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1 1 1 绪论绪论 1 11 1 研究背景研究背景 我国的设施园艺绝大部分用于蔬菜生产 80 年代以来 温室 大棚蔬菜的种植面 积连年增加 目前的栽培设施中 有国家标准的装配式钢管塑料大棚和玻璃温室仅占 设施栽培面积的少部分 大多数的农村仍然采用自行建造的简单低廉的竹木大小棚 只能起到一定的保温作用 根本谈不上对温光水气养分等环境条件的调控 抗自然环 境的能力极差 即使那些数量不多的装配式塑料大棚和玻璃温室也缺乏配套的调控设 备和仪器 主要依靠经验和单因子定性调控 设施栽培的智能化程度非常低 我国设施农业的发展 以超时令 反季节生产的设施园艺作物的发展为主 且发 展迅猛 1997 年设施园艺作物栽培面积达 86 7 万公顷 较 80 年代初期的栽培面积增 长了 128 倍 人均设施蔬菜占有量 1996 1997 年为 33 公斤 较 1980 1981 年人均设 施蔬菜占有量增长了近 164 倍 2001 年 我国设施园艺面积将突破 100 万公顷 全国 设施蔬菜人均占有量将达到 40 公斤 塑料大棚 中棚及日光温室为我国主要的设施结构类型 其中能充分利用太阳光 热资源 节约燃煤 减少环境污染的日光温室为我国所特有 1997 年我国日光温室面 积已超过近 16 7 万公顷 由农业部联合有关部门试验推广的新一代节能型日光温室 每年每亩可节约燃煤约 20 吨 我国设施农业目前还存在着诸如土地利用率低 盲目引进温室 设施结构不合理 能源浪费严重 运营管理费用高 管理技术水平低 劳动生产率低及单位面积产量低 等诸多问题 但随着社会的进步和科学的发展 我国设施农业的发展将向着地域化 节能化 专业化发展 向着高科技 自动化 机械化 规模化 产业化的工厂型农业 发展 为社会提供更加丰富的无污染 安全 优质的绿色健康食品 1 21 2 研究的目的及意义研究的目的及意义 温室的作用是用来改变植物的生长环境 避免外界四季变化和恶劣气候对作物生 长的不利影响 为植物生长创造适宜的良好条件 温室一般以采光和覆盖材料作为主 要结构材料 它可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物 从而达到对 农作物调节产期 促进生长发育 防治病虫害及提高产量的目的 温室环境指的是作 物在地面上的生长空间 它是由光照 温度 湿度 二氧化碳浓度等因素构成的 温 室控制主要是控制温室内的温度 湿度 通风与光照 虽然有些温室也安装有各种加热 加湿 通风和降温的设备 但其主要操作大多 仍是由人工来完成的当温室面积较大或数量较多时 操作人员的劳动强度很大 而且 2 也无法达到对温湿度的准确控制 本文介绍一种基于 PLC 和温湿度传感器的温室控制 系统 2 2 大棚温湿度检测系统概述大棚温湿度检测系统概述 农业温室大棚为现代农业提供新的生产环境 取得了良好的经济和社会效 益 它可 以提高农民收入 提高产业化水平 提高抵御自然灾害能力 延长作物 生长时间 提高 作物产量 对于农作物来说 温度和湿度是两个非常重要的条件 所以能够监控温度 和湿度对农业大棚的生产有着十分重要的意义 大棚温湿度控制主要内容如下 表 1 大棚温湿控制要求 PLC 控制的农业大棚温湿度检测系统温度范围 0 50 湿度 0 100 1 系统每隔 1 分钟采集一次温度和湿度 以中断方式读取 2 正常情况下 系统循环显示采集的温 湿度值 显示器由 3 位 LED 显示器构 成 温度 L3 显示 7 湿度 L3 显示 8 3 当温度达到 30 以上时 Y1 降温阀门动作 低于 18 时 Y2 升温阀门动作 设计温度在 30 18 之间 Y1 和 Y2 不吸合 4 当湿度达到 90 以上时 Y3 降湿阀门动作 低于 60 以下时 Y4 加湿阀门动作 湿度在 60 90 之间 Y3 和 Y4 不吸合 温湿度的检测方法很多 本文是以 PLC 为控制器的温湿度控制系统的设计 PLC 与 其他的控制器相比具有较高的抗干扰的能力和高的可靠性 并且对环境的适应行好 对 温湿度的采集 可以选择相应的温度和湿度传感器 将温度和湿度转换成相应的电信号 送入控制器中 PLC 拥有丰富的软件功能 在控制器中我们可以用相应的程序将采集来的 模拟信号转换成相应的数字信号 由于数字信号的大小是与被测量有关 但不是温度 和湿度的工程量值 所以为了显示温度和湿度的物理量值的大小时 要将数字量进行标 度变换 然后将标度变换所得的结果送入显示器中显示 其整体结构如图 1 所示 3 图 1 系统整体结构图 3 3 系统硬件的选型系统硬件的选型 3 13 1 PLCPLC 的定义的定义 可编程控制器 英文称 Programmable Controller 简称 PLC 是用于工业现场的 电控制器 它源于继电器控制技术 但基于电子计算机 它通过运行存储在其内存中 的程序 把经输入电路的物理过程得到的输入信息 变换为所要求的输出信息 进而 再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制 它采用可以编制程序的存储器 用 来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术运算等操作的指令 并 