【基于PLC的大棚环境智能控制系统设计（论文）6800字】

摘要在智能温室大棚的系统设计中，根据该系统的设计功能要求，采用可编程控制器作为主控制单元，来实现系统的温度和湿度的检测，并且对光照度进行检测，完成智能温室大棚的各种设备的打开和关闭功能。采用三菱FX2N系列可编程控制器进行外部命令输入和外部执行单元的输出控制。按照功能设计思路要求，对可编程控制器接线图等进行详细设计，根据功能要求，分析系统功能流程，完成梯形图的设计，系统稳定可靠，达到了基本的自动控制功能。关键词：温湿度检测；智能温室大棚；可编程控制器；MCGS目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 31.绪论 51.1研究的目的和意义 51.2课题设计的内容 61.3课题研究的思路 62.智能大棚的总体设计 72.1智能大棚的设计要求 72.2智能大棚的方案分析 82.3设计方案的确定 83.智能大棚的硬件设计 93.1系统的I/O分配设计 93.2系统的主电路设计 103.3系统的PLC电路设计 113.4系统的模拟量电路设计 124.温室大棚的软件设计 134.1系统的功能流程设计 134.2模拟量处理程序设计 154.3手动程序设计 164.4自动程序设计 174.5系统的上位机设计 18参考文献 19附录一 221.绪论1.1研究的目的和意义在农业发展的今天，智能温室大棚作为发展的趋势，其应用越来越广泛。智能温室大棚的种植使人们在任何季节都可以尝到新鲜的蔬菜和水果。对于智能温室大棚的环境，影响到农作物生长的因素主要包含了温室内的温度、湿度以及光照度。当智能温室大棚内的温度和湿度以及光照度达到了植物生长的要求，才能使植物按照预期的目标生长，达到比较理想的效果。本设计主要按照智能温室大棚的农作物生长的依赖条件，对温度、湿度和光照度进行实时检测，并控制大棚的各种设备，达到调节各种参数的控制目的。1.2课题设计的内容在智能温室大棚的控制中，根据智能温室大棚的使用面积，对温度参数进行三个传感器的检测，对反馈的温度值进行求平均值，从而和温度上限值以及下限值比较，对保温帘和喷淋泵进行实时控制。对湿度参数也进行三个传感器的检测，对反馈的湿度值进行求平均值，与湿度上限值以及下限值比较，对加湿器和风干机进行实时控制。对光照度度参数也进行三个光照度传感器的检测，对反馈的光照度值进行求平均值，与光照度上限值以及下限值比较，对遮阳帘和补光灯进行实时控制。系统的设计分为手动和自动控制两种方式，采用可编程控制器作为控制单元，采用上位机作为监控系统单元，对系统实现硬件设计和软件设计，通过仿真运行达到系统设计的要求。1.3课题研究的思路根据对大棚环境智能的设计内容要求，设计思路是采用顺序控制和经验控制的方法实现系统的手动控制和自动控制，确定大棚环境智能控制系统的设计思路，具体的设计思路如下：（1）对大棚环境智能控制系统的设计内容和基本功能要求进行分析，明确系统设计的要求，完成系统的控制方案。（2）通过最佳设计方案，进行系统输入和输出部分的确定，对系统设计的功能进行分析。（3）绘制系统控制方案原理图，按照该方案框图进行硬件和软件分布设计。（4）大棚环境智能控制系统的硬件选型设进行设计，包含PLC的选型、传感器元件的选型和电动机的选型等，设计大棚环境智能控制系统的I/O分配表。（5）采用AUTOCAD绘图软件设计电气接线图，特别是可编程控制器的电气接线图，对输入部分电路，输出部分电路以及电源电路进行分别设计和说明。（6）绘制大棚环境智能控制系统的功能流程图，，按照功能流程图的设计，进行梯形图的设计，详细实现大棚环境智能控制系统的各个功能。（7）通过系统的上位机软件，对大棚环境智能控制系统进行监控，对各个功能监控和仿真。对每个分部的功能进行仿真和修改，满足系统设计的基本要求。2.智能大棚的总体设计2.1智能大棚的设计要求智能温室大棚的使用主要依靠温度、湿度以及光照度来满足植物生长的条件，为了更好的满足植物生长条件，需要对智能温室大棚的温度、湿度、光照度这三个参数进行检测和控制。