【导读】智能传感技术等高科技手段发展起来的。自上世纪90年代以来，我国农。我国自己的智能温室控制系统。仪等在内各级领导的参观。术体系研究与产业化示范”被列为国家重点科技攻关内容并成功结题。因此，智能温室环境控制技术有巨大的市场空间。院校示范基地，受到省市财政的大力支持。岛蓝天有限公司承建，并于2020年7月完成。装、调试由本单位独立完成，计划2020年11月工程结束。但农产品出口额达。温室工程生产技术需加大力度进行国产化、自行化研究和推广使用。免了监测误差和监测滞后带来的损失。因此，研究该课题具有深远的理论意义和重大的现实意义。数据定期发送到对环境气候进行控制的PC机上。通风、COZ施肥、营养液供给及pH值、EC值等。伦敦大学农学院研制的。为保证COZ气体在温室内分布均匀，温室中通常安装通风。建立的第一批商业示范农场。
【正文】 基于PLC的智能温室控制系统的设计
智能温室系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农
业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、
智能传感技术等高科技手段发展起来的。自上世纪90年代以来，我国农
业上程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础土，对温室
温度、湿度、COZ浓度和光照等环境因子控制技术的研究，研制开发了
我国自己的智能温室控制系统。
1、山东省潍坊市于1995年在潍坊职业学院(原昌潍农校)种植基
地一一潍禾示范农场，创办了我国第一批现代化温室，个部引进以色列
智能温室技术，用于种植“名、优、特”花卉及高经济价值蔬菜，不仅
成为潍坊市集约化设施农业样板，而且成为高新技术的辐射源和全国农
业生产技术、信息的集散地(如寿光蔬菜、青州花卉)，并受到包括吴
仪等在内各级领导的参观。
2、“工厂化农业关键技术研究与示范一现代大型温室标准化栽培技
术体系研究与产业化示范”被列为国家重点科技攻关内容并成功结题。
为了推广温室技术，国家农委强调在每一个地区都要建立温室示范工程。
因此，智能温室环境控制技术有巨大的市场空间。
3、潍坊市重大科技攻关项目“中国兰花品种筛选与组培快繁工厂化
育苗技术研究”(编号:农科攻字(2020)第5一1号)。
4、潍坊职业学院园林工程系的“组培中心”被列为山东省高等职业
院校示范基地，受到省市财政的大力支持。
5、山东省科技攻关项目“名特优花卉工厂化育苗及产业化开发示
6、潍坊市于2020年在潍坊职业学院南校区投资300万人民币新建
智能日光连栋温室如图l一1所示，温室主体结构框架经招标由山东省青
岛蓝天有限公司承建，并于2020年7月完成。温室控制系统的设计、安
装、调试由本单位独立完成，计划2020年11月工程结束。
1、近两年来，农业作为国家优先发展产业正受到各级政府的高度重
视，增加8亿农民收入是我们国家当前的基本国策，农业现代化是我们
追求的目标，基于计算机和自动化技术的智能温室是农业现代化的一个重要方面。
图1一1新建智能日光连栋温室
2、以色列的园艺温室发展早，其国上面积中的2邝为丘陵和沙漠，
干旱少雨，人均占有淡水资源仅相当于我国的1/8。但农产品出口额达
到全国的5%，从业人员平均月收入1243美元【2]。作为全国蔬菜花卉
的核心地区与潍坊地区相比还有很大的差距，因此，现代化的、高效的
温室工程生产技术需加大力度进行国产化、自行化研究和推广使用。
3、国家“十五”重点科技攻关内容“工厂化农业关键技术研究与示
范”尽管以结题。为了推广温室技术，国家农委强调的在每一个地区都
要建立温室示范工程，但每一个地区的气候条件都不一样，其控制模型
和控制算法都不可能一样，因此，智能温室环境控制技术仍有很多问题
4、1995年潍坊市引进的以色列智能温室其计算机控制系统依靠国外
进口，核心技术掌握于国外，而且实践证明，由于地域、水质、气候乃
至资源的差异，引进的温室控制系统，并不完全适合本地区的情况，引
进的设备没有充分发挥作用，成本高，效益低，难以维护，难以推广。
5、智能温室控制系统的自行设计，其运行工作模式符合潍坊职业学
院的教学和科研要求，摈弃了引进技术的弊端，并大大减少了设计经费，
也为我院教师提供了科研攻关的机会。
6、该智能温室的先进控制模式适合本地区情况的，综合考虑植物生
长和产量、节能、环境控制、经济效益等多方面因素，继续为本地区的
种植业的发展的起到了模范作用。
7、智能温室控制系统将实现对农业生产的准确管理。通过控制器实
时监测温室内空气温度、空气湿度、上壤温度、土壤湿度值，使对作物生长环境监测与普通
简单温度、湿度计测量相比，更准确、更可靠。人
们能够通过这些监测手段实时准确地了解情况，完成相关设备调节，避
免了监测误差和监测滞后带来的损失。
8、智能温室将自动化技术引入了农业生产，为农业科研活动提供了
有利的科学手段。通过参数设置及自动数据记录，为农艺工作者完成相
关农艺科学研究，了解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方
法的改进，都提供了简便、准确的手段。
因此，研究该课题具有深远的理论意义和重大的现实意义。
国内外温室环境控制技术的研究现状
西方发达国家如美国、荷兰、以色列、英国、加拿大、日本等在现
代温室测控技术[起步比较早，都大力发展集约化的温室产业，温室内
的温度、湿度、光照度、c(理浓度、水、‘兀、营养液等实现计算机调控。
1、美国在1949年，借助于工程技术的发展，建成了第一个植物人
工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研
