【摘要】本文研究日光温室智能控制系统，采用分布式控制结构，依据分散采集数据，集中操作管理，相对独立的设计思想，综合运用计算机网络通信和模糊控制技术，实现了单个温室的智能控制以及多个温室的联网监控。控制系统可根据温室内温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等参数的变化，按照预先设定的条件对风机、水泵、卷帘机、开窗机、加热、灌溉、二氧化碳发生器等设备进行全自动控制，也可以根据需要实现手动控制。系统具有功能强大、性能优越、配置灵活、安全可靠等优点。
关键词：温室控制 智能化 监控 PLC DCS
1 概述
目前，虽然有不少单位或个人引进了一些国外的计算机智能控制系统，如温室环境控制系统，施肥灌溉控制系统，工厂化育苗智能控制系统等，这些系统真正实现了温室控制的智能化和自动化，但往往存在投资过大，系统维护不方便等各种发展制约瓶颈，再者就是要求温室的管理操作人员本身有较高的文化素质和较丰富的工程技术经验，目前我国广大农民还不具备，这也限制了国外同类产品在国内的推广应用。开发低价位、实用型的农业智能计算机控制系统对于推进我国农业自动化、智能化进程具有重要的意义，同时也具有很大的市场潜力。据调查，目前市场上迫切需要的是一种低成本、操作使用简便的实用温室控制系。，针对这一要求及我国日光温室量大、面广但档次较低的特点，研究一种既符合我国农业水平实际又适合农民经济承受能力、技术上不低于国外同类产品的日光温室智能集成控制系统是非常必要的。
本文设计的系统可以模拟基本的生态环境因子－温度、湿度、光照、空气成份等，以适应不同生物生长繁育的需要，它由相关的智能控制单元组成，按照事先设定的程序，精确测量温室的气候和土壤参数，并自动启动或关闭不同的电动外围设备（遮阳幕、加热器、湿帘水泵及风机、通风系统等），程序所需的数据通过传感器实时采集。
该系统的使用，可以为植物提供一个理想的生长环境，并能起到减轻人的劳动强度、提高设备利用率、改善温室气候、减少病虫害、增加作物产量等作用。
本控制系统具有的特点：
（1）预测性：通过对气候参数的分析，可以预测控制设备的运行情况，提高设备的利用率，降低能耗。
（2）强大的扩展功能：通过选用不同的外围设备，可以控制温室环境及灌溉、施肥等。
（3）完善的资料处理功能：通过中央控制软件，可以不间断地记录各种传感器的信息以及各种控制设备的动作记录等。
（4）远程监控功能：即使工作人员不在现场，也可以通过远程监控系统对温室内的设备参数进行监视和控制。
（5）数据联网功能：通过组态软件，可将各种数据联入局域网或INTERNET，真正实现数据共享。
2 控制系统方案论证
2.1 控制系统方案比较
2.1.1 PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点
目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之谓工业过程控制中，有三大控制系统，即传统PLC控制系统、DCS控制系统和FCS控制系统。它们各自的基本特点如下：
◆传统PLC控制系统
（1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。
（2）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。
（3）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作主站的方便之处在于：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明格式设计就行。
（4）PLC网格既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。
◆DCS控制系统
（1）集散控制系统DCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技术于一身的监控技术。
（2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。
（3）PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。
（4）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。