对着三个参数分别输入到可编程控制器的模拟量输入模块，对实时反馈的温度值进行系统的温度上限值和下限值比较，控制保温帘和喷淋泵的打开和关闭；对实时反馈的湿度值进行系统的湿度上限值和下限值比较，控制加湿器和风干机的打开和关闭；对实时反馈的光照度值进行系统的光照度上限值和下限值比较，控制遮阳帘和补光灯的打开和关闭。按照系统设计的基本控制要求，具体分析如下：（1）在智能温室大棚内，对每个参数采用三个传感器在不同的区域进行温度、湿度、光照度的检测。将这些检测值反馈到可编程控制器，实现平均值的计算，对平均值进行上限值和下限值的比较，控制相应的设备运行。（2）对于温度的控制，上限值设置为30摄氏度，下限值设置为20摄氏度。当温度反馈值高于上限值30摄氏度时，将打开喷淋泵，为智能温室大棚降温。当温度反馈值低于下限值20摄氏度时，将打开保温帘为智能温室大棚保温。（3）对于湿度的控制，上限值设置为70RH，下限值设置为50RH。当湿度反馈值高于上限设定值70RH时，启动风干机。当湿度反馈值低于下限值50RH时，启动加湿器。（4）对于光照度的控制，上限值设置为60%，下限值设置为50%。当光照度反馈值高于上限值时，将打开遮阳网，当光照度反馈值低于下限值时，将打开补光灯。2.2智能大棚的方案分析根据本设计的大棚环境智能控制系统而言，为了实现该系统的控制要求和功能，并且满足后期升级改造方便，开发周期小，采用可编程控制器作为本设计的控制单元，进行硬件设计和软件设计，为了满足大棚环境智能控制系统的可视化管理，需要对大棚环境智能控制系统的状态进行监控，实现系统的参数修改，查询当前的报警信息等，需要设计大棚环境智能控制系统的上位机。通过对上位机的人机界面设计，实现大棚环境智能控制系统的设计要求，将上位机和可编程控制器之间进行通信，实现数据交互。上位机的设计包含了驱动程序的设置、通讯变量的设计、画面的设计和报表设计、动画设计、命令语言的编译等，通过这些设计步骤，可以实现可编程控制器和上位机之间的相互通信和信息显示，反应当前大棚环境智能控制系统的工况。所以按照系统设计的要求，对大棚环境智能控制系统的设计，综合考虑采用可编程控制器+上位机的控制方案进行设计。根据以上的设计，按照智能温室大棚的设计要求，实现系统的硬件设计和软件设计。2.3设计方案的确定对于智能温室大棚控制系统的设计功能描述，系统的设计主要实现该系统的系统的温度和湿度、对光照度进行检测，完成设备的打开和关闭功能。智能温室大棚控制系统设计主要包含通过温度检测控制保温帘和喷淋泵、通过湿度检测控制加湿器和风干机，通过光照度检测控制补光灯和遮阳帘等功能。对智能温室大棚控制系统的设计，综合考虑采用可编程控制器+上位机的控制方案进行设计。系统采用手动控制和自动控制，在手动控制方式中，主要按照相关的设备启停按钮对设备进行启停。自动控制的方式中，主要通过传感器的反馈值和设定上下限值比较来实现系统的自动控制。输入部分主要包括：启停按钮、手自动模式、手动启停、故障检测等；系统输出部分包括运行指示、报警指示、手自动选择指示、喷淋泵、保温帘等设备输出。具体的设计方案图如下所示。图2-1系统设计控制方案图3.智能大棚的硬件设计3.1系统的I/O分配设计对于智能温室大棚控制系统来说，需要考虑各种输入信号功能和输出信号功能，通过方案的描述，和可编程控制器的选型，以及充分考虑系统各种信号的采集输入和执行单元的输出功能，按照基本分配的原则，实现系统的输入输出点的分配。输入输出点的分配主要有利于系统的接线图设计，可以按照I/O分配的具体要求，对可编程控制器接线图的输入部分和输出部分进行线路设计，规定每个输入点和输出点的具体功能。系统的输入点分配原则是先进行按钮或旋钮的分配，再进行外部传感器输入分配，再进行系统保护信号分配；系统的输出点分配原则是先进行执行单元的分配，再进行系统指示的分配等。具体的I/O分配设计如下表所示。