大棚温度自动控制系统设计.doc

温室大棚温度 PLC 控制系统设计 摘 要 温室，是用来栽培植物的设施，它能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，为植物生长发明适宜的条件。随着科学技术的迅速发展，农业应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。如何运用科学技术有效地控制温室内的各种环境因数，以提高温室大棚环境的控制效果，已成为目前我国温室业研究的重点课题之一。这对我国温室产业的发展有着不可估量的重要意义。本文重要介绍了基于西门子公司 S7-200 系列的可编程控制器（PLC）和 MCGS 组态软件的温室大棚温度 PLC 控制系统设计方案。该研究中，将采用温度传感器、光照传感器、CO2 浓度传感器对温室中各项环境指标进行检测，并将测量值送入 PLC 中，由 PLC 将其与设定值进行比较，再发出相应的指令驱动执行设备来调节温室内的环境参数，从而实现温室的智能化、自动化控制。在此基础上，采用 MCGS 组态软件完毕了控制系统的组态设计，实现了动态演示、过程监测、数据记录、曲线显示等功能，从而实现了控制系统操作的人性化和过程的可视化，为温室大棚的发展提供了新的方向。关键词：温室，环境，控制，可编程控制器，组态 目 录 摘 要.错误错误!未定义书签。未定义书签。第一章 绪论.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.1 课题概述.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.2 国内外研究现状.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3 研究内容.错误错误!未定义书签。未定义书签。第二章 PLC 概述.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1 PLC 简介.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2 PLC 控制系统设计的基本原则及环节.错误错误!未定义书签。未定义书签。第三章 控制系统的总体设计方案.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1 系统的设计任务.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2 系统的控制方案.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3 系统的工作原理.错误错误!未定义书签。未定义书签。第四章 控制系统的硬件设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1 电气控制系统设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2 PLC 硬件电路的设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3 PLC 的硬件配置.错误错误!未定义书签。未定义书签。第五章 控制系统的软件设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.1 PLC 程序设计的方法.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.2 编程软件 STEP 7-Micro/WIN 概述.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.3 控制系统的程序设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.4 控制程序的仿真与调试.错误错误!未定义书签。未定义书签。第六章 组态画面的设计方案.错误错误!未定义书签。未定义书签。6.1 组态软件概述.错误错误!未定义书签。未定义书签。6.2 温室大棚控制系统的组态设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。结论.错误错误!未定义书签。未定义书签。致谢.错误错误!未定义书签。未定义书签。参考文献.错误错误!未定义书签。未定义书签。第一章 绪论 1.1 课题概述 1.1.1 课题简介 温室又称暖房，是用来栽培植物的设施。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，为植物生长发明适宜的条件。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。温室控制重要是通过控制温室内的温度、湿度、通风与光照，使得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，从而达成对农作物调节产期、促进生长发育、防治病虫害及提高产量的目的。现代化温室中具有控制温湿度、光照等条件的设备，并采用电脑进行自动控制，以此发明植物生长所需的最佳环境条件。1.1.2 研究目的及意义 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长。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朴低廉的竹木大小棚，只能起到一定的保温作用，主线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少配套的调控设备和仪器，仅仅依靠经验和单因子定性调控，所以，我国设施栽培的智能化限度非常低。