摘 要：溫室設施已經在世界范圍內得到廣泛地應用。針對農業溫室的全自動化控制的要求，作者研制了帶有組態思想的溫室自動控制系統。該系統以工控機或PC機為上位機，以嵌入式工控系統為下位機，可以全面控制溫室內的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度以及灌溉中的PH值和EC值等。這個系統的設計中考慮了組態的思想，可以應用于大多數的常規溫室。 關鍵詞：溫室，組態，自動控制系統 1. 概述 　　1.1 溫室控制簡介 　　溫室控制系統是一種以節約能源，提高產量為目的的高效農業發展技術。溫室控制系統主要是通過計算機控制和外部執行機構具體操作，創造與季節無關的適宜農作物生長的人為環境，實現農作物的高產量，低能耗的大規模生產。 　　國外溫室的研制起步較早，荷蘭位于歐洲西部，現在共有玻璃溫室1萬多平方公里，全部由計算機操作，其中蔬菜和花卉生產幾乎各占一半，每年出口近20億美元[1]。國外的一些領先的溫室控制公司已經開發出了功能較強的溫室組態控制系統。國內的溫室控制，尤其是大中型溫室的控制，離先進水平還有一定的差距。這種差距主要體現在溫室控制的組態，控制的精度和能源的使用效率這三方面。 　　1.2 系統的特點 　　作者在設計這個溫室控制系統時加入了組態的思想，用戶只需在人機界面上設置一些系統配置和參數，就可以應用于各種常規溫室。組態技術是計算機控制技術的關鍵，應用組態技術可以開發出工業控制系統的實時監控軟件，從而保證控制系統的可靠性和控制質量[2]。一般的溫室控制系統，由于各地的條件不一，外部的執行機構不完全相同以及系統控制的參數也會有一定的變化，在具體應用時，要根據具體情況進行修改。比如：有的溫室增加二氧化碳的監測和施放裝置，那控制系統中也要相應地增加對二氧化碳的控制。這樣的話，就要對溫室控制系統作一定的修改，尤其要對系統軟件中的控制部分進行修改。本溫室控制系統應用組態的思想，考慮了溫室中的各項設備和執行機構，可以通過系統設置后應用于各類具體溫室。 　　本溫室控制系統對溫室的溫度控制比較精確。由于作物生長因素（如溫度、濕度、二氧化碳濃度等）大都是多輸入、多輸出的非線性控制變量，我們采用動態的，帶反饋的實時監測對溫室進行控制。其中，溫度是影響作物生長的最重要因素之一，所以我們對溫度的具體控制算法和控制策略進行具體的研究。經過實際試驗得出，本系統的溫度控制誤差在1度以內。 　　1.3 系統的功能 　　本文的溫室控制系統主要有以下功能： 　　（1）以數據和曲線兩種形式顯示溫室內各小區和室外環境的各項參數，用戶可以查詢室外氣象參數以及溫室的室內參數和執行機構的運行情況的當天數據曲線和歷史數據曲線。系統24小時采集溫度、濕度、光照強度、風向、風力強度、雨感、二氧化碳濃度、PH值、EC值等模擬量，還同時采集天窗、側窗、內簾、外簾、循環風扇、補光燈等狀態開關量，并且存入上位機的數據庫。 　　（2）上位機人機界面集中顯示當前溫室內及室外的各項參數當前值。 　　（3）用戶可以選擇自動控制或手動控制。一般使用自動控制，此時，系統根據用戶事先設好的各項參數，對溫室環境進行自動調節。本系統有較完善的灌溉控制子系統，可以通過多種控制方式進行灌溉自動控制，比如：按日時鐘控制，按周時鐘控制，按光照強度控制等。在手動控制情況下，用戶可以通過上位機的手動操作界面控制溫室內的設備。 　　（4）系統的人機界面里包含了工程師調試與組態界面。系統工程師通過這個界面可以方便地進行整個溫室控制系統的組態和調試。 2. 系統硬件 　　整個控制系統的結構框圖，如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統結構框圖[/align] 　　上位機主要提供整個系統的人機界面和歷史數據的保存。用戶通過上位機，可以設置控制參數，觀察溫室環境狀況，進行系統配置，打印報表和其他一些輔助功能。 　　下位機則是這個控制系統的主體部分。下位機的主板采用一塊PC104嵌入式單板計算機系統，自帶了MMX 300MHz的CPU，板上主要包含了Flash接口，內存接口，RS232/422/485串口，RJ45以太網網口，VGA顯示器接口，PS/2鼠標鍵盤接口和PC104總線等。下位機通過RS232串口與室外的氣象站進行通訊，氣象站采用總線結構[3]把室外的溫濕度、輻照度、風向、風速、雨量等數據實時地傳給下位機。