温室大棚控制系统.docx

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温室大棚控制系统

摘要

随着社会经济的快速增长，人民生活水平不断提高，资源短缺、环境恶化与人口剧增的矛盾越来越突出。

传统农业大棚生产中，主要依靠人力、畜力和各种手工工具以及一些简单的机械动作，农业科技含量、装备水平相对滞后，浇水、灯光、施肥等控制全凭经验、靠感觉，导致农业大棚生产率低下、产量增长缓慢，从而阻碍了农业技术的进步以及生产工具的创新。

据此，特设计了智能化农业大棚控制系统。

设计目标指在实现对农业大棚内的温度、适度、光照、二氧化碳浓度、土壤酸碱度等环境进行智能化的采集，并通过PC主机对大棚进行无人管理，达到节省资源、提高效率的目的。

该智能农业大棚主要包括:

智能通风控制、智能补光、智能灌溉、大棚空气质量（C02）自动调整等组成部分。

关键词：

智能；采集；管理

ABSTRACT

Withtherapidgrowthofsocialeconomyandthecontinuousimprovementofpeople'slivingstandards,thecontradictionbetweenshortageofresources,environmentaldeteriorationandpopulationincreaseisbecomingmoreandmoreprominent.Intraditionalagriculturalgreenhouseproduction,mainlyrelyonmanpower,animalpowerandvarioushandtoolsaswellassomesimplemechanicalactions,agriculturalscienceandtechnologycontent,equipmentlevelisrelativelylaggingbehind,watering,lighting,fertilizationandothercontrolallrelyonexperience,relyonfeeling,resultinginlowproductivityandslowyieldgrowthinagriculturalgreenhouse,thushinderingtheprogressofagriculturaltechnologyandinnovationofproductiontools.Accordingtothis,theintelligentagriculturalgreenhousecontrolsystemisspeciallydesigned.

Thedesignobjectivereferstotherealizationofthetemperature,Appropriate,light,carbondioxideconcentration,soilpHandotherenvironmentsforintelligentcollection,andthroughthePChosttothegreenhouseunmannedmanagement,toachievethepurposeofsavingresourcesandimprovingefficiency.

Andtheintelligentagriculturalgreenhousemainlyincludes:

intelligentventilationcontrol,intelligentlightsupplement,intelligentirrigation,greenhouseairquality（C02）automaticadjustmentandothercomponents.

Keywords:

Singlechipcomputer;Intelligence;Collection;Manageme

第1章绪论

1.1引言

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，为植物生长创造适宜的条件。

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。

温室控制主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，从而达到对农作物调节产期、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，以此创造植物生长所需的最佳环境条件。

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加。

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单低廉的竹木大小棚，只能起到一定的保温作用，根本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乏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程度非常低。

除此之外，我国设施农业目前还存在着诸如土地利用率低、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。

1.2设计目的

通过本次设计使学生将课本中所学的专业知识应用于设计实践，以巩固课堂学的专业知识，为今后的毕业设计打下良好的基础。

1.3设计任务

能够实现远程通讯的智能农业大棚集散控制系统,该系统分为四部分：

末端、集线器、中继器和控制平台。

能够将采集的现场温度等数据和大棚内的状态数据通过集线器和中继器传递到控制平台,使控制平台能够从整体上了解整个大棚的运行状态；根据实际需要通过中继器和集线器发送命令给末端改变末端的运行状态或设定温度,从而实现大棚的集中控制。

设计系统总体架构的设计和单一控制点电路的设计。

要求：

（1）选择集散控制系统平台，各站硬件设备的选型及连接；

（2）系统站点的硬件连接电路，软件设计。

1.4设计要求

1、要求每个学生独立完成设计任务。

2、各个环节及整个系统的工作原理。

3、硬件选型及连接。

4、相应软件流程图设计。

4、要求提交成果。

（1）设计说明书一份；要求格式正确，不能有抄袭现象。

第2章系统总体方案设计

2.1集散控制系统结构

图2-1集散控制系统结构框图

2.2集散控制系统设计

本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（4~20mA）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处理，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。

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，如果被检测量温度高于设定值，PLC就会发出相应的指令控制开启通风窗和冷风机；如果测量值与设定值相等，则关闭通风窗和冷风机；

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。

当温室的光照低于设定值时，系统打开遮阳帘或开启发光体；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，系统开启二氧化碳添加器。

