基于PLC的温室大棚智能控制系统设计

目录[6]。图3.1数字量与模拟量输入元器件描述数量遮阳行程开关2开关12湿度传感器1温度传感器1光照强度传感器2二氧化碳传感器1土壤肥力检测仪1由上表格分析可知需要12路数字量输入通道和8路模拟量输入通道图3.2输出量元器件描述数量加湿器1除湿器1热风机1通风电机2遮阳电机1滴灌1施肥器1阳光生物灯1由上表分析可得此系统需要9个输出量。根据以上两个表格的分析，本系统需要总共20个输入量和9个输出量，因此PLC智能控制器选择西门子S7-2006ES7288-1ST20-0AA136输入/24输出的那款机型，这款机型在符此系统需求的情况下最大程度节省了成本。图3.3西门子S7-200PLC3.3传感器选型智能温室大棚想做到精确的改变到合适的环境条件，要首先知道目前大棚内部的环境情况是什么的，因此大棚内部的传感器尤为重要，本系统内要用到二氧化碳传感器、光照强度传感器、温度传感器、湿度传感器、土壤肥力检测仪等来测量和监测大棚内部的环境情况，传感器与PLC控制器模拟量输入模块直接连接，让PLC直接读取传感器数据，根据传感器的数据来让整个大棚实现环境条件的时时处于需要的情况。（1）土壤肥力传感器本系统采用JXBS-3001-SCY-EC型土壤肥力检测仪来检测土壤的肥力，如图3.4所示。JXBS-3001-SCY-EC型土壤肥力检测仪优化了线路结构与算法，自带参数补偿功能，提高了测量精准度，加快了测量速度，提升了测量效率。适用于农作物种植业等领域，其参数如下：测量范围：0～9999us（±100us）反应时间：<5s防护等级：IP68工作温度：-20℃～+60℃图3.4土壤肥力传感器（2）温度传感器本系统选用SIN-WZP-Pt100型号的温度传感器来检测大棚内部的时时温服情况如图3.5所示。SIN-WZP-Pt100型号的温度传感器采用德国久茂进口芯片，50ms的瞬时响应速度，测量误差小，同时采用镀银屏蔽线可以有效的抗干扰，抵挡大棚内部其他电器元件对温度传感器造成的影响，SIN-WZP-Pt100型号的温度传感器的规格比较多，其稳定性能也高，方便在大棚的各个位置安置。其参数如下：测温范围：-50～+200℃温度系数：TRC=3850ppm/k防护等级：IP68（完全防水）自然系数：0.4k/mw（0℃时）绝缘阻值：大于100MΩ（20℃时）大于2MΩ（500℃时）稳定性能：RO≤0.04%/年图3.5温度传感器（3）湿度传感器本系统选用RS-WS-N01-SMG-1型号的湿度传感器，来检测大棚内部的湿度情况，如图3.6所示。其防水性能为IP65，防水性能好，其探头耐高温最高可在120℃中测量，最低能在-50℃的环境中进行测量。其参数如下：湿度精度：2%RH（60%25℃）湿度量程：0%RH～80%RH湿度分辨率：0.1%RH设备功耗：≤0.5W直流供电：DC10-30V图3.6湿度传感器（4）二氧化碳传感器本系统采用RS-CO2-I20-2D(5000P)型号的二氧化碳浓度传感器，来检测大棚内部的二氧化碳浓度，如图3.7所示。二氧化碳浓度对于大棚内部农作物生长特别重要，不仅对于农作物重要，其浓度过高时，人在不知情的情况下贸然进去大棚容易导致二氧化碳中毒，因此对二氧化碳浓度传感器的精度和灵敏度的要求较高，RS-CO2-I20-2D(5000P)型号的二氧化碳浓度传感器测量精准长期稳定性好漂移小，其自带温度补偿，可以减少因为大棚内部温度调节而导致测量出错的情况，其防护等级较高，能够长期使用于恶劣的环境中，因此，大棚内选用此款二氧化碳浓度传感器。其参数如下：功耗：0.3W量程：0～10000ppm工作环境：-10℃～+50℃精度：±（40ppm+3%F·S）（25℃）响应时间：<30s（扩散）供电：10-30VDC图3.7二氧化碳传感器（5）光照强度传感器本系统光照传感器采用SM2161B型号这款来采集大棚内外的光照强度，如图3.8所示。该光照强度传感器有较好的抗弯、抗压和抗冲击的能力，可以通过挂壁的方式直接安装在大棚的内外侧。其内部的数字式光照度检测器可以做到稳定、可靠和零漂移的检测光照强度。