关键词：温室，组态，自动控制系统
1. 概述
1.1 温室控制简介
温室控制系统是一种以节约能源，提高产量为目的的高效农业发展技术。温室控制系统主要是通过计算机控制和外部执行机构具体操作，创造与季节无关的适宜农作物生长的人为环境，实现农作物的高产量，低能耗的大规模生产。
国外温室的研制起步较早，荷兰位于欧洲西部，现在共有玻璃温室1万多平方公里，全部由计算机操作，其中蔬菜和花卉生产几乎各占一半，每年出口近20亿美元[1]。国外的一些领先的温室控制公司已经开发出了功能较强的温室组态控制系统。国内的温室控制，尤其是大中型温室的控制，离先进水平还有一定的差距。这种差距主要体现在温室控制的组态，控制的精度和能源的使用效率这三方面。
1.2 系统的特点
作者在设计这个温室控制系统时加入了组态的思想，用户只需在人机界面上设置一些系统配置和参数，就可以应用于各种常规温室。组态技术是计算机控制技术的关键，应用组态技术可以开发出工业控制系统的实时监控软件，从而保证控制系统的可靠性和控制质量[2]。一般的温室控制系统，由于各地的条件不一，外部的执行机构不完全相同以及系统控制的参数也会有一定的变化，在具体应用时，要根据具体情况进行修改。比如：有的温室增加二氧化碳的监测和施放装置，那控制系统中也要相应地增加对二氧化碳的控制。这样的话，就要对温室控制系统作一定的修改，尤其要对系统软件中的控制部分进行修改。本温室控制系统应用组态的思想，考虑了温室中的各项设备和执行机构，可以通过系统设置后应用于各类具体温室。
本温室控制系统对温室的温度控制比较精确。由于作物生长因素（如温度、湿度、二氧化碳浓度等）大都是多输入、多输出的非线性控制变量，我们采用动态的，带反馈的实时监测对温室进行控制。其中，温度是影响作物生长的最重要因素之一，所以我们对温度的具体控制算法和控制策略进行具体的研究。经过实际试验得出，本系统的温度控制误差在1度以内。
1.3 系统的功能
本文的温室控制系统主要有以下功能：
（1）以数据和曲线两种形式显示温室内各小区和室外环境的各项参数，用户可以查询室外气象参数以及温室的室内参数和执行机构的运行情况的当天数据曲线和历史数据曲线。系统24小时采集温度、湿度、光照强度、风向、风力强度、雨感、二氧化碳浓度、PH值、EC值等模拟量，还同时采集天窗、侧窗、内帘、外帘、循环风扇、补光灯等状态开关量，并且存入上位机的数据库。
（2）上位机人机界面集中显示当前温室内及室外的各项参数当前值。
（3）用户可以选择自动控制或手动控制。一般使用自动控制，此时，系统根据用户事先设好的各项参数，对温室环境进行自动调节。本系统有较完善的灌溉控制子系统，可以通过多种控制方式进行灌溉自动控制，比如：按日时钟控制，按周时钟控制，按光照强度控制等。在手动控制情况下，用户可以通过上位机的手动操作界面控制温室内的设备。
（4）系统的人机界面里包含了工程师调试与组态界面。系统工程师通过这个界面可以方便地进行整个温室控制系统的组态和调试。
2. 系统硬件
整个控制系统的结构框图，如图1所示。
图1 系统结构框图
上位机主要提供整个系统的人机界面和历史数据的保存。用户通过上位机，可以设置控制参数，观察温室环境状况，进行系统配置，打印报表和其他一些辅助功能。
下位机则是这个控制系统的主体部分。下位机的主板采用一块PC104嵌入式单板计算机系统，自带了MMX 300MHz的CPU，板上主要包含了Flash接口，内存接口，RS232/422/485串口，RJ45以太网网口，VGA显示器接口，PS/2鼠标键盘接口和PC104总线等。下位机通过RS232串口与室外的气象站进行通讯，气象站采用总线结构[3]把室外的温湿度、辐照度、风向、风速、雨量等数据实时地传给下位机。通过以太网网口，上下位机进行通讯，主要是控制参数和显示参数的传递。数字量输入输出模块和模拟量输入模块都架设在主板的PC104总线上。下位机系统和外部执行机构之间采用了光电隔离，可以防止一些外部干扰，还能防止外部电路短路对下位机造成破坏。
3. 系统软件的总体结构
