基于PLC的溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于PLC的溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),基于PLC的溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),基于,plc,溫室,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 基于PLC的溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)  摘 要 溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變、滯后復(fù)雜大系統(tǒng)，難以建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用常規(guī)的控制方法難以獲得滿意的靜、動(dòng)態(tài)性能。本文通過(guò)對(duì)農(nóng)用溫室特點(diǎn)的分析，提出采用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室主要參數(shù)控制的方法，該方法可同時(shí)對(duì)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度、CO2濃度進(jìn)行有效的控制。本文闡述以PLC為核心的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)、智能控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成，信息采集系統(tǒng)利用FX2N—8AD模擬模塊完成環(huán)境參數(shù)的采集和輸入；主控單元FX2—32MT將傳感器檢測(cè)值與設(shè)定的溫室參數(shù)值進(jìn)行比較，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制信號(hào)，帶動(dòng)電機(jī)、電磁閥、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的智能控制。以PLC為核心的溫室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：PLC的接口線路簡(jiǎn)單，外圍元器件較少，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可以保證溫室的控制要求。 關(guān)鍵詞：智能溫室；PLC；溫室監(jiān)控；FX2N—8AD；  Abstract The greenhouse environment system is a misalignment，time—variable，the lag complex large．scale system．establishes system’S mathematical model with difficulty,uses conventional the control method to obtain satisfaction with difficulty the static state．the dynamic property．This article analyses the characteristics of greenhouse, we used PLC to realize the main parameter in greenhouse controlling process, this can control the temperature, humidity, light intensity and CO2 concentration in the greenhouse for effectively.This article uses PLC for the core of the control system, the system contained information collection system, smart control unit and implementation institutions, the information collection system used FX2N-8AD simulation module to completed the environment parameter of collection and import; the main control unit FX2-32MT will compare the detected date with the set date of the greenhouse , output corresponding control signals; implementation institutions controls the motor according to the signal ,as same as electromagnetic valve, and wind machine, equipment, to realize the smart control of the greenhouse.The features of the control system of greenhouse with PLC are, less components reliable and can meet the requirements of this system. Keywords : Intelligent greenhouse；PLC; Greenhouse control;FX2N — 8AD 目 錄 摘 要 2 Abstract 3 第一章 前言 6 1.1 國(guó)外溫室自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r 6 1.2 國(guó)內(nèi)溫室自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r 7 1.3 研究的目的及意義 8 第二章 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 2.1作物對(duì)環(huán)境參數(shù)要求分析 9 2.1.1作物對(duì)溫度的要求 9 2.1.2作物對(duì)濕度的要求 9 2.1.3作物對(duì)光照度的要求 10 2.1.4作物對(duì)C02濃度的要求 10 2.2 溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)特點(diǎn) 11 2.2.1 溫室內(nèi)溫度變化規(guī)律 11 2.2.2 溫室內(nèi)濕度變化規(guī)律 11 2.2.3 溫室內(nèi)光照度變化規(guī)律 12 2.2.4 溫室內(nèi)C02濃度變化規(guī)律 12 2.3 總體設(shè)計(jì)思路 12 2.4 溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體圖 14 2.5 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的要求 15 2.5.1 控制要求 15 2.5.2 用戶I/O設(shè)備 15 2.6 溫室監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 2.6.1 主回路設(shè)計(jì) 17 2.6.2 控制回路設(shè)計(jì) 18 第三章 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的元器件選擇及軟件設(shè)計(jì) 20 3.1 傳感變送器的選用 21 3.2 模擬量輸入模塊的選擇 22 3.2.1 概述 22 3.2.2FX2N—8AD的電路接線 22 3.2.3 緩沖存儲(chǔ)器的分配（BFM) 23 3.2.4 數(shù)據(jù)的采樣與轉(zhuǎn) 24 3.2.5 讀取模擬量輸入模塊的方法 25 3.3 時(shí)間控制 26 3.4 溫度控制 28 3.4.1 升溫和降溫的元器件選擇 28 3.4.2 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 29 3.5 濕度控制 30 3.5.1 加濕和除濕的元器件選擇 30 3.5.2 濕度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 31 3.6 光照度控制 31 3.6.1 補(bǔ)光與遮光的元器件選擇 31 3.6.2 光照度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 32 3.7 C02濃度控制 33 3.7.1 增加C02的元器件選擇 33 3.7.2 C02濃度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 33 第四章 溫室控制系統(tǒng)外部接線圖 35 第五章 結(jié)論 36 5.1 工作總結(jié) 36 5.2 改進(jìn)的思路 36 參考文獻(xiàn) 37 致 謝 38 附錄 39 附錄2 ：指令表 42 第一章 前言 設(shè)施農(nóng)業(yè)是通過(guò)人工、機(jī)械或智能化技術(shù)，有效地調(diào)控設(shè)施內(nèi)光照、溫度、濕度、室內(nèi)CO2濃度、土壤水分與營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境要素，按照栽培的要求為各種栽 培作物、花卉及林木果樹提供適宜乃至最佳的環(huán)境，在一定程度上擺脫對(duì)自然環(huán)境的依賴，以達(dá)到增加產(chǎn)量、改善品質(zhì)的目的[1]。