通过温度，光照和二氧化碳浓度的设定与调节达到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。

系统总体电路如下图所示。

图2-2集散控制系统电路图

第3章硬件选型与连接

3.1主控的选型与连接

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。

PLC控制系统专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

是工业控制的核心部分。

图3-1为PLC的基本结构。

自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。

同时，PLC的功能也不断完善。

随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。

今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

本课题研究的是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。

图3-1PLC的基本结构框图

根据系统的控制要求，可确定系统所需的全部输入设备（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），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，最终确定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。

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要求，又能满足以后发展的前提下，选用的S7-200系列的CPU226。

IO口分配表如下所示：

图3-1PLC的输入端口配置表

图3-2PLC的输出端口配置表

3.2热风机的选型与连接

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，热风机运行。

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

图3-2热风机控制电路图

3.3遮阳帘的选型与连接

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，当遮阳帘开启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，遮阳帘开启；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开启或闭合由硬件、算法和程序共同决定。

图3-3热风机控制电路图

3.4温度传感器的选型与连接

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，对环境要求较低等特点，其外观如图所示。

HMD40传感器性能指标:

1、温度检测范围：

-10～60℃；测量精度：

±0.3%℃；

2、湿度检测范围：

0～100%RH；测量精度：

±1.5%RH；

3、工作电压：

10～28VDC；

4、输出信号：

4～20mA。

3.5光照传感器的选型与连接

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。

Poi88-c光照度传感器性能指标：

量程：

O-200K1UX、O-20K10X、0-2000可选；

供电电压：

24VDC／12VDC；

输出信号：

20—4mA，10V—OV可选；

精度：

±2％。

3.6光照传感器的选型与连接

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。

Poi88-c光照度传感器性能指标：

TGS4160二氧化碳传感器

测量范围：

0～5000ppm；

使用寿命：

2000天；

内部热敏电阻（补偿用）：

100kQ±5％：

使用温度：

一10～+50℃

使用湿度5～95％RH。

3.7模拟量的选型与连接

EM235模拟量输入输出混合模块输入信号整定的步骤：

在模块脱离电源的条件下，通过DIP开关选择需要的输入范围。

接通CPU及模块电源，并使模块稳定15分钟。

用一个电压源或电流源，给模块输入一个零值信号。

调节偏置电位器，模拟量输入寄存器的读数为零或所需要的数值。

将一个满刻度的信号加到模块输入端，调节增益电位器，直到读数为32000，或所需要的数值。

经上述调整后，若输入最大值为0～10V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为32000或所需数字，其关系如图3-4所示。

图3-4模拟量与数字量的关系图

24VDC电源正极接入模块左下方L+端子，负极接入M端子。

EM235模块的上部端子排为标注A、B、C、D的四路模拟量输入接口，可分别接入标准电压、电流信号。

为电压输入时，如A口所示，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，如B口所示，须将RB与B+短接，然后与电流信号输出端相连，电流信号输入端则接入B-借口。

若4个接口未能全部使用，如C口所示，未用的接口要将C+与C-端用短路子短接，以免受到外部干扰。

下部端子为一路模拟量输出端的3个接线端子MO、VO、IO，其中MO为数字接地接口，VO为电压输输出接口，IO为电流输出接口。

若为电压负载，则将负载接入MO、VO接口，若为电流负载则接入MO、IO接口。

第4章软件设计与运行

4.1光照控制软件设计

图4-1光照控制流程图

4.2CO2浓度控制软件设计

图4-2热风机控制电路图

4.3PIC软件设计

图4-3自动手动切换编程图

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。

图4-4自动情况下的温度控制编程图

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“25度”进行比较，当AIW0>25时，中间继电器M0.2得电，启动降温设备；当AIW0<25时，中间继电器M0.3得电，启动升温设备。

图4-5手动情况下温度控制编程图

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4-6通风扇正转编程图

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4-7通风扇反转编程图

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低于设定的温度值时，中间继电器M0.3得电，通风扇反转，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4-8热风机启动编程图

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低于设定的温度值时，中间继电器M0.3得电，热风机启动；手动模式下，按下热风机启动按钮，中间继电器M0.6得电，热风机启动。

图4-9冷风机启动编程图

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，冷风机启动；手动模式下，按下冷风机启动按钮，中间继电器M0.7得电，冷风机启动。

图4-10加热器编程图

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低于设定的温度值时，中间继电器M0.3得电，加热器启动；手动模式下，按下加热器启动按钮，中间继电器M1.0得电，加热器启动。

图4-11自动情况下的光照控制编程图

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，光照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AIW2与设定值“20”进行比较，当AIW0>20时，中间继电器M2.0得电，启动补光设备；当AIW2<20时，中间继电器M2.1得电，启动补光设备。