（5）模拟信号，A/D—D/A、带微处理器的混合。
◆FCS控制系统
（1）基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。
（2）全数字化、智能、多功能仪表取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。
（3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两根线。
（4）在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。
（5）多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。
（6）互联、双向的控制系统取代单向的、封闭的控制系统。
（7）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。
2.1.2三大控制系统之间的差异
● FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步，而目前新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。差异要点有：
●DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是：一对双绞线、同轴电缆或光纤电缆。为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路。为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。目前在DCS系统中一般使用两类通信手段，即同步和异步通讯，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步通讯则采用没有时钟的报告系统。
●FCS的关键要点有三点
（1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标准
前面的章节已经叙述，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。但由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。
为了使现场总线满足可互操作性要求，使其成为真正的开放系统，在IEC国际标准中的现场总线通讯协议模型的用户层中，就明确规定用户层应具有装置描述功能。为了实现互操作，每个现场总线设备都用装置描述DD来表示。DD能够认为是装置的一个驱动器，它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于DD包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可以使现场装置实现真正的互操作性。
(2)FCS系统的基础是数字智能现场装置
数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础，道理很简单，FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。
(3) FCS系统的本质是信息处理现场化
对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。
现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能雷同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。
考虑这个问题的原则是：尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。
2.2 控制系统设计要求
日光温室智能控制系统是一个涉及到温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度以及蔬菜品种等多种因素的复杂系统。因此，该系统的设计应具备以下功能：
1、较宽的工作电压范围：160V——260V AC；
2、能长时间连续、稳定、可靠的工作；
3、能对温室内的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等参数进行准确的测量；