除此之外，我国设施农业目前还存在着诸如土地运用率低、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。中国农业想要发展，就必须走现代化农业这条道路。随着国民经济的迅速发展，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。在实际的农业种植中，温室环境与生物的生长、发育、能量互换等有着密切的关系。作为实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，环境测控可通过对监测数据的分析，并结合作物生长发育规律，从而控制环境条件，使作物达成优质、高产、高效的栽培目的。事实上生产生活中，以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。目前，虽然国外的温室设施己经发展到比较完备的限度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺少与我国气候特点相适应的测控软件。而当今国内大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易导致不可填补的损失，结果不仅大大增长了成本，浪费了人力资源，并且很难达成预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有助于蔬菜、水果生长的环境。现阶段随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能规定也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化限度规定也越来越高。随着社会的进步和科学的发展，我国设施农业将向着地区化、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。所以，进行温室大棚温度 PLC 控制系统的研究设计具有重要的现实意义。本课题通过对 PLC 可编程控制器、组态软件、传感器、数据采集系统的学习与研究，完毕了运用西门子 PLC 与 PC 机构组成温室大棚温度监控系统。1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状 我国现代温室技术起步较晚，80 年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。其中能充足运用太阳光热资源、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实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。随后，以单层薄膜或双层冲气薄膜、PC 板、玻璃为覆盖材料的大型现代化连栋温室，以其土地运用率高、环境控制自动化限度高和便于机械化操作等优点，自 1995 年以来，便呈现出迅猛的发展之势，目前全国共有大型温室面积 200 公顷，其中自日本、荷兰、以色列、美国等国家引进的温室面积达 140 公顷。最初，我国的现代温室技术重要从国外引进，然而近几年从国外引进的温室大部分经营亏损，目前已处在停产状态或仅仅运用其玻璃的外壳。随着温室面积的不断增长，温室建造的国产化问题越来越引起人们的重视。目前，现代化大型温室的骨架和覆盖材料国产化已经基本不成问题，但其内部的配套设施和计算机管理系统等现代化管理方法与先进国家相比尚有较大的差距，是此后要着力解决的问题。在温室环境自动监控中，各环境参数分别由各自的闭环系统控制，但由于这些受控参数经常互相影响，如光照增长，室温相应增长，温度的升高，又导致温室相对湿度减少，同时各系统间并不完全独立，回路间互相耦合时也许导致系统不稳而失控，这里可采用模糊控制方法，可较好地解决环境参数之间的互相影响。此外，以前在监控系统的研制开发中，重要针对环境，而很少考虑农业生产过程中的生物因素，没有农业专家的合作参与，很难对系统对的定位，其适应性也差。所以，将农业学科与工程学科结合起来，对果蔬生长的环境参数进行优化设计，对于开发经济有效的温室监控软件系统是非常重要的。近年来我国的温室控制取得了长足的进步，一方面在温室群控制方面，进行了初步的探索和理论研究，另一方面在温室控制中引入了人工智能和先进的控制算法，如专家系统、遗传算法、模糊控制等理论和控制策略。当前温室控制系统研究热点己由简朴的 DDC(直接数字控制)发展到分布式控制系统，如 DCS(分布式控制)、FCS(柔性控制)等网络化的控制系统。目前，在相关行业己经有网络化测量和控制方面的研究，实现网络化、分布式数据采集系统取代传统孤立的、信息闭塞的系统，甚至跨越以太网或 Internet 进行数据采集，实行远程控制。虽然国内温室规模有限，还没有形成规模经济，此外构建的费用也较高，但从长远来看，温室监控系统分布式和网络化将是一种必然的趋势。现代温室中常见的能自动控制的调控机构有：顶部通风窗、侧面通风窗、外遮阳帘幕、内遮阳帘幕、轴流通风机、降温湿帘、人工补光灯、二氧化碳施肥器、加热设备、喷雾系统及熏蒸设备。控制器综合调节各个机构，使系统在运营中节约能源的同时保证室内气候满足植物生长需求。使用的控制器可以有很多选择，如单片机、工控机、PLC、通用 PC 机等。1.2.2 1.2.2 国外研究现状国外研究现状 西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。