基于PLC的温室大棚控制系统设计样本.doc

山东科技大学泰山科技学院本科毕业设计论文题目：基于PLC的温室大棚控制系统设计系部名称：机电工程系班级名称：电气工程及其自动化学生姓名：学 号：指导老师： 完成日期：2016年6月6日摘要温室大棚是用来栽培农作物设施，它能变化农作物生长环境，使其可以外界四季变化和恶劣气候，为农作物生长创造适当条件。温室大棚作为高效农业重要构成某些，已经成为咱们研究方向。如何运用科学技术控制温室内各种环境因子，已成为国内温室大棚行业研究重要课题之一。本论文重要简介了基于PLC控制温室大棚系统设计方案，该研究中将采用温度传感器、CO浓度传感器、光照传感器对温室大棚中各项指标进行检测，将测量值送入PLC中，在PLC中将其与设定值进行比较，再发出相应指令驱动外围设备来调控温室大棚内环境参数，从而实现了温室大棚自动化、智能化控制。在此基本上，实现监测、数据记录、数据输出显示等功能，实现了控制系统优良人机界面，为温室大棚研究提供新方向。核心词：温室大棚；可编程控制器（PLC）；传感器；控制；ABSTRACTGreenhouses are used for growing plants in a range of facilities，it can change the crop growing environment，enabling it to the outside of four seasons and harsh climate，creating suitable conditions for crop growth. Greenhouses as important component of agriculture，has become our research directions. How to use science and technology to control environmental factors within the greenhouse，greenhouse industry has become an important subject of study.Described in this paper，based on Siemens S7-200 series PLC control system design of greenhouseThe research will be used temperature sensor，andCO2 concentration sensor，and light sensor on greenhouse big shed in the the index for detection，will measurement value into PLC in the，in PLC will be its and set value for compared，again issued corresponding of instruction drive peripheral equipment to Regulation greenhouse big shed within of environment parameter，to achieved has greenhouse big shed of automation，and intelligent of control. On this basis，using configuration software configuration design of control systems，monitoring，data logging，data output function，achieving excellent control system human-machine interface，for greenhouse research to provide new direction.Keywords：greenhouse；programmable logic controllers(PLC)；sensor；control;application.目录摘要.ABSTRACT.