4、能根据蔬菜品种的不同，可以人工/自动设定温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等参数的报警范围；
5、可以设定系统的控制状态：手动控制状态和自动控制状态。在手动控制状态下，系统只具有参数检测和警告功能，对电机、水泵等控制设备不作控制。在自动控制状态下，系统只具有参数检测和警告功能，又能对电机、水泵等控制设备进行自动调控。
6、温室内部前端设备既能单独工作，又具有数据远传、联网功能；
7、检测中心的计算机通过网络总线可与多个前端设备相连，并能检测、控制这些设备的被控对象。
2.3 控制系统方案设计原则
1、系统性能稳定，运行可靠。
2、操作简单，维护方便。
3、整个系统易于扩展。
4、运行经济节能，维护费用低。
5、性能价格比高。
2.4 控制系统可靠性设计
为了提高系统的可靠性,在设计中采取如下措施：
1、现场控制PLC采用单独供电且接地线单独接地。
2、上位机和弱电部分供电通过在线式500W UPS,既净化了弱电供电电源,又可保证上位机不会因为突然掉电而丢失数据。
3、整个系统接地电阻小于1Ω。
4、系统的控制输出及报警输入全部采用光电隔离技术,有效防止外部干扰信号进入。
5、交流接触器全部安装阻容吸收装置。
6、中间继电器线包全部安装二极管吸收回路。
7、各种弱电传输电缆全部采用屏蔽线,并且屏蔽层单端接地。
通过以上对传统PLC控制、DCS控制和FCS控制的比较，根据日光温室控制的设计要求，考虑系统的功能完整性和成本预算，经过反复比较和论证，整个系统设计我们决定采用传统PLC控制和DCS控制相结合的方式进行。
3 系统设计
3.1 控制系统的组成及功能
要构成一个控制系统，首先要根据控制要求配备各种硬件，然后把各个部件之间用网络连接起来，这样便形成了控制系统的框架。再通过软件编程、组网，从而形成一个能实现一定功能要求的系统。目前采用PC机与多台PLC控制单元为核心组成分布式测控系统在当今的许多生产自动化领域已得到广泛应用，这种系统利用了可编程控制器（PLC）的性价比高、功能强、抗干扰能力好的特点组建适用于分布式现场控制的前端控制单元，同时也利用了PC计算机软硬件资源丰富和管理、控制功能强大，用户界友好的特点。
本课题所研究开发的系统根据温室中作物生长环境的要求，由上位控制计算机、现场控制单元PLC及各种执行机构和传感器组成，系统的信息传输采用先进的PROFIBUS现场总线技术。本系统还综合运用了计算机控制技术，网络通信和模糊控制技术，实现了分散采集数据，集中操作管理，系统具有功能强大、性能优越、配置灵活、安全可靠等优点。系统的整体控制结构如图1所示：
图1系统结构图
3.1.1 前端控制单元的组成及功能
本系统前端控制单元由S7－200小型PLC 及相关执行设备和传感器组成。
1、现场控制单元核心设备西门子S7－200 PLC 简介
西门子S7－200系列PLC是SIEMENS可编程控制器家族中的一类，它具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7－200系列PLC可以近乎完美的完成小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。
S7－200系列PLC模块包括中央处理单元（CPU）、电源及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
2、前端控制单元功能：
前端控制单元的主要功能为读入各种传感器的测量值与相应的上下限控制报警值进行比较，再根据内部控制算法对各控制设备进行开启和关闭的操作。它具有功能强大、安全可靠、价格适宜等特点。如图2所示。
图2 前端控制单元结构
3.1.2 上位机组成及其实现功能
上位机采用通用PC（Pentium 4计算机）机，技术成熟、软硬件丰富、操作方便、用户界面友好、工作可靠。由PC机实现对整个系统进行功能设置、数据存储、显示打印等操作，也可联入互联网进行远距离数据传输。上位机的管理程序的主要功能为可将室内外采集的参数值显示至计算机屏幕，同时具有实时曲线、历史曲线、参数设定、参数浏览、报警浏览、报表打印、数据存储等功能。可在上位机上实现手动/自动切换，也可在手动条件下点击屏幕按钮实现开窗、遮阳、水泵、侧窗等电机操作，真正实现远程监控功能。
3.2 前端控制单元设计