1949 年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。20 世纪 60 年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利一方面建成了番茄生产工厂，70 年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。特别是二十世纪 70 年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。80 年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制规定的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化、智能化阶段。目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的限度，并形成了一定的标准。温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定期喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及合用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的控制己经不是简朴的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。1.3 研究内容 可编程控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。PLC 的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来 PLC 技术在我国将得到更全面的推广和应用。本论文研究的是 PLC 技术在温室控制系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的电路设计、硬件设计、软件设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。本次研究内容为温室大棚温度 PLC 控制系统设计。温室大棚的作用是改变植物的生长因子，从而避免四季的气候变化和恶劣气候对植物生长的不良影响，为植物提供一个良好的生长环境。在植物的生长过程中，温室中的温度，光照，湿度，CO2 浓度，土壤酸碱度等环境参数对植物的生长起着重要作用。本次研究采用可编程控制器PLC 作为控制核心。通过传感器检测温室中的环境参数，经变送转换为标准电流信号（420mA）后送入 S7-200 的模拟量输入模块 EM235，PLC 通过度析解决，输出开关量，通过驱动电路控制通风扇、遮阳帘、风机等多种执行机构。第二章 PLC 概述 2.1 PLC 简介 2.1.1 PLC2.1.1 PLC 的产生和应用的产生和应用 1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上初次使用并获得成功。1971 年日本从美国引进这项技术，不久研制出第一台可编程序控制器 DSC-18。1973 年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从 1974 年开始研制，1977 年开始工业推广应用。进入 20 世纪 70年代，随着电子技术的发展，特别是 PLC 采用通讯微解决器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。进入 20 世纪 80 年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以 16 位和少数 32 位微解决器构成的微机化 PLC，使 PLC 的功能更加强大工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运送、环保及文化娱乐等各个行业。2.1.2 PLC2.1.2 PLC 的组成和工作原理的组成和工作原理 一、PLC 的组成 PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本上相同。整体式 PLC 一般由 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存和电源等组成。模块式 PLC 一般由 CPU 模块、I/O 模块、内存模块、电源模块、底板或机架等组成。无论哪种结构类型的 PLC，都属于总线式的开放结构，其 I/O 能力可根据用户需要进行扩展与组合。1、CPU CPU 是 PLC 的核心，重要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线及控制总线构成，此外 CPU 单元还涉及外围芯片、总线接口及有关电路。它按 PLC 的系统程序赋予的功能接受并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU 重要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元,在很大限度上决定了 PLC 的整体性能。CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，I/O 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2、I/O 模块 输入模块和输出模块通常称为 I/O 模块或 I/O 单元。