究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产【3]。
2、荷兰园艺温室发展较早，在1974年首次研制出计算机控制系统
CECS，成功开发了一系列计算机软件、硬件，实现了温室供水、施肥和
环境自动化控制。他们的全自动化温室成套设备在世界市场上享有很高
3、以色列开发了一种植物生理生态监测仪:它可以监测株高、植物
果实大小、叶片大小与厚薄、茎直径、茎流量、叶温、叶片附近湿度、
C02浓度等，24小时连续工作，每隔一定周期就采集一次数据，得到的
数据定期发送到对环境气候进行控制的PC机上。
4、目前，英国的温室大量采用计算机管理，主要控制温度、湿度、
通风、COZ施肥、营养液供给及pH值、EC值等。伦敦大学农学院研制的
计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的温度、湿度等环境状况，
并进行遥控。为保证COZ气体在温室内分布均匀，温室中通常安装通风
机，搅动空气使温室中的C02浓度一致。
5、在加拿大，已经开始使用一种计算机辅助温室管理软件((HGM)帮
助生产者判断和解决病虫害问题，同时提高温室的整体管理水平。llGM可
以将生产过程中采集的数据与标准数据库中的资料进行对比和分析，从
而对作物的生长状态进行判断，进而将系统调整到最佳状态。这不但降
低了生产成本，而且还可以减少农药的使用，达到利用非化学方法控制
病虫害的效果闭【5]。
6、日本利用网络技术实现对设施栽培数量多、地点
现异地监控与管理。通过网络不仅可以向种植者提供市
息、专家策略，还可以从远程启动设备，对环境调控【
总之，国外智能温室产业发展早，经济效益高。随
新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求
为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的
1、从20世纪70年代起，我国的农业工程技术人员
借鉴国际上设施农业发展的先进经验，致力于温室工程
作，逐渐地引进了大量的温室。引进的温室与我国传统
间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，
发展提供了借鉴作用。但这些温室也存在着许多不足之
2、1995年建立的潍坊职业学院潍禾示范农场，是中
建立的第一批商业示范农场。该项目一期工程总投资215
引进以色列技术和设备，建成了以色列现代化玫瑰温室、
卉和蔬菜种苗加工厂，引进了一条果蔬、花卉脱水漂染
部为自动化控制，技术指标均高于以色列国内农场平均
农场投产以来，已为社会提供种苗5000多万株;加工果
并全部出口，部分产品已上网销售，对当地农业生产起
带动、吸纳作用，不仅成为潍坊市集约化设施农业样板，
技术的辐射源和农业生产技术、信息的集散地。
2、90年代中后期起，我国高校开始研制自己的控制
1996年，北京农业大学研制成功了“WJG一型实验温室环
理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统;江
教授研制的“温室环境测控系统”，主要用于无土栽培实
较高，且处于实验阶段;吉林工业大学研制成功的用于
控制器，能够根据温室内的温度、湿度和光照度来自动调
年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面
成果;还有许多高等院校、科研院所都在进行温室控制系
并且许多单位都己建立起或将要建起温室控制系统的总
3、近2020年来，出现了设计生产日光温室的公司，
有影响的温室设计公司有:北京奥托精密科技发展有限公
光温室有限公司、上海都市绿色工程有限公司、上海华
有限公司等，这些公司的温室产品型号较多，但一般采
单片机嵌入式测控系统，由于形成的是单片机系统，所以人
友好，非专业人员使用困难，难以操控，所以自动控制模式
置状态，造成资源的浪费。
以上产品均没有面向我国广大农村现有的1000力一亩传统
工程。所以，传统的方法，人们主要还是采用温度计、湿度
度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来控
因此，以土产品的推广一使用价值仍然不大。
总之，同国外先进水平相比，我国对于温室控制系统的
综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单
境调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿
度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物
影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。因此，
据我国的囚情研制出适合我l6J农业的发展的初能温室控制系
业设施中广泛推广【11]。
温室环境测控技术的发展趋势
温室智能控制系统作为一种资源节约型的高效农业技术，
计算机综合控制下，创造适宜于作物生长的环境，实现优质
耗的工业化规模生产。要提高测控系统的性能除了硬件系统
算法也不可缺少。只有采用合理的控制算法，才能使温室环
子达到最优的控制效果，才能使温室控制系统达到智能化的
是我国现阶段在温室控制的理论研究和工程实践中常涉及到
模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，它是通
成人们用自然语言所描述的控制活动。其控制算法是把各种
合起来分析考虑，然后进行模糊控制。再根据实验结果和经