前端控制单元由SIEMENS S7-200系列PLC中的CPU214及相关扩展模块构成，其中也包括各种测量传感器和实现控制功能的各类执行机构。
3.2.1 数据采集子系统设计
数据采集是整个控制与管理系统的重要组成部分，要对环境和设备进行控制，必须要对环境和设备的状态进行监测，经过分析决策，然后实施控制行为。可从以下几方面进一步看出数据采集的重要性：（1）环境要素的变化（如温湿度等）并非能准确直观感觉到；（2）环境要素处于时刻变化之中，必须要进行连续和快速的监测；（3）在实际应用中要素的平均值更有意义，但平均值来自于大量的瞬时值；（4）在控制与管理过程中，要进行要素的分析计算和优化配置；（5）需要对植物产量与成本消费的平衡进行分析计算；（6）需要对历史资料进行显示和查询；（7）数据图表和图像显示更直观可用等等。
设施环境监测与数据采集的重点包括光、温、湿、CO2气体等要素。70年代后期至80年代初提出了所谓的SPA（Speaking Plant Approach）的概念：即植物的生理状态不仅随时间而变化，而且直接受环境影响。通过对植物本身生理状态的监测，便能反应（告知）环境质量的优劣程度，达到环境优化控制的目标。从以上可看出，温室监测与控制系统需要处理不同类型和性质的对象，因此传感器的设计与选型是至关重要的，传感器本身的性能指标是制约数据采集系统的关键性因素。在80年代后期，提出了所谓的智能型传感器的概念，与传统的传感器相比有以下重要特性；1）同类产品的互换性，即批量生产的传感器具有一致性的质量；2）输出信号的兼容性，即很容易与用户系统连接；3）可重复性，即在连续与重复操作过程中表现出的稳定性；4）易标定或换算性，传感器所输出的信号容易标定和换算；5）输出信号补偿性，在剧烈变化的环境下，仍能稳定输出信号，或能自我补偿；6）自我诊断性，当传感器自身或系统的某一部分出现故障时能自动检测和报警；7）抗逆性，在恶劣条件下能稳定工作；等等。
本系统采用的参数检测系统包括对温室内部温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度、地温和温室外部气温、湿度、光照等模拟量的检测，以及对电机、风机状态等开关量的检测。对模拟量的检测首先采用放大器将弱信号放大成5V的标准信号，然后经A/D变换成数字量。为了增强系统的抗干扰能力，对开关量的检测，本系统全部采用光电隔离器将外部电源与计算机电源隔离，减少了外部电源对计算机系统的影响，增强了系统的可靠性。
1、温度/湿度检测
在日常生活和生产中，我们经常要测量环境的温、湿度，传统的测量方式采用水银温度计和干湿球湿度计查算法，存在着误差大，操作使用不便等问题，采用工业级测量仪表价格昂贵。
温度传感器是使用热敏电阻测量温度的。当温度发生变化时，热敏电阻的阻值随之改变，把测得的阻值换算成摄氏温度值。
湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。
本检测系统采用SHT71新型温湿度传感器。
SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，发挥出强大的优势互补作用。
CMOSens技术的优势首先在于，利用具有不同保护下的"微型结构"检测电极系统与聚合物覆盖层组成了传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外还可抵御来自外界的影响而对传感器进行保护，即使将传感器浸入到液体中也不会对传感器造成损害，同时还将温度传感器与湿度传感器结合在一起构成了一个单一的个体，这就可使测量精度提高并且可以精确得出露点值，而不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。
测量数据处理
为了将SHT71输出的数字量转换成实际物理量需进行相应的数据处理。
⑴湿度变换
SHT71的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，可按如下公式修正湿度值：
RHlinear=c1＋c2·SORH＋c3·SORH2
式中SORH为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：
12位SORH ：c1=-4 c2=0.0405 c3=-2.8*10-6
8位SORH： c1=-4 c2=0.648 c3=-7.2*10-4
⑵温度补偿