图4-12手动情况下光照控制编程图

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——遮阳帘开帘I0.5、遮阳帘关帘I0.6、补光灯I1.4，进行温室大棚光照强度的手动控制。

图4-13遮阳帘开帘编程图

在温室大棚的光照控制过程中，自动模式下，当光照传感器测量的光照强度低于设定的光照值时，中间继电器M2.1得电，遮阳帘开帘补光；手动模式下，将控制遮阳帘开关帘的单刀双掷开关拨至“遮阳帘开帘”，中间继电器M2.2得电，遮阳帘开帘补光。

图4-14遮阳帘关帘编程图

在温室大棚的光照控制过程中，自动模式下，当光照传感器测量的光照强度高于设定的光照值时，中间继电器M2.0得电，遮阳帘关帘遮光；手动模式下，将控制遮阳帘开关帘的单刀双掷开关拨至“遮阳帘关帘”，中间继电器M2.3得电，遮阳帘关帘遮光。

图4-15补光灯编程图

在温室大棚的光照控制过程中，自动模式下，当光照传感器测量的光照强度低于设定的光照值时，中间继电器M2.1得电，补光灯开启补光；手动模式下，按下补光灯的启停按钮，中间继电器M2.4得电，补光灯开启补光。

图4-16自动情况下的CO2浓度控制编程图

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，CO2浓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CO2浓度传感器检测到的测量值AIW4与设定值“1000”进行比较，当AIW4<1000时，中间继电器M3.0得电，添加温室中的CO2。

图4-17手动情况下的CO2浓度控制编程图

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CO2调节阀I1.5，进行温室大棚CO2浓度的手动控制。

图4-18CO2调节阀编程图

在温室大棚的CO2浓度控制过程中，自动模式下，当CO2浓度传感器测量的浓度低于设定的浓度时，中间继电器M3.0得电，打开CO2调节阀添加CO2；手动模式下，按下CO2添加器的启停按钮，中间继电器M3.1得电，打开CO2调节阀添加CO2。

第5章调试与总结

5.1软件的调试

软件运行结果如下图所示：

图5-1软件界面图

图5-2软件报表输出图

图5-3软件曲线输出图

5.2软件的总结

整个设计报告思路，首先讲述了温室大棚的一般概况及工作原理；其次讲述了温室大棚自动控制的工作原理及硬件系统和组成；第三论述温室大棚的系统硬件的设计与研究，及其硬件各系统的作用；第四讲述软件系统的设计方案；最后总结在设计中得到的宝贵经验及发现发现的问题。

温室大棚自动控制系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效农业发展技术，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、智能传感技术等高科技手段发展起来的。

温室控制主要是根据外界环境的温度、湿度等气候因素，来控制温室内的温度、湿度，创造出适合作物生长的最佳环境。

在这种控制中，温度、湿度等被控量之间存在着强烈的相互关系，某个被控量的改变，会影响到其他被控量的变化。

所以对这些参数的控制是至关重要的。

本控制系统由西门子S7-300PLC实现，由温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和土壤水分传感器反应相应的参数以实现智能化控制。

温室环境控制的目的是把各被控变量（温室大棚环境因子），如温度、湿度等，维持在作物生长发育要求的范围内。

随着科学技术的不断发展，设施农业已成为提高农业生产效益和增强抗灾能力的一种农业新兴产业。

它是借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件的新农业生产方式，是农业摆脱自然制约的有效手段。

作为设施农业主体的温窀技术近年来在我国得到了迅猛发展，温窀可创造出适合农作物生长的与季节无关的人工气候环境，实现作物优质、高效、低耗的工业化规模生产，从而达到增产增收目的。

如何促进温室的有效控制，使气候与季节信息技术共享和完成最佳的自动化生产控制过程，是目前温窜生产发展的一个重要方向。

笔者运用PLC和组态软件搭建了一套分布式监控系统，旨在为促进设施农业的发展提供基础归纳起来，温拳监控系统采用计算机实时检测温室环境参数，并给PLC指令以调节各电动执行器，自动控制作物生长所需温度、湿度、水等生长条件，根据风速、风向、雨最等气候条件，进行紧急状态的报警。

另外系统采用分散控制，结构合理，易于控制和扩展，价格便宜，可靠性高。

温室环境控制系统正在不断吸收相关领域新的理论和方法，结合温室作物种植的特点，不断创新，逐步完善。

我相信在不断的发现在问题、解决问题中中国的温室产业将走上更加辉煌的道路。

结论

本次的课程设计，培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力；我觉得课程设计对我们的帮助是很大的，它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力！

在设计的过程中还培养出了我这们的团队精神，同学们共同协作，解