基于PLC的温室大棚控制系统设计.docx
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山东科技大学泰山科技学院学士学位论文
山东科技大学泰山科技学院
本科毕业设计论文
题目：
基于PLC的温室大棚控制系统设计
系部名称：
机电工程系
班级名称：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学号：
指导老师：
完成日期：
2016年6月6日
摘要
温室大棚是用来栽培农作物的设施，它能改变农作物的生长环境，使其能够外界的四季变化和恶劣气候，为农作物的生长创造适宜的条件。
温室大棚作为高效农业的重要组成部分，已经成为我们研究的方向。
如何利用科学技术控制温室内的各种环境因子，已成为我国温室大棚行业研究的重要课题之一。
本论文主要介绍了基于PLC控制的温室大棚系统设计方案，该研究中将采用温度传感器、CO２浓度传感器、光照传感器对温室大棚中各项指标进行检测，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。
在此基础上，实现监测、数据记录、数据输出显示等功能，实现了控制系统优良的人机界面，为温室大棚的研究提供新的方向。
关键词：
温室大棚；可编程控制器（PLC）；传感器；控制；
ABSTRACT
Greenhousesareusedforgrowingplantsinarangeoffacilities,itcanchangethecropgrowingenvironment,enablingittotheoutsideoffourseasonsandharshclimate,creatingsuitableconditionsforcropgrowth.Greenhousesasimportantcomponentofagriculture,hasbecomeourresearchdirections.Howtousescienceandtechnologytocontrolenvironmentalfactorswithinthegreenhouse,greenhouseindustryhasbecomeanimportantsubjectofstudy.
Describedinthispaper,basedonSiemensS7-200seriesPLCcontrolsystemdesignofgreenhouseTheresearchwillbeusedtemperaturesensor,andCO2concentrationsensor,andlightsensorongreenhousebigshedinthetheindexfordetection,willmeasurementvalueintoPLCinthe,inPLCwillbeitsandsetvalueforcompared,againissuedcorrespondingofinstructiondriveperipheralequipmenttoRegulationgreenhousebigshedwithinofenvironmentparameter,toachievedhasgreenhousebigshedofautomation,andintelligentofcontrol.Onthisbasis,usingconfigurationsoftwareconfigurationdesignofcontrolsystems,monitoring,datalogging,dataoutputfunction,achievingexcellentcontrolsystemhuman-machineinterface,forgreenhouseresearchtoprovidenewdirection.
Keywords:
greenhouse;programmablelogiccontrollers（PLC）;sensor;control;application.
目录
摘要....................................................................................................................Ⅰ
ABSTRACT..........................................................................................................Ⅱ
目录....................................................................................................................Ⅲ
1绪论.................................................................................................................1
1.1课题概述...............................................................................................1
1.1.1课题简介...................................................................................1
1.1.2研究目的及意义.......................................................................1
1.2国内外研究现状...................................................................................2
1.2.1国内研究现状...........................................................................2
1.2.2国外研究现状...........................................................................2
1.3研究内容...............................................................................................3
2控制系统的整体控制方案.......................................................................4
2.1控制系统的设计任务...........................................................................4
2.2系统的控制方案...................................................................................4
3控制系统的硬件设计................................................................................7
