基于PLC的温室智能灌溉控制系统研究-精品.docx

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1、基于P1.C的温室智能灌溉控制系统研究摘要水资源的匮乏是当今世界面临的重大问题之一，已引起了世界各国的广泛关注。农业生产是我国第一用水大户，水资源的紧缺凸显出节水农业的重要意义。温室作为农业生产中重要的一部分，在农业节水中扮演着越来越重要的角色。我国温室大棚绝大多数采用传统的沟畦灌，水的利用率只有40%,温室灌溉设备和系统较发达国家落后，引进的设备价格昂贵品种较少，满足不了农业生产发展的需要。正是在这样的背景下，从我国温室灌溉系统和设备现状出发，展开了温室灌溉控制系统的研究。本文从影响作物生长的湿度环境入手，分析确定了温室灌溉决策因子，通过对比分析，选用滴灌方式进行温室灌溉，在此基础上，提出以

2、P1.C作为现场控制器，设计了一套用于温室灌溉的控制系统。文章对整体方案进行了设计构思，提出以P1.C作为下位机的分布式控制系统。之后对控制系统的硬件部分进行了设计，选用了三菱公司FX2N系列P1.C,以及专用的A/D转换模块，并对传感器进行了选择。根据温室灌溉环境的特点，将模糊控制理论引入到灌溉控制系统中，温室土壤具有时滞性、非线性和纯滞后性等特点，而模糊控制的鲁棒性强可以满足系统的要求。根据长期操作者的灌溉经验和农业部门对灌溉实践的总结，参照一些成功的温室灌溉实例，编制了模糊控制规则，设计了模糊控制器。模糊控制器就以P1.C为载体，通过P1.C程序的编制，使模糊控制得以很好的实现。根据滴灌

3、水运动规律，本文制定了一套灌溉控制策略，依据策略进行P1.C程序的编制，实现了温室灌溉控制系统的自动闭环控制。并用组态软件设计了上位机人机界面，实现了系统的监控、报警、数据采集、实时和历史信息的查询、手动和自动开关的转换的功能。通过模拟实验验证，说明了程序和上位机界面的可行性，并用MAT1.AB软件进行仿真验证，说明模糊控制器在灌溉控制中的优越性。系统达到总体设计要求，为温室灌溉控制的研究开发提供了一种思路方法。关键词：温室灌溉；土壤湿度；控制策略；P1.C；模糊控制；第一章绪论本章论述了选题背景、课题研究现状和选题意义，介绍了现代温室灌溉控制技术的发展动态及现状，温室灌溉控制系统的发展趋势。

4、通过比较分析，得出连栋玻璃温室的特点，在此基础上论证了论文研究的目的及意义，并阐明了本论文的主要研究工作及内容。1.1 研究背景随着农业现代化的发展及农村种植结构的调整，传统的农业设施和管理模式已经不能满足社会高速发展的需要，而不受外界环境限制的“温室农业”大有取而代之之势。节能、高产、高效，有诸多优点的现代温室受到越来越多的农业生产者的欢迎。温室设施的大小也出现大规模的趋势，近年来配有现代自动控制技术的现代化连栋温室迅速发展，温室自动灌溉控制正在逐步应用到现代温室的生产和管理中，温室灌溉自动控制的已成为现代温室设施一个重要的基本配置。温室形形色色、各式各样，现有的类型有许多种，以下是温室的几

5、种划分方式：常见的玻璃温室、盖有塑料薄膜的温室、硬质塑料温室、聚酯板温室，是按照覆盖材料的不同来划分的；根据使用目的不同，可以分为生产用温室、庭院温室、实验温室、观光展览温室、餐饮温室（生态餐厅）；根据建筑形式的不同可以分为塑料大棚、日光温室、单栋温室和连栋温室，等等。每一种温室都有它的特点，例如塑料薄膜温室，覆盖材料成本较低，承重结构和安装要求简单，但保温性和保湿性较差，容易燃烧；硬质塑料或聚酯板温室的常用材料有聚碳酸酯（PC板）、聚氯乙烯（PVC板）等，这些材料质量轻、强度高、透光率好、使用时间长，但投资费用较高；玻璃温室的透光性好、坚固结实，保温性也不错，但是质量较重，要求有高的承重结构