PLC 的对外功能重要是通过各种 I/O 接口模块与外界联系来实现的。输入模块和输出模块是 PLC 与现场 I/O 装置或设备之间的连接部件，起着 PLC 与外部设备之间传递信息的作用。I/O 模块集成了PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（Digital Input，DI），开关量输出（Digital Output，DO），模拟量输入（Analog Input，AI），模拟量输出（Analog Output，AO）等模块。开关量模块按电压水平分有 220VAC、110VAC、24VDC 等规格；按隔离方式分有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出等类型。模拟量模块按信号类型分有电流型（4-20mA、0-20mA）、电压型（0-10V、0-5V、-10-10V）等规格；按精度分有 12 位，14 位，16 位等规格。3、存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，涉及管理程序、监控程序以及对用户程序做编译解决的解释编译程序。由只读存储器、ROM 组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为 35 年。4、编程器 编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才干送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不仅可以连机编程，并且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。4、电源 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC 或 110VAC），直流电源（常用的为 24VDC）。图 2-1 PLC 基本结构图 二、可编程控制器的工作原理 PLC 的工作方式是循环扫描的方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC 就是这样周而复始地反复上述循环扫描的。PLC 工作的全过程可用图 2-2 所示的运营框图来表达。图 2-2 可编程控制器运营框图 2.1.3 PLC2.1.3 PLC 的分类及特点的分类及特点 PLC 分类方法有多种，按规模（即 I/O 点数）可分为大、中、小型，按结构可分为整体式和组合式。在实际应用中通常都按 I/O 点数来分类。I/O 点数表白 PLC 的 I/O端子数。一般来说，点数多的 PLC 功能较强。一、小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 点数一般在 256 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行涉及逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据解决和传送通讯联网以及各种应用指令。二、中型 PLC 中型 PLC 采用模块化结构，其 I/O 点数一般在 2561024 点之间，I/O 的解决方式除了采用一般 PLC 通用的扫描解决方式外，还能采用直接解决方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。三、大型 PLC 一般 I/O 点数在 1024 点以上的称为大型 PLC，大型 PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化。2.2 PLC 控制系统设计的基本原则及环节 理解 PLC 的基本工作原理和指令系统后，就可以把 PLC 应用到实际的工程项目中。无论是用 PLC 组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC 控制部分的设计都可以参考如下所述的基本原则及环节。2.2.1 PLC2.2.1 PLC 控制系统设计的基本原则控制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺规定，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为 4 点。一、最大限度地满足控制规定 充足发挥 PLC 功能，最大限度地满足被控对象的控制规定，是设计中最重要的一条原则。设计人员要进一步现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。二、保证系统的安全可靠 保证 PLC 控制系统可以长期安全、可靠、稳定运营，是设计控制系统的重要原则。三、力求简朴、经济、使用与维修方便 在满足控制规定的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地减少工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。四、适应发展的需要 适当考虑到此后控制系统发展和完善的需要，在选择 PLC 的型号、IO 点数和存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。