分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在溫室中的應(yīng)用分析

董建恩，田巖，趙恒杰

（1.青島西海岸新區(qū)靈山衛(wèi)街道辦事處，山東 青島 266400；2.青島西海岸新區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局投入品科，山東 青島 266400）

分布式系統(tǒng)，就是每個功能都是針對于一個對象。這是一種較新模式的技術(shù)，它打破了原有設(shè)備的功能界限，并能按照溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的要求，將其功能進行有機重組。

1 分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在溫室工程中的主要優(yōu)點

1.1 減少硬件數(shù)量與投資成本

溫室的分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，是通過分散在控制現(xiàn)場的智能設(shè)備來完成其功能?，F(xiàn)場設(shè)備是智能儀表，它可以直接執(zhí)行控制、報警以及計算等多種功能的任務(wù)。相比傳統(tǒng)方式下的溫室環(huán)境控制技術(shù)來說，分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)能減少變送器數(shù)量的使用，這樣調(diào)節(jié)器和計算單元等就不需要單獨配備，DCS系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換和調(diào)理以及隔離等功能單元也就不需要再單獨配備，也不需要復(fù)雜的接線，因此，如果溫室工程中使用分布式系統(tǒng)，其硬件費用投資成本就能得到較大的節(jié)約。

1.2 減少安裝費用

對于分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)而言，它采用一對N的接線結(jié)構(gòu)，即傳輸線一對、儀表N臺，多個信號能實現(xiàn)雙向傳送?，F(xiàn)場在進行安裝時，采用分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)構(gòu)，就能減少溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中的接線，還能縮短工程周期，降低其安裝費用，也更容易進行維護。簡而言之，如果溫室增加了，可以拓展其控制系統(tǒng)，對新增加的智能儀表來說，只要將其并行在電纜上掛接即可，新的電纜就不用再單獨架設(shè)。

對比分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)，節(jié)省的各項費用如表1所示。

表1 費用節(jié)約率

1.3 減少維護費用

對于溫室的分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)而言，在溫室控制室，操作員就能對現(xiàn)場設(shè)備的工作情況進行監(jiān)控，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，并及時解決故障，這樣系統(tǒng)就會一直處于操作員的遠程監(jiān)控狀態(tài)，減少維護停工的時間。由于系統(tǒng)具有簡單的結(jié)構(gòu)，容易連線，使得維護工作量降低，減少了維護費用。

1.4 增加系統(tǒng)準(zhǔn)確性

傳統(tǒng)的控制技術(shù)采用的是模擬信號儀表，而分布式系統(tǒng)使用的是數(shù)字信號儀表，它具有更高的抗干擾性和準(zhǔn)確性，這樣抗干擾的設(shè)備就不用再單獨配備，進而也會讓成本降低。

1.5 增加用戶的系統(tǒng)集成主動權(quán)

和以往的控制技術(shù)相比，在擴充方面，分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)更容易，其全部技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)都具有公開性，全部制造商都要依據(jù)該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來工作。只要用戶選擇的設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)符合，就能在原有的溫室環(huán)境控制網(wǎng)絡(luò)上進行連接，進而擴展相關(guān)功能。

2 分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)溫室中的具體應(yīng)用

由于現(xiàn)場總線技術(shù)的特點及其優(yōu)點，未來它將在多種領(lǐng)域中被大量使用，然而，如今現(xiàn)場總線技術(shù)還不太成熟，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中使用價格較高，同時也存在很復(fù)雜的技術(shù)原理。因此，現(xiàn)今在農(nóng)業(yè)溫室中使用工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)，還不具備適用性。由于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的控制技術(shù)有其獨特性，其控制對象比較特殊，調(diào)控設(shè)備也相對有限，研究人員要充分考慮到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域控制技術(shù)的特點，進而構(gòu)建出比較簡單的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，將其應(yīng)用于在農(nóng)業(yè)溫室中。該系統(tǒng)模型借鑒了現(xiàn)場總線的技術(shù)特點與開放性結(jié)構(gòu)，對通訊模型進行了擴展，使其變?yōu)榧赡Ｐ?，這樣在同一層內(nèi)就能集中各種相似的功能，如果功能存在較大的差異，就使用分層處理方式，這樣一方面能借鑒現(xiàn)場總線的思路與優(yōu)點來確保分布式技術(shù)的實現(xiàn)，另一方面還能跟隨著技術(shù)發(fā)展的趨勢，在農(nóng)業(yè)溫室中納入各種新技術(shù)，并通過恰當(dāng)?shù)姆绞?，讓農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)朝著未來的新控制形式發(fā)展，進而成為其中的有機組成部分。因此，我們提出AFCS系統(tǒng)的參考模型，如圖1所示。其中，物理層的功能是發(fā)送信號和對系統(tǒng)進行控制；數(shù)據(jù)鏈路層的功能是在設(shè)備間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的共享以及對通訊進行調(diào)度；應(yīng)用層的功能是對設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換、命令、信息事件以及請求應(yīng)答中的信息格式作出相應(yīng)的規(guī)定；用戶層的功能是形成用戶所需的應(yīng)用程序。