設(shè)施農(nóng)業(yè)包含有塑料大棚、溫室和工廠化栽培[2]。此次我們將溫室作為主要的研究對(duì)象。 溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境調(diào)控技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)。一方面是環(huán)境調(diào)控技術(shù),人們用溫室創(chuàng)造作物生育的適宜條件，主要包括室內(nèi)溫度、濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，光照度與CO2濃度的自動(dòng)調(diào)節(jié)、通風(fēng)降濕等方面的調(diào)節(jié)與控制方法。其方式有兩種：一種為單因子控制：分別對(duì)溫度、濕度、光照、CO2濃度等因子進(jìn)行調(diào)控，主要是土壤與空氣的溫度與濕度[3]。另一種是復(fù)因子調(diào)控：用計(jì)算機(jī)調(diào)控室內(nèi)多種環(huán)境因子，首先要將各種不同作物不同生育階段所需的綜合環(huán)境要素輸入計(jì)算機(jī)中，用一定的計(jì)算機(jī)控制程序軟件，當(dāng)溫室中某一環(huán)境要素發(fā)生變化時(shí)，其他多項(xiàng)要素能自動(dòng)做出相應(yīng)的反應(yīng)，并進(jìn)行修正與調(diào)整。一般以光照為始變條件，溫度、濕度、濃度為隨變條件，使這幾個(gè)主要環(huán)境要素始終處在最佳的匹配狀態(tài)。另一方面是溫室內(nèi)部生產(chǎn)作業(yè)與管理的自動(dòng)化，溫室內(nèi)的作業(yè)項(xiàng)目有耕耘、開溝作畦、施肥、育苗、定植、管理等，作業(yè)項(xiàng)目大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且設(shè)施內(nèi)經(jīng)常處于高溫、高濕、通風(fēng)不良的作業(yè)環(huán)境，因此非常需要發(fā)展自動(dòng)化[4]。 1.1 國(guó)外溫室自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)外溫室主要是屬于現(xiàn)代化溫室階段，至今已形成有成套技術(shù)、完整的設(shè)備和生產(chǎn)規(guī)范，并在向高層次、高科技和高自動(dòng)化、智能化方面發(fā)展，將形成 完全擺脫自然的全新技術(shù)體系[5]。荷蘭、以色列、美國(guó)、韓國(guó)、西班牙、意大利、法國(guó)、加拿大等國(guó)是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)的國(guó)家，其設(shè)施設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度、種苗技術(shù)及規(guī)范化栽培技術(shù)、植物保護(hù)及采后加工商品化技術(shù)、新型覆蓋材料開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)、設(shè)施綜合環(huán)境調(diào)控及農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)等有較高的水平，居世界領(lǐng)先地位。 荷蘭溫室發(fā)展較早，由于地處高緯度地區(qū)，日照短，平均氣溫較低，為了盡最大程度吸收太陽(yáng)光，荷蘭溫室以玻璃溫室為主，主要種植蔬菜和花卉。荷蘭從20世紀(jì)80年代以來(lái)就大規(guī)模發(fā)展配套設(shè)施，并全面開發(fā)溫室計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。荷蘭的自動(dòng)化配套溫室設(shè)施出口額占世界貿(mào)易的80%，在世界市場(chǎng)上享有很高的聲譽(yù)[6]。但是荷蘭溫室是一種高耗能產(chǎn)業(yè)，全國(guó)每年溫室消耗天然氣達(dá)42x108hm2，占全國(guó)天然氣消耗量的12.6%，占全國(guó)總能量消耗的6.1%是一個(gè)能源、資金、技術(shù)密集，髙產(chǎn)值、高效益的農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)[7]。 以色列的設(shè)施栽培發(fā)展很快，其溫室也大多是塑料溫室，但其溫室結(jié)構(gòu)非常先進(jìn)，可以根據(jù)光線強(qiáng)度的不同自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)移，受其干旱、沙漠氣候和地理因素的影響，以色列對(duì)農(nóng)作物的灌溉采用了現(xiàn)代化的滴灌和微噴灌系統(tǒng)，其節(jié)水灌溉技術(shù)己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該國(guó)的大型塑料溫室采用全自動(dòng)控制，充分利用光熱資源的優(yōu)勢(shì)和節(jié)水灌溉技術(shù)，基本上實(shí)現(xiàn)了一年四季生產(chǎn)。設(shè)施內(nèi)的灌溉目前已釆用電腦控制和電腦水質(zhì)監(jiān)測(cè)，施肥裝置與滴灌裝置系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)而形成灌溉施肥系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的土壤水分和養(yǎng)分而自動(dòng)進(jìn)行灌溉，營(yíng)養(yǎng)液除對(duì)N、P、K有準(zhǔn)確的定量參數(shù)外，對(duì)某些微量元素的施用也有比較合理的參數(shù)，設(shè)施內(nèi)C02供給系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確定量，而且施入均勻[8]。 由此可見(jiàn)，溫室控制技術(shù)沿著手動(dòng)、自動(dòng)、智能化控制的發(fā)展進(jìn)程，向著越來(lái)越先進(jìn)、功能越來(lái)越完備的方向發(fā)展。溫室環(huán)境控制朝著基于作物生長(zhǎng)模型、溫室綜合環(huán)境因子分析模型和農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的溫室信息自動(dòng)采集及智能控制趨勢(shì)發(fā)展。 1.2 國(guó)內(nèi)溫室自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)對(duì)現(xiàn)代化溫室的研究起步較晚，始于上世紀(jì)80年代。 80年代以來(lái)，我國(guó)陸續(xù)從荷蘭、以色列等國(guó)引進(jìn)了許多先進(jìn)的現(xiàn)代化溫室，在引進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，加大消化吸引的力度，自行設(shè)計(jì)建造了一些符合我國(guó)國(guó)情的溫室，如華北型連棟塑料溫室、上海智能型溫室、華南型溫室等大型現(xiàn)代化溫室。除了研究溫室的外形構(gòu)造外，我國(guó)農(nóng)業(yè)科研人員還進(jìn)行了內(nèi)部溫度、濕度、光照度和C02濃度等環(huán)境因子控制技術(shù)的研究。 90年代末，江蘇理工大學(xué)研制了一套溫室環(huán)境控制設(shè)備，通過(guò)對(duì)溫室內(nèi)部溫、濕、光及C02的監(jiān)控，在一個(gè)150M2的溫室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、光照度及C02濃度的綜合控制。在此期間，上海市設(shè)計(jì)并建成了我國(guó)首座智能化塑料 連棟溫室，面積3300 M2，實(shí)現(xiàn)了溫、光、水、氣、肥等多種環(huán)境因子全程自動(dòng) 控制。