表3-1I/O分配设计表输入地址系统功能输出地址系统功能X0启动按钮Y0运行指示灯X1停止按钮Y1报警指示灯X2手动模式Y2手动指示灯X3自动模式Y3自动指示灯X4喷淋泵启动Y4喷淋泵X5喷淋泵停止Y5保温帘开X6保温帘开启Y6保温帘关X7保温帘关闭Y7湿帘X10保温帘停止Y10风干机X11水帘启动Y11遮阳网开X12水帘停止Y12遮阳网关X13风干机启动Y13补光灯X14风干机停止X15遮阳网开启X16遮阳网关闭X17遮阳网停止X20补光灯打开X21补光灯关闭X22故障检测3.2系统的主电路设计根据智能温室大棚控制系统的设计内容和方案,对系统的主电路进行设计,系统主电路主要为电动机的设计,该电动机设计需要实现自锁启停控制、电机正反转控制，在主电路设计中，QF为断路器的电气符号、KM为接触器的电气符号，FR为热继电器的电气符号。具体的主电路图如下图所示。在系统为正转自锁控制时，主要按照可编程控制器发出接触器吸合的控制指令，此时接触器线圈得电，主触点吸合，电动机可以旋转运行，如果可编程控制器发出主接触器断开的控制指令，此时接触器线圈失电，主触点断开，电动机停止运行，这样就形成了自锁控制电路。当电动机发生过流或短路故障时，断路器迅速动作断开。当热继电器发生故障时，可编程控制器收到故障保护指令，将主触点自动断开。在系统为正反转控制时，电动机控制需要两台接触器互锁进行，主要按照可编程控制器发出电动机正转的控制指令，此时正转接触器线圈得电，主触点吸合，电动机可以正转旋转运行，如果可编程控制器发出电动机反转的控制指令，此时反转接触器线圈得电，主触点吸合，电动机可以反转旋转运行。正转接触器和反转接触器之间互锁，不能同时接通。当电动机发生过流或短路故障时，断路器迅速动作断开。当热继电器发生故障时，可编程控制器收到故障保护指令，将主触点自动断开。图3-1主电路设计原理图3.3系统的PLC电路设计可编程控制器的接线设计主要包含了三个部分，首先是电源部分的设计，按照可编程控制器的选型，PLC的电源电压等级为AC220V，输入部分和输出部分的电压等级和电源电压等级相同，电源采用DZ47-60的2P开关进行电源的通断。其次为输入部分设计，不同的电器元件，电气符号不相同，输入部分的公共端子为正极端子，接入电器元件的一端，另一段子为相应的PLC输入端子。可编程控制器的接线设计主要包含了三个部分，首先是电源部分的设计，按照可编程控制器的选型，PLC的电源电压等级为AC220V，输入部分和输出部分的电压等级和电源电压等级相同，电源采用DZ47-60的2P开关进行电源的通断。其次为输入部分设计，按照I/O分配的要求，对每个地址的输入点进行信号接入，并且对电器元件的符号进行命名，不同的电器元件，电气符号不相同，输入部分的公共端子为正极端子，接入电器元件的一端，另一段子为相应的PLC输入端子。比如X0，该电器元件的类型为按钮，命名为SB1，该按钮的一端接入公共线AC220V，另一端子接入可编程控制器的X0端子，当X0的电器元件接通时，X0得电输入，相应的输入指示灯亮，表示该点已经有信号输入。再次为输出部分设计，根据不同的执行单元或指示灯，进行命名设计，不同的执行单元，电气符号不相同。比如Y0，该执行电器元件为KM1，线圈的一端接线为公共端0V，线圈的另一端接入Y0，当可编程控制器输出Y0执行命令时，线圈得电，将输出执行元件运行。对于可编程控制器的接线，按照系统设计的要求和后期升级改造的需求，需要留有足够的余量，以备后期改造使用。本系统的硬件接线如下图所示。图3-2可编程控制器设计原理图3.4系统的模拟量电路设计本设计采用的模拟量扩展模块为三菱FX2N-4AD和FX2N-2AD模拟量输入模块，根据模拟量扩展模块的外部结构及自动控制系统的控制要求画出模拟量扩展模块的外部硬件接线图。下图为模拟量扩展模块的外部硬件接线图。图3-3模拟量模块设计接线图模拟量输入模块的每个回路均有三个端子，以第一路为例说明，A+端子接入模拟量信号的正极，A-端子接入模拟量信号的负极。由于现场的工况比较复杂，时常有干扰信号对模拟量进行干扰，所以需要采用专用的屏蔽电缆进行模拟量信号的传输，屏蔽电缆的屏蔽层要可靠接地。