基于plc的大棚温湿度控制系统之欧阳歌谷创编.docx

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基于plc的大棚温湿度控制系统之欧阳歌谷创编

摘要

欧阳歌谷（2021.02.01）

随着人们的生产水平的不断提高，对生活环境和生产环境的要求就显得尤为重要，温湿度的智能控制就显得极为重要，因此温湿度检测系统就是现代生产生活中应运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统。

在我们日常生活中许多的蔬果、花卉都是由温室大棚培育而出，可是在现阶段该如何利用自动检测控制系统更有效的提高温室大棚的调节精度和效率，这对我国农业发展有着不可估量的重要意义。

本设计采用三菱FX2N系列的可编程控制器来实现自动化控制，温室大棚中的温度、湿度等环境因素在植物的生长中起重要的作用，在检测时应考虑到测量精度、方便设备连接与操作等问题。

采用温度传感器和湿度传感器测量，再将所测量的信息反馈给PLC,由PLC将其与设定值做出比较，进而发出相应的指令调节温室内的温度和湿度，使该系统能够达到自动化控制的目的。

关键词：

plc梯形图程序寻749986419

0前言1

1系统设计任务1

1.1课题研究背景及意义1

1.2温室大棚的主要结构的概述2

1.2.1温室大棚的结构2

1.2.2温度传感器、湿度传感器、检测仪表3

1.2.3电机部分3

1.3系统工作流程概述3

1.3.1对温室大棚内的温度与湿度进行调节、监测3

1.3.2系统流程4

2系统硬件的选用4

2.1PLC的选用4

2.2变频器的选用5

2.2.1变频器的作用及工作原理5

2.2.1三菱FR-E540通用型变频器6

2.3传感器的选择6

2.3.1传感器的选择方法6

2.3.2传感器的型号及显示仪表选择7

2.4环流风机13

2.5.1燃油热风机加热系统13

2.5.2微雾加湿机14

3主电路的回路设计16

3.1电气原理图16

3.2环流风机电路设计17

3.2.1变频器的使用17

3.2.2环流风机回路电路图18

3.3加湿电机电路设计19

3.4风门电机电路设计19

3.5风冷电机电路设计20

3.6加热风机主回路设计21

4软件程序设计21

4.1PLC的I\O分配表21

4.2PLC接线图23

4.3主程序设计与分析24

结束语31

参考文献32

附录A33

0前言

如今塑料大棚、日光大棚成为我国设施农业结构的主要组成。

能够充分利用阳光，可以减轻环境污染的等特点，随着改革开放的加深，农村劳动力系统的转移，城市化进程飞速的加快，农业发展迎来一场新的农业变革。

从1995年开始我国大型温室大棚的面积快速增加到目前已有约200公顷。

温室大棚的光利用率强，土地利用率高，越冬保温能力强，作物病虫害的低等优点。

设施农业的大力发展为大棚实现大型现代化的发展提供了很好的机会，使其快速稳定的发展，到目前为止，相当大一部分的温室大棚要靠种植者的经验为保障来完成，缺乏根本的科学性。

这种管理方式缺少量化的指标，精确度低。

仅仅够温室大棚实施被动的调节而不能主动的使大棚内的环境因素自我调节就无法发挥大棚的高效性，这对农业现代化进程的发展是极大的影响。

根据温室大棚温湿度控制系统的发展形势可将其分为三个阶段：

手动控制：

这是温室大棚发展的初级阶段，技术落后，主要依靠长期从事农业工作者的经验实施，也是该系统的执行者。

但生产的效率低，不适合推进农业的现代化进程.自动控制：

这是温室大棚农业发展的另外一个阶段，它需要种植者按照棚内作物的生长情况设置目标参数，从而控制系统把传感器的实际输出值进行比较，达到调节环境因素的作用，这有利于大规模的生产，提高生产效率，缺点是难以介入植物生长的内在规律。