目录.1 绪论.11.1课题概述.1 1.1.1课题简介.1 1.1.2研究目及意义.11.2国内外研究现状.2 1.2.1国内研究现状.2 1.2.2国外研究现状.21.3研究内容.32 控制系统整体控制方案.42.1控制系统设计任务.42.2系统控制方案.43 控制系统硬件设计.73.1电气控制系统设计.73.1.1系统主电路设计.73.1.2控制系统各某些控制电路设计.73.2 PLC简介.123.2.1 PLC产生和系统构成.123.2.2 PLC工作原理.123.3 PLC控制系统设计基本原则及环节.143.3.1设计PLC控制系统基本原则.143.3.2 PLC控制系统设计环节.143.4 PLC硬件电路设计.17 3.4.1 PLC型号选取.17 3.4.2传感器选型.17 3.4.3模仿量输入模块EM235.19 3.4.4 PLC O/I地址分派表.21 3.4.5 PLC硬件接线图设计.234 控制系统软件设计.244.1 PLC程序设计办法.244.2编程软件STEP7-MICRO/WIN概述.244.3控制系统程序设计.25 4.3.1程序设计思路.25 4.3.2程序控制流程图.26 4.3.3控制程序设计及分析.29结论.36参照文献.37道谢.39附录1 外文资料翻译.40附录2 电气原理图.53附录3 软件程序.541 绪论1.1课题概述1.1.1课题简介温室大棚是用来栽培植物设施。温室是用来变化农作物生长环境 ,避免外界四季变化和恶劣气候对农作物不利影响，为农作物生长创造适当条件。温室环境指是农作物生长空间 ,它是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等诸多因素构成。温室控制重要是通过控制温室大棚内温度、湿度、通风与光照等自然因素，使得它可以在不适合农作物生长季节和恶劣环境下可以高效种植农作物。从而达到对农作物调节产期、增进农作物生长发育、提高产量目。当代化温室中具备控制温度、光照、气肥等条件设备，并采用电脑进行自动智能控制，以此创造农作物生长所需最佳环境条件。1.1.2研究目及意义当前农作物栽培设施中，按国标装配钢管塑料大棚和玻璃温室仅占全国大棚面积一少某些，大多数农村仍是采用自行搭建竹木棚。这种简朴竹木棚只能起到一定保温效果，主线谈不上对光照和二氧化碳合理充份运用，并且抗自然环境能力很差，面对突发气象灾害也无能为力。虽然那些为数不多装配式塑料大棚和玻璃温室，也都不同限度缺少配套专业调控设备和仪器，因此国内当代化农业特别是温室大棚领域自动智能化限度还非常低。中华人民共和国农业发展，必要走当代化发展这一条路。随着经济发展，当前化农业研究和应用技术越来越受到注重，特别是温室大棚，由于温室大棚已经成为了当代化高效农业一种重要构成某些。当代化农业最重要一环就是对环境中影响农作物生长因素做检测和控制，通过对温室环境监测数据分析，并结合农作物生长规律，对环境因素控制，是作为温室大棚自动化、智能化生产管理基本保证，从而能使农作物达到优质、高效栽培目。因此，当前咱们进行温室大棚PLC监控系统设计具备积极现实意义。本课题通过对可编程控制器PLC、传感器学习和研究，完毕了运用西门子PLC与电脑终端构成温室大棚群监控系统。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状国内温室大棚技术起步较晚，政府发展以塑料大棚、日光温室为主农业栽培设施，增进了农村经济发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。运用太阳光热资源，节约不可再生能源，减少环境污染是国内温室大棚一大特色。虽然国内温室规模有限，还没有形成规模经济，此外构建设施费用也比较高，但从长期发展来看，温室监控系统分布式和网络化将是国内当代农业发展必然趋势。当代温室大棚中惯用能自动控制调控机构有：通风窗、遮阳帘、通风机、热风机、冷风机、人工加热灯、二氧化碳增肥器、喷雾系统及蒸熏设备。控制器综合调节各个机构，使系统在节约能源同步保证室内气候满足植物生长需要。使用控制器也有诸多选取，如单片机、工控机、PLC、通用PC机等。1.2.2国外研究现状西方发达国家在当代农业领域起步比较早。1949年，美国借助于工程技术发展，建成了第一种人工气候室。随着计算机技术迅速发展，温室大棚作为当代化农业设施重要构成某些，其自动控制技术和管理技术得到不断地提高，在世界各地都得到了不错发展。当前，国外温室大棚内部设施已经发展到了比较完备限度，并形成了一定技术原则。