2.2.2 PLC2.2.2 PLC 控制系统设计的环节控制系统设计的环节 设计 PLC 应用系统时，一方面是进行 PLC 应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺规定，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行 PLC应用系统的功能分析，即通过度析系统功能，提出 PLC 控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。最后根据系统分析的结果，具体拟定 PLC 的机型和系统的具体配置。PLC 控制系统设计可以按以下环节进行：一、分析被控对象并提出控制规定、制定控制方案 具体分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对 PLC 控制系统的控制规定，拟定控制方案，拟定设计任务书。二、拟定 IO 设备 根据系统的控制规定，拟定系统所需的所有输入设备（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、信号指示灯及其它执行器等），从而拟定与 PLC 有关的输入/输出设备，以拟定 PLC 的 I/O 点数。三、选择 PLC PLC 选择涉及对 PLC 的机型、容量、I/O 模块、电源等的选择。四、分派 I/O 点并设计 PLC 外围硬件线路 1、分派 I/O 点：画出 PLC 的 I/O 点与输入/输出设备的连接图或相应关系表。2、PLC 外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，涉及主电路和未进入PLC 的控制电路等。由 PLC 的 I/O 连接图和 PLC 外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经拟定。五、程序设计 1、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。2、模拟调试：根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。六、硬件实行 1、设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；2、设计系统各部分之间的电气互连图；3、根据施工图纸进行现场接线，并进行具体检查。七、联机调试 联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从 PLC 只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合规定，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。所有调试完毕后，交付试运营。通过一段时间运营，假如工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM 中，以防程序丢失。八、整理和编写技术文献 技术文献涉及设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC 程序以及使用说明书等。图 2-3 PLC 控制系统设计环节 第三章 控制系统的总体设计方案 3.1 系统的设计任务 温室大棚的作用是调节植物生长的环境因素，从而避免四季的气候变化和恶劣气候对植物生长的不良影响，为植物提供一个良好的生长环境，促进植物的生长发育，防止病虫害，以达成增长产量的目的。温室中的温度、光照、湿度、CO2浓度、土壤酸碱度等因素对植物的生长起着重要作用。本设计的重要控制对象为温室中的温度、光照和二氧化碳浓度，应用温度传感器、光照度传感器和二氧化碳浓度传感器对各环境因子进行检测。温度的调节重要通过通风窗、加热器的动作来进行解决，光照度重要通过发光体和遮阳帘来调节，CO2浓度重要通过 CO2添加器进行补偿。本温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器、光照传感器、CO2传感器等采集或观测的温室内的温度、光照强度、CO2浓度等环境参数信息，通过控制设备对温室通风窗、加热器、发光体、遮阳帘、CO2添加器等执行机构的控制，对温室环境环境因素进行调节控制以达成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，以大幅度提高作物的产量和品质。3.2 系统的控制方案 在温室大棚中，上述控制任务的实现需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。该温室大棚控制系统以 PLC 为控制中心，采用传感器对温室温度、光照、二氧化碳浓度等环境因素进行测量，并将结果送到 PLC 中。由 PLC 对结果进行解决，然后调控各设备对环境因子进行补尝。考虑到实际生产生活中的安全性与可靠性，本控制系统设有手动、自动两种工作模式，自动方式是指周期性地进行 PLC 控制的方式；而手动方式则是指在出现应急情况等一些突发事件时，通过手动操作控制执行器件的工作。自动工作中，假如被检测量温度高于设定值，PLC 就会发出相应的指令控制启动通风窗和冷风机；假如测量值与设定值相等，则关闭通风窗和冷风机；假如测量值低于设定值，则打开加热器和热风机对温室进行加温。当温室的光照低于设定值时，系统打开遮阳帘或启动发光体；当温室的光照高于设定值时，系统关闭遮阳帘或发光体。当温室的二氧化碳浓度低于设定值，系统启动二氧化碳添加器。通过温度，光照和二氧化碳浓度的设定与调节达成适应不同植物生长的需求，从而广泛应用到实际中。本设计的特点是成本低廉，节约资源，提高产量，实现经济价值最大化。该温室控制系统的总体框图如下所示。