糊控制规则，经模糊推理得到模糊控制表，使综合参数的相
到最佳状态。模糊控制有许多良好的特性，它不需要事先知
学模型，具有响应速度快、超调小、过渡时间短等优点。比
节速度快、鲁棒性好，但模糊控制稳态精度欠佳【13】。
专家系统作为一种知识的载体，所表现出来的可靠性、
久性及其易于传播和复制的特性，是人类专家所不及的，因
解决某些领域问题时具有不可取代的重要作用。特别是对人类
高级专家数量很少，相应的知识传播和复制也较难，从这个
开发领域内的专家系统不仅非常必要，而且应用前景非
神经网络采用黑箱方法能把复杂的系统通过有限的
但神经网络方法也存在着明显的缺陷，即需要大量的历
进行外推和演绎时可靠性明显降低。所以近年来有人利
拓扑案例模型对温室番茄日产量进行模拟分析，取得了较
4、改进尸[D控制算法
常规P工D控制是自动控制中产生最早、应用最广的
采用常规PID控制器，参数不易在线调整，容易产生超
差，不能满足现代温室环境参数监控的要求。
因此，在温室实际控制过程中，为提高系统动态调
度，通常对常规PID控制进行改进，主要有不完全微分
分分离的尸ID控制、变速积分的尸[D控制等。合理的选
分系数和微分系数，对P工D调节器采用四点中心差分法
力，比传统PID算法有了一定的改进。
5、基于遗传算法的优化模糊控制算法
遗传算法(GA)是模拟生物在自然环境中的遗传和进
一种自适应全局优化概率搜索算法。用GA调控模糊控制
GA优化过程的早熟现象，又可提高优化控制规则的速度
GA优化设计的模糊控制器来控制温度，响应速度快，温
有利于作物的生长，并降低了系统的能耗，达到了预期
根据我院现在建造的日光连栋温室，提出了如下系统
采用上位机计算机和下位机日本松下FPI型可编程
式智能温室控制系统的硬件部分，即两级监控系统。上
对智能温室进行监控和参数的设定。下级是以PLC为核
负责温室参数的信息采集，系统逻辑运算，并对调控设备
在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在
用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳
采用PLC成本虽然比单片机高，但要考虑到稳定性、可
素，采用PLC比单片机具有较高的性价比。并且采用C一N
分布式结构，当上位机发生故障时，PLC控制器可以自行
显示和输出等控制，不影响温室的自动运行。
智能温室监控系统软件包括上位机监控软件和下位机系
位机监控软件的编制采用组态王。下位机系统软件则采
的FPW工NGR编程软件来开发。系统软件不仅可以完成上位机
间的通信，而且可以满足用户对温室环境数据的实时查询和
能满足操作简单、界面友好、通用性和适应性强的软件开发
统功能的扩充和进一步开发留下接口。
1、根据外界环境对花卉生长的影响因素，选择作物环境
检测系统、智能温室控制系统两部分。自动检测系统包括:
光照、COZ、上壤水分等传感器与变送器。智能控制系统包括
角度开闭驱动，遮阳网驱动，通风机，喷灌滴灌控制，节能
2、根据检测和控制对象，采用P工D控制算法建立温室温
系统数学模型，使用MATLAB软件对其进行仿真测试。
3、研制与开发基于PLC的温室智能控制系统。
4、开发智能温室组态监控界面。。
5、通过实际运行对系统进行检验以及变频技术通风运行
1、采用PID控制算法建立温室温度参数控制系统数学模
2、室内温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境条件的
3、开发功能完善、成本低、可靠性高和扩展性好的温室
件和软件系统，为温室生产的普及创造条件。
4、基于变频技术的降温排湿功能的实现
(1)根据潍坊市园艺中心提供的数据，采用统计的方法
内作物生长的最佳环境参数如光照、温度、湿度、二氧化碳
(2)根据P工D控制算法确定的参数，拟用MATLAB软件
系统的数学模型进行仿真测试，通过对比、模拟的方法，选
(3)拟用试验的方法，完成对室内温度、湿度、光照、
度等环境条件的自动控制试验，并通过组态软件监控控制过
本设计拟采取下面的技术路线如下，
第三步:确定最优的控制方案、
第四步:温室模型控制系统的硬件、软件设计
第五步:智能温室现场控制系统的硬件、软件设计
第二章智能温室控制算法的研究
温室气候环境作为计算机控制系统的控制对象，有以下特点:
1、非线性系统。温室内部的气候处于热平衡混沌状态。大量随
不确定性因素使得对其精确建模比较困难。
2、分布参数系统。由于温室面积比较大，造成温室内部各个物
的分布是不均匀的。比如温度，温室内部各点温度都不一样，四周
都比中间的低，项部和底部也有一定差别，其值的大小依赖于空间
和气流的方向等各种因素，在温室中的气候分布是缓慢变化的。
3、时变系统。作物在生长周期的不同阶段，其光合作用能力、
散热能力等均有所差别。因而，温室系统是一个参数随着时间变化
4、时延系统。对于外界所施加的作用，温室系统并不立即响应
是经过一段时间的延迟才有反应。比如，在温室加热系统中，对系
热升温，热量传到温室的各个部分需要经过很长一段时间的延迟，
5、多变量藕合系统。温室系统是一个多输入多输出系统，系统
量之间并不是互相独立，各个子系统的控制回路彼此祸合在一起。
统任一目标的控制，都会影响其它目标的变化。
综上所述，温室环境系统是一个复杂的大系统，建立精确的控
型很难实现。由于作物对环境各气候因子的要求并不是特别的精确，
是一个模糊区间，比如作物对温度的要求，只要温度在某一时间段
一区间内，该作物就能很好地生长，因此，也没有必要将各种参数
在温室气候控制因子中温度和湿度是最重要的环境因素。对于
湿度的控制可以采用传统PID控制，这种方法简单、便于实现，但