温室内被控环境因子由计算机控制，传感器也较为齐全，如温室大棚内温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等等，由传感器检测基本上可以实现对各个执行机构控制。计算机对于这些系统控制已经不是简朴、独立、静态直接数字控制，而是基于PLC智能控制系统，某些国家在实现自动化基本上向着完全自动化、无人化方向发展。1.3研究内容可编程控制器是集计算机技术、自动控制技术和通讯技术为一体新型自动控制装置，PLC优越性能，已被广泛应用于工业控制各个领域，并已成为工业自动化领域三大支柱之一。PLC应用已经成为了世界潮流，在后来PLC技术将会在国内到更全面应用。本文研究是PLC技术在温室大棚技术上应用。从整体上分析研究了温室大棚控制系统电路设计、硬件设计、软件设计和人机界面等。本次研究内容为温室大棚PLC控制系统。温室大棚作用是变化植物生长环境，从而避免因四季变化和突发恶劣天气对植物生长发育不良影响，为植物生长提供一种良好生长环境。在农作物生长环境中，温室大棚中温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境参数对农作物生长起着非常重要作用。本次研究以可编程控制器PLC为核心，通过传感器检测温室中环境参数，经变送为4-20mA电流信号后送入S7-200模仿量输入模块EM235，经分析解决，输出开关量，通过驱动电路控制通电扇、冷暖风机、遮阳帘、二氧化碳发生器等各种执行机构，进而实现对温室大棚智能化控制，从而实现良好人机界面。2 控制系统整体控制方案2.1 控制系统设计任务本控制系统重要针对被控对象是温度、光照、二氧化碳浓度，通过对这些因素检测，然后与设定值进行比较，然后进行调节。温度调节重要靠通电扇、风机、和加热器进行调节；光照重要通过遮阳帘进行控制；二氧化碳浓度重要通过二氧化碳发生器来进行调节。本次设计温室大棚就是通过温度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器来检测温室大棚中温度、光照强度、二氧化碳浓度等信息，然后通过PLC控制系统控制温室大棚通电扇、冷/热风机、遮阳帘、加热器、二氧化碳发生器等硬件设施，对温室大棚中环境因子进行调控，以使温室大棚里环境为最适当农作物生长环境。2.2 系统控制方案在温室大棚中，需要一套完善温室控制系统来控制上述任务。本控制系统以PLC为控制核心，采用传感器对温室大棚中各项环境因子进行检测，然后将测量成果送入PLC中，通过PLC解决，然后对执行设备发出指令，通过执行设备对温室中各项环境因子进行调控。考虑到实际生产中稳定性与安全性，本控制系统设有自动、手动两个模式，自动方式是周期性按照PLC进行控制，手动模式是当遇到紧急突发状况时，改为手动操作，进而去控制执行设备运营。通过传感器检测到数据和设定数值进行比较，然后通过软件程序去执行有关命令，本设计长处是成本低廉，节约资源，能实现利益最大化。该温室大棚控制系统总体框图如下图2.1所示：图2.1 控制系统总体框图该温室大棚控制系统由PLC系统，传感器系统，外部执行系统等几某些构成，以PLC控制系统为核心，通过传感器系统收集数据，通过PLC模仿量输入模块EM235输入到PLC，通过与设定值比较，输出开关量进而对执行设备进行控制。本系统为一种温室大棚控制系统，后来还可以以大棚群为单位，通过上位机进行统一控制。详细来说就是按下启动按钮，系统启动后，接受由温度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器检测到信号，然后通过PLC内部解决，由输出模块输出控制信号，以控制外围执行器件。如果温度过高，就会驱动冷风机、通电扇来减少温室内温度；如果温度过低，就会驱动热风机、加热器、通电扇来调节室内温度；光照则由遮阳帘和发光器来进行调节；二氧化碳浓度则由二氧化碳添加器来添加。3 控制系统硬件设计PLC控制系统设计重要由硬件设计和软件设计两某些构成。本章重要从硬件角度简介了温室大棚控制系统硬件设计方案，重要从电气控制系统设计、PLC外部接线图及外部硬件配备方面进行设计。3.1电气控制系统设计3.1.1系统主电路设计温室大棚控制系统主电路如下图3.1所示。其中通电扇和遮阳帘主工作电路相似，都需要电机启动、停止以及正反转来完毕工作，不同点是通电扇和遮阳帘电机功率不同，且遮阳帘电机带限位开关。其中冷/热风机、加热器、发光体、CO2发生器工作原理大体相似，都属于开关设备。