與其配套使用的生長(zhǎng)架、噴滴灌、C02施用、液體營(yíng)養(yǎng)液供給等設(shè)備，技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、造價(jià)低廉，克服了 上海地區(qū)進(jìn)口溫室夏季高溫高濕病害嚴(yán)重、冬季采暖能耗成本高，投入產(chǎn)出不合理的問(wèn)題。 到目前為止，對(duì)溫室環(huán)境控制的系統(tǒng)仍在不斷的研究中。雖然各個(gè)溫室系 統(tǒng)的控制設(shè)備及軟件內(nèi)核可能相差很大，但其主要的控制原理基本相同。以溫室產(chǎn)家為例，胖龍公司開發(fā)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)測(cè)量溫室的氣候和土壤參數(shù)，并對(duì)溫室內(nèi)配置的所有設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行自動(dòng)控制，如開窗、加溫、降溫、加濕、光照、C02補(bǔ)充、灌溉、施肥和環(huán)流等。超越京鵬溫室公司開發(fā)的 京鵬計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能自動(dòng)抵御各種惡劣天氣，溫度、濕度、光照、C02濃度以及肥水供應(yīng)數(shù)量、濃度和時(shí)間都在系統(tǒng)的調(diào)控之中。九天溫室公司開發(fā)的溫室 環(huán)境控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方法，對(duì)室外風(fēng)速、風(fēng)向、日照輻射、溫度及室內(nèi)的濕度等因素進(jìn)行采集，通過(guò)控制器處理后，將控制結(jié)果返回到現(xiàn)場(chǎng)，調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)室內(nèi)的氣候因素實(shí)施實(shí)時(shí)控制，以此來(lái)保證控制的精度及控制的可靠性[9]。 1.3 研究的目的及意義 溫室的作用是用來(lái)改變植物的生長(zhǎng)環(huán)境,避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ψ魑锷L(zhǎng)的不利影響,為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的良好條件。溫室一般以采光和覆蓋材料作為主要結(jié)構(gòu)材料 ,它可以在冬季或其他不適宜植物露地生長(zhǎng)的季節(jié)栽培植物 ,從而達(dá)到對(duì)農(nóng)作物調(diào)節(jié)產(chǎn)期、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、防治病蟲害及提高產(chǎn)量的目的。溫室環(huán)境指的是作物在地面上的生長(zhǎng)空間 ,它是由光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等因素構(gòu)成的。溫室控制主要是控制溫室內(nèi)的溫度、濕度、CO2濃度與光照。 雖然有些溫室也安裝有各種加熱、加濕、通風(fēng)和降溫的設(shè)備 ,但其主要操作大多仍是由人工來(lái)完成的當(dāng)溫室面積較大或數(shù)量較多時(shí) ,操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度很大 ,而且也無(wú)法達(dá)到對(duì)溫濕度的準(zhǔn)確控制。本文介紹一種基于PLC溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度自動(dòng)測(cè)量和調(diào)節(jié) ,大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 第二章 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1作物對(duì)環(huán)境參數(shù)要求分析 2.1.1作物對(duì)溫度的要求 不同作物間，甚至是同一作物的不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，溫度三基點(diǎn)也是各不相同的，以黃瓜為例，種子發(fā)芽期要求的適宜溫度在到20OC與30OC范圍，幼苗的適宜溫度比種子發(fā)芽期略有降低，約22OC與25OC之間，而果實(shí)生長(zhǎng)期的溫度又比幼苗期略高。因此，設(shè)計(jì)前要了解植物的生長(zhǎng)階段，以便確定一個(gè)能大致滿足的生育適溫。 對(duì)每一個(gè)生長(zhǎng)階段，保持任何單一的溫度是不行的，要根據(jù)不同時(shí)間的活動(dòng)重心來(lái)調(diào)整溫度的高低。白天的活動(dòng)重心是光合作用，光合作用強(qiáng)度受溫、光、氣的條件，因此適溫條件要隨光強(qiáng)而異。晴天光照條件好時(shí)，午前光合作用強(qiáng)，溫度應(yīng)適當(dāng)提髙，午后光合作用減弱，溫度應(yīng)比午前略低；陰天光強(qiáng)減弱，則溫度也應(yīng)有所降低，適溫比晴天略降低2?3OC。夜間呼吸作用成為活動(dòng)重心，若溫度升高要增大呼吸消耗，因此要盡可能的降低夜溫，抑制呼吸消耗，前半夜16?20OC對(duì)一般作物都是適宜的，后半夜降低到12?13OC甚至更低些，有利于養(yǎng)分的儲(chǔ)存。 除了考慮氣溫對(duì)作物的影響，也要考慮地溫，但也氣溫相比，地溫較穩(wěn)定，且氣溫與地溫又互有聯(lián)系，因此地溫的影響暫不予以考慮。綜合上述的條件，總結(jié)出黃瓜的生育適溫。 2.1.2作物對(duì)濕度的要求 在溫度條件適宜的情況下，濕度的大小將會(huì)影響溫室中作物的生長(zhǎng)環(huán)境，濕度太大的話會(huì)降低植物葉面與周圍空氣之間的水蒸氣壓差，影響植物的蒸騰作用，并導(dǎo)致病原體組織的大量繁殖，降低作物產(chǎn)量，所以濕度仍是溫室環(huán)境控制的一個(gè)重要參數(shù)。 相對(duì)濕度指空氣中水蒸氣的含量與同一溫度下的飽和水蒸氣含量的比值，用百分比來(lái)表示?？諝獾南鄬?duì)濕度決定于空氣的含水量和溫度，在空氣含水量不變的情況下，隨著溫度的升高，其相對(duì)濕度也就相應(yīng)地降低；開始溫度每升1oC,相對(duì)濕度要下降6%?5%,以后則下降4%?3%。實(shí)際上隨著溫度的升高，地面蒸發(fā)和作物葉面蒸騰在不斷增強(qiáng)，空氣中的水氣在不斷得到補(bǔ)充，只是空氣中水氣的增加遠(yuǎn)不及由于溫度升高而引起飽和水氣壓增加來(lái)的快，因此,相對(duì)濕度仍然在降低之中。 濕度是反映空氣中水蒸氣含量的多少，常用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度來(lái)表示。絕對(duì)濕度指單位空氣體積中所含水蒸氣質(zhì)量的多少。 以黃瓜的生理需求為例，黃瓜對(duì)較高的空氣濕度適應(yīng)能力較強(qiáng)。白天的空氣相對(duì)濕度一般以70%?90%為宜，夜間空氣濕度高達(dá)95%?100%時(shí)也能忍受，但長(zhǎng)時(shí)期的高濕會(huì)招致病害。因此將空氣相對(duì)濕度控制在白天75%，夜間90%的范圍內(nèi)。 2.1.3作物對(duì)光照度的要求 光照強(qiáng)度是衡量光照強(qiáng)弱的一個(gè)指標(biāo)，光照強(qiáng)度的單位為勒克斯，1個(gè)勒克斯就是1支蠟燭點(diǎn)燃后在距蠟燭1米處的光照強(qiáng)度。 作物在進(jìn)行光合作用的同時(shí)，也需要呼吸消耗。當(dāng)光合作用所制造的養(yǎng)分 等于呼吸消耗的養(yǎng)分時(shí)所處的光照強(qiáng)度稱為光補(bǔ)償點(diǎn)，而在光補(bǔ)償點(diǎn)以上的一 定范圍內(nèi)，在一定的溫度和C02濃度下，光合作用隨光照強(qiáng)度的增加而提高， 但當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到一定程度后，再增加光照強(qiáng)度，其光合作用不再增加，這一光照強(qiáng)度稱為光飽和點(diǎn)。光照強(qiáng)度下降到光補(bǔ)償點(diǎn)以下時(shí)，植物呼吸作用消耗量超過(guò)光合作用的積累量，時(shí)間長(zhǎng)了植物會(huì)枯死，但若光照強(qiáng)度大于光飽和點(diǎn)以上時(shí)，對(duì)光合作用沒(méi)有太大的影響，只會(huì)徒增溫室內(nèi)的溫度。因此要選擇適 合作物生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度。不同作物對(duì)光照強(qiáng)度的要求也不同，本課題所研究的作物對(duì)象為黃瓜，其生長(zhǎng)要求有較強(qiáng)的光照，光補(bǔ)償點(diǎn)為2000勒克斯，光飽和 點(diǎn)為40000到60000勒克斯。 