基于plc的大棚温湿度控制综合系统.docx

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基于plc的大棚温湿度控制综合系统

摘要

伴随大家生产水平不停提升，对生活环境和生产环境要求就显得尤为关键，温湿度智能控制就显得极为关键，所以温湿度检测系统就是现代生产生活中应运而生一个智能、快捷、方便可靠检测系统。

在我们日常生活中很多蔬果、花卉全部是由温室大棚培育而出，可是在现阶段该怎样利用自动检测控制系统更有效提升温室大棚调整精度和效率，这对中国农业发展有着不可估量关键意义。

本设计采取三菱FX2N系列可编程控制器来实现自动化控制，温室大棚中温度、湿度等环境原因在植物生长中起关键作用，在检测时应考虑到测量精度、方便设备连接和操作等问题。

采取温度传感器和湿度传感器测量，再将所测量信息反馈给PLC,由PLC将其和设定值做出比较，进而发出对应指令调整温室内温度和湿度，使该系统能够达成自动化控制目标。

关键词：

plc梯形图程序寻

0序言1

1系统设计任务1

1.1课题研究背景及意义1

1.2温室大棚关键结构概述2

1.2.1温室大棚结构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系统工作步骤概述3

1.3.1对温室大棚内温度和湿度进行调整、监测3

1.3.2系统步骤4

2系统硬件选择4

2.1PLC选择4

2.2变频器选择5

2.2.1变频器作用及工作原理5

2.2.1三菱FR-E540通用型变频器6

2.3传感器选择6

2.3.1传感器选择方法6

2.3.2传感器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

4.1PLCI\O分配表21

4.2PLC接线图23

4.3主程序设计和分析24

结束语31

参考文件32

附录A33

0序言

现在塑料大棚、日光大棚成为中国设施农业结构关键组成。

能够充足利用阳光，能够减轻环境污染等特点，伴随改革开放加深，农村劳动力系统转移，城市化进程飞速加紧，农业发展迎来一场新农业变革。

从1995年开始中国大型温室大棚面积快速增加到现在已经有约200公顷。

温室大棚光利用率强，土地利用率高，越冬保温能力强，作物病虫害低等优点。

设施农业大力发展为大棚实现大型现代化发展提供了很好机会，使其快速稳定发展，到现在为止，相当大一部分温室大棚要靠种植者经验为保障来完成，缺乏根本科学性。

这种管理方法缺乏许化指标，正确度低。

仅仅够温室大棚实施被动调整而不能主动使大棚内环境原因自我调整就无法发挥大棚高效性，这对农业现代化进程发展是极大影响。

依据温室大棚温湿度控制系统发展形势可将其分为三个阶段：

手动控制：

这是温室大棚发展初级阶段，技术落后，关键依靠长久从事农业工作者经验实施，也是该系统实施者。

但生产效率低，不适合推进农业现代化进程.自动控制：

这是温室大棚农业发展另外一个阶段，它需要种植者根据棚内作物生长情况设置目标参数，从而控制系统把传感器实际输出值进行比较，达成调整环境原因作用，这有利于大规模生产，提升生产效率，缺点是难以介入植物生长内在规律。

智能控制：

这是最终阶段，该技术关键建立在自动控制和生产实践上，是总结和利用农业领域知识及试验数据建成系统，该技术是在手动控制和自动控制技术以后发展而来，会越来越优异和成熟。

1系统设计任务

1.1课题研究背景及意义

现在，中国绝大部分温室大棚全部安装了加温、降温、通风和除湿等设备，但大部分是经过人工让它工作，若是面积增大种植者劳动强度就会成倍增加，更别提对温湿度正确控制。

结合发展现实状况充足发挥PLC控制优点，再综合种植者经验和温湿度正确自动调整，对推进温室大棚发展起到很大作用。

温室大棚关键作用是为作物提供优异成长环境，以避免四季气候改变和恶劣天气环境。

通常以采光和覆盖式材料作为关键结构材料，它能确保作物健康成长从而提升产量。

温室大棚温湿度控制经过接收光电、温度、湿度传感器传来信号再经过PLC控制和决议调剂多种环境原因而提供良好生长环境。

该系统在前人总结原有基础上，再结合农业知识和多种试验数据搜集，更正确使用外部设备动作完成对应功效。

在不一样季节全部有不一样温湿度标准，依据外界温度改变大棚内温度也会跟着降低或升高但温室里面是可能依据植物生长环境条件来改变，比如到了冬季温度降低，而植物会因温度降低使植物生长得慢和不生长，造成植物产量下降，所以现在农业方面也挺优异，有了控制植物温、湿、光照、二氧化碳、环境温、湿度，和土壤养分、土壤温度、土壤水分等农业环境要素，依据温室作物生长要求，自动控制、浇灌施肥等环境控制设备，自动调控温室内环境，达成适宜植物生长范围，为植物生长提供最好环境。