通過以太網網口，上下位機進行通訊，主要是控制參數和顯示參數的傳遞。數字量輸入輸出模塊和模擬量輸入模塊都架設在主板的PC104總線上。下位機系統和外部執行機構之間采用了光電隔離，可以防止一些外部干擾，還能防止外部電路短路對下位機造成破壞。 3. 系統軟件的總體結構 　　本控制系統的軟件分為上位機軟件和下位機軟件，采用Delphi和Access數據庫進行編程。系統控制流程圖如圖2所示： [align=center] 圖2 系統控制流程圖[/align] 　　從圖中，可以看出，自動控制部分的執行是由軟件定時器中斷控制的，一到所規定的時間周期，軟件就會執行自動控制的程序。執行完后，便等待下一次執行。系統就能夠不斷地一定周期地執行自動控制。由于溫室里的氣候屬于純滯后大慣性、強擾動的氣候類型，而且溫室控制必須滿足植物的植保要求，溫室內的溫度，濕度等被控量不允許急劇變化。因此用戶可以根據實際需要，在系統設置中修改自動控制地執行周期，但這個周期的值一般在15秒到120秒之間。這個區間既保證了溫室控制的一定的實時性，也能夠避免由于執行周期過短，出現系統來不及執行的情況的出現。 　　軟件系統的主要功能劃分為自動控制部分，手動控制部分，系統配置和輔助功能部分。 　　自動控制部分負責根據用戶設定的參數或要求對溫室的環境進行計算機自動控制。自動控制部分主要包含溫度控制子系統、濕度控制子系統、灌溉控制子系統及其他一些較小的控制子系統（二氧化碳控制、補光燈控制等）。灌溉子系統的主要作用就是將水與營養物質充分混合而配置成作物生長所需的營養液，然后根據用戶設定的灌溉施肥程序通過灌溉設施適時適量地供給作物，保證作物生長的需要[4]。 　　手動控制部分能對溫室中各種執行機構進行手動實時控制。輔助功能部分管理用戶的帳號和系統參數設置權限等。系統配置部分，將在下面的系統組態中作具體介紹。 4. 系統的組態設計 　　4.1 組態的核心——標記名機制 　　此次開發的溫室控制系統的組態是以標記名機制為核心，建立與實際系統存在對應關系標記名鏈。標記名是實際系統中各控制量的邏輯抽象，是與硬件直接相關的名稱。在系統中各種控制量，包括模擬量和數字量都必須存在這種一一映射關系。系統的控制就是通過對這些標記名值的改變來實現的。每個控制量都由標記名來區分，我們稱之為系統標記名。與此對應的，在控制回路中的每個中間環節都由中間標記名來區別。系統標記名是控制系統輸出量的體現，包含了設備運行狀態，模擬量和數字量的輸入、輸出的大小。而中間標記名則是計算處理的媒介，通過它可方便地處理控制過程中各個環節。標記名機制既便于數據庫的維護，又便于控制系統的構建和實現。有了這種機制，我們就可以在實際的組態軟件開發中，分工協作地開發相對獨立的基本功能模塊，最后形成實用的組態軟件。 　　我們選取一種DBMS（數據庫管理系統）來實現對標記名的管理，本系統采用Access，用于設計標記名庫的結構，及完成對標記名實時值和報警信息的錄入、插入、刪除、修改等操作。畫面組態模塊及控制組態模塊均通過ODBC接口讀取標記名信息。由于像Access之類的數據庫軟件擁有很強的數據庫管理能力，此種方案極適用于監測點很多的情況，其最大優點是能充分利用數據庫功能，易于查詢及對存儲的數據進行組織和管理。 　　在溫室現場，工控計算機采集的監測點實時數據和控制機構的數據分為四類，即：模擬量輸入，模擬量輸出，數字量輸入和數字量輸出。比如：室外的溫濕度都屬于模擬量輸入類。所以我們將標記名相對應地分為模擬量輸入標記名，模擬量輸出標記名，數字量輸入標記名和數字量輸出標記名四類。 　　每一類標記名都有其各自特點的數據結構。例如：在模擬量輸入類標記名的數據結構中，主要包含了標識名字段、狀態字、當前工作量值、量程上限、量程下限、濾波方式、轉換類型、轉換系數、上限報警值、下限報警值、采樣周期、通道號、刷新周期等數據字段。 　　4.2 組態的結構 　　本系統的溫室控制軟件的組態由三部分構成：控制策略組態，監控畫面組態和系統結構組態。 　　控制策略組態的創建在策略編輯器中實現，策略編輯器是一種功能模塊的設計環境[5]。控制策略組態負責系統中的控制子系統內部的具體控制策略，以及一些控制參數的設定等。比如：系統的溫度控制模塊是一個帶有組態思想的控制子系統。