数的整定比较困难，而且一组整定好的参数只在较小的控制范围内
好的控制效果，所以PID控制对这一类对象的控制效果并不理想。
提出的模糊控制可以不必精确了解对象状况，并且具有动态响应好
升时间快、超调小的优点，在生产过程控制等领域得到了较为广泛
智能温室控制对象的数学模型
了解对象动态特性可以通过理论分析的数学描述法，也就
运动的内在规律出发，推导出代表对象动态特性的微分方程式，
智能温室控制对象微分方程
智能温室自动控制，最关键的环境因子是温度控制，而温
仅控制夏天温度，冬季采用锅炉加热，温度最高升至20℃。
温室的温度控制是空气系统的一个重要
环节，它是用设置在室内的测温传感器，测
定室内空气温度信号，并将此信号传递给温
度调节器进行运算和放大，发出控制指令信
号，以控制相应的执行控制机构，使送风温
度或送风量随偏差值的大小而发生变化，以
满足温室温度控制的要求。
智能温室的温度对象如图2一1所示。严
格说来，室温调节对象是有纯滞后的分布参
数对象，但为了研究的简便，在建立数学模
型时，把室温对象按集中参数来处理，而不
根据能量守恒定律，单位时间内进入房间对象的能量减去单位时间
由房间对象流出的能量等于房间对象内能量蓄存量的变化率，则温室的
本文连栋温室室内尺寸一长:科米、宽6米、高米，温室针架采用
钢结构，中间为聚氨脂发泡保温层。可控温度范围为OOC一40℃。采用
湿帘通风降温系统，湿帘水泵l台，北端湿帘风机2台，中间环流风机
2台，南端排湿风扇2台。温度的稳定值通过调整湿帘水泵、排湿风扇
2、智能温室参数的估算法
从湿帘通风降温系统工作后一点的温度变化到温室控制点的空气温
度开始变化所经历的时间叫恒温室的传递滞后。也就是说T就是空气从
降温系统开始沿流线移动到控制点所需的时间，即
统仿真应用中很快得到了发展。Simulink是一个用来对动态系统进行建
模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线
性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。现已发展至版本
本文利用MATLAB对湿帘降温系统的P工D控制进行模拟仿真。
针对本文的智能温室，受控对象可用一阶惯性环节表示;即传递函
通过P工D控制系统的响应曲线可以看出，PID控制系统的静差为零
在受到外界干扰作用后，系统最终能很好趋于原来的平衡线上。但PID
控制系统在控制的过程中会产生很大的超调量，且回复时间长、衰减度
第三章系统总体结构与硬件设计
温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器、湿度传感器、光照
传感器、COZ传感器、‘室外气象站等采集或观测的温室内的室内外的温
度、湿度、光照强度、COZ浓度等环境参数信息，通过控制设备对温室
保温被、通风窗、遮阳网、喷滴灌等驱动/执行机构的控制，对温室环境
气候和灌溉施肥进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要，为作物
生长发育提供最适宜的生态环境，以大幅度提高作物的产量和品质。其
总体结构示意图如下图3一1所示:
以时间为基准的变温管理。根据一天中时l旬的变化实行变温管理，
根据作物的生长需要将一天分成四个时间段，四个时间段中根据不同的
控温要求对温室进行控制。一天中四个时间段的分段方法用户可以灵活
的更改，而且四个时间段中的温度设定值用户也可以设定修改。
根据潍坊地区多年的气候条件记录，本地区春天与秋天时间短，不
易区分。以此控制模式采用夏天与冬天各采用一种模式，共有两种控制
(l)夏天模式在该模式下工作的坏境调节设备有:自然通风系统
(天窗和内侧窗)、强制通风湿帘降温系统(湿帘一风机)和水平保温遮荫
幕。此时室外温度很高，温室降温以强制通风湿帘降温为主。遮荫幕可
以起到遮荫和降温的作用。
(2)冬天模式在该模式下工作的环境调节设备有:暖气加温系统、
水平保温遮荫幕。在此模式下自然通风系统不工作。
不同季节的控制模式不同，只是自动控制系统启动的调节机构不相
同，但不同季节的控制日的是相同的，即将环境参数调控到设定的参数
附近。随着季节的变化，以及随作物的生长阶段的变化，各时间段所需
要的温度也是变化的，这时可以通过修改设定温度值来调整温室的温度
本系统采用自动与手动互相切换控制两种方式来实现对温室的自动
控制，提高设备运行的可靠性。在运行的时候可以通过按钮对这两种控
手动控制简单可靠，由继电器、接触器、按钮、限位开关等电气元
我们采用计算机自动控制模式，通过传感器对环境因子进行监测，
并对其设定上限和下限值，当检测到某一值超过设定值，便发出信号自
动对驱动设备进行开启和关闭，从而使温室环境因子控制在设定的范围
内。其运行成本较低，可以大大节约劳动力，降低劳动者的劳动强度。
为了实现智能温室的环境监控，本设计建立了温室环境控制参数的
长时间在线计算机自动控制系统。实现了温室内温度、湿度、C02浓度、
光照强度等参数的长期监测。并可根据智能温室温湿度的需求，对天窗、
侧窗、降温湿风扇、风机、湿帘、内外遮阳网等设备自动控制。采用计
算机作为上位机安装有组态王监控软件，能将数据汇总、显示、记
录、自动形成数据库，并实现了温室调控设备的自动设置与远程监控。
为了确保系统的可靠性，温室设备的控制采用手动/自动切换方一式，即在
某些特殊情况下系统可以切换成手动，使用灵活力一便。系统的硬件结构
对于智能温室环境控制而言，温度参
数是监测控制系统输入的最基本的变量
之一。温度传感变送器是具有在恶劣环境
中长期使用而保持精度不变的少数几类
传感器中的一种，目前常用的温度传感器
有热电偶传感器、热敏电阻传感器及集成电路(固态)型传感器。在各种