其技术参数如下：测量精度：±7%测量量程：0-65535Lux/200000Lux运行温度：-40℃～+85℃，0～80%RH波长测量范围：380～730nm图3.8光照强度传感器3.4控制元件选型温室大棚想完成对大棚内部环境的改变，不仅仅需要传感器来检测大棚内部的环境状况，还需要执行元件来调节大棚内部的环境条件，因此，执行元器件在本系统中也是非常重要的，好的执行元器件能够做到精准、及时、迅速的对大棚内部的环境进行快速的调节，使得大棚内的农作物能够一直处于所需要的最佳生长环境中，执行元器件除了要能够做到迅速调整大棚内部环境状态外，还需要做到耐用抗干扰的特点，本系统用来调节大棚内部环境状态的执行元器件由除湿器、滴灌设备、热风机、风机等构成。（1）加热器本系统选用TSD-16-20型号的加热器来为大棚加热内部温度，让大棚内能在寒冷的时候维持较高的温度，如图3.9。此款加热风机所能有效加热的范围广阔，能够达到200平方米，并且能够保持住恒温的状态，不会因为加热时间长而导致大棚内的温度高于所设温度或低于所设温度，此型号加热风机的出风量大，能够快速改变大棚内部的环境情况。外表IPX4级防尘防水，能够适用于大棚内部的各种环境条件，其参数如下：功率：50000W电压：220V风量：1100m3/h使用面积：250～300m2图3.9加热器（2）除湿器本系统选用的除湿器为多乐信DR-1502L型号的除湿器来为大棚内部除湿，如图3.10所示。湿度对于农作物的生长很重要，过高或者过低都是影响其呼吸，减少其生命活动，而本系统所选的多乐信DR-1502L型号的除湿器具有除湿量大的迅速的特点，可以帮助大棚快速且长时间改变环境状态。并且此型号的除湿器对环境的适应性强，可以长期放在大棚内部进行除湿，不需要经常维护，且有低温化霜的功能，具有一定降低大棚温度的功能，达到一机两用的功效其参数如下：湿度控制精度：±3%湿度调节范围：10%～90%工作温度：5～38℃峰值功率：1960W制冷量：4200W除湿量：110L/D(30℃80%RH)图3.10除湿器（3）排风扇本系统采用AX250型号的排风扇，排风扇将在本系统中起到通过通风来降低大棚内部温度的效果，和通过通风来达到降低大棚内部湿度的效果，排风扇如图3.11所示。选用此型号的排风扇因为其成本低，且具有风量大的特点，其本身也带有一定的除湿功能可以与除湿器一同使用达到快速除湿的作用。并且此型号的排风扇安装简单，占地小，重量轻，在大棚内可以轻松安装，其功率低比较省电，在条件允许的情况下可以长时间用来给大棚降低二氧化碳通风排气的作用。其参数如下：风量：19.2m3/min适合面积：42～84m2转速：2000～2500r/min风压：400～550Pa功率：170W图3.11排风扇（4）电子阀门电子阀门主要用于现场滴灌系统和二氧化碳施肥系统中，通过开关电子阀门来实现放水滴灌和释放二氧化碳气体的功能，本系统选择FPD-90A型号的电磁阀，如图3.12所示。此型号的电子阀门为常闭式阀门，纯铜结构耐用抗腐蚀，内置过滤网，防止水中小颗粒通过从而导致堵塞滴灌设备。其参数如下：供电：DC24V图3.12电子阀门（5）二氧化碳发生器本系统选用glt-a货号的二氧化碳发生器，来为温室大棚内部增加二氧化碳浓度，如图表16所示。此货号的二氧化碳发生器自带泄压阀，可以防止制造的二氧化碳过多从而导致的安全隐患。图3.13二氧化碳发生器3.5I/O配置PLC控制器的I/O就是PLC控制器的输入与输出接口，在进行PLC程序编写的时候，程序内部会对不同的硬件设置不同的对应的I口和O口，就是对应的信号输入口与信号输出口。本系统中的传感器元器件都是使用的信号输入口，只有将对应的传感器连接在对应的信号输入口，PLC控制器才能够识别如读取传感器中的数据，例如将温度传感器连接在了湿度传感器的接口，PLC控制器就无法正确读取数据，导致整个系统出问题。但是按钮的信号输入口没有这种要求。信号输出口也要按照程序的设置进行连接，连接错误不会导致程序识别不出数据的情况，但是会导致系统调控出现问题，不能按照当前所需来开关对应的设备。因此，当PLC的程序编写出来后，绝对不能出现连接错误的情况。