智能温室控制系统能够使温室运行于经济节能状态，实现温室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温室大棚关键结构概述

1.2.1温室大棚结构

跨度，现在各地生产中使用温室大棚，大多数跨度（自温室南部底脚起至北墙内侧宽度）全部是6-7m。

事实证实，这么跨度，配之以一定屋脊高度，能够确保南屋面（前坡）有极大采光角度。

可确保作物生长有较大空间，又便于被盖保温，还便于选择建筑材料，是比较适用。

假如跨度增大，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。

并提升建材造价。

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

（2）高度温室高度关键是指屋脊高度。

它和跨度有一定关系，在跨度确定情况下，高度增加，温室角度也增加，从而提升采光效果，进而增加蓄热量，填补热量损失一面。

6m跨冬季温室高度以2.7～2.8m为宜，7m跨温室高度以3.1m为宜。

（3）长度以50～60m为宜，假如太短.不仅单位面积造价提升，两边山墙遮阴面也大，影响产量，假如再长，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和地平面夹角。

这个角度越大，前屋面和阳光交角（投射角）越大，透过光线也就越多。

斜立式温室这个角度在北纬400以南地域应达成23℃或以上。

拱圆形温室在北纬40°～42°，拱底脚应达成50°～60°，拱中段要达成20°～30°，上段要达成10°，这么有利于冬季采光。

下图为本课题实物结构图1所表示：

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关键条件，是确保农作物生长需要绝对适宜温度和湿度。

从而使其达成最高产量，温度传感器和湿度传感器就是为了检测温室大棚内温度和湿度从而和设定值相比较作出判定。

而监视仪表则是直观表现出目前温度值和湿度值。

1.2.3电机部分

本系统采取了五种不一样功效电机：

环流风机，它在整个植物生长过程中全天候工作，关键作用是将大棚内空气形成对流，为每一个植物提供适宜温度和湿度。

风冷电机关键作用是当温度超出设定值时进行温室内散热作用，从而确保农作物生长在正常温度下生长。

风门电机关键作用是为农作物提供新鲜空气从而达成控制温室大棚内温度和湿度使其更适合农作物生长。

加湿电机是为农作物生长提供适宜湿度关键部分，提升农作物成活率。

在植物生长中，需要在特定时间对大棚内空气进行加温，达成农作物所需温度。

在大棚中使用圆翼型热镀锌散热器进行加热。

1.3系统工作步骤概述

1.3.1对温室大棚内温度和湿度进行调整、监测

对不一样农作物生长所需最适宜温度也不尽相同如韭菜最适生长温度表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

系统经过传感器来检测温度和湿度，同时对温度进行调整控制。

湿度传感器再该系统中关键控制大棚湿度，经过湿度传感器设定值和目前温室大棚内湿度相比较，来控制风门电机和加湿电机开启，使温室内湿度达成设定值。

1.3.2系统步骤

在该系统中能够实现手动控制和自动控制两种不一样控制要求。

（1）手动控制：

能够手动控制加湿电机、风门电机开启和停止。

（2）自动控制：

温室大棚工作步骤是在播种完成以后，按下开启按钮打开环流风机为了让环流，风机一直处于最好运行速度，经过三菱FR-E540通用型变频器来调速。

当刚开始开启环流风机时以最高速度运行，使大棚温度快速达成20°还有湿度达成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。

当温度超出20°时，加热风机停止工作，风冷电气开启开始散热，是温度达成设定值。

该结构线路简单，工作稳定可靠。

当在改变工艺步骤时，便于线路改造。

方便对系统硬件进行检修和调试。

2系统硬件选择

2.1PLC选择

PLC特点：

（1）通用性强，使用方便：

PLC经过软件实现控制，只需要改变软件就能够实现不一样控制要求，方便快捷适应工艺条件改变。

同时因为PLC产品系列化和模块化能够组成满足多种控制要求控制系统，用户在硬件方面设计工作只是确定PLC硬件配置和I/O外部接线。

（2）功效强，适应面广：

PLC不仅含有逻辑运算、计时、计数、顺控等功效，而且还含有A/D、D/A转换，数值运算和数据处理等功效。

所以，它既能够对开关量进行控制，也能够对模拟量进行控制还含有通信联网功效，能够和上位机和PLC之间组成份布式控制系统。

（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设计”要求，PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰方法，还采取屏蔽、滤波、隔离等抗干扰方法，在软件方面设置了故障检测和诊疗程序，检验判定故障快速方便。

本系统所选择PLC为三菱FX2N系列，其功效强大，使用简单方便。

三菱FX2N系列PLC采取一体化箱体结构，其基础单元将CPU、存放器、I/O接口及电源等全部集成在一个模块内，结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。

