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1、菇棚温度控制系统的设计引言以杏鲍菇为代表的珍稀食用菌工厂化栽培，是最具现代农业特征的产业化生产方式，将工业化的技术手段引入菌草栽培领域，在相对可控的环境和设施条件下实施高效率的机械化、自动化作业，是实现食用菌规模化、集约化的重要途径。杏鲍菇的生长繁殖过程是一个高级的物质生命运动过程，在不同生长期，温度作为杏鲍菇栽培环境中最重要的影响因素，除了对杏鲍菇生长起到促进或抑制的作用外，对其他影响因子( 如湿度、光照度以及 CO2浓度等) 也有很大影响。温度系统具有时滞、非线性等特点，经典 PID算法难以达到理想的控制效果，而模糊控制算法与PLC 的有机结合则是一种有效的解决途径。PLC 的全称为可编程
2、控制器，专为在工业控制环境下应用而设计，具有使用方便、编程简单、可靠性强等优点; 但由于编程语言的限制，很难实现复杂的控制算法。MATLAB 拥有功能强大的模块集和工具箱，用户可直接使用工具箱学习而不用自己编写代码，用于解决特定课题和数学建模问题，但结果常限于数字仿真。所以，本文以宁夏南部山区杏鲍菇菇棚温度自调节系统为背景，以 PC ACCESS 软件为 OPC服务器，将 PLC 采集到的实时数据通过数据交换传给Simulink，进行模糊 PID 算法处理，再将运算结果传送给下位机 PLC，由 PLC 的输出模块输出控制信号，从而实现将模糊控制算法用于过程控制，并通过仿真结果表明控制器的有效性
3、。系统的数据交换结构如图 1所示。1 OPC 技术OPC 是一个通用的工业标准，是开发 OPC 服务器与 OPC 客户软件之间数据传输的规范，并已形成一个体系，包括一整套接口、属性和方法的标准集，常用于过程控制和制造业自动化系统。OPC 作为微软公司的对象链接和嵌入技术应用于过程控制领域，为工业自动化软件面向对象的开发提供一项统一的标准，解决了应用软件与各种设备驱动程序之间的通信问题。它把硬件厂商和应用软件开发商分离开来，为基于 Windows 的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁，大大提高了双方的工作效率。应用程序与 OPC 服务器之间必须有 OPC 接口，OPC 规范提供了两套标准接口:
4、 Custom 标准接口和OLE 自动化标准接口，通常在系统设计中采用 OLE 自动化标准接口。OLE 自动化标准接口定义了以下 3层接口，依次呈包含关系。OPC Server( 服务器) : OPC启动服务器，获得其他对象和服务的起始类，并用于返回 OPC Group 类对象。OPC Group( 组) : 存储由若干 OPC Item 组成的 Group 信息，并返回 OPC Item 类对象。OPC Item( 数据项) : 存储具体 Item 的定义、数据值、状态值等信息。3 层接口的层次关系如图 2 所示。2 菇棚温度控制系统的设计2 1 菇棚的温度控制原理宁夏南部山区杏鲍菇生产基地
5、采用大棚式培养方式，作为对杏鲍菇生长起最重要影响的因素，温度显得尤为重要。菇棚温度采用自动记录仪对温度进行检测，利用空调对菇棚温度进行调节。由于温度控制系统具有大时变、非线性、滞后性等特点，采用模糊控制非常合适。本文对菇棚的温度进行了控制设计，最终采用模糊 PID 控制方案，达到对温度的实时控制，从而将出菇阶段的温度控制在 14 17的范围之内。菇棚温度控制系统的原理如图 3 所示。图 3 中，虚线框内的部分在工业控制环境中大多由 PLC 等控制设备完成，而这些设备很难实现模糊PID 的控制功能。因此，将虚线框部分在 Simulink 中实现，把在 Simulink 中创建的模糊 PID 控制
6、器直接应用到现场设备中。菇棚实时温度控制系统原理图如图 4 所示。图 4 中，该系统以 PC ACCESS 软件作为 OPC 服务器，用 MATLAB/OPC 工具箱中的 OPC Write 模块和OPC ead 模块与 Simulink 进行数据交换。传感变送装置检测温度后将电信号传送给 S7200PLC 的模拟量输入模块 EM231，经过 A/D 转换后得出温度值; PCACCESS 软件从 PLC 中读取温度值，通过 OPC ead 模块传送给 Simulink; 在 Simulink 中与设定的温度值进行比较后，进行模糊 PID 计算，将结果通过 OPC Write 模块传送给 PC
7、ACCESS 软件，经 PC ACCESS 软件写入到PLC 中，计算分析得出数字量，输出到模拟量输出模块EM232，经 D / A 转换为电信号送给温控装置( 空调) ，实现对菇棚温度的模糊 PID 控制。2 2 模糊 PID 控制系统2 2 1 模糊 PID 控制器的设计菇棚的温度控制系统是一个复杂的非线性系统，很难建立精确的数学模型，而常规的 PID 控制则需建立被控对象的精确数学模型，对被控过程的适应性差，算法得不到满意的控制效果。单纯使用模糊控制时，控制精度不高、自适应能力有限，可能存在稳态误差，引起振荡。因此，本文针对 PID 控制和模糊控制的各自特点，将两者结合起来，设计了模糊
