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1、基于 PLC 的智能温室综合控制系统研究报告唐立伟（专业报告）第一章 温室市场现状与技术发展形势1 .1 温室产业的现状1.1.1 发达国家温室产业的现状温室产业及相关技术在国内外的发展速度很快。如在荷兰的阿姆斯特丹 RAI 展览馆每年 11 月举办一次国际花卉展览会，2003 年就有来自世界各国的 477 个厂商展示了各自的产品和实力。荷兰、日本、以色列、美国、韩国、西班牙、意大利、法国、加拿大等国是设施农业十分发达的国家，温室以大型温室为主。这些高水平大型温室的环境控制系统能够根据传感器采集室温、叶湿、地湿、室内湿度、土壤含水量、溶液浓度、二氧化碳浓度、风速、风向、以及植物作物生长状态等有
2、关参数，结合作物生长所需最佳条件，有效调节有关设备装置，将室内温、湿、光、水、肥、气等诸因素综合协调调节到最佳状态。欧美等国家在 30 年代就相继建立了人工气候室。温室调控技术至今经历了几十年的发展过程。初期是使用仪表对温室设施中的光照、温度等参数进行测量，再使用手动或电动执行机构（如幕帘、通风设备等）施行简单控制，随着传感元件、仪表及执行器技术的进步，逐步发展成为对温度、湿度、光照等几乎所有室内环境参数分别进行自动控制。计算机技术的发展使环境参数的综合控制成为可能。70 年代中期，荷兰、日本、美国、意大利等国家已使用微型计算机控制植物生长环境。从 80 年代开始，根据不同作物、不同生长阶段及
3、外界环境变化对温室环境进行综合调节控制的技术得到了快速的发展。目前，在温室控制技术方面，荷兰、美国、以色列、日本等国较为先进。由于借鉴了工业、航空航天等领域的先进成果，技术水平不断提高，它能根据作物生长的最佳生长条件，调节温室气候使之一年四季满足植物生长需要，不受气候和土壤条件的影响，在有限的土地上周年地生产蔬菜和鲜花。除了对温室进行监控外，计算机优化环境参数、节能、节水及设施装备的可靠性等很多方面都取得了很好的技术成果，并推出了许多新产品。美国开发的冬天保温用的双层充气膜、高压雾化降温加湿系统以及夏季降温用的湿帘降温系统处于世界领先水平；韩国的换气、灌水、二氧化碳浓度控制等设施比较先进；荷兰
4、的顶面涂层隔热、加热系统、人工补光等方面有较高的水平；以色列的灌溉系统比较先进，室内设施齐全。日本、韩国开发了瓜类、茄果类蔬菜嫁接机器人。日本开发了育苗移栽、耕耘、施肥移动机器人，可完成多项功能的多功能机器，能在温室内完 6 成各项作业的无人行走车，用于组织培养作用的机器人，柑橘、葡萄收获机器人等 。资源相对贫瘠的荷兰温室生产最值得研究。 国土面积不大的荷兰已经成为世界农业发展的典范。1999 年一年四季全天候生产的大型温室有 1.1 万 hm2，其中 90%为玻璃温室。国外现代温室单位面积的产量高经济效益高，荷兰温室番茄年产量达到 60kg/m2，5000 hm2用于种植花卉，花卉产业每天向
5、世界鲜花市场上出口 1700 万支鲜花和 170 万盆盆花，鲜花出口占全世界鲜花市场的 60%以上，年收入高达 110 亿美元，占全国农业总产值的 35%，经济效益高，成为欧洲的“菜篮子” ，“花篮子” 。 荷兰大量投资与温室相关的基础研究。建立 “蔬菜工厂” 、 “花卉工厂” 、 “苗木工厂”等用于研究和示范，成为温室业的坚实科研后盾。重视作物生理、产量、品质与环境因子之间的定量关系等方面研究，因而设施内综合环境控制系统智能化水平高，设施种植技术实现了规范化和标准化。 1.1.2 国内温室产业的现状及存在的问题改革开放以来，我国的农业生产取得了可喜的成绩，但同时，我国农业发展中存在的问题也越
6、来越凸现出来，如果这些问题得不到解决，将成为严重制约我国农业可持续发展的瓶颈。首先是我国人口众多。其次是资源短缺。第三是我国农产品成本高，科技含量低，无法形成产业规模。要解决这些问题，根本在于实现我国农业从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业转化。农业环境综合控制作为农作物优质、高效、高产的手段，是农业现代化的重要标志，随着社会经济的发展，以温室为代表的设施农业将成为现代农业的发展主要方向之一，成为 21 世纪最有活力的农业新产业。20 世纪 50 年代末，我国在华北地区曾建造过屋脊式大型玻璃温室，到 60 年代初，在东北地区建成 1hm2 的大型玻璃温室。 由于国内设施农业技术比国
7、外落后，必然走一条引进、消化、吸收、创新的路子。 1979-1987 年，从保加利亚、荷兰、罗马尼亚、美国、日本、意大利等六国，引进现代温室 24 座，共 19.2hm2,分别建造在北京、黑龙江、广东、江苏、上海、新疆等六省市区，其中 60%用于蔬菜生产，40%用于花卉生产。 这次较大规模的引进温室，各地都重视了温室本身，但却忽视了对我国气候的实用性和配套的栽培技术，在运动中存在着冬季能耗高、夏季降温困难等问题，经济效益普遍不佳。 90 年代中期开始，我国现代温室快速发展。 “九五”期间，国家科技部将工厂化高效农业示范工程列为国家重大科技产业工程，这是唯一的一项农业产业示范工程项目。由此，又一
8、个大规模引进国外大型现代温室，至 1998 年，共引进温室 175.4hm2,引进的国家有荷兰、法国、以色列、西班牙、美国、日本、韩国以及我国的台湾地区，基本涵盖了现代温室发达的国家和地区；引进和建设的地点，北起黑龙江，南至海南岛，东起上海，西至新疆，包括了全国所有的省、市、自治区；引进温室的主要类型包括单屋脊和双屋脊的大型连栋玻璃温室，拱圆形、锯齿形、双层充气和双层结构的塑料膜温室，以及聚碳酸酯板温室等，代表了现代温室的所有类型；引进温室的配套设备包括遮阳、通风、降温、加温、保湿、自动控制和计算机管理，以及栽培床、活动苗床、喷滴灌和自走喷灌、自走式采摘车、自动化穴盘育苗、水培设备等等，也基本