除了光照強(qiáng)度外，不同的作物對(duì)日照時(shí)數(shù)的要求也存在很大的差異，按照 對(duì)日照時(shí)間長(zhǎng)短的不同，分為長(zhǎng)日照作物，短日照作物，中光性作物。本課題所研究的黃瓜為中光性作物，它只要溫度適宜，在較長(zhǎng)或較短 的日照條件下均能開花，適應(yīng)光照長(zhǎng)短的范圍較廣。 2.1.4作物對(duì)C02濃度的要求 植物吸收C02和水，在光照條件下，通過(guò)光合作用合成有機(jī)物并釋放氧氣。在一定范圍內(nèi)，光合作用強(qiáng)度隨C02濃度的增加而增強(qiáng)，因此，提高生長(zhǎng)環(huán)境中的C02濃度對(duì)作物有促進(jìn)生長(zhǎng)、增加產(chǎn)量和提高品質(zhì)的作用。 C02的適宜濃度與作物種類和光照強(qiáng)度有關(guān)，光照弱、室溫低，C02適宜濃度也低，相反，則C02濃度應(yīng)相對(duì)提高。以黃瓜為例，晴天所需C02濃度約為1000毫升/m3，陰天所需CO2濃度約為750毫升/m3。而大氣中CO2的平均含量約為320毫升/m3。遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到作物所需要的適宜濃度。 一般作物的光合作用主要集中在上午進(jìn)行，占到全天光合產(chǎn)物的3/4;中午 強(qiáng)光下作物在都有“午休”現(xiàn)象，吸收C02較少；下午的光合作用只占全天光合產(chǎn)物的1/4，更多的對(duì)上午的光合產(chǎn)物進(jìn)行分配；而晚上沒(méi)有光合作用，室內(nèi) C02濃度處于積累狀態(tài)。 2.2 溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)特點(diǎn) 2.2.1 溫室內(nèi)溫度變化規(guī)律 溫室內(nèi)的氣溫受到多種因素的影響，包括進(jìn)入室內(nèi)的輻射傳熱、作物表面蒸發(fā)等。溫室內(nèi)氣溫雖然與室外溫度有一定的相關(guān)性，但他主要取決于室外的光照強(qiáng)度，與室外的溫度并不一定呈正相關(guān)性。比如雖然在冬天，但只要光照充足，即使室外溫度很低，室內(nèi)的溫度卻能很快升髙，而遇到陰天時(shí)，光照強(qiáng)度弱，就會(huì)出現(xiàn)室外溫度相對(duì)較高，但室內(nèi)溫度上升量偏低的情況。 按照一般規(guī)律的話，溫室內(nèi)最低氣溫出現(xiàn)在日出前，此后溫度迅速上升，每小時(shí)平均升溫5～6OC，到12時(shí)后緩慢上升，最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間因天氣而異，晴天出現(xiàn)在13時(shí)，比自然界提前1個(gè)小時(shí)，陰天時(shí)最高氣溫出現(xiàn)在云層較薄、散射光較強(qiáng)時(shí)候，接著氣溫開始下降，直至第二天日出后升溫。 溫室內(nèi)氣溫分布不均勻，表現(xiàn)在垂直分布和水平分布上，這與光照分布不均基本是一致的。通常，溫室內(nèi)白天上部溫度高于下部，中部溫度高于四周。不僅如此，循環(huán)風(fēng)扇以及通風(fēng)窗的位置也會(huì)造成溫度空間分布的不均勻性。 2.2.2 溫室內(nèi)濕度變化規(guī)律 溫室內(nèi)空氣濕度的日變化規(guī)律與溫度相反，即白天低，夜間高。曰出后，隨著溫度的升高，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度呈下降趨勢(shì)，中午前后空氣相對(duì)濕度在60%?70%，午后開始逐漸升高，到夜間時(shí)空氣相對(duì)濕度達(dá)90%以上，甚至處于飽和狀態(tài)，而后一直持續(xù)到第二天清晨。 室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的變化隨季節(jié)和天氣而有所差別。從季節(jié)來(lái)看，低溫季節(jié)比高溫季節(jié)變化幅度大，南部城市，夏季由于帶來(lái)的強(qiáng)降水影響，空氣相對(duì)濕度在80%?90%間，使得溫室內(nèi)的空氣相對(duì)濕度都在90%以上；冬季由于空氣中水汽含量的減少，空氣相對(duì)濕度降低至70%左右，因此溫室內(nèi)空氣相對(duì)濕度在80%左右。從天氣情況來(lái)看，陰天特別是雨天，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度可達(dá)80%?90%，甚至100%;而晴天空氣相對(duì)濕度則在70%?80%。 2.2.3 溫室內(nèi)光照度變化規(guī)律 溫室內(nèi)的光照不僅明顯低于自然界，而且垂直分布和水平分布與自然界也有很大的區(qū)別。 由于太陽(yáng)光透入溫室內(nèi)受到薄膜的過(guò)濾，溫室內(nèi)光照中可見(jiàn)光、紅外線和紫外線的成分含量比自然界低，室內(nèi)平均光照度不超過(guò)自然光的80%。溫室內(nèi) 外的光照強(qiáng)度日變化基本是一致的，午前隨太陽(yáng)高度角的增大而增大，中午光照度值最大，午后隨太陽(yáng)高度角的減小而降低。溫室內(nèi)光強(qiáng)的垂直分布表現(xiàn)為，溫室內(nèi)同一位點(diǎn)，光照強(qiáng)度在靠近屋面處最強(qiáng)，向下遞減，遞減速度比室外大。溫室內(nèi)光強(qiáng)的水平分布表現(xiàn)為，溫室不同位置的光照強(qiáng)度存在一定的差異。 2.2.4 溫室內(nèi)C02濃度變化規(guī)律 溫室是個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，作物在溫室內(nèi)不斷進(jìn)行C02的吸收和釋放過(guò)程。因此，溫室內(nèi)的C02濃度與外界有明顯差異。 夜間光合作用停止，作物呼吸作用釋放C02，室內(nèi)C02濃度逐漸升高，在日出前， 溫室內(nèi)C02濃度達(dá)到最高。日出后，作物光合作用開始，吸收C02, 而此時(shí)為了保持室內(nèi)溫度不能進(jìn)行通風(fēng)換氣，因此，室內(nèi)C02濃度急劇下降，常常低于大氣中的C02濃度；溫度升高溫室通風(fēng)后，室內(nèi)C02濃度上升，幾乎可以保持在室外濃度水平。 2.3 總體設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)主要采用的思路是利用在溫室內(nèi)外安裝的溫濕度傳感器、光照傳感器、C02傳感器等設(shè)備來(lái)采集室內(nèi)外的溫濕度、光照度和C02濃度，然后把相關(guān)的環(huán)境參數(shù)變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)而送給模擬量輸入模塊；模擬量輸入模塊把標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)換成PLC可處理的數(shù)字信息；PLC對(duì)此信息進(jìn)行處理后，根據(jù)一定的規(guī)則產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息輸出，從而控制驅(qū)動(dòng)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如循環(huán)風(fēng)機(jī)、電暖氣、遮陽(yáng)網(wǎng)等)，使溫室內(nèi)的氣候環(huán)境達(dá)到作物的生長(zhǎng)發(fā)育需要。并在輸入環(huán) 境參數(shù)的同時(shí)，把PLC與上位機(jī)用串行通信接口相連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)等功能。 方案：以PLC為核心的溫室控制系統(tǒng)，如圖1所示： 室外數(shù)據(jù)采集 室內(nèi)數(shù)據(jù)采集 PLC 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 上位機(jī) 圖1 基于PLC的溫室控制系統(tǒng) Fig1 The control system of greenhouse based on PLC 以PLC為核心的溫室控制系統(tǒng)主要是由信息采集系統(tǒng)、智能控制單元PLC、驅(qū)動(dòng)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)這三部分組成的。其中信息采集系統(tǒng)包括室內(nèi)數(shù)據(jù)采集和室外數(shù)據(jù)采集，主要采集影響溫室的環(huán)境參數(shù)如溫濕度、光照度和C02濃度等；智能控制單元即包括基本單元，也包括擴(kuò)展模塊（如模擬量輸入模塊及通信模塊等)，主要功能是根據(jù)作物生長(zhǎng)的要求來(lái)設(shè)定合適的匹配參數(shù)，并把匹配參數(shù)與采集到的參數(shù)進(jìn)行比較控制輸出，并同時(shí)完成與上位機(jī)的通信。