3.1电气控制系统设计................................................................................7
3.1.1系统主电路设计........................................................................7
3.1.2控制系统各部分控制电路设计................................................7
3.2PLC简介...............................................................................................12
3.2.1PLC的产生和系统组成...........................................................12
3.2.2PLC的工作原理.......................................................................12
3.3PLC控制系统设计的基本原则及步骤...............................................14
3.3.1设计PLC控制系统的基本原则...............................................14
3.3.2PLC控制系统的设计步骤.......................................................14
3.4PLC硬件电路设计...............................................................................17
3.4.1PLC型号的选择.......................................................................17
3.4.2传感器的选型..........................................................................17
3.4.3模拟量输入模块EM235............................................................19
3.4.4PLCO/I地址分配表...............................................................21
3.4.5PLC硬件接线图设计...............................................................23
4控制系统的软件设计..............................................................................24
4.1PLC程序设计方法...............................................................................24
4.2编程软件STEP7-MICRO/WIN概述.......................................................24
4.3控制系统的程序设计..........................................................................25
4.3.1程序的设计思路......................................................................25
4.3.2程序控制流程图......................................................................26
4.3.3控制程序设计及分析..............................................................29
结论....................................................................................................................36
参考文献..........................................................................................................37
致谢....................................................................................................................39
附录1外文资料翻译..................................................................................40
附录2电气原理图.......................................................................................53
附录3软件程序............................................................................................54
IV
1绪论
1.1课题概述
1.1.1课题简介
温室大棚是用来栽培植物的设施。
温室是用来改变农作物的生长环境,避免外界四季变化和恶劣气候对农作物的不利影响，为农作物生长创造适宜的条件。
温室环境指的是农作物的生长空间,它是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等诸多因素组成的。
温室控制主要是通过控制温室大棚内的温度、湿度、通风与光照等自然因素，使得它可以在不适合农作物生长的季节和恶劣的环境下可以高效的种植农作物。
从而达到对农作物调节产期、促进农作物生长发育、提高产量的目的。
现代化温室中具有控制温度、光照、气肥等条件的设备，并采用电脑进行自动智能控制，以此创造农作物生长所需最佳的环境条件。
1.1.2研究目的及意义
目前的农作物栽培设施中，按国家标准装配的钢管塑料大棚和玻璃温室仅占全国大棚面积的一少部分，大多数的农村仍是采用自行搭建的竹木棚。
这种简单的竹木棚只能起到一定的保温效果，根本谈不上对光照和二氧化碳的合理充份的利用，而且抗自然环境的能力很差，面对突发的气象灾害也无能为力。
即使那些为数不多的装配式塑料大棚和玻璃温室，也都不同程度的缺乏配套的专业调控设备和仪器，所以我国的现代化农业特别是温室大棚领域的自动智能化程度还非常低。
中国农业发展，必须走现代化发展这一条路。
随着经济的发展，现在化农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚，因为温室大棚已经成为了现代化高效农业的一个重要组成部分。
