基于PLC的智能温室控制系统设计毕业论文.docx
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基于PLC的智能温室控制系统设计毕业论文
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摘要
随着人们生活水平的提高，由温室大棚种植的反季节蔬菜成为人们越来越离不开的食物，农作物的生长环境能被温室大棚所改善，外界的四季变化和恶劣气候不会让其发生改变，创造了适宜农作物生长的环境。
作为高效农业的重要部分——温室大棚，是我们值得研究的方向。
本论文主要介绍了温室大棚基于PLC控制的系统设计方案，为了对温室大棚中各项指标进行检测，该研究中将采用温度传感器、CO2浓度传感器、光照传感器，将测量值送入PLC中，在PLC中将其与设定值进行比较，再发出相应的指令驱动外围设备来调控温室大棚内的环境参数，从而实现了温室大棚的自动化、智能化控制。
本设计的优点是成本低廉，节约资源，能实现利益最大化。
关键词：
温室大棚；PLC；传感器；智能控制
ABSTRACT
Withtheimprovementofpeople’slivingstandards,anti-seasonvegetablesgrowningreenhouseshavebecomemoreandmoreindispensableforpeople.Thegrowingenvironmentofcropscanbeimprovedbygreenhouses,andchangesinthefourseasonsandbadweatherwillnotallowthemtooccur.Changehascreatedanenvironmentsuitableforthegrowthofcrops.Asanimportantpartofhigh-efficiencyagriculture,greenhousesarethedirectionsthatweshouldstudy.
ThispapermainlyintroducesthesystemdesignschemebasedonPLCcontrolingreenhouses.Inordertodetectvariousindicatorsingreenhouses,thisresearchwillusetemperaturesensors,CO2concentrationsensors,lightsensors,andsendthemeasuredvaluestothePLC.PLCwillcompareitwiththesetvalue,andthenissuecorrespondinginstructionstodrivetheperipheralequipmenttoregulatetheenvironmentalparametersinthegreenhouse,therebyrealizingtheautomationandintelligentcontrolofthegreenhouse.Theadvantagesofthisdesignarelowcost,resourceconservation,andmaximizedbenefits.
Keywords:
Greenhouse；PLC；TemperatureSensor；Intelligentcontrol
第一章绪论
1.1课题背景
随着农业生产越来越朝着自动化、智能化的方向发展，一些问世的温湿度监测与控制也与时俱进。
而我国的现代化温室是在引进国外技术与自我开发的基础上发展起来的。
本课题研究的重点是：
实现温室大棚的温度智能控制，为了满足温湿度的需要能够自动调节温度。
目前，我国很难保障生产生活的需要，这是由于绝大多数温室设备都比较老旧。
这种温度采集一般需要在温室内布置大量的测温电缆，才能把传感器上采集到的温度信号送到主机上，安装和拆卸都很繁杂，成本也比较高，同时线路上一般传送的是模拟信号，线路损耗又严重影响到测温精度。
在这种情况下，开发一种实时性高，精度高，运行可靠、稳定的精度也很难保证。
针对现有技术的不足，提供一种替代人工控制温度操作，适用性广，结构简单，操作方便，温室资源利用率高，生产成本低，这就是本文设计温室大棚智能控制系统的目的所在。
1.2研究目的和意义
作为高效农场的一个重要部分——温室大棚。
对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制是现代化农业生产中的重要一项。