上述湿度计算公式是按环境温度为25℃进行计算的，而实际的测量温度则在一定范围内变化，所以应考虑湿度传感器的温度系数，按如下公式对环境温度进行补偿。
RH true=（T℃-25）·（t1＋t2·SORH）＋Rhlinear
当SORH为12位时t1=0.01；t2=0.00008，当SORH为8位时，t2=0.00128
⑶温度变换
由设计决定的SHT71温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值：
温度=d1＋d2*SOT
当电源电压为5V、温度传感器的分辨率为14位时，d1=-40,d2=0.01，当温度传感器的分辨率为12位时，d1=-40,d2=0.04。
⑷露点值计算
空气的露点值可根据相对湿度和温度值由下面的公式计算:
LogEW=（0.66077＋7.5*T/（237.3＋T）＋（log10（RH）－2）
Dp=（（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW－8.16077）
下面介绍一下具体的命令顺序及命令时序。
⑴传输开始
初始化传输时，应发出"传输开始"命令，命令包括SCK为高时，DATA由高电平变为低电平，并在下一个SCK为高时将DATA升高。
后一个命令顺序包含三个地址位（目前只支持"000"）和5个命令位，通过DATA脚的ack位处于低电位表示SHT71正确收到命令。
⑵连接复位顺序
如果与SHT71传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位：
当使DATA线处于高电平时，触发SCK 9次以上（含9次），并随后发一个前述的"传输开始"命令。
2、二氧化碳浓度检测
采用LTM-8803-CO2 1-wire Bus CO2传感器，是长英科技继数字化、网络化温湿度一体化传感器之后，推出的又一款多功能数字化、网络化传感器，其高精度、功能集成、方便的现场校准/安装，是又一款经济性、方便性和先进性完美统一的典范。
3、光照强度检测
检测系统采用TSL2550型光传感器，该传感器内含两枚光电探测器——一枚感应可见光和红外光，另一枚只感应红外光。两枚光电探测器可以产生两路信号，传感器模拟人眼的原理，根据两路信号的强弱判断周围光线的强度。这种产品采用SMBus总线接口，可以直接将光强度转换成数字量，在同类产品中尚属首创。该器件主要性能参数如下：每通道转换时间400ms，电源电压直流2.7V至5.5V,工作电流0.35mA，静态电流10μA，工作温度范围-25～85℃。这种器件采用SOIC-8封装，符合SMBus规范V1.1和V2.0的要求。
3.2.2 控制子系统的设计
控制系统可以按照预先设定的条件对风机、水泵、卷帘机、开窗机、加热、灌溉、二氧化碳发生器等设备实现全自动控制，也可以根据需要实现手动控制。由于这些被控对象的功率有的比较大，为了减少外部电源对计算机系统的影响，对这些被控对象的控制，本系统全部采用光电隔离器将被控对象的电源与计算机电源隔离。这样，就必然增强了系统的可靠性。
1、加温系统
温室的升温方式一般分为水暖加温、燃油热风机、煤油热风机和电加温，该系统是温室中的必配设备，因电加温耗资较大，本系统并未采用。在寒冷的北方，因其加温时间长一般都配置水暖加温，而在加温时间较短的南方一般配置燃油热风机。本系统主要为控制水暖加温的供热阀门的开度来达到控制温室内温度的目的。
2、降温系统
其主要由湿帘纸垫、轴流通风机及供水系统组成。考虑到湿帘对光照的影响，通常湿帘安装在温室的北端面，风机安装在温室的南端面。采用湿帘加风扇的组合降温系统，能满足作物对湿度及温度的生长要求。它是根据自然界水蒸发降温的原理，通过特制的疏水湿帘，使湿帘表面完全湿透，再通过另一端风机使温室内形成负压区，这样外界空气将通过湿帘吸入温室，空气在通过湿润的湿帘表面而导致水份蒸发，从而达到理想的降温效果。特别是干燥地区，湿帘降温的效果更加明显。多年实践应用显示，即使在最热的天气下，合理设计安装的湿帘--风机降温系统仍可以控制温室内的温度在30℃左右,从而将高湿对温室作物产生的不利影响减少到最低。本系统采用控制水流和风机的开关达到控制目的。
3、灌溉施肥系统
滴灌：滴灌系统由温室内水路管道及滴箭或滴头/滴带组成，主要用于温室内盆花或无土栽培的种植方式。
微喷系统：悬挂式微型喷灌系统由温室内水路管道及喷头组成，由于产品部件的标准化，组合不同的部件可分别适用于不同的场合。