其中已經包含了溫室中與溫度有關的常見的所有設備或執行機構。軟件系統會根據用戶在系統組態配置中的小區設備設置來自動判斷溫室各小區的設備情況，自動地選用合適的控制流程。控制策略組態中還包含控制模塊的結構參數、設置參數和可調參數的調整。結構參數包括功能參數和連接參數。以PID功能模塊為例，該模塊可通過溫室功能參數的確定，改變PID控制的實際形式。連接參數用于表示控制模塊與外部的連接關系，是實現標記名機制必不可缺的一部分。通過確立這種連接關系，就可以實現對系統的監測、控制等各種手段。 　　監控畫面組態是調用組態后的結果，對控制現場進行顯示，實時處理現場數據，并且實時報警。考慮到畫面的刷新和顯示的效果等有關因數，每個窗口都是一個可自由組態的獨立空間。監控畫面組態的基本子模塊包括： 　　（1） 圖形界面生成模塊：該模塊提供多種溫室設備圖素，可編輯各種動態顯示點和 流程圖，方便地連接動態點、實時點和歷史點。 　　（2） 報警模塊：用戶可在報警模塊設置下限報警和上限報警等報警點，方便地實現了界面動態報警和聲音報警，并提供了報警記錄。 　　（3） 報表生成模塊：該模塊使用戶可對報表進行編輯，生成數據庫中各記錄點的值。 　　系統結構組態則是實現組態的核心部分，控制策略部分和監控畫面部分都要經過它來控制硬件。一方面此模塊要采集現場數據，進行預處理。在寫入數據庫的同時，還要根據組態要求將有關數據上傳給監控畫面組態進行處理并顯示。另一方面要傳回控制策略組態部分的控制命令，實現對現場的控制。它是整個系統中軟件與硬件設備的橋梁。系統結構組態的基本子模塊包括： 　　（1） I/O模塊：根據通訊協議，控制系統下位機的模擬量輸入和數字量的輸入輸出。 　　（2） 數據庫生成模塊：該模塊包括實時數據庫和歷史數據庫，可編輯數據庫的記錄，對數據庫記錄進行轉換、連接和存檔。 　　（3） 網絡通訊模塊：管理上下位機之間的通訊協議的配置，使系統可以基于網絡進行運行。 　　系統結構組態主要體現在軟件的系統配置部分。用戶通過系統配置，可以根據實際情況設置溫室的小區數和各小區內的不同設備的狀態。不同用戶會使用不同的傳感器，而不同的傳感器由于它們的性能指標以及參數轉換上的差異，會影響系統的數據采集的正確性。所以在系統配置里面，用戶還可以選擇不同類型的傳感器，或者自己定義所用傳感器的各項參數，例如：是電壓傳感器還是電流傳感器，傳感器的量程范圍等。這個部分也是系統中實現組態思想控制的關鍵。通過用戶的設置，系統就知道具體的小區數和小區中的具體設備及其數量。這樣，系統就可以對各小區進行有針對性的控制。 　　4.3 組態的步驟 　　這個溫室控制系統組態的具體步驟為： 　　第一步，對被控系統分析，制定合理的硬件方案，選擇好有關器件。系統工程師進行系統設計，包括設備，結構以及控制模式等方面的設計。 　　第二步，確定標記名，即進行數據組態。從系統角度來看，它應該說是組成控制組態的一部分。我們將整個控制對象用標記名機制來抽象，使用戶無需關心硬件結構，只要了解它們的控制邏輯關系即可。 　　第三步，是決定實現系統控制的關鍵。建立標記名鏈接，在這里意味著每一個模塊的輸入、輸出都能和另一個模塊進行鏈接。這樣就能將系統軟件已經提供的標準控制模塊組合成相當復雜的控制結構，就可以完成各種系統的控制要求。 　　第四步，用戶可以根據系統監控的要求靈活地對系統的各種控制畫面進行劃分和實現。遵從方便、實用的原則，能直觀地反映溫室現場的情況和控制的效果。 5.結論 　　這個系統已經投入溫室實際運行，組態化設計大大減輕了溫室系統工程師的工作，控制效果理想。 參考文獻： 　　[1] 于海業，馬成林，陳曉光;發達國家溫室設施自動化研究的現狀[J];農業工程學報，1997.9，Vol.13，Sl 　　[2] 鹿玲杰，田燕燕，陳東方等;組態軟件的設計與實現方法[J];大慶石油學院學報，2001.3，Vol.25，No.1 　　[3] 李樹忠，王春芳，張振;自動氣象數據采集站組態軟件設計[J];青島大學學報，1998.6，Vol.2，No.2 　　[4] 以色列Eldar-Shany農業計算機自控技術公司;灌溉和溫室氣候自動控制系統[M];1999.7：第九章 　　[5] 楊晨，鐘晶亮，常濤;分布式控制系統可視化組態仿真軟件開發[J];系統仿真學報，1999.8，Vol.11，No.4