现代化农业最重要的一环就是对环境中影响农作物生长的因素做检测和控制，通过对温室环境的监测数据的分析，并结合农作物的生长规律，对环境因素的控制，是作为温室大棚自动化、智能化生产管理的基本保证，从而能使农作物达到优质、高效的栽培目的。
所以，现在我们进行温室大棚PLC监控系统的设计具有积极的现实意义。
本课题通过对可编程控制器PLC、传感器的学习和研究，完成了利用西门子PLC与电脑终端组成的温室大棚群监控系统。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
我国温室大棚技术起步较晚，政府发展的以塑料大棚、日光温室为主的农业栽培设施，促进了农村的经济发展和缓和了蔬菜的季节性短缺矛盾。
利用太阳光热资源，节约不可再生能源，减少环境污染是我国温室大棚的一大特色。
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能自动控制的调控机构有：
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。
控制器综合调节各个机构，使系统在节省能源的同时保证室内气候满足植物生长需要。
使用的控制器也有很多选择，如单片机、工控机、PLC、通用PC机等。
1.2.2国外研究现状
西方发达国家在现代农业领域的起步比较早。
1949年，美国借助于工程技术的发展，建成了第一个人工气候室。
随着计算机技术的快速发展，温室大棚作为现代化农业设施的重要组成部分，其自动控制技术和管理技术得到不断地提高，在世界各地都得到了不错的发展。
目前，国外的温室大棚内部设施已经发展到了比较完备的程度，并形成了一定的技术标准。
温室内被控环境因子由计算机控制，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，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的控制。
计算机对于这些系统的控制已经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于PLC的智能控制系统，一些国家在实现自动化的基础上向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.3研究内容
可编程控制器是集计算机技术、自动控制技术和通讯技术为一体的新型自动控制装置，PLC的优越性能，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领域的三大支柱之一。
PLC的应用已经成为了世界潮流，在以后PLC技术将会在我国的到更全面的应用。
本文研究的是PLC技术在温室大棚技术上的应用。
从整体上分析研究了温室大棚控制系统的电路设计、硬件设计、软件设计和人机界面等。
本次的研究内容为温室大棚PLC控制系统。
温室大棚的作用是改变植物生长的环境，从而避免因四季变化和突发的恶劣天气对植物生长发育的不良影响，为植物生长提供一个良好的生长环境。
在农作物的生长环境中，温室大棚中的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境参数对农作物的生长起着非常重要的作用。
本次研究以可编程控制器PLC为核心，通过传感器检测温室中的环境参数，经变送为4-20mA的电流信号后送入S7-200的模拟量输入模块EM235，经分析处理，输出开关量，通过驱动电路控制通风扇、冷暖风机、遮阳帘、二氧化碳发生器等多种执行机构，进而实现对温室大棚智能化控制，从而实现良好的人机界面。
2控制系统的整体控制方案
2.1控制系统的设计任务
本控制系统主要针对的被控对象是温度、光照、二氧化碳浓度，通过对这些因素的检测，然后与设定值进行比较，然后进行调节。
温度的调节主要靠通风扇、风机、和加热器进行调节；光照主要通过遮阳帘进行控制；二氧化碳浓度主要通过二氧化碳发生器来进行调节。
本次设计的温室大棚就是通过温度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器来检测温室大棚中的温度、光照强度、二氧化碳浓度等信息，然后通过PLC控制系统控制温室大棚的通风扇、冷/热风机、遮阳帘、加热器、二氧化碳发生器等硬件设施，对温室大棚中的环境因子进行调控，以使温室大棚里的环境为最适宜农作物生长的环境。
2.2系统的控制方案
在温室大棚中，需要一套完善的温室控制系统来控制上述任务。
本控制系统以PLC为控制核心，采用传感器对温室大棚中的各项环境因子进行检测，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，通过执行设备对温室中的各项环境因子进行调控。
考虑到实际生产中的稳定性与安全性，本控制系统设有自动、手动两个模式，自动方式是周期性的按照PLC进行控制，手动模式是当遇到紧急突发状况时，改为手动操作，进而去控制执行设备的运行。
通过传感器检测到数据和设定的数值进行比较，然后通过软件程序去执行相关的命令，本设计的优点是成本低廉，节约资源，能实现利益最大化。
该温室大棚的控制系统总体框图如下图2.1所示：
图2.1控制系统总体框图
该温室大棚控制系统由PLC系统，传感器系统，外部执行系统等几部分组成，以PLC控制系统为核心，通过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，经过与设定值比较，输出开关量进而对执行设备进行控制。
本系统为一个温室大棚的控制系统，以后还可以以大棚群为单位，通过上位机进行统一控制。
具体来说就是按下启动按钮，系统启动后，接收由温度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器检测到的信号，然后经过PLC内部处理，由输出模块输出控制信号，以控制外围的执行器件。
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、通风扇来调节室内温度；光照则由遮阳帘和发光器来进行调节；二氧化碳浓度则由二氧化碳添加器来添加。
3控制系统的硬件设计
PLC控制系统的设计主要由硬件设计和软件设计两部分组成。
本章主要从硬件角度介绍了温室大棚控制系统的硬件设计方案，主要从电气控制系统设计、PLC外部接线图及外部硬件配置方面进行设计。
3.1电气控制系统设计
3.1.1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。
其中通风扇和遮阳帘主工作电路相似，都需要电机的启动、停止以及正反转来完成工作，不同点是通风扇和遮阳帘电机的功率不同，且遮阳帘电机带限位开关。
其中冷/热风机、加热器、发光体、CO2发生器的工作原理大致相同，都属于开关设备。
图3.1温室大棚控制系统主电路原理图
从上图可以看出，QK为刀开关，其作用为控制整个主电路的启停；FR1-FR5位热继电器，起过载保护作用；FU1-FU7为熔断器，对各支路起到短路保护和过载保护作用；KM1-KM9为接触器的主触头，可以实现电机的启停、正反转以及开关设备的启停控制。
3.1.2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
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