本两部分主要通过控制水流阀门的开度来达到控制目的。
自动灌溉施肥器：系统通过外部，内部的环境参数传感器及EC、PH传感器，综合考虑各方面的因素，通过控制肥料溶液的EC、PH值来达到自动施肥的目的，并且针对不同的作物可以实现不同的肥料配方，以满足不同灌溉区内不同作物的需要。最终使每种作物在不同条件下保持最适宜的水肥条件。
4、通风系统
自动卷膜（开窗）通风系统和轴流风机通风系统，通过控制卷膜（开窗）电机和轴流风机的启停来达到温室内通风的目的。
5、二氧化碳浓度控制
研究表明，二氧化碳是植物进行光合作用制造有机物质不可少的原料，通常植物生长最适合二氧化碳浓度为大气中CO2平均浓度的3-5倍。
本系统通过控制碳酸钾的安全燃烧，产生二氧化碳供给植物，促进光和作用。
CO2碳酸钾发生机使用效果表
6、内外遮阳系统
系统根据安装的位置不同又分为外遮阳和内遮阳两种。
外遮阳系统：该系统可以从多方面来改善作物的生长环境，保障阳光的合理化运用，它的浸铝合成纤维条能有效地折射掉部分阳光，起到遮阳降温的作用。加装遮阳幕后，室内气温比室外气温低4℃-7℃，比未装遮阳幕的温室低5℃-10℃。遮阳幕不但保证了作物免遭强光烤灼而发黄枯萎、获得更为适宜的生长环境，延长收获期，增加产量，而且能大提高作物 的品质。
内遮阳系统：除具有外遮阳系统的功效外，还具有以下功能：该系统在夜间还起到隔热保温的作用，能有效阻止热量的散失，降低冬季温室的运行成本。用于不加温温室，可提高室内该系统在某种程度上可减少温室内作物及土壤水分的蒸发，减少灌溉用水量，达到节水的效果。
遮阳系统由传动部分和遮阳幕共同组成。传动部分有钢丝绳传动和齿轮齿条传动两种。钢丝绳传动具有传动速度快、造价低等优点；而具有传动平衡，可靠性高等优点，但造价略高。为满足温室的遮阳控制要求，传动部分我们采用了虽然造价较高但性能较好的齿轮齿条传动方式。本系统通过控制传动电机的启停来达到调节温室内阳光强度的目的。安装限位开关后，该部分可实现完全自动控制。
7、补光系统
当自然采光不能满足作物光合作用时，人工补光系统根据作物的基本要求和环境条件，自动补光，确保了作物生长所需的光能。本系统采用农业专用补光灯具，具有防潮设计、光效率高，充分满足植物所需要的光谱，补光量精确均匀。通过控制补光灯的供电电压来达到调节灯光强度的目的。
3.2.3 前端控制单元软件设计
位于现场的以PLC为核心的前端控制单元，软件主要采用SIEMENS的STL语言和LAD语言编制，主要侧重于现场过程或对象的控制。STL和LAD编程语言简介
1）STL编程语言
语句表（STL）是文本编程语言，可用来建立逻辑块编码段，它的语句语法类似于汇编语言，指令有操作符和地址组成。STL编程语言有建立完成的用户程序必备的全部文件，它含有容易理解的各领域的指令。总共有130条各种基本指令，可用的地址范围也很广。功能和功能块可供你清楚的构造你的STL程序。
STL程序包是MicroSTEP标准软件的集成部分，这就意味着你可以使用STL的各种功能，如安装MicroSTEP 软件、所有编程功能、编译功能、测试/诊断功能等。
2）LAD(梯形图)编程语言
.梯形图是二次世界大战期间所发展出来的自动控制图形语言，是历史最久、使用最广之自动控制语言之一。它最初只有A（常开）接点、B（常闭）接点、输出线圈、定时器、计数器等基本机构装置，直到可编程控制器PLC 出现后，梯形图中可表示的装置除上述外，另增加了诸如微分接点、保持线圈等装置以及传统配电盘无法表达的指令，如加、减、乘及除等数值运算功能。无论传统梯形图或PLC 梯形图其工作原理均相同，只是在符号表示上传统梯形图以较接近实体的符号表示，而PLC 则采用较简明且易于计算机或报表上表示的符号表示。在梯形图逻辑方面可分为组合逻辑和顺序逻辑两种类型。
. 梯形图的优点是编程时采用的类似于传统电气控制电路的符号语言，通过梯形图编辑器画好梯形图后，PLC 的程序设计也就完成，以图形表示控制的流程较为直观，易为熟悉电气控制电路的技术人员所接受。在梯形图中很多基本符号及动作都是从在传统自动控制配电盘中常见的电气装置如按钮、开关、继电器（Relay）、定时器（Timer）及计数器（Counter）等得到的。
3.3 数据通讯系统的设计
3.3.1 数据通讯概述
数据通讯可根据要求使用不同的通讯网络，其级别一般可分为如下几级：
（1）管理级
在管理级，处理影响整个操作的任务，它包括归档、处理、求值和过程与消息的汇报。也可以从多个站点收集和处理操作数据――从管理级也可以访问其它站点。对于管理级，以太网是主要的网络类型，为了连接更远的距离，在绝大多数情况下使用TCP/IP协议。
