PROFIBUS现场总线的蔬菜大棚环境监控系统
目 录
1 引言 1
1.1 本课题的意义及研究背景 1
1.2 国外温室发展概况 1
1.3 国内温室发展概况 2
2 系统总体设计方案 2
2.1 总体结构设计 2
2.2 控制子系统设计 3
2.3 系统数据采集 4
2.4 数据处理和显示 6
3 PROFIBUS-DP现场总线运用 7
3.1 对PROFIBUS现场总线的综述 7
3.2 PROFIBUS-DP现场总线 7
3.3 硬件配置 8
3.4 系统硬件组态 9
4 WinCC的运用 11
4.1 WinCC的概述 11
4.2 WinCC与PLC的连接 12
4.3 WinCC图形编辑及设置 15
4.4 本章小结 19
5 PID控制 19
5.1 PID的概述 19
5.2 PID控制算法 20
5.3 PID的调控 21
5.4 本章小结 27
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 引言
随着农业的发展，温室的结构和功能更加先进，结构越来越科学，内部设施更加完善。温室可以被认为是一个受不同的气候变量影响的封闭系统，它可以通过调节来保证托管作物的最佳发展。本文研究的是智能化温室，根据其栽培生产的特性，设计基于PROFIBUS现场总线思想的蔬菜大棚环境监控系统，能够很好的满足现今条件下温室环境控制的需求。
1.1 本课题 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
的意义及研究背景
温室环境控制是环境工程学、农业生物学、自动控制化、管理科学、计算机网络等多种技术的综合应用，是一项综合性工程。它的目标是为植物营造出最好的环境，防止一年中四季的不同情况与槽糕的天气对其产生影响，从而使植物的生产不受时节影响，使其快速生长，防止植物得病或虫害，并提高作物质量等目的。大棚技术越来越常见，大棚数量的日益增加，以往普通的蔬菜大棚已不能满足现今的需求。本监控系统硬件部分主要由西门子S7-300、A/D转换器和各类变送器构成，用来完成蔬菜大棚中温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等参数的检测与控制，满足不同种类蔬菜对生长环境的需求，提高大棚的生产效益与效率。
九十年代开始，我国的农业迎来了翻天覆地的发展，使用光能的技术越来越先进，植物抗寒能力变强，能够正常度过冬天，也能防治一部分的虫害。但是，大多农业生产者都存在杂乱、规模小的问题，很难保证蔬菜的质量，出现了农药残留超标等情况，威胁到了消费者的利益。同时，小规模的生产对市场规律的预见性较低，难以保证足够的供应，并且很难避免市场的风险。二十一世纪后，人们开始关注食品营养、质量，植物是否打过农药。简陋的蔬菜大棚开始曾多，农民的生活部分改善，但是蔬菜大棚的技术非常不完善，效益不够显著，再加上一些剧烈的自然灾害，农业生产还是不稳定。由于其他国家技术的引进，国家的关注，蔬菜大棚的技术水平不断发展，农民的生活也日益改善。但总的来说，已经在中国建立和运行的部分温室有着不完善的管理机制、设计研究较慢等缺陷，无法很好满足现代化农业与温室环境智能化控制开发的需求。因此，非常需要研发出适合国情并具有独立知识产权、所需资金低、生产效益好的温室控制系统。
1.2 国外温室发展概况
其他国家在温室设计开发方面开始较早，大概1940年左右就已开始。美国加州的Farhort植物实验室建造于1949年，是世界上首个百分百由人工来控制环境条件的温室，并且在其之上对有农作物在内的多种植物开展了其对环境的适应性与抵抗能力的基本研究。1953年，当时第一大的人工日光温室由荷兰建成[1]。1965年左右，计算机不断更新改善，许多温室发展领先的国家渐渐开始使用微型计算机来监控温室，并对其使用于农业生产方面进行了多种尝试[2]。80年代，数字式单元组合仪表被大部分温室使用，模拟式仪表被逐渐遗忘。现今，荷兰、美国等国家可以根据温室中植物的需要与特性，自动调控温室内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等因素。部分温室发展领先的国家使用人工补光，全程由计算机监控和机器自动完成播种、护理、收取等多项先进科技建造了当今世上最为先进的全封闭式植物工厂。