驅(qū)動(dòng)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)則是根據(jù)輸出的規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通斷。 2.4 溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體圖 擴(kuò)展模塊 輸入接口 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 用戶程序存儲(chǔ)器 輸出接口 中央處理單元 電源模塊 輸入接口 輸出接口 FX2N-8AD 自動(dòng)/手動(dòng)切換 晴/陰天切換 自動(dòng)/停止按鈕 溫濕度傳感器H7030 光照度變送器LT/G C02 變送器CDD 編程器 通信接口 計(jì)算機(jī) 中間繼電器 報(bào)警指示燈 循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)扇 電暖氣電磁閥 C02電磁閥 抽風(fēng)機(jī)風(fēng)扇 遮陽(yáng)網(wǎng)電磁閥 電源 RS232C 圖2 系統(tǒng)總體框圖 Fig2 Diagram of the system 溫室控制系統(tǒng)的核心是FX系列（FX2N—32MT)控制單元，它有16個(gè)開關(guān)輸入和16個(gè)開關(guān)輸出，內(nèi)置8000步的RAM存儲(chǔ)器和24V的電源模塊，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算功能，能夠基本實(shí)現(xiàn)溫室控制系統(tǒng)功能。16個(gè)開關(guān)輸入接口根據(jù)實(shí)際需要接自動(dòng)按鈕、手動(dòng)按鈕、晴/陰天切換按鈕等。PLC—般使用工頻電壓（220V，50HZ),釆用帶屏蔽層的隔離變壓器供電，以抑制供電電源中的干擾信號(hào)，并且在供電系統(tǒng)中加入U(xiǎn)PS不間斷電源，它平時(shí)處于充電狀態(tài)，當(dāng)輸入電源掉電時(shí)，UPS能自動(dòng)切換到輸出狀態(tài)，繼續(xù)向系統(tǒng)供電10?30分鐘，為了防止UPS內(nèi)部切換瞬時(shí)失電造成PLC計(jì)時(shí)電路混亂，在其兩端并接大容量電容，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 對(duì)于溫度、濕度、光照度、C02濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分別由溫濕度變送器(H7030型)、光照變送器（LT/G型)、C02變送器（CDD型）采集得到，為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)釆集量，這三種變送器都采用電流輸出量，采集到的模擬量不能直接送入PLC,而是利用外接FX系列擴(kuò)展模塊（FX2N—8AD),轉(zhuǎn)換成所需要的開關(guān)量后再與設(shè)定匹配參數(shù)進(jìn)行比較判斷。 驅(qū)動(dòng)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制要求對(duì)電磁閥和繼電器進(jìn)行通斷控制，在控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中間加入一個(gè)中間繼電器，既可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)的通斷，保證PLC的使用壽命，也可以屏蔽一定的干擾，提高系統(tǒng)的精確性。 利用通信擴(kuò)展板RS232—BD連接到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)與PLC間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通，即可以由PLC輸出數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)上，也可以由計(jì)算機(jī)設(shè)定數(shù)據(jù)輸入到PLC。二者主要以無(wú)協(xié)議通訊格式傳輸，RS指令控制。對(duì)于程序的設(shè)計(jì)輸入有兩種選擇，手持編程器或者是GPPW專用軟件。 2.5 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的要求 2.5.1 控制要求 溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求溫室內(nèi)的室溫隨時(shí)間而變化，控制范圍在10～30oC之間，當(dāng)溫室內(nèi)的溫度不符合要求時(shí)，根據(jù)室外溫度條件來(lái)確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若室內(nèi)溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)，比較室外與所設(shè)定的溫度，若不低于設(shè)定溫度值時(shí)，開啟通風(fēng)直到溫度達(dá)到設(shè)定值；否則開啟電暖氣采暖；若室內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度值時(shí)，比較室外與所設(shè)定的溫度，若不高于設(shè)定溫度值時(shí)，開啟通風(fēng)直到溫度達(dá)到設(shè)定值，否則投入降溫裝置；溫室內(nèi)的溫度控制還應(yīng)根據(jù)每一個(gè)不同的時(shí)間段自動(dòng)調(diào)節(jié)控制要求。 在溫度條件適合的情況下考慮濕度，濕度控制根據(jù)白天和晚上的不同時(shí)間而變化，控制范圍在75%?95%之間，當(dāng)濕度低于75%以下就進(jìn)行噴淋，若濕度超過(guò)95%時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行通風(fēng)，將濕空氣排出。 在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)，當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)傳感器測(cè)得的溫室內(nèi)光照強(qiáng)度大于作物的光飽和點(diǎn)以上時(shí)，開啟遮陽(yáng)網(wǎng)，以達(dá)到遮光降溫的目的，在設(shè)定的時(shí)間范圍外，或者光照強(qiáng)度未達(dá)到作物的光飽和點(diǎn)以上時(shí)，遮陽(yáng)網(wǎng)不動(dòng)作或關(guān)閉。 將早上的時(shí)間分為兩段，前半段時(shí)間內(nèi)，若C02濃度低于設(shè)定的濃度范圍, 開啟C02增施設(shè)備，同時(shí)要啟動(dòng)循環(huán)風(fēng)機(jī)，使室內(nèi)空氣產(chǎn)生流動(dòng)，避免形成靜止空氣層，確保通風(fēng)換氣設(shè)備關(guān)閉。而在接下來(lái)的時(shí)間段內(nèi)，若C02濃度還是低于設(shè)定的濃度值時(shí)，開啟通風(fēng)換氣，確保C02增施設(shè)備關(guān)閉。 2.5.2 用戶I/O設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)配置，選用FX2-32MT可編程控制器作為主控單元，其輸入、輸出點(diǎn)均為16個(gè)，基本滿足控制需要。同時(shí)選用FX2N-8AD擴(kuò)展模塊，可將溫濕度、光照度等傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理后發(fā)送到PLC的內(nèi)存中。PLC各個(gè)輸入/輸出點(diǎn)分配情況如表1、表2所示。 表1 PLC輸入點(diǎn)分配 Table 1 Input point distribution of PLC 輸入 類型 數(shù)量 輸入點(diǎn) 溫濕度傳感器 模擬 4個(gè)（室內(nèi)和室外各2個(gè)） 接FX2N-8AD輸出口 光照度傳感器 模擬 1 接FX2N-8AD輸出口 晴一陰天切換SB13 開關(guān) 1 X2 C02濃度傳感器SQ1 開關(guān) 1 X3 自動(dòng)運(yùn)行SB1 開關(guān) 1 X4 手動(dòng)運(yùn)行SB2 幵關(guān). 