图3.14PLC控制器I/O分配表元器件描术I/O配置启动I0.0停止I0.1手动自动选择I0.2手动加热I0.3手动加湿器I0.4手动开窗I0.5手动关窗I0.6手动启动遮阳网I0.7手动收起遮阳网I1.0手动排风I1.1手动循环风机I1.2手动生物灯I1.3手动CO2补充I1.4手动滴灌I1.5手动施肥I1.6窗开到位I1.7窗关到位I2.0遮阳网开到位I2.1遮阳网关到位I2.2加热故障I2.3加湿故障I2.4窗电机故障I2.5遮阳电机故障I2.6排风风机故障I2.7循环风机故障I3.0图3.15PLC控制器模拟量输入I/O分配图元器件描述I/O配置温度传感器AIW0湿度传感器AIW2日照传感器AIW4CO2传感器AIW6土壤湿度传感器AIW8电导率AIW10图3.16PLC控制器输出I/O分配图元器件描述I/O配置加热Q0.0加湿器Q0.1开窗Q0.2关窗Q0.3启动遮阳网Q0.4收起遮阳网Q0.5启动排风风机Q0.6循环风机启动Q0.7启动阳光型生物灯Q1.0启动CO2补充电磁阀Q1.1启动滴灌Q1.2启动施肥Q1.3自动运行Q1.4故障指示灯Q1.5温度高报警指示灯Q1.6温度低报警指示灯Q1.7湿度高报警指示灯Q2.0元器件描述I/O配置湿度低报警指示灯Q2.1日照高报警指示灯Q2.2日照低报警指示灯Q2.3CO2高报警指示灯Q2.4CO2低报警指示灯Q2.5土壤湿度高报警Q2.6土壤湿度低报警Q2.7电导率高报警Q3.0电导率低报警Q3.1

第四章温室大棚智能控制系统软件设计4.1编程语言简介西门子S7-200PLC的梯形图是用MircoWin/Step7软件进行程序编写的，PLC编程所用的最多的语言是梯形图，因此梯形图也被称作为PLC的第一编程语言。而PLC的编程语言之所以叫做梯形图，是因为其程序是一行一行的，一行沿着一行接下去的，形状像梯子一样，所以被称为梯形图。而PLC梯形图程序的编写和C语言之类的程序编写不一样，PLC的程序相对C语言来说是图像化的，其编写时是按照从上到下，从左到右的顺序进行编写的。左边的是驱动元件即信号输入，右边的是执行部分，即信号接收。在历史的发展中，PLC程序编辑器对梯形图的编程，依旧保留使用的继电器控制电路的样式,而梯形图语言是在经典的继电器和接触器逻辑控制系统基础上简化了符号发展出来的,有形象、直观、实用等优点,从事于电气科研的人员与技术人员相对来说比较容易接受,所以梯形图是目前使用上最多的一个PLC的编程语言。在PLC程序图中,左、右母线连接方式类似于传统继电器和接触器的控制供电线路,图4.1梯形图4.3系统流程图4.2流程图当系统开机开始运行时，会首先检测PLC控制器内部当前是否时初始化的情况，如果是初始化没有设定数据的情况，控制器会提示让先进行数据的设置，数据的设置包括各种环境参数的测量范围以及各参数的设定值与控制调节时的偏差值。如果系统不是初始化的情况，系统将进入到下一步，读取当前传感器传输来的模拟量，与PLC内设定的数值进行比较，比较过后，系统会对当前的操作模式进行检测，如果是手动模式，系统不会自动进行下一步调控，如果系统监测目前为自动模式，则会自动启动对应的各部分执行元器件来调节大棚内部的环境情况。在启动执行元器件的时候，系统会监测执行元器件是否故故障，如果执行元器件出现故障，系统会停止硬件的运行，并且进行报警。硬件执行系统如果没有故障正常运行，系统会根据传感器在调节环境的时候传来的数据选择继续运行执行元器件来使大棚达到所设定的环境条件还是目前已经达到所示条件而停止运行执行元器件。4.4PLC梯形图设计本系统PLC梯形图因为比较复杂且繁琐，经过分析，选择分为模块化编写，一个执行元器件一个模块。这样技能方便进行编写，同时也能清楚的知道此部分的程序是用来驱动什么元器件的，在系统运行时某个部分出问题时能够快速的找到对应的程序部分，方便及时改写与优化程序。4.4.1参数模块图4.3参数梯形图图4.4读取梯形图图4.5范围梯形图第一个模块的程序是用来读取事先在PLC内设定的环境参数，而这个事先设定的参数是根据当前温室大棚内种植的农作物来决定的，或者大棚内将要种植的农作物来决定的，本文以种植大豆为例，大豆在成长后对温度的需求是在11度左右，，因此本系统设的温度参数为11度，其控制范围参数范围为11℃～16℃。大豆生长时土壤的水分要保持在55%左右，所以湿度参数设置为55%，其控制参数范围为55%～60%，随后此部分模块会监测系统此时是否为初始化的状态。然后进行读取传感器的模拟量数据，随后将读取的模拟量如设定量进行对比，并在设定的控制范围内进行对比。4.4.2温度模块图4.6温度模块梯形图此模块负责温室大棚内部的温度加热部分。