8、PID控制器，可以利用模糊控制规则对 PID 参数进行在线修改，从而实现对菇棚温度的实时控制，将出菇阶段的温度控制在 14 17的范围之内。基于上述分析，将菇棚温度作为研究对象，E、EC作为模糊控制器的输入，其中 E 为设定温度值与实际温度值的差值。PID 控制器的 3 个参数 KP、KI、KD作为输出。设输入变量 E、EC 和输出变量的 KP、KI、KD语言值的模糊子集均为 NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB = 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 ，误差E 和误差变化率 EC 的论域为 30，20，10，0，10，20，30 ，KP的论域为 0 3，0 2，0 1，0，0 1，0
9、 2，0 3 ，KI的论域为 0 06， 0 04， 0 02，0，0 0 2 ，0 04，0 06 ，KD的论域为 3，2，1，0，1，2，3 。为了论域的覆盖率和调整方便，均采用三角形隶属函数。根据对系统运行的分析和工程设计人员的技术知识和实际操作经验，得出KP、KI、KD的模糊控制规则表，如表1 所示。利用 Simulink 工具箱，建立系统的模糊 PID 控制器的模型，如图 5 所示。2 2 2 系统的仿真菇棚温度的传递函数采用其中，α 为惯性环节时间常数，α = 10 3s / ; k = 0 023; τ =10s，为纯滞后时间。设定菇棚温度值为 1
10、5，常规 PID 控制器的仿真结果如图 6 所示，模糊 PID 控制器的仿真结果如图 7所示。结果表明，菇棚温度控制系统采用模糊 PID 控制器具有超调小、抗干扰能力强等特点，能较好地满足系统的要求。3 Simulink 与 S7200 PLC 数据交换的实现PC ACCESS 软件是专用于 S7 200 PLC 的 OPC服务器软件，它向作为客户机的 MATLAB/OPC 客户端提供数据信息。在菇棚温度控制系统中，模糊 PID控制器 的 输 出 值 和 反 馈 值 就 是 Simulink 与 S7 200PLC 进行交换的数据。实现数据交换的具体步骤如下:1) 打开软件 PC ACCESS
11、 V1 0 SP4，在MicroWin( USB) ;下，单击右键设置PC/PG;接口，本文选用PC/PPI ( cable ) ;。 然 后，右 键 单 击 MicroWin( USB) ;进入新 PLC;，添加监控 S7200PLC，本文默认名称为NewPLC;。右键单击所添加的新 PLC 的名称，进 入New Item;添 加 变 量，本 文 为 输 出 值wendu1;和反馈值wendu2;，设置完成，如图 8 所示。PC ACCESS 软件自带 OPC 客户测试端，客户可以将创建的条目拖入测设中心进行测试，观察通信质量，如图 9 所示。测试后的通信质量为好;。2) 打开 MATLAB
12、，在工作空间输入命令opctool;后，将弹出 OPC Tool 工具箱的窗口，在该窗口的 MAT-LAB OPC Clients 对话框下单击右键，进入Add Client;添加客户端，用户名默认localhost;，Server ID 选择S7200 OPCServer; 与 PC ACCESS 软件连接成功后，在S7200 OPCServer;中添加组和项，把在 PC ACCESS软件中创建的两个变量wendu1;和wendu2;添加到项中，操作完成后结果如图 10 所示。3) 新建 Simulink 文件，导入模糊 PID 控制器模型，调用 OPC Write 模块、OPC ead 模
13、块和 OPC Configura-tion 模块，设置 OPC Write 模块和 OPC ead 模块的属性，把 OPC 工作组中的变量wendu1;添加到 OPCWrite 模块中，把变量wendu2;添加到 OPC ead 模块中，设置完成后两个模块与控制器相连，如图 11 所示。这样，基于 Simulink 和 S7200PLC 的模糊 PID 实时温度控制系统的设计就完成了。4 结论针对工业现场中 PLC 难以实现复杂控制算法这一问题，采用 OPC 技术将 Simulink 与 PLC 连接实现数据交换，解决了 Simulink 仅用于数字仿真的缺点，完成了对宁夏南部山区杏鲍菇菇棚温
14、度控制系统的设计。仿真结果表明，采用模糊 PID 控制器较常规 PID控制器具有更好的动态适应性和良好的抗干扰能力，对温度的控制效果更好，设计方案可行。虽然 PLC 在工业控制中应用广泛、可靠性强，但是由于自身编程语言的限制，难以实现诸如模糊控制、神经网络控制、遗传算法等复杂的智能算法，而MATLAB 拥有强大的运算功能和丰富的工具箱，能仿真实现各类算法。因此，采用 OPC 技术将二者结合，能将复杂的算法直接应用到现场 PLC 中，具有良好的实用性。参考文献:1 李广明，黄立平，詹锦川，等 食用菌工厂化生产智能监控系统应用研究J 安徽农业科学，2006，34( 17) : 96972 王岩 浅谈 PLC 控制技术的特点和发展方向J 兰州工业高等专科学校学报，2011( 2) : 41443 程睿，吴泽全，徐东，等 PLC 在温室控制系统中的应用J 农机化研究，2011，33( 2) : 167169