电气自动化毕业设计---基于PLC的温室大棚控制

1、基于 PLC 的温室大棚 摘 要 讨论了在温室控制中引入 PLC 技术构成分布式控制系统的方法， 详 细介绍了系统的特点、组成、硬件设计、实时动态监控系统及通信问题。 分布式的控制结构，使各子系统相对独立，管理与控制功能分开，易于 实现群控化管理，提高了系统的可靠性，且易于扩展。系统成本低廉， 性能稳定，通用良好，符合中国国情，具有广泛的应用前景。 关键词：PLC；传感器；控制器；程序设计；温室大棚 1 The Green House Design for PLCThe Green House Design for PLC AbstractAbstract Automation is the

2、inevitable trend of development for the future, not only the work and life. The programmable controller is referred to as PLC, PLC reliability, environmental adaptability, versatile, easy to use, simple maintenance, PLC application is rapidly expanding. The early PLC, where the relay can be used. PL

3、C today can almost be said to those who need to control the system will need to PLC. The design is to write the PLC program by setting greenhouse control, reduce labor, increase production efficiency, automate! Key words:Key words: PLC; sensors; controllers; program design 2 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景

4、.4 1.2 课题研究的意义.4 1.3 温室环境的主要特点.4 1.4 课题的主要研究工作.5 1.5 PLC 的现状.5 第二章第二章 基于基于 PLCPLC 设计的整体方案设计的整体方案 2.1 硬件整体设计方案.6 2.2 软件整体设计方案.6 第三章第三章 系统设计系统设计 3.1 设计的总体目标.6 3.2 设计的控制原则.7 3.3 设计的控制方案.7 3.4 控制系统硬件组成.7 3.4、1 PLC 的选择.8 3.4、2 PLC 机型和容量的选择步骤与原则.8 3.5 传感器的选择.11 3.6 信息采集系统.12 3.7 执行机构.14 第四章第四章 软件部分软件部分 4.

5、1 梯形图 4.2 指令表 结论 参考文献 谢词 3 第一章 绪论 前言前言 智能温室系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术，它是在 普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感器技术等高科技手 段发展起来的。自上世纪 90 年代以来，我国农业工程技术人员在吸收发达国家科技 温室生产技术的基础上，对温室内温度、湿度、CO2 浓度等环境因子的控制技术的 研究，研发了我国自己的智能温室控制系统。 1.11.1 研究背景研究背景 “工厂化农业关键技术研究与示范现代大型温室标准化栽培技术体系研究与产 业化示范”被列为国家重点科技攻关内容并成功结题。为了推广温室技术，国家农

6、 委强调在每一个地区都要建立温室示范工程。因此，智能温室控制技术有巨大的市 场空间。 山东省处于中国的中部，占据重要的位置，是全国的蔬菜种植地，研究温室的智能 控制是很有意义的。 1.21.2 研究意义研究意义 近年来，农业作为国家优先发展产业正受到各级政府的高度重视，增加农民的收入 是我们国家当前的基本国策，农业现代化是我们追求的目标，基于计算机和自动化 技术的智能温室是农业现代化的一个标志。 智能温室控制系统将实现对农业生产的标准管理。 通过控制器实时监测温室内温度、 湿度，与普通简单温度湿度测量相比，更准确可靠。人们能够通过这些监测手段实 时准确地了解情况，完成相关设备的调节，避免了监测

7、误差和监测滞后带来的损失。 智能温室将自动化技术引进了农业生产，为农业科研活动提供了有利的科学手段。 通过参数设置及自动数据记录，为农艺工作者完成相关农艺科研，了解不同生产条 件对作物的生长、品质影响及生产方法的改进都提供了简便、准确的手段。 1.31.3 温室系统主要特点温室系统主要特点 非线性系统。温室内部的气候处于热平衡混沌状态。大量随机的、不确定的因素使 得对其精确建模比较困难。 分布参数系统。由于温室面积比较大，造成温室内部各个物理量的分布是不均匀的。 4 比如温度，温室内部各点温度都不一样，四周一般都比较低，顶部和底部的温度也 有一定的差别，其值的大小依赖于空间位置和气流方向等因素