6、，安装所需的配件和密封材料价格较高，相比之下，总成本较前两种类型要高。在选用温室类型的时候，要综合各方面因素，比如成本、当地气候特点及用途等，结合温室类型特点，选择合适种类。温室的结构类型地方特点鲜明，本地区气候条件对温室的结构影响很大。在我国，塑料温室和日光温室在现阶段应用非常广泛，是我国生产性温室的主要类型。日光温室只有一个单坡面，可以说是在中国才有的独特形式，它是根据我国所处的地理位置和环境条件，有科技研发人员研制的有鲜明中国特色的产物，我国北方地区一个重要特点就是冬季有较多晴天，可以说是热源充足，日光温室利用北方环境的特点，设计的结构可以很好的吸收光线的能量，基本不需要额外的热源，就能

7、达到保温加热的目的。日光温室成本低，能耗低，透光好，取材方便，经济效益好，所以在我国北方地区得到了广泛的推广应用，近十几年来发展很快，至今仍势头不减。而我国南方地区也形成了以塑料薄膜温室为主体的园艺设施。与北方地区相比，我国南方地区的光热资源更为丰富，在寒冷的冬季这一特点更为明显，使得温室的运营成本更为低廉。在我们南方，主要有三种类型的温室：塑料大棚、PC板温室和玻璃温室，其中华南型连栋塑料温室、华南型单栋塑料温室属于华南地区温室的代表。锯齿形尖拱形人字形Venlo图1.1常见的几种温室结构示意图我国西南地区纬度较低，海陆位置更靠近夏季风源地，为亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和湿润，降水

8、量和光热均多于华北地区。以云南省为例，云南有山原、季风气候特点，在云南的水平方向的不同地方和垂直高度上有很大的气候差异。由于所处的地理位置特别，海拔较高，因而高度的上升会带来气候很大的改变。一般每升高一百米，温度就会下降六度左右。常说的“一山分四季，十里不同天”，对云南地区的气候形容非常贴切。再有一点就是云南每天的温差比较大，而年份之间温差却很小。夏季最高温度平均二十度左右，最冷时基本在八度左右。年份温度误差不大，一般在十度到十五度之间。相比较日温差差别很大，早中晚温度差别可达到十二到二十度。还有就是云南干湿季节分明，降雨总体来说比较多，分布很不均匀。目前，云南的温室主要有三类：一类是隧道式竹

9、架拱棚，是有农民自己设计制作的一种简单实用的温室大棚。它的优点是制作简单、耗材容易得到，维护比较容易、成本低廉。缺点是拱棚里面的支架比较多，造成遮光面积变大，占用了很多土地空间，棚高一般较低，空间小，热容也较小，容易引起骤冷骤热的气候变化，这对作物的生长是不利的。云南鲜切花生产很多质量问题与温度的骤变是有直接关系的。第二类是国内生产的大棚，这种大棚骨架是由普通钢架组成，结构也比较简单，空间宽敞了许多，服务寿命也比竹架大棚长了一些。这种温室整体来说较竹架大棚进步了很多，但是从园艺环境角度来看，它的采光性和自然通风性还是不够好，与之匹配的设备少，而且对环境因子的调节性能较差，管理上也比较粗放，所以

10、对一些品质要求比较高的花卉生产，还是难以完全满足要求。再一类是引进国外先进技术。通过引进消化吸收，借鉴国外先进技术特点，促进国内本地的生产状况。引进的温室类型多是大型连栋温室，有法国的连跨隧道式大棚，这种温室高44.2m,跨度13.516.5m,在棚的顶部可实现通风，可以手动操作，也有简单的电动控制，还有一些简易室内外环境监测装置。比起本地的温室，在规模和自动化管理上都要优胜一筹，但是长期使用进口温室对于我们农业的发展不一定合适，一是进口的温室价格昂贵，对于国内一般农民是无法承受起的，再者毕竟国外温室是依据国外的环境情况设计建造的，在引入到国内后对环境条件不一定完全适用。由此我们可以得出靠使用

11、外国先进技术不是长久之计。近些年，伴随着国家科技示范园区建设而推广的大型连栋温室逐渐增多。这些现代化大型连栋温室大多是玻璃温室、PC板温室和薄膜温室。这些温室规模较大，便于进行小气候环境调控，而且由于连栋设计，提高了土地使用率，而且空间的加大也给自动化操作和机械化操作带来了便利。常见的连栋温室类型有文洛(VenIo)型温室、圆拱形连栋温室、三角形大屋面连栋温室、锯齿形温室和钢架温室、不等坡屋面温室、折线形屋面温室、哥特式尖顶屋面温室、平屋面温室等。从覆盖材料上说有玻璃温室、双层充气温室、双层结构的塑料膜温室、聚碳酸酯板(PC板)温室等。在国内，三角形屋面和文洛型温室应用较多，且大多是在华北、华

