18I1.7湿帘风机KM25Q1.2模拟量输入信号温/湿度传感器(温度部分)HMD40AIW0湿帘水泵KM26Q1.3温/湿度传感器(湿度部分)HMD40AIW2微雾加湿机KM27Q1.4（2）PLC主体模块接线图图2.13 PLC主体模块接线图PLC主体模块接线如图2.13所示。PLC的输出触点负载能力偏低，如果直接带20动风机等负载，输出触点容易损坏，故采用交流接触器作为驱动元件，间接控制电机的启停及正反转。在输出回路中，采用熔断器进行短路保护，此外接触器启

44、动和停止时产生感应电流，需在每个接触器上并接一个阻容吸收电路，吸收浪涌电流，保护PLC触点，阻容吸收电路由一个560的电阻和一个0.1F /400V的电容串联组成。（3）温、湿度传感变送器HMD40与PLC扩展模块EM231的接口电路图2.14温、湿度传感变送器与EM231的接口电路EM231具有四路模拟量输入，输入的信号可以是电压也可以是电流，兼于电流对噪声不敏感，设计时选用电流信号，传感器经变送后，由420mA电流来传输信号，可避免噪声干扰和传输线分布电阻产生的电压降。电流输入时，需将“R”与“+”短接后作为电流的进入端，“-”作为电流的流出端，并将SW1、SW2、SW3三个开关分别设定为

45、“ON”、“ON”、“OFF”。图2.14给出了温、湿度传感变送器与EM231的接口电路。2.6本章小结本章首先介绍了智能日光温室的结构和材料，并在此基础上提出温室环境控制系统的总体设计方案，设计了整个监控系统的硬件结构，并给出主要设备的选型和硬件电路的设计，这些工作为后续章节中控制系统软件和上位机监控系统设计奠定了基础。第三章模糊控制算法在温室控制系统中的应用3.1引言温室环境系统具有非线性、大滞后、耦合、时变等特征，难以用传统的方法对其进行建模控制。模糊控制的方法是以人对被控系统的控制经验为依据而设计的控制器，故无需建立被系统的精确数学模型，具有良好的适应性和鲁棒性。本章的主要内容是根据模

46、糊理论，研究该控制系统中的核心部分模糊控制器的设计方法，在完成模糊控制器的整套设计后还必须通过相应工控设备完成算法实现，基于SIMATIC S7-200 PLC，应用STEP 7软件实现模糊控制的程序编写。3.2模糊控制系统概述生产规模的不断扩大使得控制过程越来越复杂，经典控制理论和现代控制理论由于种种原因己不能满足日益复杂的控制要求。在处理过程模型不确定或难以建模等问题时，PID控制和基于现代控制理论的控制策略就显得无能为力，应用于复杂过程控制时往往受到限制，因此，先进的控制算法得以研究推广，模糊控制便是其中的一种。1965年，美国加利福尼亚大学L.A.Zadeh教授首先提出了模糊集合的概念

47、，为模糊集合的运用和模糊数学的发展奠定了基础，模糊科学得以发展。1974年，英国伦敦大学的教授E.H.Mamdani成功地将模糊控制运用于锅炉与蒸汽发动机上，这一开拓性的工作标志着模糊控制应用阶段的诞生，并继而得到大规模发展。模糊控制从诞生到现在仅仅经历了几十年的时间，就己在工业、经济、医学、军事等方面取得了巨大的发展。对象越模糊，这种控制方法就越能反映出比其它控制方法更多的优越性，例如在纯滞后、难以准确建模、参数漂移大及非线性不确定分布参数系统中，采用模糊控制往往能取得令人满意的效果。3.2.1模糊控制的特点模糊控制是一种应用模糊集合理论，统筹考虑控制策略的应用方式，具有如下几个主要特点：（

48、1）模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器，不需要被控对象精确的数学模型，特别适合被控对象具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重非线性与不确定性的复杂系统或过程的控制。（2）模糊控制中的知识表示、控制规则和合成推理是基于专家知识或熟练操作人员的成功经验，并可以通过学习不断更新，是一种易于控制、易于掌握的较理想非线性控制器，也是一种语言控制器。（3）模糊控制系统的构造和控制规则易于用软件实现。（4）模糊控制抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。模糊控制和PID控制作比较，模糊控制较之后者不仅对被控对象参数变化适应能力强，而且在对象模型结构发生较大改变的