8、，在温室中气候分布 是缓慢变化的。 时变系统。作物在生长周期的不同阶段，其光合作用能力、吸热散热能力等均有差 别。因而，温室系统是一个参数随着时间变化的动态系统。 时延系统。对与外界所施加的作用，温室系统并不立即响应，而是经过一段时间的 延迟才响应。比如，在温室加热系统中，对系统加热，热量传到温室的各个部分需 要经过很长一段时间的延迟，温度才会有所提高。 多变量耦合系统。温室系统是一个多输入多输出系统，系统各变量之间并不是相互 独立，各个子系统的控制回路彼此耦合在一起，对控制任一目标的控制都会影响其 他目标的变化。 1.4 1.4、1 1 研究内容和方法研究内容和方法 （1）根据影响植物生长的

9、因素，选择作物环境条件的实时检测系统和智能温室控制 系统两部分。自动检测系统包括：温度、湿度、CO2 浓度等传感器与变送器。智能 控制系统包括：通风机控制、喷灌控制、锅炉加热鼓风机的控制、CO2 释放器电磁 阀的控制等。 （2）根据检测和控制的对象，采用 PID 控制算法建立温室温度参数控制系统的数学 模型，使用 MATLAB 进行仿真测试。 （3）研制基于 PLC 的温室智能控制系统 （4）开发智能温室组态监控界面。 1.41.4、2 2 要解决的关键问题要解决的关键问题 （1）采用 PID 控制算法建立温室温度参数的数学模型 （2）室内温度、湿度、CO2 浓度等环境条件的自动检测和控制技术

10、。 （3）开发功能完善、成本低、可靠性高和扩展性好的温室自动系统的硬件和软件系 统，为温室生产普及创造条件 1.5 PLC1.5 PLC 的现状的现状 目前 PLC 数值模拟研究不仅在工作而且在生活中也有广泛应用， 本节将从工作 5 中运料中介绍。 PLC 以后会覆盖各个领域， 会让更多危险领域实现无人操作。 可编程控制器 PLC 对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制 器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的推广应用。可编程控制器是面向 用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 （1）可靠性高，抗干扰能力强（2）配套齐全，功能完善，适用性强 （3）

11、易学易用，深受工程技术人员欢迎 （4） 系统的设计、建造工作量小，维护 方便，容易改造（5） 体积小，重量轻，能耗低 第二章第二章 基于基于 PLCPLC 设计的整体法案设计的整体法案 2.12.1 硬件系统的组成硬件系统的组成 采用上位机计算机和下位机西门子 PLC 组成分布式智能温室控制系统的硬件部 分，即两级监控系统。上位机控制系统负责对温室进进行监控和参数的设定。下级 以 PLC 为核心的控制单元，负责温度参数的信息采集、系统逻辑运算并对调控设备 进行控制。 2.22.2 软件系统的编制软件系统的编制 系统的软件包括上位机监控软件和下位机系统软件。 上位机监控软件的编制采用 MCGS

12、组态软件。下位机系统则采用西门子的 Step7 编程软件来开发。系统软件不仅 可以完成上位机和下位机的通信和可以满足用户对温室环境数据的实时查询和监 测。尽可能满足操作简单、界面友好、通用性和适应性强的软件开发原则。 第三章第三章 系统设计系统设计 3.13.1 总体目标总体目标 温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器 等采集和观测的温室内的温室内外的温度、湿度、二氧化碳的浓度等环境参数信息， 通过控制设备对温室保温被、通风窗、喷滴灌等驱动、执行机构的控制，对温室环 境气候和灌溉施肥进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要，为作物生长发育 提供最适宜的生态环境，

13、以大幅度提高作物的产量和品质。总体结构示意图如下: 6 3.23.2 控制原则控制原则 （1）以时间为基准的变温管理：根据一天中时间的变化实行变温管理，根据作物的 生长需要将一天分成四个时间段，四个时间段中根据不同的控温要求对温室进行控 制。一天中四个时间段的分段方法用户可以灵活的更改，而且四个时间段中的温度 设定值用户也可以设定修改。 （2）以种植的作物为基准：可能每个阶段用户种植的作物不同，所需的环境参数也 不同，每个阶段的各个参数都可以依据作物所需的生长环境进行灵活的设定。 3.33.3 控制方案控制方案 本系统采用自动与手动互相切换控制两种方式来实现对温室的控制，提高设备运行 的可靠性