智能控制：

这是最终阶段，该技术主要建立在自动控制和生产实践上，是总结和运用农业领域知识及实验数据建成的系统，该技术是在手动控制和自动控制技术之后发展而来的，会越来越先进与成熟。

1系统设计任务

1.1课题研究背景及意义

目前，我国绝大部分的温室大棚都安装了加温、降温、通风和除湿等设备，但大部分是通过人工让它工作，若是面积增大种植者的劳动强度就会成倍的增长，更别提对温湿度的精确控制。

结合发展现状充分的发挥PLC控制的优点，再综合种植者的经验和温湿度的精确自动的调节，对推进温室大棚的发展起到很大的作用。

温室大棚主要的作用是为作物提供优秀的成长环境，以避免四季气候变化和恶劣的天气环境。

通常以采光和覆盖式材料作为主要结构材料，它能确保作物的健康成长从而提高产量。

温室大棚的温湿度控制通过接受光电、温度、湿度传感器传来的信号再经过PLC的控制以及决策调剂各种环境因素而提供良好的生长环境。

该系统在前人总结的原有基础上，再结合农业知识和各种实验数据的收集，更精确的使用外部设备动作完成相应的功能。

在不同的季节都有不同的温湿度的标准，根据外界的温度变化大棚内的温度也会跟着降低或升高但温室里面是可能根据植物的生长环境条件来改变的，比如到了冬季温度降低，而植物会因温度的降低使植物生长得慢以及不生长，导致植物的产量下降，所以现在农业方面也挺先进的，有了控制植物的温、湿、光照、二氧化碳、环境的温、湿度，以及土壤养分、土壤温度、土壤水分等农业环境要素，根据温室作物生长要求，自动控制、灌溉施肥等环境控制设备，自动调控温室内环境，达到适宜植物生长的范围，为植物生长提供最佳环境。

