基于PLC的日光溫室二氧化碳氣肥調控系統設計

單慧勇　趙輝　楊延榮等

摘要： 為了進一步提高溫室大棚農作物產量，設計出了一種新型溫室CO2濃度調控系統。以海微Hw-36MT-3DA型PLC為控制中心，利用溫濕度、光強、CO2濃度等多路傳感器對溫室環境參數進行采集，采用模糊控制技術，控制電加熱氣肥發生器的工作狀態，實現對溫室CO2濃度的實時調節；上位機選用MCGS觸摸屏，實現對系統狀態的實時監控。

關鍵詞： 溫室；二氧化碳；模糊控制；PLC

中圖分類號：TP273+ 4；S625 5 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0388-03

現有的溫室大棚主要通過控制溫度、濕度和光照來達到增產目的，二氧化碳作為植物生長光合作用的必要原料，合理適時施用CO2氣肥是提高設施農業產量和品質的重要手段 [1]。目前市場上電加熱型二氧化碳氣肥發生器多采用開環定時控制，不具備閉環控制功能，不能實時準確控制CO2施肥量，無法達到對CO2濃度的準確控制，尤其是在日出后光合作用旺盛期間經常處在虧缺狀態，影響溫室作物產量。因此，本研究擬設計一種基于PLC的智能日光溫室環境監控系統，實現對CO2氣肥補施、溫濕度、光照度等溫室環境因子的綜合調控。

1 系統硬件設計

系統下位機采用PLC為控制中心，通過溫濕度、光強、CO2濃度、土壤濕度等多路傳感器將溫室環境數據實時傳到數據采集模塊，再通過RS485總線傳給PLC，系統根據溫室環境參數綜合判斷，控制執行機構進行CO2氣肥補施。MCGS觸摸屏作為系統的上位機，通過RS232實現與PLC通信，具有實時顯示、儲存數據及對歷史數據統計等功能。系統有自動/手動2種工作狀態，自動模式下系統依據檢測環境參數和相關設定自動調控氣肥發生器，手動模式用于手動調節控制。系統組成結構如圖1所示 [2]。

1 1 PLC的選擇

目前市場上PLC的種類很多，如三菱、歐姆龍、西門子等，根據設計要求，選擇國產海微Hw-36MT-3DA型PLC，具有可靠性高、抗干擾能力強及價格低廉等特點。該PLC可以直接驅動大功率電磁閥，通信接口有RS232C、RS485、SPI_MS，36路I/O輸入輸出，程序空間為256K步，不用電池記憶，無需維護，編程語言采用梯形圖，支持高級語言（C，C+ +）混合。

[ （W11][TPSHY11 TIF]

1 2 傳感器的選擇

1 2 1 CO2傳感器 CO2傳感器選用CM1101，該傳感器模塊采用NDIR紅外測量原理，即CO2在紅外線波長區域具有吸收光譜，當對應某一氣體特征吸收波長的光波通過被測氣體時，其強度將明顯減弱，強度衰減程度與該氣體濃度有關，測量范圍0～5 000 mg/kg，供電電壓DC 5 V±5%，電壓線性輸出DC 0 8～4 V。

1 2 2 溫濕度傳感器 采用LM-300智能溫濕度采集模塊，它是一種具有廣泛前景的全數字化溫濕度采集模塊，采集溫度范圍-40 ℃～+85 ℃，精確度±0 1 ℃，相對濕度范圍0～100%， 精度為±10%。該模塊可通過隔離的RS485通信接口與RS485現場總線連接，采用MODBUS RTU協議，有操作簡單、實用性強、傳輸距離遠、精度高、受環境影響小等特點。

1 2 3 光照度傳感器 光照度傳感器為KZD系統的光照度變送器，由對弱光也有較高靈敏度的硅藍光伏探測器組成，具有測量范圍寬、線性度好、防水性能好、便于安裝、傳送距離遠等特點。適用于各種場合，尤其是溫室大棚。該傳感器暗電流小，低照度響應，靈敏度高，電流隨光照度增強呈線性變化；能輸出較大的電流和范圍較寬的工作電壓，溫度穩定性好，測量范圍較廣，范圍為0～105 lx。該傳感器的供電電源為DC 12～30 V，可采用二線制4～20 mA電流輸出或三線制0～5 V電壓輸出。

1 2 4 土壤濕度傳感器 采用FDS100土壤水分傳感器，具有測量精度高、響應速度快、土質影響較小、密封性好、價格低廉等特點。該傳感器輸出為DC 0～5 V，在飽和含水量范圍內具有良好的線性特征。

1 3 人機接口

選用北京昆侖通態自動化科技有限公司型號為TPC1062K的觸摸屏。觸摸屏與PLC聯機能實時顯示傳感器所測數據，設計與實際系統相近的組態界面，使系統在控制、功能、顯示上更為具體直觀。

