温室大棚环境监控系统
- 关键词：组态,智能温室,农艺园
- 作者：北京昆仑中大工控技术发展有限公司
- 摘要：利用昆仑中大组态软件与研祥工业计算机、西门子 S7-200系列PLC及传感器、仪表等硬件建造一个现代化农业用温室大棚环境监控系统，本系统可自动监测调节农作物环境的温湿度、光照、CO2浓度等参数，通过输出和打印设备帮助种植者作全面细致的数据分析，保存历史数据。为利用工业组态软件改造农业生产提供了参考案例。
一、 概述
随着国民经济的迅速发展，现代农业得到了长足的进步，温室工程已成为高效农业的一个重要组成部分。计算机自动控制的智能温室自问世以来，已成为现代农业发展的重要手段和措施。它的功能在于以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。
二、功能叙述
温室环境包括非常广泛的内容，但通常所说的温室环境主要指空气与土壤的温湿度、光照、CO2浓度等。计算机通过各种传感器接收各类环境因素信息，通过逻辑运算和判断控制相应温室设备运作以调节温室环境。输出和打印设备可帮助种植者作全面细致的数据分析，保存历史数据。本系统主要具备以下几部分功能：
2.1综合环境控制
采用计算机实现环境参数比较分析，四季连续工况调控系统。比例调节环境温度、湿度与通风。CO2 发生装置按需比例调节环境CO2浓度，夏季室外屋顶喷淋，在保证室内光照强度的前提下，组合调节环境温度与通风，达到强制降低环境温度的效果。通过计算机对温室各电动执行器进行整体调节，自动调控到作物生长所需求的温、湿、光、水、气等条件，另外通过臭氧消毒净化器对温室进行消毒。
2.2肥水灌溉控制
采用计算机肥水灌溉运筹系统。根据作物区的需要，对水培区的营养液成分，PH和EC值进行综合调控。对基培和土培区主要是根据作物生产需要，设定基质、土壤的水势值，自动调节滴灌、喷灌系统的灌溉时间和次数。
2.3紧急状态处理
采用计算机实测环境参数、状态极限值反馈报警保护系统。根据作物的各项参数设定温室环境的极限值和作物生长环境参数极限值报警保护系统，提高了整个系统安全性。
2.4信息处理
采用计算机集散控制信息管理系统。信息处理由中心控制计算机完成。主机通过局部数字通讯网络与现场控制机相连，实现远动双向控制及全系统集中数据处理。其功能包括运行实时参数 执行器模拟状态显示，历史数据存储、检索，数据平均值报表、曲线显示与打印。
2.5温室的环境参数指标
针对本系统所涉及的两栋温室，根据栽培的作物和所处的环境，具体参数如下：
l 葡萄温室：
a、在冬季休眠期约90多天需保持温室内温度为5℃。休眠期以后白天需控制温室内温度为25-30℃，夜间需控制在15-18℃。
b、湿度需保持在50-75%不能超过95%。
c、光照强度应保持在45000-55000勒克斯
d、二氧化碳浓度在上午日出后到10点左右保持在1000PPM左右。
e、PH值保持在7-7.5。
f、EC值离子总浓度保持在1‰-2‰，随时进行调整。
l 黄瓜、番茄温室：
a、在苗期需保持温室内温度在13-15℃，定植后白天上午应保持在25-28℃，下午应保持在20-25℃，夜间应保持在15-18℃。
b、湿度黄瓜在白天保持在70-75%，夜间保持在85-90%；番茄白天保持在65-75%，夜间保持在75-85%。
c、光照强度番茄应保持在50000勒克斯左右，保证12个小时光照；黄瓜应保持在40000勒克斯左右，保证8-10小时光照。
d、二氧化碳浓度在上午日出后到10点左右保持在1000PPM左右。
e、PH值保持在6.5-7.5。
f、EC值离子总浓度保持在1‰-2‰，随时进行调整。
黄瓜和番茄在冬季早春即11月中旬至下年2月上旬期间比较关键。
以上参数在监控软件中进行编写，环境参数超出设定范围时进行相应调节同时产生报警提醒值班人员注意。
三、系统设计
3.1 系统硬件和软件选择
设计系统的关键是硬件和软件的稳定性，根据实际的应用经验和比较选用以下配置。
硬件配置：研祥工业计算机P4 2.0G/256M/40G/20英寸彩显；西门子PLC S7-200；
软件配置：系统WINDOWS 2000；组态软件2.61控制策略网络版。
3.2 软件设计方案
实现智能化温室控制的关键在于
3.2.1配方管理模块实现了参数的批量控制
根据不同的作物或相同作物的不同生长阶段，设计出不同的配方。软件提供了简单方便的组态和操作功能，将需要修改的参数首先定义为变量，这样，操作人员可以通过操作画面，进行方便修改。
详细表达式如下：
实时参数的检测永远的一线生产最主要的环节，及时反应当前生产情况，本系统选择的检测仪表尽量都是输出标准信号。针对农艺园温室的应用环境特点是湿度较大，所以在变送器的选型上特别注意能够防潮湿，在这样的环境中分析类变送器如PH计和二氧化碳分析仪等，在检测部位容易凝结水珠，所以维护的频率要相对提高，一般需要4天左右就维护一次，这样才能作到实时参数检测及时准确。
3.2.3 数据网络化
由于技术中心远离温室现场，而技术人员需要实时监控生产参数，修改最佳的生产参数，数据的网络化就是必须的。昆仑组态可以有2种方式实现数据网络化，一是WEB功能；二是远程数据库功能。WEB功能只能远程浏览而无权限修改参数，所以不适用本系统，定义远程数据库很好的实现了数据网络化。
3.3 软件实施说明
系统主要对温度、湿度、光照等指标进行控制。以葡萄温室为例，休眠期温室的温度保持在5℃，休眠期后白天控制在25-30℃，夜间控制在15-18℃，当温度超出控制范围时加热炉的风机启动，使加热炉产生的热量在温室内均匀散布，当温室内温度达到作物适合温度时，加热炉风机自动停止。湿度控制在50-75%，当温室内湿度超出控制范围时轴流风机启动，抽出温室内湿度较高的空气，使湿度下降。当湿度降回到正常范围时，轴流风机自动停止工作。温室的光照度控制在45000-55000勒克斯，当温室内的光照度达不到设定指标时，温室内的补光灯自动打开进行人工补光。当温室的光照度水平达到设定指标时补光灯自动熄灭，以节约能源。臭氧病害防治机的使用则结合作物的具体情况来选择性的进行定期或不定期消毒灭菌。二氧化碳发生器的操作相对麻烦一些，需到温室内按步骤进行操作，监控系统可监视二氧化碳浓度，当浓度达到有害程度时系统发出报警，提醒监视人员注意。黄瓜、番茄温室的控制方案与之类似，主要差别在各参数的控制指标不同。
组态、设计工作完成后，经过模拟和在线测试后，证明该系统所实现的功能完全达到了原设计的意图，满足了生产的需求。
系统投资少，见效快，运行一年多来稳定可靠，实践证明改造后单产量都提高20%以上。说明利用工业组态软件改造现代农业，是完全可行的，特别是在华北和东北，温室种植较多的地区，是新的思路和理念，具有广阔的前景。