例如：
空气的温度、湿度、土壤的含水率等。
为了使作物达到优质、高产、高效的栽培要求，要对监测数据进行分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件。
而在农业种植问题中，温室环境与作物的生长、发育、能量交换密切相关，要实现温室生产管理自动化、科学化，进行环境测控是必不可少的。
现代化农业生产中，现代农业设施发挥着巨大的作用，其中蔬菜大棚就是典型的代表。
蔬菜和水果的生长与大棚内的温度、湿度以及土壤的含水率等参数息息相关。
国外的温室设施已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。
而当今大多数都采用人工管理方式，对大棚温度、湿度、土壤含水率等参数进行检测与控制，这样会造成不可弥补的损失，而且很难达到预期的效果。
之所以呈现出这样的局面是由于测控精度低、劳动强度大以及测控不及时等弊端所导致。
因此，为了走智能化生产发展这一条路，推动我国的农业发展，科学的高效农业生产和准确的提高农业研究是必要的。
温室大棚自动化、智能化的生产管理是基于传感器对温室内环境因素检测，并结合农作物的生长规律设定参数，从而提高农作物的质量和品质。
1.3国内外研究现状
在现代农业领域，西方发达国家的起步比较早。
1949年，美国建成了第一个人工气候室在工程技术的帮助下。
在现代化农业设施中，随着计算机技术的快速发展，不断地提高温室大棚的自动控制技术和管理技术，使其在世界各地都得到了不错的发展。
到现在为止，国外的温室大棚内部设施已经达到了比较完善的程度，并形成了一定的技术标准。
由计算机控制温室内被控环境因子，传感器也较为齐全，如温室大棚内的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等等，对各个执行机构的控制基本上可以用传感器检测。
对于这些系统的控制，计算机已经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于PLC的智能控制系统，在实现自动化后，一些国家向着完全自动化、无人化的方向继续发展。
我国的温室大棚技术起步有点晚，政府发展的用塑料大棚、日光温室为主的农业栽培设施，加快了农村的经济发展并且有效的缓解了蔬菜季节性短缺的问题。
我国温室大棚的特点是：
利用太阳光热资源，节约不可再生能源，减少环境污染。
虽然我国温室规模有限，还没有形成规模经济，另外构建设施的费用也比较高，但从长期发展来看，温室监控系统分布式和网络化将是我国现代农业发展的必然趋势。
现代温室大棚中常用的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。
控制器可以调节各个机构，使系统保证室内气候满足植物生长需要并尽可能的节省能源。
常用的控制器有：
单片机、工控机、PLC、通用PC机等。
第二章系统总设计方案
2.1系统的设计任务
本文研究的是温室大棚基于PLC技术上的应用，从整体上对温室大棚控制系统的电路设计、硬件设计、软件设计等方面。
本次的研究内容为温室大棚PLC控制系统，以可编程控制器PLC为核心，
温室大棚中的温度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数可以通过温度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器来检测，温室大棚的通风扇、冷/热风机、遮阳帘、加热器、二氧化碳添加器等硬件设施通过PLC控制系统控制，对温室大棚中的环境因子进行调控，进而实现对温室大棚智能化控制。
2.2系统的控制方案
为了实现上述任务，温室大棚需要一套完善的温室控制系统。
本控制系统以PLC为控制核心，温室大棚中的各项环境因子采用传感器进行检测，然后将测量结果送入PLC中，经过PLC的处理，然后对执行设备发出指令，这样能很好的调控温室中的各项环境因子。
本次控制系统设有自动、手动两个模式，是考虑到实际生产中的稳定性与安全性。
自动方式是周期性的按照PLC进行控制，手动模式是当遇到突发情况时，可以手动操作设备，保证设备的可靠运行。
将传感器检测到的数据与设定值相比较，然后通过软件程序去执行相关的命令。
本次系统设计的优点是成本偏低，节约资源，能实现利益最大化。
该温室大棚的控制系统总框图如下图2-1所示：
图2-1控制系统总框图