温度传感器中，热敏电阻和集成温度传感器均可满足要求。本系统温度
控制的范围为10“C一SOOC
(1)温度传感器的选择
温度传感器的种类很多，根据温室使用条件，选择恰当的传感器类
型才能保证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。根据温室温度控
本系统中温度传感器选用AD59O
集成温度传感器如图3一6。该温
度传感器具有线性好、精度适中、
灵敏度高、体积小、使用方便等
集成温度传感器的输出形式
分为电压输出和电流输出两种。
我们选用电压输出型的灵敏度一
般为IOmV/K。温度O“C时输出
为O，温度25“C时输出。
它的主要特性参数如下:
(2)温度检测电路的设计
温度检测电路如图3一7所示，其中运算放大器Al被接成电压跟随器
形式，以增加信号的输入阻抗。而运放AZ的作用是把绝对温标转换成摄
氏温标，给AZ的同相输入端输入一个恒定的电压，然后将此电压放大到
。这样，A!’一歹AZ输出端之问的电压即为转换成的摄氏温t/J、。
(1)湿度传感器的选择
湿度信号的传递必须靠水对湿敏元件直接接触来完成，因此湿敏元
件只能直接暴露于待测环境中，而不能密封。目前己有几十种湿敏器件，
按感湿材料来分，大致有四类:电解质、半导体陶瓷、高分子和其它。本
系统需要检测温室内空气的相对湿度，它是绝对湿度和饱和湿度之比。
根据温室湿度控制的特点，本系统中湿度传感器选用A1203型湿度传感
A1203型湿度传感器属于电容型的高分子材料制成的湿敏元件。它具
有线形度好、滞后性小、响应快以及能在较寒冷的环境中使用等优点，
②相对湿度测量范围:O一100%RH。
③测湿精度:士4%Rha。
当环境湿度发生变化时，传感器的电容量也随着变化，这种变化反应到
由振荡电路提供的正弦波信号，通过电压跟随器输出电压值。
光控用于控制遮阳幕的启闭，使作物得到合理的光照度并实现以下
目的:免除作物超过光饱合点，提高光合作用;实现对长日照作物、中
同照作物和短日照作物的光照控制。
光照度传感器采用北京易盛泰和科技有限公司产品型号Pol88一c光
照度传感器，外形图如图:〕一10所示。说明:采用先进的电路模块技术开
发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，
体积小，安装方便，线性度好，传输距离长，抗干扰能力强。可广泛用
于环境、养殖、建筑、楼宇等的光照
度测量。量程可调。接线原理图见图
从图3一2系统总体设计框图中，可以看出执行机构系统包括湿帘降
温系统，天窗、侧窗、风扇、内外遮阳网开闭系统、变频器驱动降温排
1、湿帘降温水循环系统
湿帘降温水循环系统的系统组成:湿帘、湿帘水泵、风扇和附件。
通过利用水的蒸发原理实现降温的目的。湿帘安装在温室的北端，风扇
安装在南端。当需要降温时，启动风扇将室内的空气强制抛出，形成负
压，同时湿帘水泵将水打到湿帘墙上，室外的空气因负压被吸入室内的
过程中，以一定的速度从湿帘的缝隙穿过，导致水分蒸发和降温，冷空
气流经温室，吸收室内热量后，经风扇排出，从而达到降温的目的。
湿帘水泵采用玉门县兴龙电器厂生产的湿帘专业水泵，外壳采用塑
料，和金属结核具有重量轻，电机噪声小，经久耐用等特点。电压:三
(2)直排水湿膜加湿器
直排水湿膜加湿器结构图如图3一13，其安装要求如下:
①安装Dmm厚度直排水湿膜加湿器的空调机组，其表冷器后部预留
空段，空段长度以大与(D+150)mm为最佳。
②安装Dmm厚度直排水湿膜加湿器的空调机组，其所安装加湿器的
底部一定要有接水盘，且接水盘内要预留放置加湿器的空间。
③直排水湿膜加湿器安装时应垂直，左右倾斜角度不大于5度。
④现场需提供DN15供水管和22OV/50HZ的电源三芯插座，水源和
电源均需引到距离加湿器电控箱安装位置米范围之内，且周围不得
直排水湿膜加湿器工作原理(图3一14)
经过过滤的水通过管路送到加湿器顶部淋水器，水沿湿膜材料向下渗透的同时，
被湿膜材料吸收，形成均匀的水膜;当干燥的空气通过湿膜材料时，水分子充分吸
收空气中的热量而汽化，蒸发，使空气的湿度增加，形成湿润的空气。这一过程空
气的湿度增加，温度下降，但空气的焙值保持不变。
2天窗、侧窗、风扇、内外遮阳网开闭系统
本系统的所有执行设备都是通过PLC控制输出执行，并且控制的设
备多数是电机。下面以PLC控制天窗电机为例(见图3一15)来介绍执行机
构控制的原理。其它主线路、控制线路原理图图见附2。
控制回路:SAI自动/手动选择继电器触点，当手自动开关扳到自动
状态时，IKCA通电，表示开窗;ZKCA接通时，表示关窗。SAI是三位自
复位的开关，当手自动开关扳到手动状态时，IKCA和ZKCA保持常开状
态，按SBI时是开窗状态时，KMI交流接触器接通、KMZ交流接触器断开:
按SBZ时是开窗状态时，KMZ交流接触器接通、KMI交流接触器断开。KM工
和KMZ互锁，SQI为天窗开到位限位开关，SQZ为天窗关到位限位开关，
FRI为主回路热保护继电器常闭触电，XJ为系统急停开关。IKCA和ZKCA
是PLC控制中间继电器KI和KZ的触点，实现PLC控制天窗的开关。
由以上说明，我们可以看出，天窗电机手动工作时由手动开关控制，
自动工作时由尸LC控制。并且有互锁、限位、热保护和工作指示的功能。
3、变频器驱动降温排湿风扇的设计
目前，在国内外温室的降温排湿风扇基本采用传统的开一关控制方
式，即风扇以恒速间歇式运行。基于变频技术的风扇变风量通风技术可
以为温室通风量优化运行和节能性运行创造条件，因此采用了变频器驱
(1)变频器容量的选择
由于该排湿风扇容量为60OW，并且连续运转，所需变频器容量的计
(2)变频器的参数设置