2 系統的軟件設計

2 1 模糊控制設計

2 1 1 模糊控制基本結構 日光溫室環境具有時變性、非線性和時滯性的特點，很難用準確的數學模型去描述。模糊控制從本質上來說是一種非線性智能控制技術，它無須知道被控對象的精確數學模型，而是根據經驗控制行為，遵循反饋及反饋控制思想，總結成一系列控制規則，并運用軟件程序加以實現。因此采用模糊控制技術可以較好地實現溫室CO2的靈活調節。

系統首先通過模糊控制器對輸入變量e和ec的精確量分別模糊量化成模糊量，再由e、ec和模糊控制規則R根據推理合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量，最后將模糊控制量解模糊成精確量輸出。控制器結構如圖2所示 [3]。

[ （W9][TPSHY22 TIF]

2 1 2 輸入輸出變量模糊化

系統采用雙輸入單輸出的模型，將CO2濃度偏差e及其變化率ec（ec=de/dt）作為模糊控制的2個輸入變量，控制二氧化碳發生器加熱裝置的繼電器開啟時長作為輸出變量T。根據溫室CO2濃度變化的歷史數據進行分析，溫室的CO2濃度偏差變化范圍為-6%～6%，是農作物最佳的生長環境。設置CO2濃度偏差e的變化范圍為[-6，6]，模糊論域取值為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，則偏差的量化因子K1=1；CO2濃度偏差變化率ec變化范圍為[-1，1]，模糊論域取值為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，則偏差變化率的量化因子K2=6。CO2濃度的模糊語言變量設置為正大（PL）、正中（PM）、正小（PS）、零（Z）、負小（NS）、負中（NM）、負大（NL）。隸屬度函數選用三角形函數，輸入變量隸屬度函數如圖3所示。endprint

輸出變量T不存在負值，變化范圍為[0，60]，模糊論域取值為[0，1，2，3]，量化因子K3=20，控制器加熱時間的模糊語言變量為零（Z）、短時（PS）、中時（PM）、長時（PL），輸出變量隸屬度函數如圖4所示。為達到精確加熱目的，將控制繼電器開啟時長分為4段：關閉、20 min、40 min、60 min。

2 1 3 模糊控制規則 模糊控制規則實質上是將操作者在控制過程中的實踐經驗（即手動控制策略）加以總結而得到的一條條模糊條件語句的集合。選取控制量變化的原則是當偏差大或較大時，選擇控制量以盡快消除偏差為主；而當偏差較小時，選擇控制量要以防止超調和保證系統的穩定性為主。

根據模糊控制的規則，對于雙輸入、單輸出模型的模糊控制器，控制語句可寫成“if-and-then”條件語句的形式，例如：if E=NL and EC=PL then T=PS，表明當前CO2濃度負大，且CO2偏差變化率正大，則控制器輸出控制量為PS，此時繼電器開啟短時工作模式；if E=PL and EC=PL then T=Z，表明當前CO2濃度正大，且CO2偏差變化率為正大，則此時繼電器關閉，停止加熱。表1為模糊控制器的控制規則。在現實的應用當中，可根據不同情況對控制規則進行調整和完善，逐步形成最佳方案。

系統采用Mamdani模糊推理方法，根據模糊關系R=E×Ec×T 可算出所有控制規則所對應的，然后再根據偏差和偏差的論域值計算出模糊控制量，最后根據從屬度最大原則進行模糊決策，使模糊量轉換為精確量，將其乘以相應的比例因子K3，即得到繼電器開啟的時長 [4]。

2 2 人機界面的設計

人機界面由觸摸屏通過MCGS組態軟件設計實現，根據系統的設計要求，分為手動和自動兩部分，系統啟動進入自動模式完成相應設定后，組態就可以通過傳感器模塊自動采集環境參數，根據系統參數的設置，自動控制溫室環境。手動模式下，用戶可以任意控制設備，通過上位機界面直接控制，方便快捷。手動和自動二者互相協調，共同實現高效管理。設計上位機組態主界面如圖5所示。

3 結論

通過測試和實際應用設計的溫室二氧化碳測控系統具有以下特點：（1）系統以PLC為控制中心，利用多路傳感器可對CO2、溫濕度、光照度、土壤濕度等實時監測；（2）為取得理想的控制效果，采用模糊控制實現溫室二氧化碳濃度的調控；（3）采用MCGS觸摸屏，實時監控系統工作狀態，人機交互友好；（4）為了增強系統的通用性和使用靈活性，硬件、軟件均采用了模塊化結構。

參考文獻：

[1] 朱慶松，劉秀青 設施蔬菜二氧化碳施肥技術[J] 北方園藝，2013（17）：55-57

[2]王智乾 基于PLC的溫室模糊灌溉控制系統研究[D] 昆明：昆明理工大學，2012

[3]李紅萍，賈秀明，趙曉莉 基于MCGS的PLC溫度監控系統設計[J] 工業儀表與自動化裝置，2012（5）：83-85，88

[4]崔天時，楊廣林，劉 磊，等 基于模糊控制的溫室灌溉控制系統的研究[J] 農機化研究，2010，32（3）：84-86endprint