1.3 国内温室发展概况
相对其他国家，中国温室设计开发开始较晚。1970年后，政府开始发展设施农业，农业经济得到发展，不同季节蔬菜供应的问题得到缓解。此时，计算机开始被使用在农业上，但还只在数据统计与计算分析方面。近十年后，温室监控方面才开始使用计算机。上个世纪末期，我国引进了部分温室发展领先国家的现代化温室。但是，国内温室引进存在许多问题，不符合我国国情，管理落后等。在过去的问题和失败的激励下，国内温室走出了一条不同的道路，学习从领先国家引进的温室，开始研究设计属于自己国家的温室。从上世纪90年代到现今，国内很多大学、研究所等在温室研究与自主开发技术方面都有了不同的成果，国内温室逐步走上正轨。总而 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
言之，我国温室控制系统的使用与研发正处于过渡阶段。
2 系统总体设计方案
2.1 总体结构设计
本设计是研究基于PROFIBUS现场总线的蔬菜大棚环境监控系统，为了设计的方便，使用主从站来同时控制多个蔬菜大棚，如图2.1以控制三个大棚为例。
图2.1 监控系统框图
2.2 控制子系统设计
子系统如图2.2,蔬菜大棚内的参数由变送器监测，通过PLC系统处理测得的结果，并对各种情况做出不同调控。蔬菜大棚中温度主要靠加热箱和风机来改变。温度测量值低于设定值时，通过开启加热箱来在蔬菜大棚中散发热量，从而使得温度提高。当温度测量值高于设定值时，就启动风机，降低蔬菜大棚内的温度，以防植物枯黄等。这样可以较好的维持蔬菜大棚内的温度，使其在植物生长的适宜范围，甚至促进植物快速生长。使用喷淋装置来改变蔬菜大棚内水分的比例，从而使得湿度改善。湿度测量值低于设定值时，通过打开喷淋装置来增加蔬菜大棚中的水分，给植物充足的水分，促进其生长。当湿度测量值过高时，关闭喷淋装置，减少蔬菜大棚内的水分比例，降低湿度。天窗用来改变蔬菜大棚内的二氧化碳浓度，使其在蔬菜大棚内所种植物生长的适宜范围。二氧化碳浓度测量值与设定值相差超过一定比值时，就开启天窗，通过空气的流通使得蔬菜大棚与外界建立循环，这样使得植物光合作用强烈时不会缺少二氧化碳，二氧化碳过多时也能向外释放。遮阳网和补光灯用来改善蔬菜大棚中的植物所受到的光线量，从而减少光照强度对蔬菜大棚中植物生长的不良影响。光照强度测量值高于设定值时，放开遮阳网遮住蔬菜大棚的部分外壁，避免阳光对蔬菜大棚内部的直射。光照强度测量值低于设定值时，收起遮阳网，使得蔬菜大棚内部有充足的阳光；一定时间后，如果光照强度还是低于设定值，就开启蔬菜大棚顶上的补光灯，使用人工补光来满足植物的生长需求，增加收益。
3 PROFIBUS-DP现场总线运用
3.1 对PROFIBUS现场总线的综述
如图4.1，建立一个WinCC文件，在项目管理栏中右击“变量管理”，选择“添加新的驱动程序”，在添加新的驱动程序文件夹里选择“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”。接着，打开新建的SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE，右击“MPI”选择新建NewConnection。然后在NewConnection中新建变量，使得PLC与WinCC之间信号连接。如图4.2，右击新建变量，设置变量的名称，选择变量的数据类型，选择变量的数据地址。下表5为WinCC中所建立的变量。