1 X5 遮陽(yáng)網(wǎng)啟動(dòng)SB3 開關(guān) 1 X6 遮陽(yáng)網(wǎng)停止SB4 開關(guān) 1 X7 抽風(fēng)機(jī)啟動(dòng)SB5 幵關(guān) 1 X10 抽風(fēng)機(jī)停止SB6 開關(guān) 1 XII 濕簾風(fēng)機(jī)啟動(dòng)SB7 開關(guān) 1 X12 濕簾風(fēng)機(jī)停止SB8 開關(guān) 1 X13 循環(huán)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)SB9 開關(guān) 1 X14 循環(huán)風(fēng)機(jī)停止SB10 開關(guān) 1 X15 電暖器啟動(dòng)SB11 開關(guān) 1 X16 電暖器停止SB12 開關(guān) 1 X17 表2 PLC輸出點(diǎn)分配 Table 2 Output point allocation of PLC 輸出 類型 數(shù)量 輸出點(diǎn) 報(bào)警指示燈KM8 開關(guān) 1 Y10 噴淋KM7 開關(guān) 1 Y11 釋放C02設(shè)備KM9 開關(guān) 1 Y12 抽風(fēng)機(jī)KM2 開關(guān) 1 Y13 循環(huán)風(fēng)機(jī)KM1 開關(guān) 1 Y14 濕簾風(fēng)機(jī)KM3 開關(guān) 1 Y15 遮陽(yáng)網(wǎng)KM4 開關(guān) 1 Y16 電暖氣KM6 開關(guān) 1 Y17 2.6 溫室監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)主回路的設(shè)計(jì)，控制回路設(shè)計(jì)，PLC輸入/輸出回路設(shè)計(jì)等部分。 2.6.1 主回路設(shè)計(jì) 電氣控制系統(tǒng)上將高壓、大電流的回路稱為主回路。主回路主要包括用于電機(jī)控制的接觸器（如KM1、KM2等）、電機(jī)保護(hù)的斷路器（如FU1、FU2等)、各種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電路的接觸器（如KM6、KM7等)、電源總開關(guān)（Q)等。 在主回路的設(shè)計(jì)中，首先要考慮電源總開關(guān)（Q)的設(shè)定，總開關(guān)的設(shè)定要求是有足夠的分?jǐn)嗄芰Γ軌蚍謹(jǐn)嗵幱凇岸罗D(zhuǎn)”狀態(tài)的最大電動(dòng)機(jī)的電流與其他所有用電設(shè)備和電動(dòng)機(jī)的電流總和。 為了對(duì)設(shè)備主回路進(jìn)行可靠、有效的保護(hù)，設(shè)備中每一獨(dú)立的部件都要安裝用于短路、過(guò)電流保護(hù)的保護(hù)器件（如斷路器、熔斷器等），保護(hù)器件要能夠可靠分?jǐn)啾槐Ｗo(hù)的用電設(shè)備或電動(dòng)機(jī)。 控制系統(tǒng)應(yīng)安裝總接地母線（N)，用于電位平衡與接地。與主回路連接的各種獨(dú)立電氣控制裝置，應(yīng)有專門的、符合要求的接地連接線與設(shè)備接地母線進(jìn)行連接，以防止干擾，提高可靠性。 用于系統(tǒng)安全保護(hù)、緊急停機(jī)控制裝置的輔助電源（如開關(guān)電源等），要確保不會(huì)因“急?！钡炔僮鞫?jǐn)?。如圖3所示為主回路原理圖 圖3 主回路原理圖 Fig3 Diagram of the main circuit 2.6.2 控制回路設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)中的控制回路，是指由繼電器、接觸器等低壓電器構(gòu)成的強(qiáng)電控制回路?？刂苹芈钒姍C(jī)、電氣控制裝置、電磁閥等設(shè)備的啟動(dòng)/停止控 制線路，主回路中接觸器的通斷控制電路等，其中KTW1、KTW2、KTE1、KTE2都為繼電器分別對(duì)應(yīng)二氧化碳濃度、光照度、溫度以及濕度。如圖4所示為部分控制回路的電氣控制線路圖。 圖4 控制回路圖 Fig 4 Diagram of control circuit 第三章 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的元器件選擇及軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要由三部分組成，信息采集系統(tǒng)、智能控制單元和驅(qū)動(dòng)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)。利用在溫室內(nèi)外安裝的溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等設(shè)備來(lái)采集室內(nèi)外的溫濕度、光照度和CO2濃度，然后把相關(guān)的環(huán)境參數(shù)變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)而送給模擬量輸 入模塊；模擬量輸入模塊把標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)換成PLC可處理的數(shù)字信息；PLC對(duì)此信息進(jìn)行處理后，根據(jù)一定的規(guī)則產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息輸出，從而控制驅(qū)動(dòng)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如循環(huán)風(fēng)機(jī)、電暖氣、遮陽(yáng)網(wǎng)等)，使溫室內(nèi)的氣候環(huán)境達(dá)到作物的生長(zhǎng)發(fā)育需要。如圖5所示為溫室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)框圖。 圖5 溫室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)框圖 Fig 5 Diagram of the computer monitoring system in the greenhouse 大部分的工業(yè)控制中，不可避免的要與模擬量打交道。模擬量是指一些連續(xù)變化的物理量，如溫度，濕度，光照度和C02濃度等，模擬量是連續(xù)量，多數(shù)是非電量。而PLC只能處理數(shù)字量、電量。因此要有傳感器，把模擬量轉(zhuǎn)換成電量，如果這電量是不標(biāo)準(zhǔn)的，還需要有變送器，把電量變換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，如4～20mA、1?5V、0?10V 等[10]；還要有模擬量（A)到數(shù)字量（D)轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊，把這些標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)后，再傳送到PLC進(jìn)行處理[11]。如圖6所示為信息采集系統(tǒng)。 溫濕度變送器 H7030型 CO2變送器 CDD型 光照度變送器 LT/G型 FX2N-8AD PLC 圖6 信息采集系統(tǒng) Fig 6 The information collection system 3.1 傳感變送器的選用 變送器將溫度、濕度、光照度等物理量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的直流電流或電壓，變送器分為電壓輸出型和電流輸出型。電壓輸出型具有恒壓源的性質(zhì)，但是輸入阻抗很高，如果變送器距離PLC較遠(yuǎn)時(shí)，通過(guò)線路間的分布電容和分布電感感應(yīng)的干擾信號(hào)在模塊的輸入阻抗上將產(chǎn)生很高的干擾電壓，所以在遠(yuǎn)程傳送 模擬量電壓信號(hào)時(shí)抗干擾能力很差。而電流型變送器具有恒流源的性質(zhì)，輸入阻抗很低，線路上的干擾信號(hào)在模 塊的輸入阻抗上產(chǎn)生的干擾電壓很低，因此現(xiàn)在工業(yè)上廣泛使用適于遠(yuǎn)程傳送的電流型變送器，通常用4?20mA電流來(lái)傳輸模擬量。本系統(tǒng)選用的傳感器其主要技術(shù)指標(biāo)如下： 表3 傳感器主要參數(shù)指標(biāo) Table 3 Main parameter of the sensor index 類型 測(cè)量范圍 輸出 備注 溫濕度變送器H7030 溫度范圍: -10?60OC 4?20mA 溫度傳感器：PT100 濕度范圍：0?100% 濕度傳感器：HIH3610 光照傳感器LT/G 0?200000LUX 4?20mA C02濃度傳感器CDD 0?2000ppm 4?20mA 3.2 模擬量輸入模塊的選擇 模擬量輸入模塊的選型除了要考慮能與主機(jī)單元相容外，還要考慮模擬量輸入模塊的性能，包括分辨率、轉(zhuǎn)換速度、通道數(shù)以及量程等。應(yīng)此次系統(tǒng)的要求，我們選 擇FX2N—8AD模擬輸入模塊作為模擬量的輸入。 3.2.1 概述 FX2N—8AD模擬模塊將8點(diǎn)模擬輸入數(shù)值（電壓輸入、電流輸入和溫度 輸入）轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，并把它們傳輸?shù)絇LC主單元。