能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 PLC 及其有关 的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设 计 3 23 2 PLCPLC 的特点的特点 1 抗干扰能力强 可靠性好 I O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路 在结构上对耐热 防潮 防 尘 抗震等都有周到的考虑 2 控制系统结构简单 通用性强 PLC 及外围模块品种多 可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制 系统 3 编程方便 易于使用 PLC 程序的编制 采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式 4 功能完善 在 PLC 内部具有许多控制功能 诸如时序 计算机 主控继电器以及移位寄存器 中间寄存器等 4 5 设计 施工 调试 的周期短 PLC 采用模块化积木式结构 故仅需按性能 容量等选用组装 因而缩短了设计 周期 使设计和施工可同时进行 6 体积小 维护操作方便 PLC 体积小 质量轻 便于安装 7 易于实现网络化 PLC 可连成功能很强的网络系统 8 可实现三电一体化 PLC 将电控 逻辑控制 电仪 过程控制 和电结 运动控制 这三电集于一体 3 33 3 PLCPLC 的工作原理的工作原理 PLC 的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的 可以简单地表述为在系统程序 的管理下 通过运行应用程序完成用户任务 PLC 通电后 首先对硬件和软件作一些初 始化操作 初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务 但是 PLC 也有它自己的特 点 PLC 在确定了工作任务 装入了专用程序后成为一种专用机 它采用循环扫描工作 方式 系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的 3 43 4 基本的功能基本的功能 PLC 有丰富的指令系统 有各种各样的 I O 接口 通信接口 有大容量的内存 有 可靠的自身监控系统 因而具有以下基本的功能 逻辑处理功能 1 数据运算功能 2 准确定时功能 3 高速计数功能 4 中断处理 可以实现各种内外中断 功能 5 程序与数据存储功能 6 联网通信功能 7 自检测 自诊断功能 8 像 PLC 这样 集丰富功能于一身 是别的电控器所没有的 更是传统的继电控制 电路所无法比拟的 丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能 同时 也为自动化行 业的远程化 信息化及智能化创造了条件 3 53 5 可编程控制器可编程控制器 PLC PLC 的选择的选择 在温湿度检测系统中 输入量为温湿度传感器检测值 输出量为显示器和提示灯 5 主机选择 S7 224 其功能如下 1 本机集成了输入 输出 14 DI 10 DO 2 可以有 7 个扩展模块 3 最大数字量输入 输出范围 168 4 模拟量范围输入 输出 最大 28 14 35 5 用户程序 8 12kb 6 程序执行时间 0 22us 7 标志寄存器 计数器 定时器 256 256 256 8 高速计数器 6 30KHZ 9 实时时钟 内置 10 脉冲输出 2 20khz 11 通讯接口 1 RS485 12 模拟电位器 2 13 自整定 PID 调节 内置 3 63 6 扩展模块选择扩展模块选择 3 6 13 6 1 EM231EM231 模拟量输入模块的选择模拟量输入模块的选择 由于温度和湿度都是模拟量 所以选 EM231 模块做为模拟量输入模块 表 2 模拟量输入特性 模拟量输入点数4 电压 单极性 0 10V 0 5V 电压 双极性 5V 2 5V 电流0 20mA 电压 单极性 2 5mV 0 10V 时 1 25mV 0 5V 时 1 25mV 0 5V 时 电压 双极性 2 5mV 5V 时 1 25mV 2 5V 时 电流5 A 0 20mA 时 模数转换时间 250 s 模拟量输入响应1 5ms 95 共模抑制40dB DC to 60Hz 共模电压信号电压 共模电压 必须小于等于 12V 双极性 全量程范围 32000 32000 单极性 全量程范围0 32000 输入阻抗大于等于 10M 6 输入滤波器衰减 3db 3 1KHz 最大输入电压30V DC 最大输入电流32mA 分辨率12 位 A D 转换器 3 6 23 6 2 EM222EM222 输出模块的选择输出模块的选择 输出是点亮 LED 显示器和提示灯 S7 224 的输出点不够 为了能够满足输出 选择三 个 EM222 模块做为输出模块 表 3 模块输出特性 数字量输入点数16 消耗电流 最大 110mA 功耗3W 屏蔽500m 非屏蔽150m 1 信号输入电压20V 1 信号输入电流 最大 750mA 40 3A 55 以上 水平安装 3A 节电寿命无 感性负荷0 75A 灯负载5W 阻性负荷0 75A 尺寸 宽 高 深 71 2 