图 3-1 系统总体框图 3.3 系统的工作原理 该温室大棚控制系统由 PLC 系统、传感器系统、执行部件等几个部分组成。该温室控制系统以 PLC 为控制中心，通过温度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器采集温室中环境因子的有关参数，经变送转换为标准电流信号（420mA）后经由S7-200 的模拟量输入模块 EM235 送入 PLC 控制器，PLC 再通过 PID 控制算法将采集的参数与已设定的值进行分析解决，输出开关量，对执行机构进行控制。在此系统中还可以通过串口的形式与 PC 机相连，从而实现实时数据的管理与存储，为以后植物生长的研究带来宝贵资料。第四章 控制系统的硬件设计 在掌握了 PLC 的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以以 PLC作为重要控制器来构造 PLC 控制系统。PLC 控制系统的设计重要涉及硬件设计和软件设计两部分。本章重要从硬件设计角度进行温室控制系统的硬件设计方案，本章节重要介绍了该项目的电气控制系统设计、PLC 硬件电路及外部配置设计。4.1 电气控制系统设计 4.1.1 4.1.1 系统主电路设计系统主电路设计 图 4-1 系统主电路图 系统的主电路如图所示，其中通风扇电机、遮阳帘电机（遮阳帘风机配有限位开关）除功率有所不同之外，需通过电机正转、反转和停止来完毕相应机构的启动与闭合，因此它们的工作主电路相似。热风机、冷风机、加热器、发光体、CO2 添加器则属于开/关设备。QK 为刀开关，用于控制整个主电路的启停；FU1FU7 为熔断器，分别对各个分线路实行短路和过载保护；FR1FR5 为热继电器，对电机、加热器起过载保护的作用。KM1KM9 为交流接触器的主触头，用其实现电机的正反转、停止以及风机等开/关设备的启停控制。4.1.2 4.1.2 系统控制电路设计系统控制电路设计 从系统主电路图中，可以看出执行机构系统涉及遮阳帘、通风扇、热风机、冷风机、加热器、发光体和 CO2 添加器等部分。通常，温室的执行机构可分为两大类:一类是正反转运营电机，如通风扇、遮阳帘等，这些电机需要正转、反转和停止，必须有限位开关；另一类是开关控制设备，如风机、水泵等。一、正反转设备 通风扇、遮阳帘均属于正反转设备，其控制电路相似，现以遮阳帘为例，做以下介绍。1、遮阳帘主电路 其电路中的熔断器 FU2 起到过电流保护的作用，热继电器 FR2 则是电机的过载保护，重要针对遮阳帘由于外界因素打不开或关闭不了的情况。而 KM3、KM4 在电路中起到控制电机正转与反转的功能，即遮阳帘的拉开与关闭。图 4-2 遮阳帘主电路图 2、遮阳帘控制电路 图 4-3 遮阳帘控制电路原理图 遮阳帘控制电路原理图如图 4-3 所示，SB1 为手动/自动的切换开关,SB2 为总启动按钮，SB3 为总停止按钮。按下总启动按钮 SB2，交流接触器 KM10 的线圈得电，同时 KM10 的常开触点闭合，起自锁作用。在手动状态下，SB4 为开帘、关帘切换按钮，当 SB4 切换至开帘模式，交流接触器 KM3 的线圈得电，此时电机正转，遮阳帘打开，当遮阳帘启动到最大位置后触碰到限位开关 SQ1，其常闭触点断开，KM3 的线圈失电，电机停止转动；同理当 SB4 切换至关帘模式，遮阳帘关闭，到关闭的最大位置后，电机停转；按下按钮 SB3，KM10 的线圈失电，遮阳帘停止动作，用于急停操作。在自动状态下，由 PLC 控制器实现控制，中间接触器 KM3 的线圈得电时，其常开触点闭合，遮阳帘启动；中间接触器 KM4 的线圈得电时，其常开触点闭合，遮阳帘闭合。遮阳帘等正反转设备何时启动或闭合由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将着重介绍。二、开/关设备 热风机、冷风机、加热器、发光体、CO2 添加器均属于开/关设备，其控 制电路相似，现以热风机为例，做以下介绍。1、热风机主电路 风机的运转重要由电机的通断来实现，可以由一个继电器来实现风机的控制，在电路中必须加有短路保护、过流保护、过载保护，而这些可以由热继电器、熔断器来实现电路中的保护。由以上规定可以设计如下的电路：图 4-4 热风机主电路图 热风机控制电路 图 4-5 热风机控制电路图 热风机控制电路原理图如图 4-5 所示，SB1 为手动/自动的切换开关。按下按钮SB2，交流接触器 KM10 的线圈得电，同时 KM10 的常开触点闭合，起自锁作用。在手动状态下，SB6 为启停旋钮。将旋钮 SB6 旋至启动状态，此时热风机运转；将旋钮SB6 旋至停止状态，热电机停止工作。在自动状态下，由 PLC 控制器实现控制，中间接触器 KM5 得电时，其常开触点闭合，热风机运营。热风机等开/关设备的启停同样由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将作具体介绍。4.2 PLC 硬件电路的设计 4.2.1 PLC4.2.1 PLC 型号选择型号选择 一、PLC 的 I/O 点数 根据系统的控制规定，可拟定系统所需的所有输入设备（如：按纽、限位开关、单刀双掷开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而拟定与 PLC 有关的输入/输出设备，最终拟定 PLC 的 I/O 点数为14 个数字量输入，10 个数字量输出，3 个模拟量输入。二、PLC 的选型 S7 系列可编程控制器涉及 S7-200 系列、S7-300 系列和 S7-400 系列。其功能强大，分别应用于小型、中型和大型自动化系统。