這個(gè)模塊采用擴(kuò)展電纜連接到PLC主單元的右邊，并占有16個(gè)擴(kuò)展I/O地址（8點(diǎn)輸入、8點(diǎn)輸出)，其模擬量的輸入范圍有一10V到+ 10V (分辨率有0.63mV與2.5mV)、-20mA 到+20mA (分辨率有 2.50 u A 與 5.00 u A)、+4mA 到+20mA (分辨率有 2.00 UA與4.00UA)。它與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換利用該模塊內(nèi)部的緩沖存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱為 BFM),數(shù)字輸出為16位有符號(hào)的二進(jìn)制[12]。 3.2.2FX2N—8AD的電路接線 圖7 電壓電流接線原理圖 Fig 7 The wiring schematic of voltage and current FX2N-8AD的幾個(gè)輸入通道可以同時(shí)分別輸入直流電壓和電流信號(hào)。在使用時(shí)有幾個(gè)問(wèn)題要注意，如上圖所示，其模擬量的輸入接線端為V+，1+和COM三個(gè)，其中COM為電壓輸入和電流輸入的參考端，與電路內(nèi)部的經(jīng)過(guò)隔離的模擬地AG相聯(lián)。如果輸入信號(hào)為電流，則電流輸出信號(hào)的正端必須同時(shí)接V+和1+，它實(shí)際上是利用內(nèi)部的一個(gè)接AG端的250Q電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后再?gòu)碾妷狠斎攵溯斎?，?jīng)過(guò)兩個(gè)電阻分壓進(jìn)入模擬信號(hào)輸入通道。本次系統(tǒng)全部選用電流模擬輸入信號(hào)，以避免干擾。 3.2.3 緩沖存儲(chǔ)器的分配（BFM) 通過(guò)FX2N-8AD的緩沖存儲(chǔ)器來(lái)完成FX2N-8AD和PLC主單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)BFM包含1個(gè)字，16位，BFM的編號(hào)從0到3399，每個(gè)BFM分配一項(xiàng)功能。在電源由關(guān)閉打開時(shí)，在每個(gè)BFM中寫入初始值，若要更改其內(nèi)容，則需創(chuàng)建一個(gè)PLC程序。需要注意的是，不能訪問(wèn)由FROM/TO指令保留的緩沖存儲(chǔ)器，否則會(huì)引起錯(cuò)誤。 表4 BFM編號(hào)說(shuō)明 Table 4 The description of the BFM BFM編號(hào) 說(shuō)明 初始值 #0 指定CH1—CH4的輸入模式 裝運(yùn)時(shí)為H0000 #1 指定CH5—CH8的輸入模式 裝運(yùn)時(shí)為H0000 #2-#9 CH1-CH8設(shè)置范圍的平均次數(shù)：1到4095次 1 #10-#17 CH1—CH8數(shù)據(jù)（直接數(shù)據(jù)或平均數(shù)據(jù)） K0 #21 寫入I/O值（寫入偏移/增益值后自動(dòng)返回K0) K0 #29 錯(cuò)誤狀態(tài) K0 #30 型號(hào)編碼（K2050) K2050 #41-#48 CH1-CH8偏移數(shù)據(jù)（mV或uA) K0 #51-#58 CH1-CH8增益數(shù)據(jù)（mV或nA) R4000 BFM#0,#1：指定輸入模式。在BFM#0里寫入一個(gè)數(shù)值，可以指定CH1到CH4的輸入模式。而在BFM# 1里寫入一個(gè)數(shù)值，可以指定CH5到CH8的輸入模式。在輸入模式的指定中，每一個(gè)BFM表示為一個(gè)4位十六進(jìn)制的代碼，每一位分配了一個(gè)通道的編號(hào)，對(duì)每一通道，在每一位中指定一個(gè)0到F的數(shù)值。其中各個(gè)數(shù)值代表不同的輸入模式，根據(jù)所選購(gòu)傳感器的類型要求，我們選擇電流輸入模式（4到20mA)，分辨率為4.00uA，即通道數(shù)值取3。當(dāng)輸入通道不用的時(shí)候，相應(yīng)的通道數(shù)值為F。根據(jù)此次系統(tǒng)內(nèi)的要求，令BFM#0=H3333, BFM#l=H3FFF。 BFM#2到BFM#9:平均次數(shù)。設(shè)置范圍為1到4095。若設(shè)為1時(shí)，則保存直接數(shù)據(jù)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，選擇平均次數(shù)為8。 BFM#10到BFM#17:通道數(shù)據(jù)。每一個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入BFM#10到BFM#17。通道設(shè)置平均次數(shù)，可以選擇直接數(shù)據(jù)或平均數(shù)據(jù)。 BFM#21：寫入1/0特性。每一個(gè)通道號(hào)被分配到BFM#21的低8位，如下所示。若一個(gè)位被設(shè)為1,則指定編號(hào)通道的偏移數(shù)據(jù)和增益數(shù)據(jù)將寫入內(nèi)存，并開始生效[13]。 3.2.4 數(shù)據(jù)的采樣與轉(zhuǎn) 圖8 模擬量輸入值與A/D轉(zhuǎn)換值線性圖 Fig 8 The analogue linear map of input data and A/D conversion data 轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)綜合考慮變送器的輸入/輸出量程種和模擬量輸入模塊的量程，找 出被測(cè)物理量與A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)之間的比例關(guān)系。如上圖所示，模擬量輸出的值是二進(jìn)制數(shù)與設(shè)定值溫度對(duì)應(yīng)的公式為,濕度對(duì)應(yīng)的公式為,其中XI代表溫度值，X2代表濕度值。由此可得出溫濕度相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，如表5所示（以溫濕度為例)。 表5 溫濕度轉(zhuǎn)換值 Table 5 The conversion data of temperature and humidity 溫度值XI(OC) 二進(jìn)制值 濕度值X2 (%) 二進(jìn)制值 10 2000 40 2320 12 2080 70 3160 16 2240 75 3300 20 2400 80 3440 25 2600 85 3580 28 2720 90 3720 30 2800 95 3860 3.2.5 讀取模擬量輸入模塊的方法 使用FX2N—8AD采集模擬數(shù)據(jù)到PLC，首先應(yīng)將FX2N—8AD連接到最靠近PLC主單 元的單元編號(hào)（本次設(shè)計(jì)采用單元編號(hào):0)，其次設(shè)置模擬量輸 入模塊的輸入模式，即將使用的通道值設(shè)為3,未使用的通道值設(shè)為F;設(shè)置通 道的平均次數(shù)，此次是應(yīng)用于溫室中，傳感器傳輸數(shù)據(jù)滯后，故對(duì)平均值要求不高，此次設(shè)置每個(gè)通道的平均次數(shù)為10，具體應(yīng)用可參考實(shí)際情況更改；設(shè)置輸入PLC主機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址為D500—D504，分別對(duì)應(yīng)室內(nèi)溫度值、室外溫室值、室內(nèi)濕度值、室外濕度值、光照度值（操作中以實(shí)際應(yīng)用為主）。 工作過(guò)程：在首次掃描時(shí)，從特殊功能模塊NO.O號(hào)中的BFM#30中讀出標(biāo)識(shí)碼，存放在基本單元D0中，如果是FX2N—8AD,設(shè)置通道CH1—CH5的量程，確保修改完輸入模式后執(zhí)行寫入TO指令時(shí)至少有6秒的時(shí)間間隔，設(shè)置通道CH1—CH5的平均次數(shù)、偏移數(shù)據(jù)和增益數(shù)據(jù)，分別為K8、K1200、K4000。然后將模塊運(yùn)行狀態(tài)從BFM#29讀入M30—M45，如果模塊運(yùn)行沒(méi)有錯(cuò)誤，且數(shù)字量輸出正常，則將通道CH1—CH5的平均采樣值分別存入D500—D504中。如圖9為A/D模塊設(shè)置的梯形圖。 圖9 A/D模塊設(shè)置的梯形圖 Fig 9 Ladder diagram set by the A / D module 3.3 時(shí)間控制 PLC內(nèi)部時(shí)鐘的時(shí)間和日期存儲(chǔ)在D8013～D8019中，如下表所示。第一次上電工作時(shí)，PLC利用TRD時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀取指令將存儲(chǔ)在D肋13?D8019中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間和日期數(shù)據(jù)讀到為首地址的7個(gè)連號(hào)單元中。