由图可知，PLC系统、传感器系统、外部执行系统等几部分构成了温室大棚控制系统，核心是PLC控制系统，将传感器系统收集的数据通过PLC模拟量输入模块EM235输入到PLC，通过与设定值比较，执行设备被输出开关量进行控制。
具体来说就是按下启动按钮，系统启动后，由温度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器检测到的信号，经过PLC内部处理，由输出模块输出控制信号，以控制外部的执行器件。
如果温度过高，就会驱动冷风机、通风扇来降低温室内温度；如果温度过低，就会驱动热风机、加热器、通风扇来升高室内温度；遮阳帘和发光器来调节光照强度；二氧化碳添加器来添加二氧化碳浓度。
第三章系统硬件方案设计
PLC控制系统的设计可分为硬件设计和软件设计两部分。
本章介绍了温室大棚控制系统的硬件设计方案，主要有电气控制系统主电路设计、电气控制系统各部分控制电路设计、传感器型号选择、PLC型号选择及PLC外部接线方面进行设计。
3.1电气控制系统主电路设计
温室大棚控制系统的主电路如下图3-1所示，通风扇和遮阳帘的主电路相似，都需要电机的启动、停止以及正反转来完成工作，不同的是通风扇和遮阳帘的电机功率不同，且遮阳帘电机带限位开关，冷/热风机、加热器、发光体、CO2发生器都属于开关设备，因此它们的工作原理大致相同。
图3-1温室大棚控制系统主电路原理图
上图可知，刀开关为QK，能控制整个主电路的启动和停止；热继电器为FR1-FR5，能起过载保护作用；熔断器为FU1-FU7，对各支路起到短路保护和过载保护作用；接触器的主触头为KM1-KM9，可以实现电机的启停、正反转以及开关设备的启停控制。
3.2电气控制系统各部分控制电路设计
通过系统主电路可以看出，温室大棚的控制系统的执行设备分为两大类：
开关设备和非开关设备。
开关设备包括风机、加热器等等；非开关设备比如正反转的电机，包括通风扇、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，现在就以热风机为例，做以下分析：
（1）热风机的主电路
风机的运行可以通过一个继电器来控制，主要控制风机的电机通断。
风机工作运行必须有熔断器、热继电器来保护电路，主要功能有过电流保护、短路保护和过载保护。
下图3-2为热电机的主电路图：
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旋转到开启档位，接触器KM5得电，其常开触点闭合，热风机开始运行；将SB6旋转到停止档位，接触器KM5失电，其常闭触点断开，热风机停止运行。
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，热风机运行。
图3-3热风机控制电路图
2.正反转设备
在执行设备里，通风扇和遮阳帘属于非开关设备，也就是正反转设备，他们的控制电路很相似，现在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为遮阳帘的主电路图。
由电路图可知，接触器KM3、KM4主要是控制遮阳帘电机正反转；熔断器FU2主要是在电路中起到过电流保护，应对短路；热继电器FR2的作用主要是电机的过载保护。
图3-4遮阳帘主电路图
（2）遮阳帘的控制电路
遮阳帘的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/自动选择开关，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，当其开帘程度达到最大程度时，碰到限位开关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，电动机停止运行。
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，电动机停止运行。
若自动运行时，旋钮开关SB1旋转到自动位置，遮阳帘运行受到PLC控制，中间接触器KM3得电时，其常开触点闭合，电动机正转运行，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遮阳帘控制电路图
3.3PLC的硬件电路
3.3.1PLC的型号选择
1.控制系统所需要的I/O点数
根据温室大棚控制系统的控制要求，可以确定全部的输入设备和输出设备，从而可以确定PLC有关的输入输出设备，进而可以确定PLC的I/O点数，本控制系统所需的PLC的I/O点数为14个数字量输入，3个模拟量输入，10个数字量输出。