FX2N有多个特殊功效模块，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串行通信模块或功效扩展板、模确定时器扩展板等。

因为此次系统输入点用了14个，输出点用了13个所以本系统所选择是三菱FX2N-32MR型号PLC。

图2三菱FX2N-32MR型PLC实物图

2.2变频器选择

2.2.1变频器作用及工作原理

主电路是给异步电动机提供调压调频电源电力变换部分，变频器主电路大致上可分为两类：

电压型是将电压源直流变换为交流变频器，直流回路滤波是电容。

电流型是将电流源直流变换为交流变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分组成，将工频电源变换为直流功率“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生电压脉动“平波回路变频器节能关键表现在风机、水泵应用上。

为了确保生产可靠性，多种生产机械在设计配用动力驱动时，全部留有一定富余量。

当电机不能在满负荷下运行时，除达成动力驱动要求外，多出力矩增加了有功功率消耗，造成电能浪费。

风机、泵类等设备传统调速方法是经过调整入口或出口挡板、阀门开度来调整给风量和给水量，使其输入功率大，且大量能源消耗在挡板和阀门截流过程中。

当使用变频调速时，假如流量要求减小，经过降低泵或风机转速即可满足要求。

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，关键功效有以下几点：

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段速度等功效选择。

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）采取磁通矢量控制，实现1HZ运行150%转矩输出，更低噪音运行。

因为它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控制要求，故应选择

图3三菱FR-E540系列变频器实物图

2.3传感器选择

2.3.1传感器选择方法

依据被测量对象和环境确定传感器类型：

进行测量工作时，首先要考虑到采取什么原理传感器，需要分析很多方面原因才能确定，因为即使是去测量同一个物理量也有很多个原理传感器能够使用，所以依据被测量特点和使用环境应考虑以下几点:

（1）量程大小；

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

在考虑完上述问题后才能更合理选择传感器。

依据传感器灵敏度：

通常在线性范围内，期望灵敏度越高越好，可是实际中我们应该注意是，伴随传感器灵敏度变高，和被测量无关外界信号也轻易被采集，从而影响被测量精度，造成数据可靠性下降，所以应选择灵敏度对系统适宜传感器来使用。

依据频率响应性质：

传感器频率响应，决定了被测量范围，需要在许可条件下保持信号采集才不会失真。

从实际上来说传感器响应特征会有一定时间延误，理论上是期望越短越好，能够使得测量范围变大。

因为传感器结构特点影响，机械性误差比较大所以应选择传感器可测信号率比较低。

在动态测量时，应根据信号特点响应，以免误差过大。

依据传感器精度：

测量精度是传感器很关键一个指标，因为它关系到整个测量系统对测量数据正确度，所以，精度越高传感器价格也全部很昂贵。

所以只要选择对系统适合使用传感器就能够了，假如是为了定量分析，必需有正确测量值，要选择精度等级足够传感器，也是尤其关键步骤之一。

依据传感器稳定性：

传感器在使用一定时间后，其能力保持不变得特征叫做稳定性，所以通常含有良好稳定性传感器全部要对环境含有较强适应能力，选择传感器之前，应对其使用环境做出调查和评定，并选择和其环境匹配传感器。

2.3.2传感器型号及显示仪表选择

温度传感器：

本系统选择是PT100型电阻式温度传感器，它测量范围是-200℃～400℃。

PT100是一个以铂为原材料制成电阻式温度传感器，当它电阻值在0度时为100欧姆。

其外形结构以下图4所表示

图4PT100温度传感器

PT100温度传感器关键技术参数以下表2。

表2Pt100温度传感器关键技术参数：

特征指标

测温范围

-200～400℃

探头长度:

5cm/10cm

15cm/20cm

电阻改变:

0.3851Ω/℃

引线接法

三线式

接线方法:

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温度传感器优点：

含有抗振动、稳定性好、正确度高、耐高压等优点

PT100温度传感器三根芯线接法关键是将PT100铂电阻传感器有三根引线，能够用A、B、C表示，根据规律为，A和B或C之间阻值在常温下为110欧左右，B和C之间为0欧，但从传感器内部结构上看B和C是相通。

仪表上接传感器固定端子有三个，A线接在仪表上接传感器一个固定端子，B和C线位置是能够相互调换，但全部需要接上。

PT100温度传感器采取三线式接法原因为PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω，电阻改变率为0.3851Ω/℃。

因为其电阻值小，灵敏度高，所以引线阻值不能忽略不计，工作原理以下：

PT100引出三根导线截面积和长度均相同（即r1=r2=r3），测量铂电阻电路通常是不平衡电桥，铂电阻作为电桥一个桥臂电阻，将导线一根（r1）接到电桥电源端，其它两根（r2、r3）分别接到铂电阻所在桥臂及和其相邻桥臂上，这么两桥臂全部引入了相同阻值引线电阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻改变对测量结果没有任何影响。