本控制系统的软件分为上位机软件和下位机软件，采用Delphi和Access数据库进行编程。系统控制流程图如图2所示：
图2 系统控制流程图
从图中，可以看出，自动控制部分的执行是由软件定时器中断控制的，一到所规定的时间周期，软件就会执行自动控制的程序。执行完后，便等待下一次执行。系统就能够不断地一定周期地执行自动控制。由于温室里的气候属于纯滞后大惯性、强扰动的气候类型，而且温室控制必须满足植物的植保要求，温室内的温度，湿度等被控量不允许急剧变化。因此用户可以根据实际需要，在系统设置中修改自动控制地执行周期，但这个周期的值一般在15秒到120秒之间。这个区间既保证了温室控制的一定的实时性，也能够避免由于执行周期过短，出现系统来不及执行的情况的出现。
软件系统的主要功能划分为自动控制部分，手动控制部分，系统配置和辅助功能部分。
自动控制部分负责根据用户设定的参数或要求对温室的环境进行计算机自动控制。自动控制部分主要包含温度控制子系统、湿度控制子系统、灌溉控制子系统及其他一些较小的控制子系统（二氧化碳控制、补光灯控制等）。灌溉子系统的主要作用就是将水与营养物质充分混合而配置成作物生长所需的营养液，然后根据用户设定的灌溉施肥程序通过灌溉设施适时适量地供给作物，保证作物生长的需要[4]。
手动控制部分能对温室中各种执行机构进行手动实时控制。辅助功能部分管理用户的帐号和系统参数设置权限等。系统配置部分，将在下面的系统组态中作具体介绍。
4. 系统的组态设计
4.1 组态的核心——标记名机制
此次开发的温室控制系统的组态是以标记名机制为核心，建立与实际系统存在对应关系标记名链。标记名是实际系统中各控制量的逻辑抽象，是与硬件直接相关的名称。在系统中各种控制量，包括模拟量和数字量都必须存在这种一一映射关系。系统的控制就是通过对这些标记名值的改变来实现的。每个控制量都由标记名来区分，我们称之为系统标记名。与此对应的，在控制回路中的每个中间环节都由中间标记名来区别。系统标记名是控制系统输出量的体现，包含了设备运行状态，模拟量和数字量的输入、输出的大小。而中间标记名则是计算处理的媒介，通过它可方便地处理控制过程中各个环节。标记名机制既便于数据库的维护，又便于控制系统的构建和实现。有了这种机制，我们就可以在实际的组态软件开发中，分工协作地开发相对独立的基本功能模块，最后形成实用的组态软件。
我们选取一种DBMS（数据库管理系统）来实现对标记名的管理，本系统采用Access，用于设计标记名库的结构，及完成对标记名实时值和报警信息的录入、插入、删除、修改等操作。画面组态模块及控制组态模块均通过ODBC接口读取标记名信息。由于像Access之类的数据库软件拥有很强的数据库管理能力，此种方案极适用于监测点很多的情况，其最大优点是能充分利用数据库功能，易于查询及对存储的数据进行组织和管理。
在温室现场，工控计算机采集的监测点实时数据和控制机构的数据分为四类，即：模拟量输入，模拟量输出，数字量输入和数字量输出。比如：室外的温湿度都属于模拟量输入类。所以我们将标记名相对应地分为模拟量输入标记名，模拟量输出标记名，数字量输入标记名和数字量输出标记名四类。
每一类标记名都有其各自特点的数据结构。例如：在模拟量输入类标记名的数据结构中，主要包含了标识名字段、状态字、当前工作量值、量程上限、量程下限、滤波方式、转换类型、转换系数、上限报警值、下限报警值、采样周期、通道号、刷新周期等数据字段。
4.2 组态的结构
本系统的温室控制软件的组态由三部分构成：控制策略组态，监控画面组态和系统结构组态。
控制策略组态的创建在策略编辑器中实现，策略编辑器是一种功能模块的设计环境[5]。控制策略组态负责系统中的控制子系统内部的具体控制策略，以及一些控制参数的设定等。比如：系统的温度控制模块是一个带有组态思想的控制子系统。其中已经包含了温室中与温度有关的常见的所有设备或执行机构。软件系统会根据用户在系统组态配置中的小区设备设置来自动判断温室各小区的设备情况，自动地选用合适的控制流程。控制策略组态中还包含控制模块的结构参数、设置参数和可调参数的调整。结构参数包括功能参数和连接参数。以PID功能模块为例，该模块可通过温室功能参数的确定，改变PID控制的实际形式。连接参数用于表示控制模块与外部的连接关系，是实现标记名机制必不可缺的一部分。通过确立这种连接关系，就可以实现对系统的监测、控制等各种手段。