如表6所示。 表6 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間日期范圍 Table 6 The range of time and date real-time clock's 數(shù)據(jù)寄存器 時(shí)間日期 時(shí)間日期取值范圍 D8018 年（公歷） 0—99 (公歷后2位） D8017 月 1-12 D8016 日 1-31 D8015 時(shí) 0—23 D8014 分 0—59 D8013 秒 0—59 D8019 星期 0 1 2 3 4 5 6 日 一 二 三 四 五 六 溫室內(nèi)作物各個(gè)時(shí)段所適合的溫濕度并不一致，按照一般規(guī)律的話，溫室內(nèi)最低氣溫出現(xiàn)在日出前，此后溫度迅速上升，每小時(shí)平均升溫5?6OC，到12時(shí)后緩慢上升，最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間因天氣而異，晴天出現(xiàn)在13時(shí)，比自然界提前1個(gè)小時(shí)，陰天時(shí)最高氣溫出現(xiàn)在云層較薄、散射光較強(qiáng)時(shí)候，接著氣溫開始下降，直至第二天日出后升溫。而溫室內(nèi)空氣濕度的日變化規(guī)律與溫度相反，隨著溫度的升高，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度呈下降趨勢(shì)，中午前后空氣相對(duì)濕度在60%?70%，午后開始逐漸升高，到夜間時(shí)空氣相對(duì)濕度達(dá)90%以上，甚至處于飽和狀態(tài)，而后一直持續(xù)到第二天清晨。內(nèi)空氣相對(duì)濕度的變化隨季節(jié)和天氣而有所差別。從季節(jié)來(lái)看，低溫季節(jié)比高溫季節(jié)變化幅度大，南部城市，夏季由于帶來(lái)的強(qiáng)降水影響，空氣相對(duì)濕度在80%?90%間，使得溫室內(nèi)的空氣相對(duì)濕度都在90%以上；冬季由于空氣中水汽含量的減少，空氣相對(duì)濕度降低至70%左右，因此溫室內(nèi)空氣相對(duì)濕度在80%左右。從天氣情況來(lái)看，陰天特別是雨天，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度可達(dá)80%?90%，甚至100%;而晴天空氣相對(duì)濕度則在70%～80%。 溫濕度要在一定的時(shí)間段基礎(chǔ)上進(jìn)行控制，因此根據(jù)控制要求，將一天之中分成五個(gè)時(shí)段，分別為： 6:00:00----8:59:59; 9:00:00----13:59:59; 14:00:00----16:59:59; 17:00:00----20:59:59; 21:00:00---5:59:59 (該時(shí)段分割成21:00:00---23:59:59與00: 00:00---5:59:59) 將這四個(gè)時(shí)段與實(shí)時(shí)時(shí)鐘比較輸出M。如表7所示。 表7 實(shí)時(shí)時(shí)鐘比較輸出值 Table 7 The comparison and output data of the real-time clock's Time Time Time <14 =14 >14 M10 M11 M12 Time Time Time Time< Time Time> <9 =9 >9 17 =17 17 M13 M14 M15 M16 M17 M18 Time< Time Time Time< Time Time> 6 =6 >6 21 =21 21 M22 M23 M24 M19 M20 M21 M22- M23 M24 M14 M15 M11 M16 M17 M19 M20 M21 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 處于 0:0:0 -- 6:0:0 6:0:0 -- 9:0:0 9:0:0 -- 14:0：0 14:0:0 -- 17:0:0 17:0:0 -- 21:0:0 21:0:0 -- 5:59 8:59 13:59 16:59 20:59 23:59 :59 :59 :59 :59 :59 :59 3.4 溫度控制 3.4.1 升溫和降溫的元器件選擇 當(dāng)溫室內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度，設(shè)定溫度又高于室外溫度時(shí)，投入升溫設(shè)備。升溫設(shè)備也叫采暖系統(tǒng)，它一般是由熱源、室內(nèi)散熱設(shè)備和熱媒輸送系統(tǒng)組成 的。目前溫室米暖系統(tǒng)主要有熱水采暖、熱風(fēng)米暖、地面米暖等方式。根據(jù)湖南省的氣候條件，可知溫室內(nèi)的濕度都比較大，一般在75%～85%間，如果采用熱水采暖，雖然熱損失較小，但是會(huì)加劇室內(nèi)濕度值，且一次性投資較多，不適宜小面積的單棟溫室。雖然熱風(fēng)采暖系統(tǒng)的加溫運(yùn)行費(fèi)用比熱水采暖系統(tǒng)高，不過(guò)它的投資小、安裝簡(jiǎn)單，而且福建省的冬季溫度高，冬季采暖時(shí)間較短，所以綜合考慮各方面因素，本次設(shè)計(jì)采用熱風(fēng)采暖系統(tǒng)也就是使用電暖氣。 濕簾一風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)由濕簾、抽風(fēng)機(jī)、水循環(huán)系統(tǒng)以及控制裝置組成。它是利用水蒸發(fā)降溫原理，將濕簾與抽風(fēng)機(jī)分別安裝在溫室的兩側(cè)，當(dāng)抽風(fēng)機(jī)抽風(fēng)時(shí)，造成室內(nèi)負(fù)壓，迫使室外未飽和空氣流經(jīng)多孔濕潤(rùn)的濕簾表面，引起水分蒸發(fā)，使室內(nèi)的空氣溫度降低。濕簾一風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)在低濕干熱的情況下降溫效果最好，若室外空氣濕度較大時(shí)，它的降溫效果就差，而且濕簾-風(fēng)機(jī)需要密閉的環(huán)境，不利用于自然通風(fēng)，在福建地區(qū)由于夏季的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)帶來(lái)普遍的 高濕環(huán)境，若用此系統(tǒng)降溫效果不大。 噴霧降溫系統(tǒng)的原理則是利用設(shè)備將水變成細(xì)微顆粒狀噴入空氣中，利用水蒸發(fā)吸收周圍空氣的熱量來(lái)降溫室內(nèi)溫度。目前裝置一般采用固定式，根據(jù)噴霧動(dòng)力的不同，分成液力式噴霧、氣力輔助式噴霧和離心式噴霧[14]。噴霧降溫系統(tǒng)在加強(qiáng)換氣通風(fēng)的前提下，降溫效果較好，但當(dāng)室內(nèi)空氣濕度較大時(shí)，降溫效果受到限制，且該系統(tǒng)對(duì)霧化的元件要求較高，一次性投資較大，因此在南方地區(qū)雖然有一定的降溫效果，但是仍要謹(jǐn)慎使用。 圖10 濕簾一風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)圖 Fig 10 The cooling system of wet curtain fan 結(jié)合我省特有的氣候條件，采用屋頂降溫方法最為有效，原理是在屋頂安裝水管，利用水的蒸發(fā)吸熱降低溫室內(nèi)部溫度，一方面該系統(tǒng)投資的設(shè)備成本低，對(duì)元件要求不高，減輕了室內(nèi)空氣濕度的影響，另一方面落在屋頂?shù)乃梢晕詹糠譄彷椛?，阻止溫室?nèi)溫度的快速回升，對(duì)作物的生長(zhǎng)較為有利。但是它降溫的效果畢竟有限，所以在安裝屋頂降溫系統(tǒng)的同時(shí)應(yīng)加一些輔助系統(tǒng)，如自然通風(fēng)降溫、遮陽(yáng)降溫等，降溫效果會(huì)更好。 3.4.2 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)不同時(shí)間段來(lái)設(shè)置不同的程序，首先在6:00:00至8:59:59這一時(shí)間段內(nèi)，植物所需要的溫度為20oC。當(dāng)1分鐘內(nèi)室內(nèi)溫度都一直低于20oC時(shí)，電暖氣投入運(yùn)行并同時(shí)開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)；當(dāng)1分鐘內(nèi)室內(nèi)溫度一直高于20oC時(shí)，考慮天氣情況，若是晴天，則讓室內(nèi)溫度超過(guò)30oC時(shí)進(jìn)行降溫，否則不動(dòng)作；若是陰天時(shí)，則要直接進(jìn)行降溫。 9:00:00至13:59:59這一時(shí)間段內(nèi)；晴天所要的溫度在30OC，陰天所要的溫度在28OC。當(dāng)室內(nèi)溫度低于30OC