49、情况下，也能获得较好的控制效果。3.2.2模糊控制器的组成数据库数据库规则库模糊化模糊推理反模糊化图3.1模糊控制器的基本结构图3.1为模糊控制器的基本结构框图，如图可知，其主要由四部分组成：（1）模糊化：模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出，因此，这一部分实际上是模糊控制器的输入接口，其主要作用是将真实的输入量利用量化因子进行尺度变换，用论域中的元素来表示输入量，然后将此论域元素转换到模糊集合中，作为模糊推理的输入。（2）知识库：由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库主要存放所有输入输出语言变量模糊子集的隶属度矢量值，在模糊关系方程求解的过程中，为模糊推理提供数据。模糊控制规则

50、库是基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验而建立的，它是仿照人的直觉推理的一种语言表示形式，用来存放全部模糊控制规则，在推理时提供控制规则。（3）模糊推理：在模糊控制器中，根据输入的模糊量，由模糊规则中所定义的蕴含关系，经过合成运算来得到模糊输出量。考虑到推理时间的长短，通常采用运算较简单的推理方法。（4）反模糊化：模糊推理得到的仍然是一个模糊向量，不能直接用来做控制量，通过反模糊化变换，可变成表示在论域范围内的清晰量，然后再按比例因子经尺度变换成实际的控制量。3.3温室环境因子研究3.3.1温度对作物生长的影响温度作为影响作物生长发育最重要的环境因子之一，对作物的光合作用、呼吸作用、根系的

51、生长和水分、养分的吸收等生理现象均有显著的影响。影响作物生长发育的环境因子中以温度最为敏感，因此对温室环境控制的研究也是最先从温度控制开始的。不同种类的作物对温度的要求是不同的，同一作物在不同发育阶段对温度的要求亦有所不同，而且在同一发育期阶段内对温度的要求也会随着昼夜变化而呈周期性地变化。生物的上述生长特点都为温室的温度控制提出了较高的要求。温室温度环境控制就是通过一定的工程措施，人为地调节温室与外界环境之间的热交换，使温度维持在作物生长所需的范围内。夏季外界气温较高时，为防止温室内温度过高，应尽量减少温室得热量，增加散热量，本文采用的通风、遮阳、风机湿帘降温等都是常见的降温方式；冬季室外气

52、温较低，为保持室温，应尽量减少失热量，增加得热量，采用保温节能措施甚至启动采暖设备就可维持正常的温室温度，保证作物正常生长。3.3.2湿度对作物生长的影响水是作物的基本组成部分之一，一般温室作物的含水率高达80%-95%，作物的诸多生命活动均在水的参与下进行，比如光合作用、蒸腾作用等。适当的空气湿度可以为作物生长营造良好的水分环境，空气湿度过低，影响细胞伸长，使细胞分裂受阻，由于水分不足，作物气孔关闭，CO2交换降低，光合作用显著下降，从而影响作物干物质的积累；空气湿度过大时，将会引发多种病害，并抑制作物蒸腾作用，影响作物24对水分和养料的吸收。温室内的空气湿度受天气、通风换气、采暖等因素的影

53、响，本文主要通过通风换气、加热等方式降湿，而通过微雾加湿器增湿。3.3.3温度、湿度特性和控制方法分析温室内温度、湿度是本课题的研究对象，它们具有非线性、分布不均匀性、时变性、控制时延性、耦合性等特点。首先，温室内部的气候处于热平衡混沌状态，再加上作物本身生长活动，不能按照传统控制工程的方法对其建模。其二，一般温室面积都比较大，温、湿度分布是不均匀的，内部各点状态都不一样，其值的大小依赖于空间位置和气流的方向等各种因素，温室结构对温湿度也有影响。其三，对于外界所施加的作用，系统并不立即响应，而是经过一段时间的延迟才有反应。其四，系统各变量之间并不是互相独立，对温、湿度中某一目标的控制，总会影响

54、到另一个因子的变化。另一方面，执行机构的动作也不仅仅影响某一个因子，比如天窗、侧窗的动作会同时影响温度和湿度的变化；加湿机的主要目的是增加湿度，但同时也会降低温度；用热风机加热，也会带来湿度的降低。总之，温室温度和湿度这两个参数存在较强的耦合性，温度和湿度的变化会相互影响，它们与温室环境控制的其它因子一起构成了一个包含多方面内容的复杂对象，对其实现精确控制具有一定的难度，需要系统多方面的有机配合。3.4多变量模糊控制器的设计模糊控制技术的核心在于模糊控制器的设计。在本系统中，着力分析设计控制温度、湿度这两个物理量的模糊控制器，通过对被控对象的分析，按照拟定的控制方案，采用“两输入多输出”模糊控