对于模拟量来说，标准信号为4-20mA，或者0-10V，需要通过模拟量模块的拨码开关进行选择，当DIP开关为0时选择的信号类型为0-10V，当DIP开关为1时，选择的信号类型为4-20mA。4.温室大棚的软件设计4.1系统的功能流程设计按照系统设计的要求，对农作物程序流程功能图进行详细的设计，设计如下所示。图4-1程序功能流程图按照以上程序功能流程图所示，对系统进行手动和自动两种控制方式设计，当在手动控制状态下，通过外部的输入按钮，对相应的设备进行控制。在自动控制状态下，通过系统启动按钮，使系统处于运行状态，并且通过外部的传感器监测值，对系统进行条件判断，并且按照条件判断的结果进行相应设备的控制。当智能温室大棚内的平均温度低于20摄氏度时，打开保温帘，当达到30摄氏度，将关闭保温帘。当温度超过40摄氏度，开启喷淋泵，当降到30摄氏度时，将关闭喷淋泵。当平均湿度低于50RH时，打开加湿器，当湿度达到70RH，将关闭加湿器。当湿度超过90RH，将开启风干机，当下降到70RH时，将关闭风干机。当平均光照度低于50%时，打开补光灯，当光照度达到60%，将关闭补光灯。当光照度超过70%，将开启遮阳网，当下降到60%时，将关闭遮阳网。按照此功能图，对系统进行程序设计。4.2模拟量处理程序设计对大棚环境智能控制系统来说，往往需要满足某些条件后，才能执行动作。所以对于这类的控制要求来说，需要采用条件判断设计思路进行程序设计。比如要执行某一输出动作，往往需要好几个条件同时满足时才能执行，那么这些条件可能包含了启动运行使能、自动使能、传感器信号输入、其他联锁使能等，那么需要对这些条件进行整理，当条件都满足时，就可以执行元件输出。在系统启动时，通过可编程控制器的外部输入按钮X0，系统将启动，此时Y0得电并自锁。如果按下停止按钮X1时，系统将停止。如果外部发生故障，系统将自动停止，并且输出报警。当系统运行过程中，通过外部的按钮进行手自动选择，当选择手动控制时，将调用手动程序，并且手动指示灯亮，当选择自动控制时，调用自动程序，并且自动指示灯亮。对外部的温度检测值进行采集，并且通过系统数据的转换，转换为0-100的摄氏度单位值，同理，对湿度采集和光照度采集，采用数据的转换，转换为相应的数值。通过以上的转换之后，对数值进行计算，计算出平均值。按照计算的结果可知，D40为温度平均值，D60为湿度平均值，D80为光照度平均值。4.3手动程序设计通过外部相应的按钮启动，相应的设备输出。按照相同的手动控制原理，对其他的设备都采用自锁控制的原理进行程序设计输出。4.4自动程序设计按照系统设计的自动控制流程，对系统设计进行相关比较，当比较满足时，将输出相应设备控制，来实现自动控制的功能。4.5系统的上位机设计按照大棚环境智能控制系统的设计内容和方案，对系统的上位机进行设计，通过可编程控制器和上位机之间的通讯，实现信息的相互通讯，根据实际生产控制要求，进行系统相应的调节。上位机采用MCGS6.2进行设计，可以在上位机直观地监控系统的运行状态，并且对系统的参数进行调节，监控设备的状态,显示当前报警,对生产报表或历史趋势进行查询,达到优化控制的目的。在大棚环境智能控制系统中，实现系统的温度和湿度的检测，并且对光照度进行检测，完成智能温室大棚的各种设备的打开和关闭功能。按照这些功能，需要通过上位机进行展现，并且通过相关的参数设置，完成这些功能的优化，更好地实现系统的控制。在上位机的开发设计中，主要设计包含了与可编程控制器驱动的建立、上位机的变量设计、画面设计、动画设计以及命令语言设计等。通过大棚环境智能控制系统的在线仿真调试，达到系统设计的要求。按照此设计思路，对系统进行MCGS上位机的设计。在系统仿真调试时，要按照智能温室大棚控制系统的功能流程要求，对系统进行接线，包括主电路接线和PLC电路接线，按照接线图要求进行严格检查。当接线完毕后，检查电压等级准确无误后，就可以对系统进行上电。具体的调试结果如下图所示。图4-2MCGS的调试效果图参考文献[1]郁汉琪.可编程序控制器原理及应用（第二版）[M].中国电力出版社,2010.[2]郑凤翼.怎样看电气控制电路图[M].人民邮政出版社,2008.