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摘要： 为了进一步提高温室大棚农作物产量，设计出了一种新型温室CO2浓度调控系统。以海微Hw-36MT-3DA型PLC为控制中心，利用温湿度、光强、CO2浓度等多路传感器对温室环境参数进行采集，采用模糊控制技术，控制电加热气肥发生器的工作状态，实现对温室CO2浓度的实时调节；上位机选用MCGS触摸屏，实现对系统状态的实时监控。
关键词： 温室；二氧化碳；模糊控制；PLC
中图分类号：TP273 4；S625 5 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2015）08-0388-03
现有的温室大棚主要通过控制温度、湿度和光照来达到增产目的，二氧化碳作为植物生长光合作用的必要原料，合理适时施用CO2气肥是提高设施农业产量和品质的重要手段 [1]。目前市场上电加热型二氧化碳气肥发生器多采用开环定时控制，不具备闭环控制功能，不能实时准确控制CO2施肥量，无法达到对CO2浓度的准确控制，尤其是在日出后光合作用旺盛期间经常处在亏缺状态，影响温室作物产量。因此，本研究拟设计一种基于PLC的智能日光温室环境监控系统，实现对CO2气肥补施、温湿度、光照度等温室环境因子的综合调控。
1 系统硬件设计
系统下位机采用PLC为控制中心，通过温湿度、光强、CO2浓度、土壤湿度等多路传感器将温室环境数据实时传到数据采集模块，再通过RS485总线传给PLC，系统根据温室环境参数综合判断，控制执行机构进行CO2气肥补施。MCGS触摸屏作为系统的上位机，通过RS232实现与PLC通信，具有实时显示、储存数据及对历史数据统计等功能。系统有自动/手动2种工作状态，自动模式下系统依据检测环境参数和相关设定自动调控气肥发生器，手动模式用于手动调节控制。系统组成结构如图1所示 [2]。
1 1 PLC的选择
目前市场上PLC的种类很多，如三菱、欧姆龙、西门子等，根据设计要求，选择国产海微Hw-36MT-3DA型PLC，具有可靠性高、抗干扰能力强及价格低廉等特点。该PLC可以直接驱动大功率电磁阀，通信接口有RS232C、RS485、SPI_MS，36路I/O输入输出，程序空间为256K步，不用电池记忆，无需维护，编程语言采用梯形图，支持高级语言（C，C ）混合。
[ （W11][TPSHY11 TIF]
1 2 传感器的选择
1 2 1 CO2传感器 CO2传感器选用CM1101，该传感器模块采用NDIR红外测量原理，即CO2在红外线波长区域具有吸收光谱，当对应某一气体特征吸收波长的光波通过被测气体时，其强度将明显减弱，强度衰减程度与该气体浓度有关，测量范围0～5 000 mg/kg，供电电压DC 5 V±5%，电压线性输出DC 0 8～4 V。
1 2 2 温湿度传感器 采用LM-300智能温湿度采集模块，它是一种具有广泛前景的全数字化温湿度采集模块，采集温度范围-40 ℃～ 85 ℃，精确度±0 1 ℃，相对湿度范围0～100%， 精度为±10%。该模块可通过隔离的RS485通信接口与RS485现场总线连接，采用MODBUS RTU协议，有操作简单、实用性强、传输距离远、精度高、受环境影响小等特点。
1 2 3 光照度传感器 光照度传感器为KZD系统的光照度变送器，由对弱光也有较高灵敏度的硅蓝光伏探测器组成，具有测量范围宽、线性度好、防水性能好、便于安装、传送距离远等特点。适用于各种场合，尤其是温室大棚。该传感器暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化；能输出较大的电流和范围较宽的工作电压，温度稳定性好，测量范围较广，范围为0～105 lx。该传感器的供电电源为DC 12～30 V，可采用二线制4～20 mA电流输出或三线制0～5 V电压输出。
1 2 4 土壤湿度传感器 采用FDS100土壤水分传感器，具有测量精度高、响应速度快、土质影响较小、密封性好、价格低廉等特点。该传感器输出为DC 0～5 V，在饱和含水量范围内具有良好的线性特征。
1 3 人机接口
选用北京昆仑通态自动化科技有限公司型号为TPC1062K的触摸屏。触摸屏与PLC联机能实时显示传感器所测数据，设计与实际系统相近的组态界面，使系统在控制、功能、显示上更为具体直观。
2 系统的软件设计
2 1 模糊控制设计