本控制系统采用德国西门子 S7-200 PLC。S7-200 系列 PLC 是西门子公司生产的一种小型整体式结构可编程序控制器。S7-200 系列 PLC 广泛应用于集散自动化系统，使用范围覆盖机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等自动化控制领域，既可用于继电器简朴控制的更新换代，又可实现复杂的自动化控制。因此 S7-200 系列具有极高的性能/价格比。S7-200 系列的 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226XM等6种不同型号。其中CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点，可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点，具有13K 字节程序和数据存储空间，6 个独立的 30kHz 高速计数器，2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器，2 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。此控制系统的 I/O 点数为 14 输入 9 输出，在既能实现该系统控制规定，又能满足以后发展的前提下，选用的 S7-200 系列的 CPU226。4.2.2 PLC I/O4.2.2 PLC I/O 地址分派地址分派 根据系统的控制规定，控制系统的 I/O 地址如下表分派。表 4-1 输入端口分派表 序号 输入口 信号名称 备注 符号 01 02 03 04 05 06 07 I0.0 手动/自动切换 旋钮 SB1 I0.1 总启动 按钮 SB2 I0.2 总停止 按钮 SB3 I0.3 遮阳帘开限位 限位开关 SQ1 I0.4 遮阳帘关限位 限位开关 SQ2 I0.5 遮阳帘开帘 单刀双掷开关 SB4 I0.6 遮阳帘关帘 单刀双掷开关 SB4 08 09 10 11 12 13 14 I0.7 通风扇正转 单刀双掷开关 SB5 I1.0 通风扇反转 单刀双掷开关 SB5 I1.1 热风机启停 旋钮 SB6 I1.2 冷风机启停 旋钮 SB7 I1.3 加热器启停 旋钮 SB8 I1.4 补光灯启停 旋钮 SB9 I1.5 CO2添加器启停 旋钮 SB10 15 16 17 AIW0 温度传感器 AIW2 光照度传感器 AIW4 CO2 浓度传感器 表 4-2 输出端口分派表 序号 输出口 控制信号 备注 符号 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 Q0.0 通风扇正转 接触器 KM1 Q0.1 通风扇反转 接触器 KM2 Q0.2 遮阳帘开帘 接触器 KM3 Q0.3 遮阳帘关帘 接触器 KM4 Q0.4 热风机 接触器 KM5 Q0.5 冷风机 接触器 KM6 Q0.6 加热器 接触器 KM7 Q0.7 补光灯 接触器 KM8 Q1.0 CO2 添加器 接触器 KM9 Q1.1 启动指示灯 接触器 KM10 4.2.3 4.2.3 硬件接线图设计硬件接线图设计 本次设计选用 S7-200 系列的 CPU226，硬件接线图如图 4-6 所示。图 4-6 硬件接线图 4.3 PLC 的硬件配置 4.3.1 4.3.1 传感器传感器 一、温度传感器 根据温室温度控制的特点，本文的温度传感器可采用芬兰维萨拉公司型号为HMD40 的产品，该款传感器具有测量精度高，易于安装、响应速度快，对环境规定较低等特点，其外观如图 4-7 所示。图 4-7 HMD40 型温/湿度传感变送器实物图 该传感器的重要性能指标如下：1、温度检测范围：-1060；测量精度：0.3%；2、湿度检测范围：0100%RH；测量精度：1.5%RH；3、工作电压：1028V DC；4、输出信号：420mA。二、光照传感器 光控用于控制遮阳幕的启闭，使作物得到合理的光照度并实现以下目的：免去作物超过光饱合点，提高光合作用；实现对长日照作物、中日照作物和短日照作物的光照控制。光照度传感器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。该传感器采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小，安装方便，线性度好，传输距离长，抗干扰能力强。可广泛用于环境、养殖、建筑、楼字等的光照度测量，量程可调。1、量程：O-200K1UX、O-20K10X、02023 可选；2、供电电压：24VDC12VDC；3、输出信号：204mA，10VOV 可选；4、精度：2。三、CO2 浓度传感器 二氧化碳控制实时监测 C02 的含量，当 C02 的含量低于一定值时打开 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，该传感器是固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性 和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性，可广泛用于自动通风换气系统或是 C02 气体的长期监测等应用场合。TGS4160 传感器的重要技术参数如下：1、测量范围：05000ppm；2、使用寿命：2023 天；3、内部热敏电阻(补偿用)：100k Q 5：4、使用温度：一 10+50 5、使用湿度 595RH。4.3.2 EM2354.3.2 EM235 模拟量输入模拟量输入/输出模块输出模块 在控制系统中