监控画面组态是调用组态后的结果，对控制现场进行显示，实时处理现场数据，并且实时报警。考虑到画面的刷新和显示的效果等有关因数，每个窗口都是一个可自由组态的独立空间。监控画面组态的基本子模块包括：
（1） 图形界面生成模块：该模块提供多种温室设备图素，可编辑各种动态显示点和 流程图，方便地连接动态点、实时点和历史点。
（2） 报警模块：用户可在报警模块设置下限报警和上限报警等报警点，方便地实现了界面动态报警和声音报警，并提供了报警记录。
（3） 报表生成模块：该模块使用户可对报表进行编辑，生成数据库中各记录点的值。
系统结构组态则是实现组态的核心部分，控制策略部分和监控画面部分都要经过它来控制硬件。一方面此模块要采集现场数据，进行预处理。在写入数据库的同时，还要根据组态要求将有关数据上传给监控画面组态进行处理并显示。另一方面要传回控制策略组态部分的控制命令，实现对现场的控制。它是整个系统中软件与硬件设备的桥梁。系统结构组态的基本子模块包括：
（1） I/O模块：根据通讯协议，控制系统下位机的模拟量输入和数字量的输入输出。
（2） 数据库生成模块：该模块包括实时数据库和历史数据库，可编辑数据库的记录，对数据库记录进行转换、连接和存档。
（3） 网络通讯模块：管理上下位机之间的通讯协议的配置，使系统可以基于网络进行运行。
系统结构组态主要体现在软件的系统配置部分。用户通过系统配置，可以根据实际情况设置温室的小区数和各小区内的不同设备的状态。不同用户会使用不同的传感器，而不同的传感器由于它们的性能指标以及参数转换上的差异，会影响系统的数据采集的正确性。所以在系统配置里面，用户还可以选择不同类型的传感器，或者自己定义所用传感器的各项参数，例如：是电压传感器还是电流传感器，传感器的量程范围等。这个部分也是系统中实现组态思想控制的关键。通过用户的设置，系统就知道具体的小区数和小区中的具体设备及其数量。这样，系统就可以对各小区进行有针对性的控制。
4.3 组态的步骤
这个温室控制系统组态的具体步骤为：
第一步，对被控系统分析，制定合理的硬件方案，选择好有关器件。系统工程师进行系统设计，包括设备，结构以及控制模式等方面的设计。
第二步，确定标记名，即进行数据组态。从系统角度来看，它应该说是组成控制组态的一部分。我们将整个控制对象用标记名机制来抽象，使用户无需关心硬件结构，只要了解它们的控制逻辑关系即可。
第三步，是决定实现系统控制的关键。建立标记名链接，在这里意味着每一个模块的输入、输出都能和另一个模块进行链接。这样就能将系统软件已经提供的标准控制模块组合成相当复杂的控制结构，就可以完成各种系统的控制要求。
第四步，用户可以根据系统监控的要求灵活地对系统的各种控制画面进行划分和实现。遵从方便、实用的原则，能直观地反映温室现场的情况和控制的效果。
5.结论
这个系统已经投入温室实际运行，组态化设计大大减轻了温室系统工程师的工作，控制效果理想。
参考文献：
[1] 于海业，马成林，陈晓光;发达国家温室设施自动化研究的现状[J];农业工程学报，1997.9，Vol.13，Sl
[2] 鹿玲杰，田燕燕，陈东方等;组态软件的设计与实现方法[J];大庆石油学院学报，2001.3，Vol.25，No.1
[3] 李树忠，王春芳，张振;自动气象数据采集站组态软件设计[J];青岛大学学报，1998.6，Vol.2，No.2
[4] 以色列Eldar-Shany农业计算机自控技术公司;灌溉和温室气候自动控制系统[M];1999.7：第九章
[5] 杨晨，钟晶亮，常涛;分布式控制系统可视化组态仿真软件开发[J];系统仿真学报，1999.8，Vol.11，No.4