14、。在运行的时候可以通过按钮对这两种控制方式进行切换。 （1 1）手动控制模式）手动控制模式手动控制简单可靠，由继电器、接触器、按钮、限位开关等 电气元件组成。 （2 2） 自动控制模式自动控制模式通过传感器对环境因子进行监测， 并对其设定上限和下限值， 当检测到某一值超过设定值，便发出信号自动对驱动设备进行开启和关闭，从而使 温室环境因子控制在设定的范围内。可以大大节约劳动力，降低劳动者的劳动强度。 7 3.43.4 控制系统的硬件组成控制系统的硬件组成 用安装有组态软件的计算机作为上位机，进行环境各因子的长期监控，PLC 作为下 位机，当各个参数变化时对各个执行机构进行相应的控制。 3.43

15、.4、1 PLC1 PLC 的选择的选择 (1) PLC在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在生产、调试、应用、 服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳定、可靠性高。采用 PLC 成本虽 然比单片机高，但是考虑到稳定性、可维护性等综合因素，采用 PLC 比单片机具有 较高的性价比。 (2) PLC 的选择主要应从 PLC 的机型、容量、I/O 模块、电源模块、特殊功能模块、 通信联网能力等方面加以综合考虑 3.43.4、2 PLC2 PLC 机型和容量的选择步骤与原则机型和容量的选择步骤与原则 1.PLC1.PLC 机型的选择机型的选择 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要

16、求及保证可靠、维护方便的前提下，力争 最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： （一）合理的结构型式（一）合理的结构型式 PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式。 整体式 PLC 的每一个 IO 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小， 一般用于系统|来源|考试|大|一级建造师|工艺过程较为固定的小型控制系统中； 而 模块式 PLC 的功能扩展灵活方便，在 IO 点数、输入点数与输出点数的比例、 IO 模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。 （二）安装方式的选择（二）安装方式的选择 PLC 系统的安装方式分为集中式、远程 IO 式以及多台 PLC 联网的分布式

17、。 集中式不需要设置驱动远程 IO 硬件，系统反应快、成本低；远程 IO 式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程 IO 可以分散安装在现场装置 附近，连线短， 但需要增设驱动器和远程 IO 电源；多台PLC 联网的分布式适用于 多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型 PLC，但必须要附加 通讯模块。 （三）相应的功能步骤（三）相应的功能步骤 8 一般小型（低档）PLC 具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控 制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD 和 D A 转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档 PL

18、C. 对于控制较复杂，要求实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等功能，可视 控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档 PLC.但是中、高档 PLC 价格较贵，一般 用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。 （四）响应速度要求（四）响应速度要求 PLC 是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次 PLC 的响应速度一般都能满足其 应用范围内的需要。如果要跨范围使用 PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要 求时，则应该慎重考虑 PLC 的响应速度，可选用具有高速 IO 处理功能的 PLC，或 选用具有快速响应模块和中断输入模块的 PLC 等。 上位机（计算机） 下位机（PLC） 串行通信接口 卷

19、帘 机 限 位 卷 帘 机 鼓 风 机 通 风 机 抽 水 机 温 度 湿 度 卷 帘 机 鼓 风 机 通 风 机 抽 水 机 限位开关手动开关 输入模块A/D 模块 模拟变送电路 模拟传感器 输出模块 继电器模块 执行机构 9 （五）系统可靠性的要求（五）系统可靠性的要求 对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑 是否采用冗余系统或热备用系统。 2.PLC 容量的选择 PLC 的容量包括 IO 点数和用户存储容量两个方面。 （一）（一）I IO O 点数的选择点数的选择 PLC 平均的 IO 点的价格还比较高，因此应该合理选用 PLC 的 IO 点的数量，在 满

20、足控制要求的前提下力争使用的 IO 点最少，但必须留有一定的裕量。 通常 IO 点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的裕 量来确定。 （二）存储容量的选择（二）存储容量的选择 用户程序所需的存储容量大小不仅与 PLC 系统的功能有关，而且还与功能实现的方 法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能 时，其程序量可能相差 25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。 PLC 的 IO 点数的多少，在很大程序上反映了 PLC 系统的功能要求，因此可在 IO 点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加 20%30%的裕量。 存储

21、容量（字节）开关量 IO 点数8模拟量 IO 通道数32 另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。 I/O 点数的估计 设备说明数 量 总自动/手动切换开关1电源指示灯 通风机 设备说明数 量 1 1卷帘机自动 /手动切换开1 关 补气自动/手动切换开关1灌溉水泵 补气电磁阀 1 1通风机自动 /手动切换开1 关 10 补气自动/手动开关 喷灌泵自动/手动开关 备用 共计 3.53.5 传感器的选择传感器的选择 1卷帘机2 1 3 10 1鼓风机 4 14 备用 共计 （1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：要进行个具体的测量工作，首 先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分