1 引言 1
1.1 本课题的意义及研究背景 1
1.2 国外温室发展概况 1
1.3 国内温室发展概况 2
2 系统总体设计方案 2
2.1 总体结构设计 2
2.2 控制子系统设计 3
2.3 系统数据采集 4
2.4 数据处理和显示 6
3 PROFIBUS-DP现场总线运用 7
3.1 对PROFIBUS现场总线的综述 7
3.2 PROFIBUS-DP现场总线 7
3.3 硬件配置 8
3.4 系统硬件组态 9
4 WinCC的运用 11
4.1 WinCC的概述 11
4.2 WinCC与PLC的连接 12
4.3 WinCC图形编辑及设置 15
4.4 本章小结 19
5 PID控制 19
5.1 PID的概述 19
5.2 PID控制算法 20
5.3 PID的调控 21
5.4 本章小结 27
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 引言
随着农业的发展，温室的结构和功能更加先进，结构越来越科学，内部设施更加完善。温室可以被认为是一个受不同的气候变量影响的封闭系统，它可以通过调节来保证托管作物的最佳发展。本文研究的是智能化温室，根据其栽培生产的特性，设计基于PROFIBUS现场总线思想的蔬菜大棚环境监控系统，能够很好的满足现今条件下温室环境控制的需求。
1.1 本课题 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
的意义及研究背景
温室环境控制是环境工程学、农业生物学、自动控制化、管理科学、计算机网络等多种技术的综合应用，是一项综合性工程。它的目标是为植物营造出最好的环境，防止一年中四季的不同情况与槽糕的天气对其产生影响，从而使植物的生产不受时节影响，使其快速生长，防止植物得病或虫害，并提高作物质量等目的。大棚技术越来越常见，大棚数量的日益增加，以往普通的蔬菜大棚已不能满足现今的需求。本监控系统硬件部分主要由西门子S7-300、A/D转换器和各类变送器构成，用来完成蔬菜大棚中温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等参数的检测与控制，满足不同种类蔬菜对生长环境的需求，提高大棚的生产效益与效率。
九十年代开始，我国的农业迎来了翻天覆地的发展，使用光能的技术越来越先进，植物抗寒能力变强，能够正常度过冬天，也能防治一部分的虫害。但是，大多农业生产者都存在杂乱、规模小的问题，很难保证蔬菜的质量，出现了农药残留超标等情况，威胁到了消费者的利益。同时，小规模的生产对市场规律的预见性较低，难以保证足够的供应，并且很难避免市场的风险。二十一世纪后，人们开始关注食品营养、质量，植物是否打过农药。简陋的蔬菜大棚开始曾多，农民的生活部分改善，但是蔬菜大棚的技术非常不完善，效益不够显著，再加上一些剧烈的自然灾害，农业生产还是不稳定。由于其他国家技术的引进，国家的关注，蔬菜大棚的技术水平不断发展，农民的生活也日益改善。但总的来说，已经在中国建立和运行的部分温室有着不完善的管理机制、设计研究较慢等缺陷，无法很好满足现代化农业与温室环境智能化控制开发的需求。因此，非常需要研发出适合国情并具有独立知识产权、所需资金低、生产效益好的温室控制系统。
1.2 国外温室发展概况
其他国家在温室设计开发方面开始较早，大概1940年左右就已开始。美国加州的Farhort植物实验室建造于1949年，是世界上首个百分百由人工来控制环境条件的温室，并且在其之上对有农作物在内的多种植物开展了其对环境的适应性与抵抗能力的基本研究。1953年，当时第一大的人工日光温室由荷兰建成[1]。1965年左右，计算机不断更新改善，许多温室发展领先的国家渐渐开始使用微型计算机来监控温室，并对其使用于农业生产方面进行了多种尝试[2]。80年代，数字式单元组合仪表被大部分温室使用，模拟式仪表被逐渐遗忘。现今，荷兰、美国等国家可以根据温室中植物的需要与特性，自动调控温室内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等因素。部分温室发展领先的国家使用人工补光，全程由计算机监控和机器自动完成播种、护理、收取等多项先进科技建造了当今世上最为先进的全封闭式植物工厂。