三线式接法原理图图5所表示。

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：

在温室大棚里温度须配有对应温度显示控制仪表才能直观显示出来，本系统所选择是XMOB智能型温度显示器，它能够调整上限温度值和下限温度值。

当室内温度大于下限温度值时，对应输出继电器S1动作，当温室内温度大于上限温度值时，对应输出继电器S2动作，从而实现对温度控制作用。

图6XMOB智能型温度显示器

其关键技术参数是以下表2-2所表示：

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

冷端赔偿误差

≤±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

热电阻和仪表接线图以下：

图7热电阻和仪表接线图

湿度传感器选择：

在通常情况下，韭菜在生长久间对湿度要求在75%RH～85%RH之间。

检测空气湿度方法很多，气原理是依据空气中水分和某种物质之间所引发改变，间接取得该物质吸水率。

电容式、电阻式和湿敏元件分别是依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改变而进行湿度测量。

选择集成湿度传宽，有很好一致性、可反复性，线性度好、湿滞小较高稳定性和可靠性，有较强抗污染能力、使用寿命长。

所以本系统选择是余姚WS-01型号湿度传感器以下图2-7所表示

图8余姚WS-01型湿度传感器

WS-01型号湿度传感器关键参数以下表2-3所表示：

表4WS-01型号湿度传感器关键参数

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：

想要控制温室内湿度，我们必需要配有想对应湿度显示控制仪表，在这里我选择是CJLC-9007系列智能液晶显示控制仪表，其可调整其湿度，当湿度达成我们设定湿度下限值时，输出继电器S3动作。

当湿度达成我们设定湿度上限值时，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关键参数以下：

（1）输入双PT100。

（2）输出支持多个输出控制方法，输出多个继电器输出：

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）保留条件温度：

-20～60℃，避免日光直晒。

湿度传感器和仪表接线图:

图10湿度传感器和仪表接线图

2.4环流风机

在温室大棚内部安装环流风机能够让棚内空气流通形成有序运动，确保空气质量均匀和稳定。

图11所表示，适宜高密度种植温室大棚。

环流风机特点在于整体集流器设计，外壳采取不锈钢，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，扇叶微动平衡处理能够使其高效工作。

四台风机采取并联连接方法。

图11环流风机实物图

2.5加热及加湿系统设计

2.5.1燃油热风机加热系统

系统选择北京盛芳园生产KR80-100型燃油热风机，额定发烧量为92880kcal/h,经计算，能满足供热面积600m²左右温室，其结构示意图以下图12所表示:

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。

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

换热器采取圆环柱筒型烟、空气夹套式结构，换热器材料全部用不锈钢，换热面积大，排烟很温度低，热效率极高。

燃烧器采取意大利RIELLO企业产品，燃烧效率达98％～100％，环境保护节能设有火焰探测装置，燃烧可靠。

2.5.2微雾加湿机

本系统采取北京瀚宁空气技术生产高压微雾加湿机，该产品将精滤得来自来水加大压力至7MPa，再从高压水管传送到喷嘴，经过超微细喷头雾化后以3～10微米微雾喷射到整个空间，使温室大棚达成增湿效果，加湿器含有效率高、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。

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

图13微雾加湿机

3主电路回路设计

3.1电气原理图

qq，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关键部分，它在植物生长周期中不停工作，关键是将大棚内空气形成对流，使植物在适宜温度和湿度下生长。

因为在植物生长久间需要对环流风机转速进行调整，在这里我们经过变频器来实现环流风机调速，当开始开启环流风机时，以最高转速运行，也就是1120转/分钟，使大棚内温度、湿度快速搅拌均匀，达成我们设定温度和湿度，当温度和湿度达成预设值时，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变频器使用

在本系统中变频器所用到端子为：

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：

正转开启，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。

控制端子使用以下图所表示:

图15变频器控制端子

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:

因为本系统所使用全部是一般三相电机，所以对其内部参数设置比较简单，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设置加速时间为2S

Pr.8→1设置减速时间为2S

Pr.9→5电子过流保护

Pr.71→0设置适用电机为适宜标准电机热特征

Pr.79→2操作模式选择

Pr.83→380电机额定电压

Pr.84→50电机额定频率

AC端为变频器异常输出端

3.2.2环流风机回路电路图

依据系统需要，M为环流风机，电机功率为4KW，额定电流为8A。

QF2保护整个主回路作用，起到过载和短路保护。

在此选择10A空气开关型号是德西力CDB6S1P10A。

接触器KM1型号为CJ20-10A，当KM1线圈得电时，KM1主触头闭合，驱动环流风机运行。

电路图以下图16所表示。

图16大风电机主回路电路

3.3加湿电机电路设计

加湿电机在系统中关键为植物正常生长提供适宜湿度，本系统中采取是由北京瀚宁空