2 1 1 模糊控制基本结构 日光温室环境具有时变性、非线性和时滞性的特点，很难用准确的数学模型去描述。模糊控制从本质上来说是一种非线性智能控制技术，它无须知道被控对象的精确数学模型，而是根据经验控制行为，遵循反馈及反馈控制思想，总结成一系列控制规则，并运用软件程序加以实现。因此采用模糊控制技术可以较好地实现温室CO2的灵活调节。
系统首先通过模糊控制器对输入变量e和ec的精确量分别模糊量化成模糊量，再由e、ec和模糊控制规则R根据推理合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量，最后将模糊控制量解模糊成精确量输出。控制器结构如图2所示 [3]。
[ （W9][TPSHY22 TIF]
2 1 2 输入输出变量模糊化
系统采用双输入单输出的模型，将CO2浓度偏差e及其变化率ec（ec=de/dt）作为模糊控制的2个输入变量，控制二氧化碳发生器加热装置的继电器开启时长作为输出变量T。根据温室CO2浓度变化的历史数据进行分析，温室的CO2浓度偏差变化范围为-6%～6%，是农作物最佳的生长环境。设置CO2浓度偏差e的变化范围为[-6，6]，模糊论域取值为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，则偏差的量化因子K1=1；CO2浓度偏差变化率ec变化范围为[-1，1]，模糊论域取值为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，则偏差变化率的量化因子K2=6。CO2浓度的模糊语言变量设置为正大（PL）、正中（PM）、正小（PS）、零（Z）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NL）。隶属度函数选用三角形函数，输入变量隶属度函数如图3所示。 输出变量T不存在负值，变化范围为[0，60]，模糊论域取值为[0，1，2，3]，量化因子K3=20，控制器加热时间的模糊语言变量为零（Z）、短时（PS）、中时（PM）、长时（PL），输出变量隶属度函数如图4所示。为达到精确加热目的，将控制继电器开启时长分为4段：关闭、20 min、40 min、60 min。
2 1 3 模糊控制规则 模糊控制规则实质上是将操作者在控制过程中的实践经验（即手动控制策略）加以总结而得到的一条条模糊条件语句的集合。选取控制量变化的原则是当偏差大或较大时，选择控制量以尽快消除偏差为主；而当偏差较小时，选择控制量要以防止超调和保证系统的稳定性为主。
根据模糊控制的规则，对于双输入、单输出模型的模糊控制器，控制语句可写成“if-and-then”条件语句的形式，例如：if E=NL and EC=PL then T=PS，表明当前CO2浓度负大，且CO2偏差变化率正大，则控制器输出控制量为PS，此时继电器开启短时工作模式；if E=PL and EC=PL then T=Z，表明当前CO2浓度正大，且CO2偏差变化率为正大，则此时继电器关闭，停止加热。表1为模糊控制器的控制规则。在现实的应用当中，可根据不同情况对控制规则进行调整和完善，逐步形成最佳方案。
系统采用Mamdani模糊推理方法，根据模糊关系R=E×Ec×T 可算出所有控制规则所对应的，然后再根据偏差和偏差的论域值计算出模糊控制量，最后根据从属度最大原则进行模糊决策，使模糊量转换为精确量，将其乘以相应的比例因子K3，即得到继电器开启的时长 [4]。
2 2 人机界面的设计
人机界面由触摸屏通过MCGS组态软件设计实现，根据系统的设计要求，分为手动和自动两部分，系统启动进入自动模式完成相应设定后，组态就可以通过传感器模块自动采集环境参数，根据系统参数的设置，自动控制温室环境。手动模式下，用户可以任意控制设备，通过上位机界面直接控制，方便快捷。手动和自动二者互相协调，共同实现高效管理。设计上位机组态主界面如图5所示。
3 结论
通过测试和实际应用设计的温室二氧化碳测控系统具有以下特点：（1）系统以PLC为控制中心，利用多路传感器可对CO2、温湿度、光照度、土壤湿度等实时监测；（2）为取得理想的控制效果，采用模糊控制实现温室二氧化碳浓度的调控；（3）采用MCGS触摸屏，实时监控系统工作状态，人机交互友好；（4）为了增强系统的通用性和使用灵活性，硬件、软件均采用了模块化结构。
参考文献：
[1] 朱庆松，刘秀青 设施蔬菜二氧化碳施肥技术[J] 北方园艺，2013（17）：55-57
[2]王智乾 基于PLC的温室模糊灌溉控制系统研究[D] 昆明：昆明理工大学，2012