55、制器，其总体结构如图3.2所示。图3.2多变量模糊控制器的总体结构图3.4.1输入输出变量的确定输入模糊量为：Er温度误差；Eh湿度误差输出控制变量均为开关量，只有开/关(1/0)两种状态，其包括：U1天窗；U2前侧窗；U3后侧窗；U4外遮阳；U5环流风机；U6微雾加湿器；U7热风机；3.4.2模糊语言值的选取工程上对于模糊语言变量的取值一般是5个或7个元素的词集，还有更多级别档数的划分。增加分级档数，可提高稳态精度，但同时也将扩大模糊关系矩阵R的维数，增加控制表的容量，这对提高控制稳定性和快速性是不利的。综合实验研究的需要，既考虑到控制规则的灵活细致，又兼顾简单易行，决定采用NB，NS，ZE

56、，PS，PB5个元素的词集。3.4.3模糊控制规则的制定模糊控制器控制规则的设计原则是使系统输出相应的动态性能与稳态性能达到最佳。即当误差较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而误偏差较小时，选择控制量以防止超调，主要考虑系统的稳定性。温室系统中的温度、湿度存在一定耦合性，即通过执行机构改变其中一个变量的同时也将影响另一个变量的值，对于7种执行机构（天窗、前侧窗、后侧窗、外遮阳、环流风机、微雾加湿器、热风机）而言，每多打开一个设备，降温、降湿效果增强一点；打开后降温、降湿速度比更快；起降温的作用，对湿度基本无影响；打开后主要为增湿作用，降温是其次要作用；主要起增温作用，降湿是其次要作用。综上分

57、析，控制规则的制定过程中就应渗透解耦的思想，表3.2给出系统的模糊控制规则，其中U为u1至u7这7个量的开关状态（1表示“开”，0表示“关”）。表3.2模糊控制规则表U ETEHNBNSZEPSPBNB00000110100001000001010010100111110NS00100111100001000001000010101101110ZE00000010000001000000000010001101100PS00100011010001100000010011000111100PB101000111100011100000110110011111003.5模糊控制的PLC程序实现本

58、研究基于西门子公司STEP7编程环境完成温室模糊控制程序的编写，程序编写思路简明，实现了模糊控制的离线计算与在线查询的功能，大大提高了PLC的执行效率。针对上述模糊控制策略，采用如图3.4的程序设计流程图。将量化因子将量化因子Kr、Kh置入PLC开始采样时间到？Et、Eh越限？计算Er,Eh并置入PLC存储器将输入量存储区量化至输入语言变量的模糊论域并置入存储器报警并采取强制措施查模糊控制表，求U输出控制量结束图3.4 PLC实现模糊控制总体流程图下面给出流程图中主要部分的程序设计思想和梯形图程序。3.5.1输入量采样及模糊量化算法程序设计模拟量的输入数据是有符号整数，占2个字节（16bit）

59、，所以地址必须从偶数字节开始，例如：AIW0、AIW2等。PLC的CPU内部用数值表示外部的模拟量信号，两者之间有一定的数学关系，在S7-200的CPU内部，020mA对应的数值范围是032000，则对于420mA的信号，对应的内部数值为640032000。而温度、湿度的传感变送单元分别取-1060、0100%RH线性对应420mA,因此需经过温度/湿度值电流信号内部数值的两次转化。现以温度为例，因为420mA线性对应-1060，可得如下曲线方程(3-6)(3-6)其中，Y表示温度，X表示电流。而420mA的信号对应的内部数值为640032000，得如下曲线方程(3-7).(3-7)其中，Z表

60、示AIW值，X表示电流。(3-6)/(3-7)得，-1060对应的内部AIW值可通过式(3-8)计算获得，例如18对应的AIW值即为16640。现给出输入量采样与Er/Eh计算的程序：模拟量输入映像区中的AIW0、AIW2分别为温度和湿度的测量值，将其存放于存储单元VW0、VW2中，作为后续运算的准备。以种植蝴蝶兰为例，温度设定值T0 =18，湿度设定值H0 =70%RH，通过上述计算方法得各自对应的内部数值分别为16640、24320，将其分别存放于存储单元VW4、VW6中，然后进行求误差的运算。3.5.2模糊控制表查询程序设计模糊控制查询表本质上可理解为一个99的二维数组，将其存放于VW1