2.选择PLC的型号
西门子PLCS7系列PLC包括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。
根据本系统控制要求，选择S7-200系列的PLC。
由以上分析得此系统所需I/O点数为14输入、10输出。
根据PLC硬件设计要求，应留出约25%的空余点数，以方便以后的系统改造升级。
CPU224的I/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，不方便以后的升级改造，所以选择拥有I/O点数为24输入、16输出的CPU226，以方便以后系统的升级优化。
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个模拟量I/O点，具有13K的储存空间。
3.3.2PLC的I/O地址分配表
根据系统要求，控制系统的I/O地址分配表如下表3-6、3-7所示
表3-6输入端口地址分配表
序号
输入口
信号名称
备注
符号
01
I0.0
手动/自动切换
旋钮
SB1
02
I0.1
总启动
按钮
SB2
03
I0.2
总停止
按钮
SB3
04
I0.3
遮阳帘开限位
限位开关
SQ1
05
I0.4
遮阳帘关限位
限位开关
SQ2
06
I0.5
遮阳帘开帘
单刀双掷开关
SB4
07
I0.6
遮阳帘关帘
单刀双掷开关
SB4
08
I0.7
通风扇正转
单刀双掷开关
SB5
09
I1.0
通风扇反转
单刀双掷开关
SB5
10
I1.1
热风机启停
旋钮
SB6
11
I1.2
冷风机启停
旋钮
SB7
12
I1.3
加热器启停
旋钮
SB8
13
I1.4
补光灯启停
旋钮
SB9
14
I1.5
CO2添加器启停
旋钮
SB10
15
AIW0
温度传感器
16
AIW2
光照度传感器
17
AIW4
CO2浓度传感器
表3-7输出端口地址分配表
序号
输出口
控制信号
备注
符号
01
Q0.0
通风扇正转
接触器
KM1
02
Q0.1
通风扇反转
接触器
KM2
03
Q0.2
遮阳帘开帘
接触器
KM3
04
Q0.3
遮阳帘关帘
接触器
KM4
05
Q0.4
热风机
接触器
KM5
06
Q0.5
冷风机
接触器
KM6
07
Q0.6
加热器
接触器
KM7
08
Q0.7
补光灯
接触器
KM8
09
Q1.0
CO2添加器
接触器
KM9
10
Q1.1
启动指示灯
接触器
KM10
3.3.3PLC硬件接线图
本控制系统设计选用S7-200系列的CPU226以及模拟量输入模块EM235，硬件接线图如下图3-8所示
图3-8硬件接线图
3.4传感器型号选择
1.温度传感器
根据温室温度控制的要求，本文的温度传感器采用芬兰维萨拉公司型号为HMD40的产品，该款传感器不仅测量精度高，易于安装、响应速度快，对环境要求较低，还具可靠性好、良好的长期稳定性、滞后小、不宜受灰尘、化学气体等环境因素的影响等特点。
其外观如下图3-9所示：
图3-9HMD40型温度传感器实物图
该传感器的主要性能指标如下：
1．温度检测范围：
-10～60℃；测量精度：
±0.3%℃
2．工作电压：
10～28VDC；
3．输出信号：
4～20mA。
2.光照传感器
光控用于控制遮阳幕的开关，使作物得到合理的光照并实现以下目的：
免除作物超过光饱合点，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，量程可调。
1.量程：
O-200Klx、O-20Klx、0—2000lx可选
2.供电电压：
24VDC／12VDC
3.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的含量，当C02的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。
其外观如下图3-10所示：
图3-10TGS4160二氧化碳传感器实物图
TGS4160传感器的主要技术参数如下：
1.测量范围：
300-50,000ppm
2.对二氧化碳CO2浓度有高灵敏度
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～+50℃
第四章控制系统软件方案设计
4.1STEP7 Micro/Win软件简介
STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，既可用于开发用户程序，又可以实时监控用户程序的执行状态。