12、东、东南、东北地区的一些示范工程。国内针对华北、华东、东北地区的温室环境控制研究较多，而在西南地区，温室环境控制的资料相对较少。温室是一个相对封闭的生产环境，各个环境因子之间相互影响，若对多个因子同时控制，难以建立精确的数学模型，必须在大量实验和数据分析的基础上，才能得出其规律；若对单一因子进行控制，常要考虑其他因素的影响，这样的研究结果才符合温室的控制要求，给温室作物创造更佳的生产条件。水分作为作物生长中不可缺少的一部分，其相应的配套设备在现代化温室控制系统中扮演的重要角色。对于温室灌溉系统，科技工作者也进行了大量研究，针对控制对象的非线性、迟滞性的特点，将专家系统、模糊控制理论及神经网络等

13、智能控制方法引入，使温室灌溉控制系统更具有自动化、智能化的特点。1.2 温室灌溉控制技术研究现状1.2.1 温室灌溉控制技术发展概述在上世纪30年代，在一些比较发达的国家开始出现用一些轻型钢管或铝合金管来输送灌溉水，节省了劳动力，也避免了水资源的浪费，这可以认为是现代温室节约用水灌溉的最初模型。而在随后的20世纪40年代，材料科学不断发展强大，一些便宜耐用的塑料管开始出现，这给温室灌溉的发展带来非同寻常的机遇。这种管子容易打孔且容易和设备进行连接，质量也比金属管轻了很多，从经济性和实用性都有了很大提升，相配套的温室灌溉设备开始蓬勃发展，开始为农业种植者乐意接受，因为温室作物产量有了大幅度提升，

14、产品质量的增加也相当明显、经济效益非常可观，取得了令人满意的结果，应用这一技术的率先者当属英国，这可以算得上是温室灌溉技术的重大进步。而随后的时间，一些较为发达的国家，开始意识到温室的这种节水灌溉技术不仅是一种灌溉方式，更是一种现代化的技术措施，不仅节能，而且高效。人们开始温室的灌溉技术进行新的探索和研究，研制出了许多新的温室灌溉技术和设备，如以色列、意大利、澳大利亚、前苏联、美国等国家研制一些先进的温室灌溉装置，比如脉冲式滴灌、雾灌技术、滴管带、渗灌和涌流灌等设备。进入20世纪80年代以后，节水灌溉设备已在世界上许多先进国家的温室中被普遍采用，成为现代温室配套设施。目前，管道灌溉由成本最低，

15、是温室中应用最普遍的节水灌溉方法；滴灌技术被认为是现阶段最适合温室使用的一种灌溉技术，近年来在温室中发展很快，面积迅速增长；微喷灌技术则成功地应用在温室育苗、温室加湿及降温等方面。在现阶段，以色列被公认为是世界上温室微水灌溉技术最先进的国家，在全国范围内90%以上的灌溉面积都采用微灌技术。1.2.2 温室灌溉控制技术国外发展现状国外对于温室灌溉的研究起步比较早，投入的人力物力较大，而且把一些新兴技术应用其中，早期的电子计算机技术、信息网络技术、和近年来比较热的智能控制技术，在温室灌溉控制领域牢牢占据着领跑者的位置。美国学者Benami和Ofen在20世纪80年代初研制出一套灌溉控制器，控制器的

16、主要原理是由检测设备检测到的土壤湿度来确定是否开始灌溉，系统有自动控制的能力。而后的学者Phene和HoWell（1984年）、Phene（1989年）都在采用以土壤水分为被控制对象，用实时采集到的土壤水分和原先设定好的土壤界限值进行比较，如果低于灌溉界限值系统就开始灌水，在把检测的土壤水分含量反馈到控制系统，这样形成一个随动的闭环控制系统，实现了系统的全自动运行，使作物有了较为恒定的水分环境。系统运行结果表明，系统控制效果的好坏与硬件的组成、传感器的选用、采用的控制算法、电磁阀和过滤器等设备有直接关系。1990年美国学者Fangmeier等人做出一套灌溉控制器，与前人不同的是使用了比较精准的红外线热电偶，采集土壤温度信息，并综合空气湿度、土壤水分含量因素，应该说灌溉的决策更加周全。HoIderR和CIyma采用了完全不同于前人的方法，用模糊控制进行水分灌溉的决策，通过编制合适的控制控制，来判断作物需要多少灌溉量。继模糊控制理论被采用到灌溉控制