①上限频率因为风机的机械特性具有二次方律特性，所以，当转
速超过额定转速时，阻转矩将增大很多，容易使电动机和变频器处于过
载状态，因此，上限频率九不应超过额定频率九。
②下限频率从特性或工作状况来说，风机对下限频率人没有要求，
但转速太低时，风量太小，在多数情况下无实际意义。一般可预置为人多
③加、减速时间风机的惯性很大，加速时间过短，容易产生过电
流;减速时间过短，容易引起过电压。一般风机起动和停止的次数很少，
起动和停止时间不会影响正常生产。所以加、减速时间可以设置长些，
具体时间可根据风机的容量大小而定。通常是风机容量越大，加、减速
④加、减速方式风机在低速时阻转矩很小，随着转速的增高，阻
转矩增大得很快;反之，在停机开始时，由于惯性的原因，转速下降较
慢。所以，加、减速方式以半S方式比较适宜。
⑤回避频率风机在较高速运行时，由于阻转矩较大，容易在某一
转速下发生机械谐振。遇到机械谐振时，极易造成机械事故或设备损坏，
因此必须考虑设置回避频率。可采用试验的方法进行预置，即反复缓慢
地在设定的频率范围内进行调节，观察产生谐振的频率范围，然后进行
⑥起动前的直流制动为保证电动机在零速状态下起动，许多变频器
具有“起动前的直流制动”功能设置。这是因为风机在停机后，其风叶
常常因自然风而处于反转状态，这时让风机起动，则电动机处于反接制
动状态，会产生很大的冲击电流。为避免此类情况出现，要进行“起动
前的直流制动”功能设置。
温室控制系统pLC软件的设计
根据基本要求和技术要求列出以下几点:
(l)防止接点误动作:可利用自锁电路加以解决。
(2)系统自诊断功能:PLC本身具有此项功能。
(3)风机控制:温室设有一组风机，能同时启动与停止，当
的温度超出预定值时，受PLC的控制先是4个侧窗自动打开，延
后风机启动，再延时5秒后湿帘水泵启动，从而使温室的温度降低
(4)侧窗控制:温室中设有4个侧窗，侧窗受电机控制，通过
限位的设定来控制侧窗行程。解决方法类似上一点，但考虑到程序
炼性，可配合尸LC的中断功能命令加以解决。
(5)系统自动/手动控制:可利用一个开关量作为PLC的输入
(10)可扩展性:在PLC中预留一定的存储空间和端口即可解
1、构成PLC控制系统的硬件的地址分配范围见表4一1。
系统中对风扇、天窗、侧窗、环流风机、遮阳幕和湿帘泵的控制是
通过PLC发出开关指令，通过交流接触器控制相关机构的启停。由于尸LC
检测系统具有较高的灵敏度，能够把温室内的扰动快速反应出来，同时
由于温室较大的传递滞后，执行机构动作频繁，从而影响使用寿命。为
此，在程序中加有时间可调的延时模块，使用时可根据具体情况调整延
时，使控制效果达到最佳。系统流程图如4一1所示。
利用FPwINGR软件采用梯形图语言编写系统的程序，以PID温度控
制为例。详见附录程序清单。
温室温度pID控制软件设计
由于温度传感器输出的信号为4一20mA，PLC的A/D单元输入电流为
0一20mA，满量程20mA。对应PLC的数字量为K1000，因此需要进行数值变
换。测量出当前温度的数字值Tc为:
系统的组态监控软件的设计
组态软件是可以从可编程控制器以及各种数据采集卡等设备中实时
采集数据，然后发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包。
本系统中的监控界面采用的是北京亚控公司开发的组态王
，该软件是运行在Wind。w98/NT系统上，由工程浏览器
TouchMaker可以查看工程的各个组成部分也可完成数据库的构造、定义
外部设备等;画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统
用组态王开发的监控软件通过与PLC进行通信，用于远距离温
室监控，温室环境数据的不间断连续收集、整理、统计、制图以及温室
设备运行状态的在线记录。其主要功能如下:
它可以通过通讯线远程监视多座温室的当前状态，包括“户外温度、
光照强度、风速、风向、雨雪信号、室内温度、室内湿度、控制器温度、
三组独立通风窗的位置和开关状态、内外遮阳幕的位置和开关状态以及
一级二级冈J扇、湿帘、微雾、加热器、环流风扇、补光灯、C02补气阀、
水暖三通阀的状态和多种形式的报警监视。还能监视各灌溉阀的状态。
它可以统计任意时刻的户外温度、光照强度、风速、室内温度、室
内湿度、C02浓度、水暖温度等的全月的、全周的、全日的和本时段的
最大值、最小值和平均值。
(3)温室设备运行记录功能:
它能在线记录各温室设备状态变化时的时间、当前状态和位置、当
前目标温度、室内温度、目标湿度和室内湿度，并能打一印输出。
可以通过通讯线远程修改可编程控制器的全部设定参数。
(5)生成曲线图功能:
它能以平面图或者立体图的方式同时绘制任意时刻的户外温度、光
照强度、风速、目标温度、室内温度、目标湿度、室内湿度、COZ浓度、
水暖温度等的全年的、全月的、全周的、全目的变化曲线并打印输出。
智能温室的远程监控画面的设计
智能温室的远程监控画面如图4一l。该画面中以1#、2#、3#通风窗、
外遮阳网为例介绍温室设备与组态王6.()2的控制连接画面的程序，其他
在系统中除了需要对温度、湿度等参数的数值进行显示以及实时趋
势曲线、历史趋势曲线、报警记录的显示、打印外，还要求在“手动”
状态下在微机中可以直接点击系统设置画面上的“开窗”、“关窗”、“开
帘”、“关帘”、“开风机”、“关风机”等模拟开关，从而对温室内的窗、
帘以及风机进行控制，以及将设定的温度、湿度的高、低限控制参数传
但是由于画面上的开关是模拟开
关，不能直接控制PLC，因此要使用PL
内部的中间继电器，通过DDE动态连接
库与画面上的模拟开关的变量一致。当
单击模拟开关时，开关的状态通过组态