80 62mm 重量145g 3 73 7 温度传感器选择温度传感器选择 本系统中要求检测温度的范围是 0 50 为了满足要求 系统中选择 JCJ100F 其技术参数如下 输出信号 4 20 mA 0 5 VDC 0 10 VDC 输入信号 Pt100 默认 Pt500 Pt1000 输入线阻 50 负载电阻 500 电流输出 3K 电压输出 电源电压 1 24VDC 2 12VDC 0 5V 电压输出时 3 24VAC 4 12VAC 0 5V 电压输出时 7 环境温度 20 80 相对湿度 5 90 RH 无凝露 消耗功率 0 6W 3 83 8 湿度传感器的选择湿度传感器的选择 而湿度的范围要求是 0 100 为满足要求 选择 JCJ100H1 湿度传感器 其技术参 数如下 工作电源 12VDC 10 24VAC 10 24VDC 10 湿度 5 95 RH 无凝露 温度 40 80 变送器材料 ABS 塑料 外形尺寸 75 55 28mm 湿度传感器 湿敏电容 HS1101 采用专利技术的固态聚合物结构 反应时间 ta 典型值 5s 长期稳定性 典型值 0 5 RH 年 有效测量范围 10 95 信号输出对应范围 0 100 测量准确度 3 RH 20 95 RH 20 2 RH 20 95 RH 20 电压信号 0 5 VDC 0 10 VDC 0 1 VDC 电流信号 三线制 4 20 mA 0 20 mA 0 10 mA 用于单湿度 湿度测量 通常状态下 漂移不大于 1 RH 负载能力 电压型 1K 电流型 0 500 电流信号 24V 45mA 电压信号 0 5 VDC 12V 35mA 0 10 VDC 24V 35m 3 93 9 大棚水温空调装置大棚水温空调装置 由于大棚水温空调装置主要由高效舌板式复合热交换燃煤炉和复交换管片式水温 空气交换器组成 当大棚温度超过 30 时 Y1 降温阀门动作 以浅层地下水或流动的地 表水为冷媒进行循环降温 当温度低于 18 时 Y2 升温阀门动作 该装置以燃煤炉提供 的热水为热媒进行供暖 温度在 30 18 之间 Y1 和 Y2 不吸合 当湿度达到 90 以 8 上时 Y3 降湿阀门动作 风管打开 实现通风换气 当棚内空气低于 60 以下时 Y4 加 湿阀门动作 喷水加湿 湿度在 60 90 之间 Y3 和 Y4 不吸合 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 4 14 1 I OI O 接口分配接口分配 在本系统中启动按钮接 I0 0 停止按钮接 I0 2 温度采集模拟量输入通道接 AIW0 湿 度采集模拟量输入通道接 AIW2 主机与扩展模块的 I O 分配如表 4 所示 表 4 主机与扩展模块 I O 接口 主机 s7 224模块 1 EM222模块 2 EM222模块 3 EM222模块 4 EM231 I0 0 Q0 0 Q2 0Q3 0Q4 0AIW0 I0 1 Q0 1Q2 1Q3 1Q41AIW2 I0 2 Q0 2Q2 2Q3 2Q4 2AIW4 I0 3 Q0 3Q2 3Q3 3Q4 3AIW6 I0 4 Q0 4Q2 4Q3 4Q4 4 I0 5 Q0 5Q2 5Q3 5Q4 5 I0 6 Q0 6Q2 6Q3 6Q4 6 I0 7 Q0 7Q2 7Q3 7Q4 7 I1 0 Q1 0 I1 1 Q1 1 I1 2 I1 3 I1 4 9 I1 5 输出量与输入量的 I O 接口分配如 5 图所示 表 5 输出量与输入量 I O 分配 启动按钮 SB1I0 0 停止按钮 SB2I0 2 Y1 降温阀门Q0 0 Y2 升温阀门Q0 1 Y3 将湿阀门Q0 2 Y4 加湿阀门Q0 3 温度模拟量AIW0 湿度模拟量AIW2 温度工程量VW204 湿度工程量VW304 显示器 LED1QB2 显示器 LED2QB3 显示器 LED3QB4 4 24 2 PLCPLC 与外围器件的连线与外围器件的连线 PLC 与外围器件的连线如图 5 所示 10 图 5 PLC 与外围器件连线 5 5 软件设计软件设计 5 15 1 主程序的设计主程序的设计 在主程序中 当按下启动按钮系统开始工作 每隔一分钟 对温湿度进行一次采集 此过程是通过调用子程序完成的 同时通过中断程序显示结果 当采样值满足一定要求 时提示灯亮 按下停止按钮系统停止工作 其程序如下 主程序 11 12 5 25 2 子程序的设计子程序的设计 子程序的功能是将温湿度传感器所检测的值进行转换和保存 其程序如下 温度采集子程序 SBR0 13 湿度采集子程序 SBR1 5 35 3 中断程序设计中断程序设计 中断程序是将温湿度的工程量值送入 LED 中显示 其程序如下 中断服务程序 INT 0 温度显示程序 14 中断服务程序 INT 1 湿度显示程序 总结总结 这次课程设计根据课题要求 复习了所学的 PLC 课程内容 设计重点是理论 与实 际的相结合 使我得到了一次用专业知识 专业技能分析和解决问题的锻炼 通过这次 课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺 明白学习是一个长期积累的过程 在 以后的工作 生活中都应该不断的学习 努力提高自己的综合素质 这次的 PLC 设计重点是理论与实际的相结合