系统根据传感器传来的数据与设定的数据进行对比后，来决定是否启动大棚的加热系统，当监测到的温度低于11℃时，系统会打开加热器来加热大棚将大棚内部的温度升高，当大棚内部的温度重新处于11℃～16℃时，系统将会停止加热器的使用，加热器可以手动进行控制，当手动控制时，系统会断掉对加热器的控制，使手动控制优先于自动控制，当温度处于11℃～13℃时且此时大棚湿度过高，系统会低功率运行加热器就行辅助除湿，在辅助除湿的时候系统会同时低功率运行风机，防止因为辅助除湿导致温度过高。当大棚内部温度高于13℃时，加热器不会进行辅助除湿。4.4.3加湿模块图4.7加湿模块梯形图此模块负责大棚内部的湿度加湿部分。系统会根据湿度传感器与系统的数据对比后来决定启用此部分，当大棚内部的湿度低于55%时，系统会启动此部分，来为大棚加湿，当湿度处于55%～60%时，此模块会被停用，加湿模块在大棚湿度处于55%～58%时且大棚内部的温度超过16℃时，会进行辅助降温，此模块将会被重新启用，当大棚温度达到16℃时此模块会停止运行。4.4.4风机模块图4.8风机模块梯形图此模块为本系统的风机模块，负责大棚内的许多功能，例如通风、降低大棚内部温度与降低二氧化碳浓度的功能，当大棚内部的温度高于16℃时此部分就会运行，用来降低大棚内部的温度，但是此部分在大棚内部湿度低于55%时大鹏温度过高也不会开启，而是先开启大棚内部的加湿系统来增加大棚内部的湿度，当湿度达标后才会运行，当大棚内部湿度降低到16℃时，此模块会停止，其负责降低大棚内部湿度的时候，当监测到大棚内部湿度高于60%且温度不低于11℃时，系统会打开此模块，当大棚内部温度低于11℃时，此模块不会开启，系统会先开启大棚的加热模块进行加热同时做到辅助除湿的作用，当温度超过11℃时，此模块会开启，当大棚内部湿度低于60%时，此模块就会停止运行，此部分同样具有手动控制与自动控制的功能。当选择手动控制此部分时，可以根据大棚当前情况来给大棚进行通风。4.4.5补光模块图4.9补光模块梯形图此模块负责本系统的补光模块，用来调节大棚内部光照强度太低的情况，当传感器的数据低于PLC设定的光照强度参数时，此模块将会启动来增加大棚内部的光照强度，当大棚内部的光照处于正常值的范围时，此模块将会停止，此模块同样具有手动控制模式，手动控制模式主要是当人工需要增强光照时启动，正常很少使用。

第五章基于PLC温室大棚智能控制系统的安装与调试5.1硬件系统调试对现场的硬件设备进行连接后，通过手动的控制来检测每个硬件设备能否正确且正常的运行，在检测过程中，手动开关执行元器件，每个元器件都能够正常的发挥其作用，随后通过PLC智能控制来尝试启停执行元器件，经检测，PLC控制器可以正常启停执行元器件，之后对各个传感器元件进行测试，温室大棚内部想完成精准调节，传感器是非常重要的，首先将传感器连接到PLC上进行数据测量，随后人工干涉环境，查看PLC上传感器传来的数据有没有改变，再用任用测量仪器测量环境，测量出来的数值与PLC中传感器传来的数据对比，来分析传感器传来的数据是否精确。经过测量，各硬件运行全都正常，通过现场的实验，硬件系统可以对大棚内的环境进行一个快速的调整。5.2软件系统调试系统的软件程序是用MircoWin/Step7软件进行程序编写的，其编写的梯形图可以在MircoWin/Step7软件线性模拟跑一便看看有没有问题，经过MircoWin/Step7软件的测试，系统的梯形图没有问题，然后将梯形图上传到PLC中，进行现场的自动化测试，经过一系列的实验，软件系统可以快速反应，实现自动化控制大棚内部的环境状态，并且其手动控制的程序也能够正常使用，其手动控制时会断掉自动控制的线路，因此手动控制不会影响自动控制，自动控制也不会影响手动控制。5.3智能温室大棚整体调试温室大棚整体的调试采用组态软件进行监控，系统各种状态通过组态指示灯来分辨系统目前处于什么状态中。经过调试，现场的硬件设备都能够正常运行，并且现场自动与手动的控制互不影响，通过网线的连接可以实现短距离远程控制，图表SEQ图表\*ARABIC图表SEQ图表\*ARABIC19监测画面图5.1监测画面由于现场环境比较稳定，不清楚整体系统会不会出错，因此实验中采用人工干预环境的方式来突然改变环境状态，PLC控制器在突然接到环境变化的时