王中的数据词典，经DDE传到PL
的中间继电器上，来控制PLC实际的输
第五章系统安装与调试及变频节能测试
1、室外温度传感器应安装在室外通风良好的背阴处，远离热源，离
2、室外气象站传感器应安装在高于温室天窗2米处，并且四周无高
大建筑物，以避免阴影遮蔽光照传感器和影响流动的空气对风速风向传
感器的作用。“风速风向传感器”的长臂应指向正北方向。传感器支架附
近应有避雷装置。(离传感器支架较近并且高于传感器支架的电线杆能提
供间接避雷，最理想的是安装避雷针)
3、将“风速风向传感器”的长臂指向正北方向后，轻轻旋转风向传
感器的金属杆，用万用表测红_线和绿线见的电阻，当电阻在20K和200
欧姆跃变时，停止旋转金属杆，将风标长杆指向正北方向，轻轻插入风
向传感器的金属杆，并用顶丝锁紧。
4、两支室内温度传感器应安装在温室两侧具有温度代表性的地方，
湿度传感器应安装在温室中部能代表温室湿度的地方，避免将其靠近热
源或较凉的地方(例如:打开的天窗下方)。
5、电控柜应安装在通风良好，背荫防水处，并要远离强磁干扰源及
化学污染源。夏季，若阳光能直射在控剖器箱体上，为避免箱内温度过
高，应为其搭置遮阳罩。
6、通讯电缆的走向应避免与动力电缆平行，在经过强磁干扰源时，
智能温室控制系统的调试
该系统接线正确，设定值正确，投入电源，即可进入自动运行状态。
初次运行时，应按以下步骤测试，调整:
1、检查控制器的所有连线是否正确。
2、检查各执行机构能否正常工作。检测完毕后，将所有执行机置于
3、投入电源，观察PLC的工作状态指示灯，检查是否有内容显示。
4、观察PLC的监控程序，检查是否所有传感器均有信号送到，是否
气象站数据通过通讯线正毋送到
5、进入设定项，校正传感器数值。
6、进入设定项，将控制器能控制的设备的有效性设为有。
7、进入设定项，根据实际种植需求，正确设置各设定值。
温、湿度等传感器每年需校准一次，该控制系具有的校准功能，只
将标准仪表或温湿度计所测的标准温湿度值输入系统，控制器自动完
拿一个较准确温度计和温度传感器放在一起，等其稳定后，将通过
程软件FPWINGR显示PLC的数据寄存器中DT10、DTll的数值和温度
读数值一记录下来;接着等温度再升高一个稳定数值时，同样的方法再
将两组数据分两次输入到PLC的数据寄存器中需要较准，得到一个
度传感器的数值，分别保存退出。系统会自动完成对温度传感器的较
2、湿度、COZ、光照传感器的校正
方法同温度、湿度传感器类似。
电控柜的使用与执行机构的调试
电控箱应用三相四线制，交流380V50HZ。由小型高分断断路器、交
接触器、过热、过载继电器、各种控制按钮等系列电器件构成。结构
结合图5一2将调试原理介绍如下:电控箱设有自动手动换旋钮SAI，
将其旋到自动位置时有尸LC智能控制，旋到手动时由电控箱按钮手动控
制。温室在投入使用时，应先将电控箱打开，合上。总电源断路器(QF
总)和控制线路断路器(QF控)以及各部分电机所对应的断路器。然后
合上电控箱门，电源指示灯亮，即可投入使用。
温室的天窗、侧窗和内外遮阳由面板上的控制按钮控制。操作时，
按动相应的按钮即可。相应的开启度由电机减速箱内置的行程开关决定。
也可在行程开关控制范围内山停止按钮决定其开启度大小。(行程开关控
制决定的位置为最大位置)如:打开天窗1自动一停止三动旋钮旋到手
动位置，然后按天窗1开启按钮SBZ，交流接触器KMI工作，天窗1电
机开始正转运行，天窗l开始开启，到达预调最大开启度时，行程开关
SQI动作电机停止，天窗1停止开启。在开启过程中，可随时按天窗l
停止按钮，使电机停止运行，将天窗1停在行程范围内任意一个所需位
置;按天窗1关闭按钮SB3，交流接触器KMZ工作电机反转运行，天窗1
开始关闭，行程开关SQZ动作电机停止。在运行过程中也可随时按天窗
停止按钮，使其停在关闭的任何一个位置。
其它设备调试过程同上。
5，电控箱使用中的一般故障和排除方法
1、面板上各控制旋钮动作，而交流接触器不动作，检查控制线路是
否接通，急停旋转按钮是否复位。
2、单路线路不能接通，检查按钮触头是否到位，交流接触器线圈是
否烧毁，坏则更换同型号元件，检查热继电器常闭触头是否接通，按热
继电器上的红色复位按钮，排除故障后重新启动。
3、电机受到过载负荷，电路断开，电机不能运行，检查线路和电机
驱动部分是否卡住或异物堵塞，排除故障，热继电器红色复位按钮后，
4、电机在运行中，通过控制按钮，不能停止其运行，迅速断开对应
的断路器，检查线路、按钮触头是否熔焊或不到位、交流按触器触头是
否熔焊不能断开，更换同元件，排除故障后，再重新启动。
5、带限位开关的机构，限位失灵时应迅速断开对应的断路器或按停
止按钮停止电机运行，检查线路中的行程开关线路是否失效，排除故障
6、按动按钮后，交流按触器动作，而电机不运转，且有“嗡嗡”声，
应迅速断开线路，检查线路是否缺相，排除故障后，再重新启动。
注:请勿在通电状态下触摸各压线端子，拆卸内部各种电气件，防
采用变频技术的温室降温排湿节能效果试验
试验在潍坊职业学院南校区的连栋智能温室中进行。温室是三角形
顶，单跨IOnl，南北墙距离SOnl，并且内外遮阳网、侧窗均闭合。该温
室用尸VC板和塑料布双层分割成5部分即A区、B区、C区、D区、E区，
温室A区中的2台风机安装了变频运行模式，而温室B区中2台风机保
持原有的非变频运行模式，在2个温室中都安装电度表以测量通风机耗
电量。为了获得准确的气候参数，在温室的不同部位布置有3个温度计
和3个湿度计，数据采集由专人定点负责记录。测试时间为2020年9月
中旬至2020年10月中旬。
为了进行2种温室通风方式节能效果和温室内部气候特征的对比，2