图3.1 温室大棚控制系统主电路原理图从上图可以看出，QK为刀开关，其作用为控制整个主电路启停；FR1-FR5位热继电器，起过载保护作用；FU1-FU7为熔断器，对各支路起到短路保护和过载保护作用；KM1-KM9为接触器主触头，可以实现电机启停、正反转以及开关设备启停控制。3.1.2控制系统各某些控制电路设计通过系统主电路可以看出，温室大棚控制系统执行设备分为两大类：开关设备和非开关设备。开关设备涉及风机、加热器等等；非开关设备例如正反转电机，涉及通电扇、遮阳帘等，这些电机需要启停和正反转，需要限位开关。1.开关设备加热器、二氧化碳添加器、热风机、冷风机、发光体都属于开关设备，其控制电路比较相似，当前就以热风机为例，做如下分析：（1）热风机主电路风机运营可以通过一种继电器来控制，重要控制风机电机通断。风机工作运营必要有熔断器、热继电器来保护电路，重要功能有过电流保护、短路保护和过载保护。下图3.2为热电机主电路图：图3.2 热风机主电路图（2）热风机控制电路控制电路原理图如下图3.3所示，依照电路原理图可知：SB1为手动/自动切换开关。按下总启动开关SB2，接触器线圈KM10得电，KM10常开触点闭合，形成自锁。若是手动操作，将旋钮开关SB1打到手动档位，将SB6旋转到启动档位，接触器KM5得电，其常开触点闭合，热风机开始运营；将SB6旋转到停止档位，接触器KM5失电，其常闭触点断开，热风机停止运营。若是自动控制，将开关SB1旋转到自动档位，由PLC控制器控制，当接触器KM5得电时，其常开触点闭合，热风机运营。图3.3 热风机控制电路图2.正反转设备在执行设备里，通电扇和遮阳帘属于非开关设备，也就是正反转设备，她们控制电路很相似，当前以遮阳帘为例来分析一下主电路图和控制电路原理图。（1）遮阳帘主电路下图3.4为遮阳帘主电路图。由电路图可知，接触器KM3、KM4重要是控制遮阳帘电机正反转；熔断器FU2重要是在电路中起到过电流保护，应对短路；热继电器FR2作用重要是电机过载保护。图3.4 遮阳帘主电路图（2）遮阳帘控制电路遮阳帘控制电路原理图如下图3.5所示。由其电路原理图可以分析得：旋钮SB1为手动/自动选取开关，按钮SB2为总启动开关，按下SB2，交流接触器KM10得电，其常开触点闭合，形成自锁；若手动操作，将旋钮旋转到手动位置，SB4为开帘、闭帘切换开关，当SB4切换到开帘开关时，接触器KM3得电，其常开触点闭合，电动机正转，当其开帘限度达到最大限度时，遇到限位开关SQ1，其常闭触点断开，接触器KM3失电，电动机停止转动；当SB4切换到闭帘开关时，接触器KM4得电，其常开触点闭合，电动机反转，待关闭到最大限度时，限位开关SQ2常闭触点断开，KM4失电，电动机停止运营。SB3为紧急停止开关，当按下SB3时，接触器KM10失电，其常闭触点断开，电动机停止运营。若自动运营时，旋钮开关SB1旋转到自动位置，遮阳帘运营受到PLC控制，中间接触器KM3得电时，其常开触点闭合，电动机正转运营，遮阳帘打开；中间接触器KM4得电时，其常开触点闭合，电动机反转，遮阳帘闭合。图3.5 遮阳帘控制电路原理图3.2 PLC简介3.2.1 PLC产生和系统构成1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，开创了工业控制新时代。PLC随着计算机和微电子技术发展，由最初1位机发展到8位机，并随着微解决器CPU和微型计算机技术在PLC中应用，形成了当代意义上PLC。当前，PLC已经使用16位、32位高性能微解决器，并实现了多解决器多通道解决。当前，PLC已经非常成熟。1，46PLC实质上是一种工业控制计算机。PLC与计算机构成很类似，但是PLC比普通计算机具备更强与工业过程相连接借口，以及更好适应控制规定编程语言，从PLC硬件上看，它由CPU、存储器、输入输出借口、电源等构成。如下图3.6所示：图3.6 PLC控制系统示意图3.2.2 PLC工作原理PLC工作原理可用16个字来概括：循环扫描、顺序执行、集中输入、集中输出。PLC工作过程可用下图3.7来表达：电源ON内部解决输入解决通信服务更新时钟，特殊寄存器STOPCPU运营方式执行程序输出解决CPU强制为STOPY致命错误执行自诊断NYNPLC正常存储自诊断错误成果图3.7 PLC运营框图3.3PLC控制系统设计基本原则及环节理解了PLC指令系统和工作原理后，就可以将PLC用于工程项目中。PLC控制某些设计可以参照如下基本原则及环节。