（2）单元级
在单元级，处理自动化任务。在该级别，操作和监控设备以及PC彼此连接。根据性能要求，主要的网络类型是工业以太网和PROFIBUS现场总线技术。
（3）现场级
现场级是主机和设备之间的连接链路，在现场级使用的设备提供过程值和消息等，并且也向设备转发命令。在大多数情况下，在现场级传送的数据量较小。对于现场级，PROFIBUS是主要的网络类型，为了与现场设备通讯，通常使用DP协议，对于现场级和单元级的小型网络，可以使用MPI（多点接口）。
（4） 执行级－传感器
在执行级－传感器级，主站与连接到其子网的执行器和传感器进行通讯。该级别的特征是数据传送量极小，可是响应却很快。
本系统中的通讯流程图如图3所示。
3.3.2 PROFIBUS结构方案
◆. PROFIBUS的定义及分类
PROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，目前世界上许多自动化生产厂家都为他们生产的设备提供了PROFIBUS接口。它广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等以及其它的自动化领域。PROFIBUS根据应用特点分为：PROFIBUS－DP，PROFIBUS－FMS，PROFIBUS－PA三个兼容版本。
（1）PROFIBUS－DP：主要用于现场级的高速数据传输、解决自动控制系统（如PLC、PC等）通过高速串行总线与分散的现场设备（I/O、直流调速器和阀门等）之间的通讯任务。使用PROFIBUS－DP可取代现场昂贵的24V或0～20mA的并行信号线。自动控制系统与分散的现场设备间的数据交换多数是周期性的，而对智能化现场设备还需要有非周期性的数据交换（如组态、诊断、报警处理等）。周期性的通信由DP基本功能完成，非周期性的通信由DP扩展功能完成。
（2）PROFIBUS－FMS：一般用于工业通讯分层中现场层和单元层的通讯任务，旨在解决车间监控级通讯。由于这一级处在工厂自动化系统的中间层，起承上启下的作用，因此在这一级高性能的功能要求远比系统的快速反应更为重要。FMS除解决智能现场设备（如PLC、PC等）之间的通信任务以外，还提供了大量的、强有力的管理和服务功能，以适应各种应用需要。它也能应用于大范围和复杂的通信系统。
◆. PROFIBUS协议结构
PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准、以开放式系统互联网络（Open System Interconnection OSI）作为参考模型的。现场总线采用简化的网络体系结构，具有类似于OSI模型的物理层、数据链路层和应用层的3层协议或进一步包括网络层或传输层在内的4层协议。流量控制和差错控制放在数据链路层执行，而报文的可靠传输可以放在数据链路层或者应用层执行。这种协议具有结构简单、协议程序的设计灵活、执行直观、性能良好等优点。这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。
3.4 上位机监控系统设计
上位监控机使用通用PC机，配置为P4 1.6G，256MRAM，40G硬盘，从而保证了大量的数据记录和实时归档使用。上位机系统管理软件，是必备的用于生产操作和监视的控制软件包，是整个控制系统的重要组成部分。其主要功能为：
（1） 对各控制站的状态信号进行监控。
（2） 利用直观的动态画面来模拟控制对象的工作状态。
（3） 可通过计算机控制被控对象的启、停等工作状态，并可进行参数设置。
（4） 可以进行各工作参数（温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等）的趋势曲线图显示或累计值显示及报表打印功能。
（5） 可进行操作归档，以保证操作的安全性。
（6） 可进行故障报警与显示。
（7）参数的修改。实现操作人员对生产过程的人工干预，如修改给定值、控制参数和报警限等。
其使用的SIMATIC WinCC软件具有方便的数据通讯及强大的组态功能。
3.4.1 组态软件 WinCC简介
SIMATIC WinCC（视窗控制中心），是西门子在自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能相结合的产物。它有各种有效功能用于自动化过程，是用于个人计算机上的，按价格和性能分级的人机界面和SCADA系统。可以容易的结合标准和用户程序生成人机界面，准确地满足实际要求。与其它监控系统相比较。