个温室的温度设置饭一致，都设在24一25OC，即室内温度等一于或高一于25
℃时风机开始工作，等于或低于24OC时风机停止工作。温度在24一25
℃之间时，温室B中风机在非变频控制方式下运行，温室A中的风机
转速由变频驱动控制连续运行，其变频驱动PLC采用PID参数自整定控
制算法来控制，该算法只考虑室室内外温度，风机当前转速与额定转速
介一一室内温度设定下限值，本试验中设定为24℃。
1、风机在试验台上的性能测试
为了获得所用风机的运行特征，在室内试验台(按ANS工AMCA21085
和ANS工ASHRE51一1985标准制造)上测定了风机在不同转速、不同风压时
的通风量Q、主轴功率P。风机效率和风机单位耗电量可通过其定义计算
的通风量、主轴功率。表5一1所示数据说明:
①在同一风压时，通风量与转速呈线性关系，而轴功率随转速的降
低速度比通风量大，符合风机的一般规律。
②在同一转速条件下，轴功率随风机风压增加而增加，而通风量随
风压增加而减少。风机风压越大单位耗电量也越大，其最大值在最高转
③在小风压情况下(O、15Pa)，风机转速降低时，其单位耗电量也
相应降低，但值得注意的是:在高风压情况下(如30Pa)转速从额定
转速降到32Or/min时，单位耗电量虽有降低，但继续从80%降到60%
时，其单位耗电量未见降低。
这预示着在实际温室中当风阻较小时，风机转速降低后的节电效果
明显，但在温室通风路径上风阻增加后，如果在通风口使用防虫网等风
机系统的节电效果可能会降低。
温室运行试验在9一10月份进行，表5一2和表5一3给出了在湿帘不
工作和湿帘工作两种情况下每个试验日室外气候情况和能耗数据。表中
的气候参数值都为当天7时到17时的平均值，耗电量为相同时间间隔
通过表5一2和表5一3的数据说明:
①在室外环境平均温度为21一24OC时，变频运行模式与非变频运行
模式之间并没有多大的差别。
②而室外环境平均温度在25℃以上时，变频运行模式t匕非变频运行
模式有显著的节能效果。
③湿帘不工作8天中室外环境平均温度为℃，变频驱动日平
均耗电量为，非变频驱动日平均耗电量，两者之比
④湿帘工作的8天中室外环境平均温度的总平均为℃，变频运
行模式日平均耗电量为，非变频运行模式日平均耗电量
kw/h，两者之之比约为%。
可以看到:由于湿帘使温室进风口的空气干球温度接近环境空气的
湿球温度，结果使通风所需的耗能得到明显降低，同时在湿帘工作的情
况下，变频运行模式的节能效果比湿帘不工作时好。
降温排湿风机降低转速后其通风量相应减少，但风机主轴功率更显
著地减少。在风机压力小的情况下，单位通风率所耗轴功率随转速降低
显著减少，而在风机风压增加后，单位通风率所耗轴功率随转速降低减
少的趋势减弱。这说明在温室中通风阻力的增加不利于通过降低风机转
由于在变频运行模式下风机的工作状态是连续的，所以温室中的温
度、相对湿度的突变幅度明显小于非变频运行模式。经过一个月的数据
采集和对2种控制方式下累计耗电量的对比得出:在所做试验的自然气
候环境条件下，变频运行比非变频运行有明显的节能效果，在不使用湿
帘的情况下变频运行模式的耗电量是非变频运行模式的%，在使用
湿帘时，此比值约为%。同时从单日的耗能数据可以看出，单日的
节能效果因外部不同的气候条件而不同。
经过一年多的不断研究和学习，对智能温室控制系统做了大量的工
总结本文研究的成果，得出以下主要结论:
1、本文根据温室环境的特点，运用PLC技术完成了温室环境控制
2、实现了对温室内部温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度等参数
3、采用PID控制的方法建立了温室内温度控制模型，经MATLAB仿
4、采用组态王开发了监控系统，实现了温室实时数据与历史
数据的显示，实时控制参数的在线修改，完成了温室内的实时监控。
5、对控制系统进行了安装与调试，达到了预期的结果。并做出了
温室降温排湿节能效果试验。
当然，由于条件的原因，在系统的设计过程中也存在着许多不足，
还有一些问题需要解决:
1、为了更好的进行温室的节能运行，应该考虑到湿帘、室外因素、
内外遮阳网对温度的影响，实现湿帘、环流风机、风扇的最优控制。
2、温度PID控制定，虽然进行了MATLAB软件仿真，还有待在实际
3、由于作者水平有限，没有对温室控制进行模糊控制、专家控制
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上图是由FS15402适配器组成的RS485通信网络，其中接计算机的
设置到“485”位置。总线中终端电阻的设置:设置终端电阻的目的是为
了消除或减小信号在线路中的反射而产生波形畸变，须将总线两端如图
中的FS一485G和最后一个FS15402上的终端电阻设置开关拨到“R”位
置(接入终端电阻)，而总线中的其它节点的终端电阻设置开关须拨到
“OFF”位置(不接终端电阻)。当总线的长度超过对应波特率下所允许
的最大长度或总线中的RS485节点数量超过32个时，须在总线中安装
2、下图为FS15402适配器的外形及端子信号定义:FS15402的输入
端为MDSM插头，直接插入松下F尸O/FPZ/F尸一M等PLC的编程通信口，RS485
端为二组完全相同的接线端，这样设计的目的是为了多个FS15402连接
时方便接线，避免RS485支线产生回波引起信号失真。
根据RS485规范，通信线应采用截面为的双绞线，上图中
是采用非屏蔽的双绞线的连接方法，对于干扰较严重的场合，应采用带
屏蔽层的双绞线，将各段线路的屏蔽层接到FG端子上，在最后一点接大
地。并用另外一条低阻值(截面约lmmZ)的导线将各个RS485节点的
信号地SG连接起来以使各个节点的地电位相等，如下图所示。