[3]李红萍，贾秀明，赵晓莉 基于MCGS的PLC温度监控系统设计[J] 工业仪表与自动化装置，2012（5）：83-85，88
[4]崔天时，杨广林，刘 磊，等 基于模糊控制的温室灌溉控制系统的研究[J] 农机化研究，2010，32（3）：84-86
关键词： 温室；二氧化碳；模糊控制；PLC
中图分类号：TP273 4；S625 5 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2015）08-0388-03
现有的温室大棚主要通过控制温度、湿度和光照来达到增产目的，二氧化碳作为植物生长光合作用的必要原料，合理适时施用CO2气肥是提高设施农业产量和品质的重要手段 [1]。目前市场上电加热型二氧化碳气肥发生器多采用开环定时控制，不具备闭环控制功能，不能实时准确控制CO2施肥量，无法达到对CO2浓度的准确控制，尤其是在日出后光合作用旺盛期间经常处在亏缺状态，影响温室作物产量。因此，本研究拟设计一种基于PLC的智能日光温室环境监控系统，实现对CO2气肥补施、温湿度、光照度等温室环境因子的综合调控。
1 系统硬件设计
系统下位机采用PLC为控制中心，通过温湿度、光强、CO2浓度、土壤湿度等多路传感器将温室环境数据实时传到数据采集模块，再通过RS485总线传给PLC，系统根据温室环境参数综合判断，控制执行机构进行CO2气肥补施。MCGS触摸屏作为系统的上位机，通过RS232实现与PLC通信，具有实时显示、储存数据及对历史数据统计等功能。系统有自动/手动2种工作状态，自动模式下系统依据检测环境参数和相关设定自动调控气肥发生器，手动模式用于手动调节控制。系统组成结构如图1所示 [2]。
1 1 PLC的选择
目前市场上PLC的种类很多，如三菱、欧姆龙、西门子等，根据设计要求，选择国产海微Hw-36MT-3DA型PLC，具有可靠性高、抗干扰能力强及价格低廉等特点。该PLC可以直接驱动大功率电磁阀，通信接口有RS232C、RS485、SPI_MS，36路I/O输入输出，程序空间为256K步，不用电池记忆，无需维护，编程语言采用梯形图，支持高级语言（C，C ）混合。
[ （W11][TPSHY11 TIF]
1 2 传感器的选择
1 2 1 CO2传感器 CO2传感器选用CM1101，该传感器模块采用NDIR红外测量原理，即CO2在红外线波长区域具有吸收光谱，当对应某一气体特征吸收波长的光波通过被测气体时，其强度将明显减弱，强度衰减程度与该气体浓度有关，测量范围0～5 000 mg/kg，供电电压DC 5 V±5%，电压线性输出DC 0 8～4 V。
1 2 2 温湿度传感器 采用LM-300智能温湿度采集模块，它是一种具有广泛前景的全数字化温湿度采集模块，采集温度范围-40 ℃～ 85 ℃，精确度±0 1 ℃，相对湿度范围0～100%， 精度为±10%。该模块可通过隔离的RS485通信接口与RS485现场总线连接，采用MODBUS RTU协议，有操作简单、实用性强、传输距离远、精度高、受环境影响小等特点。
1 2 3 光照度传感器 光照度传感器为KZD系统的光照度变送器，由对弱光也有较高灵敏度的硅蓝光伏探测器组成，具有测量范围宽、线性度好、防水性能好、便于安装、传送距离远等特点。适用于各种场合，尤其是温室大棚。该传感器暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化；能输出较大的电流和范围较宽的工作电压，温度稳定性好，测量范围较广，范围为0～105 lx。该传感器的供电电源为DC 12～30 V，可采用二线制4～20 mA电流输出或三线制0～5 V电压输出。
1 2 4 土壤湿度传感器 采用FDS100土壤水分传感器，具有测量精度高、响应速度快、土质影响较小、密封性好、价格低廉等特点。该传感器输出为DC 0～5 V，在饱和含水量范围内具有良好的线性特征。
1 3 人机接口
选用北京昆仑通态自动化科技有限公司型号为TPC1062K的触摸屏。触摸屏与PLC联机能实时显示传感器所测数据，设计与实际系统相近的组态界面，使系统在控制、功能、显示上更为具体直观。
2 系统的软件设计
2 1 模糊控制设计
2 1 1 模糊控制基本结构 日光温室环境具有时变性、非线性和时滞性的特点，很难用准确的数学模型去描述。模糊控制从本质上来说是一种非线性智能控制技术，它无须知道被控对象的精确数学模型，而是根据经验控制行为，遵循反馈及反馈控制思想，总结成一系列控制规则，并运用软件程序加以实现。因此采用模糊控制技术可以较好地实现温室CO2的灵活调节。