9、包括了所有先进的配套设备。这次打规模的引进温室，特别是北京、上海几个示范园区，在引进温室至温室园艺成套设施硬件的同时，还引进了配套品种、栽培技术、专家系统等软件成套技术，以及国外相关专家现场指导。 目前，我国是设施园艺栽培面积最大的国家。80 年代中后期，随着高效节能日光温室生产技术在东北地区试验成功，就迅速在我国北方发展起来，各级政府把其作为带领农民致富奔小康、培育农村新的经济增长点的重点措施，各级农业科研机构也投入了大量的人力、物力进行节能日光温室建造及生产技术的专项研究，并取得了重大进展。日光温室发展到今天，已由生产各种反季节蔬菜的生产设施，发展为日光温室园艺设施，进而发展为设施农业，已
10、成为种植业、养殖业和水产业全面发展的新兴产业。据统计，全国节能日光温室面积到 2002 年底已到达 760 万亩。随着我国现代温室产业的快速发展，在温室产业的运营中暴露出了一些问题:1）现代温室管理和种植的人才缺乏，温室种植技术落后，造成了现代温室的功能和优势不能充分发挥。2）能源消耗大，以现代温室为代表的设施农业生产企业效益低下，导致温室产业出现了滑坡的现象。3）不同地域的气候环境制约了进口大型温室适用性，温室不能周年运行。4）计算机控制水平低。目前国内温室计算机控制系统与国际选进技术存在很大差距，商用控制系统不能满足高效节能有效控制温室机构运行的要求。1.2 国内外温室控制技术的研究现状现
11、代温室中常见的能自动控制的调控机构有:顶部通风窗、侧面通风窗、外遮阳帘幕、内遮阳帘幕、轴流通风机、降温湿帘、人工补光灯、二氧化碳施肥器、加热设备、喷雾系统及熏蒸设备。控制器综合调节各个机构，使系统在运行中节约能源的同时保证室内气候满足植物生长需求。使用的控制器可以有很多选择，如单片机、工控机、PLC、通用 PC 机等。控制器之间可以通过局域网或现场总线进行信息交换。国内外研究学者对控制系统和控制算法做了大量的研究。1.2.1 国外温室控制技术的研究现状西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。1949 年，借助于工程技术的发展，美国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
12、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，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70 年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。特别是二十世纪 70 年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。80 年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合
13、环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人
14、工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。1.2.2 国内温室控制技术的研究现状我国温室产业起步比较晚。自 70 年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了 40 套左右的现代化温室成套设备。虽然这些温室技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在较严重问题，主要有以下几点:引进价格高，运行经济效益差;技术要求过高，要求经营者既要懂农业技术，熟悉英文，还要掌握电脑操作和机械运营和维护;运营模式没有与中国的实际结合起来，不适合于我国的气候特征。所以，研究开发符合我国国情、产生明显经济效益并适用于大范围推广应用的自动控制温室系统己经迫在眉睫。基于
15、以上的种种原因，我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度、光照等单因子控制技术的研究，并逐步推出既适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件要求的温室控制系统。从控制器类型来划分，主要有以下几种温室自动控制系统:1.基于工业控制计算机的温室自动控制系统。如由江苏理工大学李萍萍、毛罕平等人自行研制的智能温室环境控制系统，它采用工业控制计算机作为温室控制系统的核心，它是江苏省“九五”农业科技项目，他们在 1996 年 7 月初步建成了一套具有降温、补光、控湿和增施二氧化碳等功能的智能温室，1997 年又相继完成了应用夜加温和太阳能加温的系统。1996
16、 年 8 月起进行了温室环境控制的技术效果测试分析和生菜、空心菜、三叶芹的无土栽培试验，测试表明，温度、湿度、光照、营养液和二氧化碳等各个环境因子控制技术效果良好，基本达到预期目的，并明确了各环境参数的合理控制范围。该环境自动控制系统为多变量输入输出控制系统，通过传感器监测温室中各环境参数，得到模拟输入量，经相应的变送器转换成数字信号，在自编软件支持下经接口板采集数据，计算机进行处理分析，将输入量与设定值比较后，输出开关量，通过驱动电路控制各执行机构。王东升等研究了日光温室的计算机控制系统。控制系统包含工控计算机、传感器变送器、模拟量输入模块(DAC-8017)、数字量输出模块(DAC-8050)，RS-232/485 转换模块、输出控制电路等。控制机构有补光灯、排风扇、滴灌设备、二氧化碳发生器等。采集量有室内温度、湿度、光照、土壤水份及 C02 浓度。光照不足启动补光灯、温度低启动加热器、土壤水分不够则开启滴灌系统，采用简单开关控制方式。2.基于单片机的温室自动控制系统。例如:汪永斌，吕昂等研制的温室群全数字式温度和湿度综合控制系统。该系统下位机以