22、析多方面的因素之后才能确定。因为， 即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更 为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量 程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号 的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受， 还是自行研制。 （2）根据灵敏度的选择传感器： 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵 敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号比较大，有利 于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易 混入，也会被放大系统放大，

23、影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的 信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测 量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择灵敏度小的传感器；如果被测量 是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 （3）根据频率响应特性选择传感器： 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率 传感器范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器总有 定响应延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围 就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可 测信号的频率较低。 11 （4） 根据线性关系范围选择传感器

24、： 传感器的线形关系是指输出与输入的比例关系。 以理论上讲，在线性关系范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其 量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以 后首先要看其量程是否满足要求。 （5）根据稳定性选择传感器：传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称 为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使 用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能 力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合 适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，

25、 在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。 （6）根据精度选择传感器：精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个 测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传 感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以 在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比 较便宜和简单的传感器。 如果测量目的 是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果 是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 综上所述,本系统选择的传感器如下： 温度：AD590湿度：AL2O3 C

26、O2：6004 光照：3DU33 3.63.6 信息采集系统信息采集系统 3.63.6、1 1 温度采集温度采集 （1）温度传感器 AD590 基本知识 AD590 产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的 工作电压为 4V30V，检测的温度范围为55150，它有非常好的线性输出 性能，温度每增加 1，其电流增加 1uA。 AD590 温度与电流的关系如下表所示： 摄氏温0 度 AD590 电流 12 102030405060100 273.2283.2293.2303.2313.2323.2333.2373 .2 （UA） 经 10k2.7322.8322.9323.0323.1323.232

27、3.3353.7 电 (v) （2 2）温度检测电路的设计）温度检测电路的设计 温度检测电路如图，其中运算放大器 A1 接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻 抗。运放 A2 的作用是把绝对温标转化为摄氏温标，给 A2 的同相输入端一个恒定的 电压，此电压放大到 2.732V。这样，A1 与 A2 输出端之间的电压即为转化成的摄氏 温标。 压32 3.63.6、2 2 湿度采集湿度采集 国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式元件较为多见。电容式湿度 传感器的动态范围大，动态响应快，几乎没有零漂，结构简单，适应性强。基于以 上原因， 本设计选 AL2O3 湿度传感器,本传感器属于电容型

28、的高分子材料制成的湿敏 元件。他具有线性度好、滞后性小以及能在较寒冷的环境中使用等优点，其主要的 特性参数为： 工作环境温度：-3080 度 相对湿度测量范围：0100RH 测量精度：4RH 湿度检测电路 如图，湿度检测电路由湿度传感器、振荡电路、整流电路、输出放大电路等组成。 13 振荡电路为 RC 桥式振荡电路，传感器特性的线性补偿由 R1,R2 完成，D1,D2,D3 用 于输入保护，A1,A2，为运算放大器，A2 电压跟随器。当环境湿度发生变化时，传 感器的电容也随着变化，这种变化反应到振荡电路提供的正弦信号，通过电压跟随 器输出电压值。 3.63.6、3CO23CO2 浓度的采集浓度

29、的采集 在二氧化碳浓度测量上采用响应速度快、测量精度高、技术成熟的红外二氧化碳气 体传感器 6004，并配合了一系列有效的补偿措施。为了增加系统的通用性、 灵活性， 本系统硬、软件都采用了模块化结构，根据应用场合不同而选用不同的配置。该系 统可广泛地应用于诸如温室大棚、蔬菜储藏以及其它农业生产和科研领域，并且由 于系统的灵活性和模块化，可以方便地满足其它场合的需要。 3.6.43.6.4 光照传感器系统设计光照传感器系统设计 根据温室内作物对光照强度的要求，光照传感器应该反应灵敏、精度高。本电路设 计选用光照传感器器件光敏三极管 3DU33 作为感光元器件。光照传感器是利用光电 子产生的电流来测量光照度的， 通过放大电路的放大后输出合适的电压或电流信号。 3.73.7 执行机构执行机构 （1 1）单相异步电动机）单相异步电动机 14 它有主绕组 A1-A2，副绕组 B1-B2+电容 C 组成。 分布特点：在空空间互差 90。 设流过主绕组的电流为 I，流过副绕组的电流为