圖1 OSI模型、現(xiàn)場總線模型、AFCS模型

在溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中使用分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，在物理層上，主要考慮溫室環(huán)境控制技術(shù)都需要哪些物理設(shè)備，通訊設(shè)備都要具有哪些電器標(biāo)準(zhǔn)的問題，進而通過RS485總線通訊為核心，使溫室環(huán)境控制系統(tǒng)得以形成。在數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層上，主要考慮如何確保通訊、如何實現(xiàn)溫室所需的通訊協(xié)議的問題；在用戶層上，主要考慮如何實現(xiàn)上位機控制系統(tǒng)的問題。

2.1 分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的應(yīng)用原則

第一是具有經(jīng)濟性。該技術(shù)的主要目的就是具有經(jīng)濟實用性，也就是在功能實現(xiàn)并確?？煽啃院蜏?zhǔn)確性的前提下，確保設(shè)備的性價比較高。第二是具有先進性。該技術(shù)要密切跟隨前沿技術(shù)的步伐，以便在成熟的經(jīng)濟條件下，能確保其得到及時應(yīng)用。

2.2 分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由智能控制器來控制現(xiàn)場的執(zhí)行設(shè)備，它使用的是以微處理器為核心的智能儀表，這些構(gòu)成了其基本的底層系統(tǒng)。多個底層系統(tǒng)利用該技術(shù)控制系統(tǒng)的通訊總線，把信號傳送到RS232/RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器，進而讓現(xiàn)場信號實現(xiàn)從RS485到RS232的轉(zhuǎn)化，并連接上位監(jiān)控計算機。上位機采用PC機或者數(shù)據(jù)采集器，這樣就形成了農(nóng)業(yè)溫室中的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。上位機的功能是確保系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)完成，并對各個下位機進行及時監(jiān)控，一方面，它具有顯示和存儲以及設(shè)定各底層系統(tǒng)參數(shù)的功能，并能對各底層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行檢測與控制，進而將其集中顯示在自己的屏幕上，以便遠程監(jiān)控全部參數(shù)數(shù)據(jù)；另一方面，它還具有查詢和統(tǒng)計以及存儲溫室環(huán)境各項數(shù)據(jù)的功能，由于下位機的存儲器不足，其運算功能也不足，上位機還需充分發(fā)揮智能控制技術(shù)，進而實現(xiàn)現(xiàn)代化的管理。RS232/5485協(xié)議轉(zhuǎn)換器的功能，主要是實現(xiàn)總線信號從RS232向RS485的轉(zhuǎn)化，進而為溫室中分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供更加高效的通訊總線。下位機的功能主要是控制現(xiàn)場，一方面，下位機能存儲和設(shè)定各智能傳感儀表的參數(shù)，并能對上位機下達的命令進行有效執(zhí)行；另一方面，按照上位機的要求，下位機可以對執(zhí)行設(shè)備進行有效控制，如果與上位機失去了聯(lián)系，下位機還能按照自己的策略，及時控制執(zhí)行設(shè)備，這樣就不會因為通訊總線發(fā)生損壞，進而讓全部系統(tǒng)失控。

圖2 分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的物理模型

3 結(jié)語

現(xiàn)今，對于農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)來說，它正在朝著分布式和網(wǎng)絡(luò)化以及智能化方向發(fā)展。由于經(jīng)濟條件方面的制約，目前我國的溫室控制系統(tǒng)還無法直接使用符合工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù)。因此，我們就要研究并使用符合農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境控制要求的分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，充分發(fā)揮出其優(yōu)勢功能，并為農(nóng)業(yè)提供更好的服務(wù)。