3.3.1设计PLC控制系统基本原则在PLC系统实际设计过程中，设计原则往往会涉及到诸多方面，其中最基本可以归纳为4点。1.最大限度满足规定要充分发挥PLC功能，最大限度满足被控对象设计规定，是设计原则中最重要一条原则。程序开发人员要到现场调研调查，要与现场人员和车间工作人员紧密结合，共同合伙，解决重要问题和疑难问题。2.保证系统安全可靠PLC控制系统基本原则之二就是保证PLC可以长期安全、可靠、稳定运营。3.维修以便、以便简朴使用与经济效益在满足设计规定前提下，要尽量考虑经济效益，要注意后来工程扩展，也要尽量使系统更简朴，要拥有合理布局，以以便后来检查与维修。4.适应后来改进需求恰当考虑PLC控制系统后来系统改进和技术完善，因此在PLC选型上，其I/O点数要留有25%左右裕量，以适应后来系统技术改进。3.3.2 PLC控制系统设计环节在设计PLC系统时，一方面要对PLC应用系统进行功能设计，依照系统所具备功能和现场工艺规定，明确系统所需功能和必要程序设计。然后进行PLC应用系统功能详细分析，从而得出PLC控制系统构造和形式，输入/输出信号种类及数量，控制系统规模和布局。PLC控制系统设计为如下环节和图3.8：评估控制任务PLC型号选取控制流程设计 程序设计控制柜设计及布线程序检查与调试PLC安装模仿运营修改软、硬件联机调试与否满足规定否是程序备份投入使用图3.8 PLC控制系统设计环节1.分析被控对象并提出控制规定、制定控制方案 详细分析被控对象工艺过程及工作特点，提出被控对象对PLC控制系统控制规定，拟定控制方案，拟定设计任务书。2.拟定IO设备 依照系统控制规定，拟定系统所需所有输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号批示灯及其他执行器等），从而拟定与PLC关于输入/输出设备，以拟定PLCI/O点数。3.选取PLCPLC选取涉及对PLC机型、容量、I/O模块数量、I/O模块余量、电源等选取。4.分派I/O点并设计PLC外围硬件线路分派I/O点：画出PLCI/O点与输入/输出设备连接图或相应关系表；PLC外围硬件线路：画出系统其他某些电气线路图，涉及主电路和未进入PLC控制电路等；由PLCI/O连接图和PLC外围电气线路图构成系统电气原理图。5.程序设计（1）控制程序；（2）初始化程序；（3）检测、故障诊断和显示等程序；（4）保护和连锁程序。6.硬件实行设计控制柜和操作台等某些电器布置图及安装接线图；设计系统各某些之间电气互连图；依照施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。 7.整顿和编写技术文献技术文献涉及设计阐明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用阐明书等。3.4PLC硬件电路设计3.4.1PLC型号选取1.控制系统所需要I/O点数依照温室大棚控制系统控制规定，可以拟定所有输入设备和输出设备，从而可以拟定PLC关于输入输出设备，进而可以拟定PLCI/O点数，本控制系统所需PLCI/O点数为14个数字量输入，3个模仿量输入，10个数字量输出。2.选取PLC型号西门子PLCS7系列PLC涉及S7-200系列、S7-300系列、S7-400系列。其功能非常强大，按其功能又分为小型、中型、大型PLC。依照本系统控制规定，选取S7-200系列PLC。由以上分析得此系统所需I/O点数为14输入、10输出。依照PLC硬件设计规定，应留出约25%空余点数，以以便后来系统改造升级。CPU224I/O点数虽然也为14输入、10输出，但是不能留出I/O点数裕量，不以便后来升级改造，因此选取拥有I/O点数为24输入、16输出CPU226，以以便后来系统升级优化。CPU226相对功能强大，可以连接7个扩展模块，最大可扩展至248个数字量I/O点或35个模仿量I/O点，具备13K储存空间。3.4.2传感器选型1.温度传感器依照温室温度控制规定，本文温度传感器采用芬兰维萨拉公司型号为HMD40产品，该款传感器不但测量精度高，易于安装、响应速度快，对环境规定较低，还具可靠性好、良好长期稳定性、滞后小、不适当受灰尘、化学气体等环境因素影响等特点。其外观如下图3.9所示：图3.9 HMD40型温度传感器实物图该传感器重要性能指标如下：1温度检测范畴：-1060；测量精度：0.3%2工作电压：1028V DC；3输出信号：420mA。