STEP7-Micro/WIN主界面如图4-1所示。
图4-1STEP7-Micro/WIN主界面图
编程软件的具体功能如下：
1.可以用梯形图、语句表和功能块图编程。
2.可以进行符号编程，通过符号表分配符号和绝对地址，即对编程元件定义符号名称，增加程序的可读性，并可打印输出。
3.支持三角函数，开方，对数运算功能。
4．具有易于使用的组态向导。
5.可用于CPU硬件配置。
6.可以将STEP7-Micro/WIN正在处理的程序与所连接的PLC中的程序进行比较。
4.2控制系统程序设计思路
本控制系统设有手动、自动两种工作模式，自动模式为正常运行状态，手动模式用于应对一些突发情况。
在自动工作模式下，PLC运行时，将传感器对温室温度、光照、二氧化碳浓度等环境因素进行检测的测量值与温室控制系统的设定值进行比较，如果温度的检测量高于设定值，PLC就会发出相应的指令控制冷风机的开启和通风扇正转（将温室中的空气排向外界）；如果测量值低于设定值，则打开加热器和热风机，对温室进行加温，并使通风扇反转（将外界的空气引入温室）。
当温室的光照低于设定值时，系统打开遮阳帘和补光灯；当温室的光照高于设定值时，系统关闭遮阳帘。
当温室的二氧化碳浓度低于设定值，系统开启二氧化碳调节阀。
如果温室中的测量值与设定值相等，则关闭相应设备，保持温室中的环境参数。
温室大棚内的不同作物对于自然环境的要求也不尽相同，本系统为研究方便，取其范围内一值，作为参考。
植物对大棚温室内的温度要求大多数在25-30℃，本系统取值28℃；光照强度单位为lx,本系统取光照强度为30000lx;夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万～10万lx，没有太阳的室外0.1万～1万lx，夏天明朗的室内100～550lx，夜间满月下为0.2lx。
二氧化碳浓度单位为ppm,空气中含量为300-400ppm，而植物生长需求则为1000-1500ppm，因此本系统取二氧化碳浓度临界值为1000ppm。
4.3控制系统程序流程图
4.3.1温室控制系统流程图
图4-2温室控制系统流程图
（1）温室大棚的温度控制流程图，如图4-3：
图4-3温室大棚的温度控制流程图
（2）光照控制流程图，如图4-4：
图4-4光照控制流程图
（3）CO2浓度控制流程图，如图4-5：
图4-5CO2浓度控制流程图
4.4控制程序设计及分析
1.自动/手动切换
图4-6自动/手动切换图
如网络1所示，I0.0为自动/手动切换，I0.1为总启动，当I0.1=1时，Q1.1得电，启动灯亮，I0.2为总停止，当I0.0=1，I0.1=1时，中间继电器M0.0得电，系统的运行方式为自动模式；当I0.0=0，I0.1=1时，中间继电器M0.1得电，系统的运行方式为手动模式。
2.温度控制
图4-7自动情况下温度控制图
如网络2所示，当中间继电器M0.0得电时，系统的运行方式为自动模式。
在自动情况下，温度传感器将测得的模拟量通过模拟量输入模块EM235送入PLC中，通过整数比较指令，将温度传感器检测到的测量值AIW0与设定值“28度”进行比较，当AIW0>28时，中间继电器M0.2得电，启动降温设备；当AIW0<28时，中间继电器M0.3得电，启动升温设备。
图4-8手动情况下温度控制图
如网络3所示，当中间继电器M0.1得电时，系统的运行方式为手动模式。
可通过控制相应的按钮——通风扇正转I0.7、通风扇反转I1.0、热风机I1.1、冷风机I1.2、加热器I1.3，进行温室大棚温度的手动控制。
图4-9通风扇正转图
如网络4所示，在温室大棚的温度控制过程中，自动模式下，当温度传感器测量的温度值高于设定的温度值时，中间继电器M0.2得电，通风扇正转，将温室中的热空气排入外界，与外界交换空气；手动模式下，将控制通风扇正反转的单刀双掷开关拨至“通风扇正转”，中间继电器M0.4得电，通风扇正转。
图4-10通风扇反转图
如网络5所示，在温室大棚的温度控制过程中，手动模式下，当温度传感器测量的温度值低于设定的温度值时，中间继电器M0.3得电，通风扇正转，将外界的空气引入温室，与外界交换空气；手动模式下，将控制通风扇正反转的单刀双掷开关拨至“通风扇反转”，中间继电器M0.5得电，通风扇反转。
图4-11热风机启动图
如网络6所示，在温室大棚的温度控制过程中，手动模式下，当温度传感器测量的温度值低于
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