智能温室控制系统可以使温室运行于经济节能状态，实现温室的无人值守自动化运行，减轻人员劳动强度，降低温室能耗和运行成本。

1.2温室大棚的主要结构的概述

1.2.1温室大棚的结构

跨度，目前各地生产中使用的温室大棚，大多数跨度（自温室南部底脚起至北墙内侧的宽度）都是6-7m。

事实证明，这样的跨度，配之以一定的屋脊高度，可以保证南屋面（前坡）有极大的采光角度。

可保证作物生长有较大的空间，又便于被盖保温，还便于选择建筑材料，是比较适用的。

如果跨度增大，高度无法再增加，南屋面角度变小，势必采光不好。

另外，揭盖草苫困难，使保温效果下降。

并提高建材造价。

从各地经验看来在北纬40°以北或冬季严寒极限温度在-20℃以下地区，宜选用6m跨的温室，北纬40°以南冬季不太严寒地区，宜选用7m跨温室。

（2）高度温室的高度主要是指屋脊的高度。

它与跨度有一定关系，在跨度确定的情况下，高度增加，温室角度也增加，从而提高采光效果，进而增加蓄热量，弥补热量损失的一面。

6m跨的冬季温室高度以2.7～2.8m为宜，7m跨的温室高度以3.1m为宜。

（3）长度以50～60m为宜，如果太短.不仅单位面积造价提高，两边山墙遮阴面也大，影响产量，如果再长，室内温度不易控制一致，产品和生产资料运输也不方便。

（4）前屋面角度其指前屋面与地平面的夹角。

这个角度越大，前屋面与阳光的交角（投射角）越大，透过的光线也就越多。

斜立式温室这个角度在北纬400以南地区应达到23℃或以上。

拱圆形温室在北纬40°～42°，拱底脚应达到50°～60°，拱的中段要达到20°～30°，上段要达到10°，这样有利于冬季采光。

下图为本课题的实物结构图1所示：

图1温室大棚结构实物图

1.2.2温度传感器、湿度传感器、检测仪表

温度和湿度是农作物生长的主要条件，是保证农作物生长的需要的绝对适宜的温度与湿度。

从而使其达到最高的产量，温度传感器和湿度传感器就是为了检测温室大棚内的温度与湿度从而与设定值相比较作出判断。

而监视仪表则是直观的体现出当前的温度值与湿度值。

1.2.3电机部分

本系统采用了五种不同功能的电机：

环流风机，它在整个植物生长的过程中全天候的工作，主要作用是将大棚内的空气形成对流，为每一个植物提供适宜的温度和湿度。

风冷电机的主要作用是当温度超过设定值时进行温室内散热的作用，从而保证农作物的生长在正常的温度下生长。

风门电机主要的作用是为农作物提供新鲜的空气从而达到控制温室大棚内的温度以及湿度使其更适合农作物的生长。

加湿电机是为农作物的生长提供适宜的湿度的关键部分，提高农作物的成活率。

在植物的生长中，需要在特定的时间对大棚内的空气进行加温，达到农作物所需的温度。

在大棚中使用圆翼型热镀锌散热器进行加热。

1.3系统工作流程概述

1.3.1对温室大棚内的温度与湿度进行调节、监测

对不同的农作物生长所需的最适宜温度也不尽相同如韭菜的最适生长温度表1-1:

表1韭菜最适生长温度表

农作物种类

生长周期

温度（度）

湿度（%RH）

韭菜

20天

20～25

60～70

系统通过传感器来检测温度与湿度，同时对温度进行调节控制。

湿度传感器再该系统中主要控制大棚湿度，通过湿度传感器的设定值与当前温室大棚内的湿度相比较，来控制风门电机和加湿电机的开启，使温室内的湿度达到设定值。

1.3.2系统流程

在该系统中可以实现手动控制和自动控制两种不同的控制要求。

（1）手动控制：

可以手动控制加湿电机、风门电机的启动和停止。

（2）自动控制：

温室大棚的工作流程是在播种完成之后，按下启动按钮打开环流风机为了让环流，风机一直处在最佳的运行速度，通过三菱FR-E540通用型变频器来调速。

当刚开始启动环流风机时以最高速度运行，使大棚温度快速达到20°还有湿度达到60%RH时，环流风机以低速运行，在后面每隔三小时进行换气，环流风机以中速运行。

当湿度低于60%RH时加湿电机开始工作，当湿度高于60%RH时，加湿电机停止工作。

当温度低于20°时风冷电机停止工作，加热风机开始工作。

当温度超过20°时，加热风机停止工作，风冷电气启动开始散热，是温度达到设定值。

该结构线路简单，工作稳定可靠。

当在改变工艺流程时，便于线路的改造。

方便对系统硬件进行检修与调试。

2系统硬件的选用

2.1PLC的选用

PLC的特点：

（1）通用性强，使用方便：

PLC通过软件实现控制，只需要改变软件就可以实现不同的控制要求，方便快捷的适应工艺条件的变化。

同时由于PLC产品的系列化和模块化可以组成满足各种控制要求的控制系统，用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线。

（2）功能强，适应面广：

PLC不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，而且还具有A/D、D/A的转换，数值运算和数据处理等功能。

因此，它既可以对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制还具有通信联网的功能，可以与上位机和PLC之间构成分布式控制系统。

（3）可靠性高，抗干扰能力强：

针对PLC“专为在工业环境下应用而生的设计”的要求，PLC采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施，还采取屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施，在软件方面设置了故障检测与诊断程序，检查判断故障迅速方便。

本系统所选用的PLC为三菱FX2N系列，其功能强大，使用简单方便。

三菱FX2N系列PLC采用一体化箱体结构，其基本单元将CPU、存储器、I/O接口及电源等都集成在一个模块内，结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。

FX2N有多种特殊功能模块，如模拟量I/O模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、位置控制模块、RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板、模拟定时器扩展板等。