2.光照传感器 光控用于控制遮阳幕开关，使作物得到合理光照并实现如下目：免除作物超过光饱合点，提高光合伙用；实现对长日照作物、中日照作物和短日照作物光照控制。光照度传感器可以采用北京易盛泰和科技有限公司产品型号Poi88-c光照度传感器。该传感器用于实现对环境光照度测量，输出原则电压及电流信号，体积小，安装以便，线性度好，传播距离长，抗干扰能力强，量程可调。1.量程：O-200Klx、O-20Klx、0lx可选2.供电电压：24VDC12VDC3.输出信号：4-20mA，0-10V可选4.精度：2%3.二氧化碳浓度传感器二氧化碳控制实时监测C02含量，当C02含量低于设定值时打开C02储气罐或C02发生器以增施气肥。C02传感器选用弗加罗公司生产TGS4160二氧化碳传感器，该传感器为固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具备体积小、寿命长、选取性和稳定性好等特点外，同步还具备耐高湿低温特性，可广泛用于自动通风换气系统或是C02气体长期监测等应用场合。其外观如下图3.10所示：图3.10 TGS4160二氧化碳传感器实物图TGS4160传感器重要技术参数如下：1.测量范畴：300-50,000ppm2.对二氧化碳CO2浓度有高敏捷度3.CO2二氧化碳传感器TGS4160对湿度依赖性极低，长寿命4.使用温度：-10+503.4.3模仿量输入模块EM235 1.模仿量输入模块EM235简介传感器采集信息后，将信息转化成原则电压或电流信号，PLC硬件设计则需要模仿量输入模块，将电压或电流信号转化为数字量再输入PLC中进行解决。由于本控制系统需要3个模仿量输入，因此选取EM235模仿量输入模块。模仿量输入模块EM235可以直接将被测主回路交流电流转化成按线性比例输出4-20mA直流电流原则信号，持续输送到接受装置。该模块需要DC24V工作电源，具备4模仿量输入和1模仿量输出，运用DIP开关来设立输入信号量程。下表3.1阐明如何通过DIP开关设立EM235模块输入量程范畴。表3.1 EM235模仿量输入范畴和辨别率开关表单极性满量程输入辨别率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0-50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0-100mV25VONOFFOFFOFFONON0-500mV125VOFFONOFFOFFONON0-1V250VONOFFOFFOFFOFFON0-5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0-20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0-10V2.5mA如上表所示，通过开关SW1-SW6可以选取模仿量输入范畴。SW6决定模仿量输入单双极性，当SW6为ON时，模仿量输入为单极性，当SW6为OFF时，模仿量输入为双极性。SW4和SW5为增益开关，SW1、SW2和SW3为衰减开关。该标中，ON是闭合，OFF是断开，EM235只在电源接通时读取开关设立。温室大棚中传感器测量温度、光照度、二氧化碳浓度测量值均为单极性，因此选取0-20mA量程和0-5V量程。2.模仿量输入模块EM235使用阐明校准输入时，其环节如下;（1）切断模块电源，选取需要输入范畴。（2）接通CPU和模块电源，使其通电稳定15分钟。（3）用一种变送器、一种电压源或一种电流源，将零值信号加到一种输入端。（4）读取恰当输入通道在CPU中测量值。（5）调节偏置电位计，直到读数为零，或所需要数据数字值。（6）将一种满刻度值信号接到输入端子中一种，读出送到CPU值。（7）调节增益电位计，直到读数为3，或所需数字数据值。（8）必要时，重复偏置和增益校准过程。经上述环节调节后，若输入0-20mA模仿量信号，则相应数字量成果0-3或设定所需数字数据值。3.模仿量输入模块EM235接线阐明24V DC电源正极接入模块左下方L+端子，负极接入M端子。EM235模块上部端子排为标注A、B、C、D四路模仿量输入接口，可分别接入原则电压电流信号。为电压输入时，以A端为例，电压信号正极接入A+端，负极接入A-端，RA端悬空。为电流输入时，以B端为例，须将RB与B+短接，然后与电流信