3.4.2 上位监控软件设计
◆. 上位监控软件的开发
在设计上位监控软件监控画面时，考虑设计几个部分：进入画面、口令保护、控制画面的操作及切换等。
1、进入画面：进入WinCC后，进入该软件的第一幅画面。画面上有两个按钮：进入控制系统按钮和退出控制系统按钮。
2、口令保护：选择了进入控制系统按钮后，出现口令保护窗口。为防止非专业人员进入控制画面，造成不必要的麻烦和误操作，在进入控制画面按钮上作了口令保护设置。单击此按钮会弹出需输入口令的信息窗口。正确的口令输入方式为：开机进入第一幅画面后，首先确定NumLock键是开着的，然后按一下“＋”按钮，便会弹出口令输入对话框，口令共有两部分，上面输入区内输入身份名，下面输入区内输入密码。身份密码输入无误后，点击“OK”按钮或直接敲回车键，对话框消失，此时再点击第一个按钮就能进入控制画面了。还有一点要特别注意，进入控制画面后，先按一下“－”按钮，取消输入口令，这样退到第一幅画面后再想进入控制画面，必须再输入一遍正确密码。
3、控制画面的操作及切换：
监视画面包含有各个温室设备的运行情况，一屏显示一个画面，各个画面之间可以非常方便地切换，而且系统采集的各数据信息能在相应的动态画面上实时显示。
（1） 控制画面的切换：可以通过最上方按钮栏选择控制画面，单击即可进入。
（2） 功能画面切换：通过右下脚的按钮栏选择。
（3） 各个温室控制信息：包括各种参数的设定和各个电机的操作。棒图的显示只需单击相应的数字显示区域，便会弹出。参数的设定在画面的左侧，拖动相应参数的滑块（中间的指针跟着转动到相应的百分数处），主要是对温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等参数的设置。电机操作按钮在画面的右侧，包括电机的启动、停止、复位按钮。点击相应电机的启动按钮，温室中对应的电机开始运行，点击停止按钮。则电机停转。出现故障时，要先点击复位按钮。
（4） 控制画面右上角的总停按钮：在紧急情况下单击该按钮就能及时关掉温室中所有运行的设备。为防止误操作，设置有确定对话框。
（5） 报警操作：一旦出现故障，控制画面左上角的报警灯开始闪烁，出现事故的温室和温室中的设备将会显示在特定的区域，点击可进入相应的报警控制画面，了解报警信息。
（6） 数据归档操作：单击数据归档按钮进入数据归档画面，这里有各种参数的归档记录。每个信息有两部分：时间和该时间的数据。每个参数的信息以不同的颜色加以区别。
◆. WinCC/网页浏览器技术在本系统中的应用
最近几年，Internet技术的飞速发展促使其越来越多地应用到工农业生产中。拥有图形用户接口的浏览器应用程序使人们可以方便地使用国际互联网络，仅点击几下鼠标，就可以方便地飞跃地域边界的限制到达任意地方。WinCC/网页浏览器使用户可以通过国际互联网Internet、企业内部网Intranet或局域网，对工厂的生产过程进行监视和操作。
WinCC/网页浏览器使用的通讯机制是给予事件驱动的大吞吐量的数据传输，这使得它在互联网上性能异常出色。由于有快速的通讯连接，用户在网上的数据更新时间和在本地WinCC工作站上是一样的。
在进入网页服务器时，每个用户必须表明用户的身份，根据用户进入权利，控制其对工厂监视或控制。除此之外，网页浏览器可选项支持所有的用于Internet的安全机制，如路由器、防火墙和代理服务器。
一个客户机/服务器系统由一台或多台客户机和一台服务器组成。客户机和服务器通过网络互相连接。客户机发送指定的请求给服务器，由服务器执行。客户机和服务器有基于命令的关系。客户机和服务器必须连接在运行TCP/IP协议的LAN（局域网）上。此外，为了能够打开项目文件，客户机必须被授权以访问服务器。
WinCC/网页浏览器技术的发展提供了这样一种可能，我们可以把一个地区的温室控制系统做成一个局域网，从而为整个地区温室的集中监控提供可能。
4 结束语
本文设计的系统研制坚持以国产化为主体的原则，全部采用国内最新研究成果和硬件技术，这样不仅降低了成本，节省了大量资金，而且其性能价格比也相对较高，改变了有些农业园区由于引进国外高档连栋温室造成的投资过大、运营成本过高的负债经营状况，又克服了有些园区由于基础设施较差，采光保温效果不好，作物产量低、经济效益差的局限性。
QQ交流群