由于本次系统的输入点用了14个，输出点用了13个所以本系统所选用的是三菱FX2N-32MR型号的PLC。

图2三菱FX2N-32MR型PLC实物图

2.2变频器的选用

2.2.1变频器的作用及工作原理

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：

电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。

为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。

当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。

风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，使其输入的功率大，且大量的能源消耗在挡板和阀门的截流过程中。

当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

2.2.1三菱FR-E540通用型变频器

三菱FR-E540变频器是属于FR-E500系列，其体积小，性能高，主要功能有以下几点：

1．功率范围：

0.4～7.5KW　

2．用磁通矢量控制，实现1Hz运行150%转矩输出。

3．ID，15段速度等功能选择。

4．内置RS485通信口。

6．柔性PWM，实现更低噪音运行。

7．可选择FR－PA02－02简易型面板或FR－PU04－CH型LCD显示面板。

0.4-7.5KW（3相380V，FR-E540系列）采用磁通矢量控制，实现1HZ运行150%转矩输出，更低噪音运行。

由于它的价格相对来说比较低，所以三菱FR-E540通用型变频器更适合本系统的控制要求，故应选用

图3三菱FR-E540系列变频器实物图

2.3传感器的选择

2.3.1传感器的选择方法

根据被测量对象与环境确定传感器的类型：

进行测量工作时，首先要考虑到采用什么原理的传感器，需要分析很多方面的因素才能确定，因为即使是去测量同一种物理量也有很多种原理的传感器可以使用，所以根据被测量的特点和使用环境应考虑以下几点:

（1）量程的大小；

（2）被测环境对传感器体积的要求；（3）是接触式还是非接触式的；（4）所测得信号的发出方法。

在考虑完上述问题后才能更合理的选用传感器。

根据传感器的灵敏度：

通常在线性范围内，希望灵敏度越高越好，可是实际中我们应该注意的是，随着传感器的灵敏度变高，与被测量的无关外界信号也容易被采集，从而影响被测量的精度，导致数据的可靠性下降，所以应选择灵敏度对系统合适的传感器来使用。

根据频率响应性质：

传感器的频率响应，决定了被测量的范围，需要在允许的条件下保持信号的采集才不会失真。

从实际上来说传感器的响应特性会有一定的时间延误，理论上是希望越短越好，可以使得测量范围变大。

由于传感器结构特点的影响，机械性误差比较大所以应选择的传感器可测信号率比较低。

在动态测量时，应按照信号的特点的响应，以免误差过大。

根据传感器的精度：

测量的精度是传感器的非常重要的一个指标，因为它关系到整个测量系统对测量数据的精确度，因此，精度越高的传感器价格也都非常的昂贵。

所以只要选择对系统适合使用的传感器就可以了，如果是为了定量分析，必须有精确的测量值，要选择精度等级足够的传感器，也是特别重要的环节之一。

根据传感器的稳定性：

传感器在使用一定的时间后，其能力的保持不变得特性叫做稳定性，所以通常具有良好稳定性的传感器都要对环境具有较强的适应能力，选择传感器之前，应对其使用的环境做出调查以及评估，并选择与其环境匹配的传感器。

2.3.2传感器的型号及显示仪表选择

温度传感器：

本系统选用的是PT100型电阻式温度传感器，它的测量范围是-200℃～400℃。

PT100是一种以铂为原材料制成的电阻式温度传感器，当它的电阻值在0度时为100欧姆。

其外形结构如下图4所示

图4PT100温度传感器

PT100温度传感器的主要技术参数如下表2。

表2Pt100温度传感器的主要技术参数：

特性指标

测温范围

-200～400℃

探头长度:

5cm/10cm

15cm/20cm

电阻变化:

0.3851Ω/℃

引线接法

三线式

接线方式:

接线叉

传感器件:

PT（铂）

探头直径:

Φ5mm

引线长度:

通常2米，定制长度（专用引线）

允通电流：

≤5mA

热响应时间：

<30s

供电：

24VDC

输出：

4～20mAD

Pt100温度传感器的优点：

具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点

PT100温度传感器三根芯线的接法主要是将PT100铂电阻传感器有三根引线，可以用A、B、C表示，按照规律为，A与B或C之间的阻值在常温下为110欧左右，B与C之间为0欧，但从传感器的内部结构上看B与C是相通的。

仪表上接传感器的固定端子有三个，A线接在仪表上接传感器的一个固定端子，B和C线位置是可以互相调换，但都需要接上。

PT100温度传感器采用三线式接法的原因为PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。

由于其电阻值小，灵敏度高，所以引线的阻值不能忽略不计，工作原理如下：

PT100引出的三根导线截面积和长度均相同（即r1=r2=r3），测量铂电阻的电路通常是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根（r1）接到电桥的电源端，其余两根（r2、r3）分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处在平衡的状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。

三线式接法原理图如图5所示。

图5三线接法原理图

当R1X（Rx+r1+r3）=R2X（Rpt100+r2+r1），当电桥平衡时，U=0。

温度显示及控制：

在温室大棚里的温度须配有相应的温度显示控制仪表才能直观的显示出来，本系统所选用的是XMOB智能型温度显示器，它可以调节上限温度值和下限温度值。

当室内温度大于下限温度值时，相应的输出继电器S1动作，当温室内的温度大于上限温度值时，对应的输出继电器S2动作，从而实现对温度的控制作用。

图6XMOB智能型温度显示器

其主要的技术参数是如下表2-2所示：

表3XMOB智能型温度显示器技术参数

输出类型

继电器输出

测量精度

±0.5%F.S±1digit

冷端补偿误差

≤±2℃

测量数显范围

-1999∽9999

工作环境

0∽50℃，相度湿度≤85%RH

电源

AC220V±10%50HZ/60HZ

功耗

≤4VA

热电阻与仪表的接线图如下：

图7热电阻与仪表接线图

湿度传感器的选用：

在通常情况下，韭菜在生长期间对湿度的要求在75%RH～85%RH之间。

检测空气湿度的方法很多，气原理是根据空气中的水分与某种物质之间所引起的变化，间接的获得该物质的吸水率。

电容式、电阻式和湿敏元件分别是根据高分子材料吸湿后介电常感器考虑到以下几点：

感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。

选择集成湿度传宽，有较好的一致性、可重复性，线性度好、湿滞小较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。

所以本系统选用的是余姚WS-01型号的湿度传感器如下图2-7所示

图8余姚WS-01型湿度传感器

WS-01型号湿度传感器的主要参数如下表2-3所示：

表4WS-01型号湿度传感器的主要参数

湿度范围：

10%RH～85%RH湿度迟滞为±1.5%RH

测量精度：

±2％F.S±1.0个字

工作电压：

DC24V

工作环境:

20℃～60℃相湿度≤85%RH

湿度显示及控制：

想要控制温室内的湿度，我们必须要配有想对应湿度显示控制仪表，在这里我选用的是CJLC-9007系列的智能液晶显示控制仪表，其可调节其湿度，当湿度达到我们设定的湿度下限值时，输出继电器S3动作。

当湿度达到我们设定的湿度上限值时，输出继电器S4动作。

图9CJLC-9007湿度显示仪表

CJLC-9007系列智能液晶显示控制仪表的主要参数如下：

（1）输入双PT100。

（2）输出支持多种输出控制方式，输出多种继电器输出：

触点容量AC250V7A（阻性负载）。

精度温度测量精度±0.5%F·S±1.0个字。

湿度测量精度±2%F·S±1.0个字。

（4）报警继电器输出：

触点容量AC250V7A（阻性负载）。

（5）供电交流电：

110～242VAC，50Hz。

（6）外型尺寸外型尺寸：

160mm（宽）×80mm（高）×48mm（深）开孔尺寸：

152mm×76mm。

（7）工作条件湿度：

10%～85%RH（无凝结）

（8）保存条件温度：

-20～60℃，避免日光直晒。

湿度传感器与仪表的接线图:

图10湿度传感器与仪表接线图

2.4环流风机

在温室大棚的内部安装环流风机可以让棚内的空气流通形成有序的运动，确保空气质量的均匀和稳定。

如图11所示，适宜高密度种植的温室大棚。

环流风机的特点在于整体集流器设计，外壳采用不锈钢，整体集流器设计，整体防腐处理，使用寿命长达3～5年,风量大，噪音低，扇叶微动平衡处理可以使其高效的工作。

四台风机采用并联的连接方式。

图11环流风机实物图

2.5加热及加湿系统的设计

2.5.1燃油热风机加热系统

系统选用北京盛芳园有限公司生产的KR80-100型燃油热风机，额定发热量为92880kcal/h,经计算，能满足供热面积600m²左右的温室，其结构示意图如下图12所示:

图12KR80-100型燃油热风机机构示意图

设备由风机、高效换热器、燃烧器及自动控制系统组成。

风机采用FZL型轴流风机，风量大，风压高，噪声低，可采用风管送风，热风传输距离长，采暖区温度更均匀。

换热器采用圆环柱筒型烟、空气夹套式的结构，换热器材料全部用不锈钢，换热面积大，排烟非常温度低，热效率极高。

燃烧器采用意大利RIELLO公司的产品，燃烧效率达98％～100％，环保节能设有火焰探测的装置，燃烧可靠。

2.5.2微雾加湿机

本系统采用北京瀚宁空气技术有限公司生产的高压微雾加湿机，该产品将精滤得来的自来水加大压力至7MPa，再从高压水管传送到喷嘴，经过超微细的喷头雾化后以3～10微米的微雾喷射到整个空间，使温室大棚达到增湿的效果，加湿器具有效率高、省电、噪音小等特点，喷头及水雾分配器无动力易损部件，耐磨损，喷雾均匀。

微雾加湿器的加湿量为60～300kg/h，可满足加湿面积在600m²左右的温室需要。

图13微雾加湿机

3主电路的回路设计

3.1电气原理图

qq749986419，可获取电子图及程序

3.2环流风机电路设计

在本系统中，环流风机时整个温室大棚的重要部分，它在植物的生长周期中不断的工作，主要是将大棚内的空气形成对流，使植物在适宜的温度和湿度下生长。

由于在植物生长期间需要对环流风机的转速进行调节，在这里我们通过变频器来实现环流风机的调速，当开始启动环流风机时，以最高转速运行，也就是1120转/分钟，使大棚内的温度、湿度快速搅拌均匀，达到我们设定的温度和湿度，当温度和湿度达到预设值时，大风电机低速运行，转速为280转/分钟。

在后面每三个小时的换气中，大风电机以中速运行，转速为700转/分钟。

3.2.1变频器的使用

在本系统中变频器所用到的端子为：

L1、L2、L3：

连接工频电源，为电源输入端。

U、V、W：

变频器输出，接三相笼式电机。

STF：

正转启动，STF信号ON时便正转，处于OFF时停止。

RH、RM、RL：

信号组合，用来选择多段速度。

SP：

信号公共输入端子。

RUN：

变频器运行输出端子。

SE：

集电极开路输出公共端，RUN、FU的公共端子。

ABC:

为异常输出端，当出现异常时变频器停止工作。

控制端子的使用如下图所示:

图15变频器的控制端子

SD为公共端，STF控制电机正转，STR控制电机反转，RL为环流风机以280n/min运行，RM为环流风机以700n/min运行，RH为环流风机以1120n/min运行。

变频器使用参数设置:

因为本系统所使用的都是普通的三相电机，所以对其内部的参数设置比较简单，大多数是默认值，只需对以下参数进行设置。

Pr.4→40设置高速频率为40HZ

Pr.5→25设置中速频率为25HZ

Pr.6→10设置低速频率为10HZ

Pr.7→1设置