1.3 国内温室发展概况
相对其他国家，中国温室设计开发开始较晚。1970年后，政府开始发展设施农业，农业经济得到发展，不同季节蔬菜供应的问题得到缓解。此时，计算机开始被使用在农业上，但还只在数据统计与计算分析方面。近十年后，温室监控方面才开始使用计算机。上个世纪末期，我国引进了部分温室发展领先国家的现代化温室。但是，国内温室引进存在许多问题，不符合我国国情，管理落后等。在过去的问题和失败的激励下，国内温室走出了一条不同的道路，学习从领先国家引进的温室，开始研究设计属于自己国家的温室。从上世纪90年代到现今，国内很多大学、研究所等在温室研究与自主开发技术方面都有了不同的成果，国内温室逐步走上正轨。总而 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
言之，我国温室控制系统的使用与研发正处于过渡阶段。
2 系统总体设计方案
2.1 总体结构设计
本设计是研究基于PROFIBUS现场总线的蔬菜大棚环境监控系统，为了设计的方便，使用主从站来同时控制多个蔬菜大棚，如图2.1以控制三个大棚为例。
图2.1 监控系统框图
2.2 控制子系统设计
子系统如图2.2,蔬菜大棚内的参数由变送器监测，通过PLC系统处理测得的结果，并对各种情况做出不同调控。蔬菜大棚中温度主要靠加热箱和风机来改变。温度测量值低于设定值时，通过开启加热箱来在蔬菜大棚中散发热量，从而使得温度提高。当温度测量值高于设定值时，就启动风机，降低蔬菜大棚内的温度，以防植物枯黄等。这样可以较好的维持蔬菜大棚内的温度，使其在植物生长的适宜范围，甚至促进植物快速生长。使用喷淋装置来改变蔬菜大棚内水分的比例，从而使得湿度改善。湿度测量值低于设定值时，通过打开喷淋装置来增加蔬菜大棚中的水分，给植物充足的水分，促进其生长。当湿度测量值过高时，关闭喷淋装置，减少蔬菜大棚内的水分比例，降低湿度。天窗用来改变蔬菜大棚内的二氧化碳浓度，使其在蔬菜大棚内所种植物生长的适宜范围。二氧化碳浓度测量值与设定值相差超过一定比值时，就开启天窗，通过空气的流通使得蔬菜大棚与外界建立循环，这样使得植物光合作用强烈时不会缺少二氧化碳，二氧化碳过多时也能向外释放。遮阳网和补光灯用来改善蔬菜大棚中的植物所受到的光线量，从而减少光照强度对蔬菜大棚中植物生长的不良影响。光照强度测量值高于设定值时，放开遮阳网遮住蔬菜大棚的部分外壁，避免阳光对蔬菜大棚内部的直射。光照强度测量值低于设定值时，收起遮阳网，使得蔬菜大棚内部有充足的阳光；一定时间后，如果光照强度还是低于设定值，就开启蔬菜大棚顶上的补光灯，使用人工补光来满足植物的生长需求，增加收益。
3 PROFIBUS-DP现场总线运用
3.1 对PROFIBUS现场总线的综述
如图4.1，建立一个WinCC文件，在项目管理栏中右击“变量管理”，选择“添加新的驱动程序”，在添加新的驱动程序文件夹里选择“SIMATIC S7 Protocol Suite.chn”。接着，打开新建的SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE，右击“MPI”选择新建NewConnection。然后在NewConnection中新建变量，使得PLC与WinCC之间信号连接。如图4.2，右击新建变量，设置变量的名称，选择变量的数据类型，选择变量的数据地址。下表5为WinCC中所建立的变量。
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