系统首先通过模糊控制器对输入变量e和ec的精确量分别模糊量化成模糊量，再由e、ec和模糊控制规则R根据推理合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量，最后将模糊控制量解模糊成精确量输出。控制器结构如图2所示 [3]。
[ （W9][TPSHY22 TIF]
2 1 2 输入输出变量模糊化
系统采用双输入单输出的模型，将CO2浓度偏差e及其变化率ec（ec=de/dt）作为模糊控制的2个输入变量，控制二氧化碳发生器加热装置的继电器开启时长作为输出变量T。根据温室CO2浓度变化的历史数据进行分析，温室的CO2浓度偏差变化范围为-6%～6%，是农作物最佳的生长环境。设置CO2浓度偏差e的变化范围为[-6，6]，模糊论域取值为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，则偏差的量化因子K1=1；CO2浓度偏差变化率ec变化范围为[-1，1]，模糊论域取值为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，则偏差变化率的量化因子K2=6。CO2浓度的模糊语言变量设置为正大（PL）、正中（PM）、正小（PS）、零（Z）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NL）。隶属度函数选用三角形函数，输入变量隶属度函数如图3所示。 输出变量T不存在负值，变化范围为[0，60]，模糊论域取值为[0，1，2，3]，量化因子K3=20，控制器加热时间的模糊语言变量为零（Z）、短时（PS）、中时（PM）、长时（PL），输出变量隶属度函数如图4所示。为达到精确加热目的，将控制继电器开启时长分为4段：关闭、20 min、40 min、60 min。
2 1 3 模糊控制规则 模糊控制规则实质上是将操作者在控制过程中的实践经验（即手动控制策略）加以总结而得到的一条条模糊条件语句的集合。选取控制量变化的原则是当偏差大或较大时，选择控制量以尽快消除偏差为主；而当偏差较小时，选择控制量要以防止超调和保证系统的稳定性为主。
根据模糊控制的规则，对于双输入、单输出模型的模糊控制器，控制语句可写成“if-and-then”条件语句的形式，例如：if E=NL and EC=PL then T=PS，表明当前CO2浓度负大，且CO2偏差变化率正大，则控制器输出控制量为PS，此时继电器开启短时工作模式；if E=PL and EC=PL then T=Z，表明当前CO2浓度正大，且CO2偏差变化率为正大，则此时继电器关闭，停止加热。表1为模糊控制器的控制规则。在现实的应用当中，可根据不同情况对控制规则进行调整和完善，逐步形成最佳方案。
系统采用Mamdani模糊推理方法，根据模糊关系R=E×Ec×T 可算出所有控制规则所对应的，然后再根据偏差和偏差的论域值计算出模糊控制量，最后根据从属度最大原则进行模糊决策，使模糊量转换为精确量，将其乘以相应的比例因子K3，即得到继电器开启的时长 [4]。
2 2 人机界面的设计
人机界面由触摸屏通过MCGS组态软件设计实现，根据系统的设计要求，分为手动和自动两部分，系统启动进入自动模式完成相应设定后，组态就可以通过传感器模块自动采集环境参数，根据系统参数的设置，自动控制温室环境。手动模式下，用户可以任意控制设备，通过上位机界面直接控制，方便快捷。手动和自动二者互相协调，共同实现高效管理。设计上位机组态主界面如图5所示。
3 结论
通过测试和实际应用设计的温室二氧化碳测控系统具有以下特点：（1）系统以PLC为控制中心，利用多路传感器可对CO2、温湿度、光照度、土壤湿度等实时监测；（2）为取得理想的控制效果，采用模糊控制实现温室二氧化碳浓度的调控；（3）采用MCGS触摸屏，实时监控系统工作状态，人机交互友好；（4）为了增强系统的通用性和使用灵活性，硬件、软件均采用了模块化结构。
参考文献：
[1] 朱庆松，刘秀青 设施蔬菜二氧化碳施肥技术[J] 北方园艺，2013（17）：55-57
[2]王智乾 基于PLC的温室模糊灌溉控制系统研究[D] 昆明：昆明理工大学，2012
[3]李红萍，贾秀明，赵晓莉 基于MCGS的PLC温度监控系统设计[J] 工业仪表与自动化装置，2012（5）：83-85，88
[4]崔天时，杨广林，刘 磊，等 基于模糊控制的温室灌溉控制系统的研究[J] 农机化研究，2010，32（3）：84-86