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1绪论

研究背景

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，主要依靠经验和单因子定性调控，设施栽培的智能化程度非常低。

我国设施农业的发展，以超时令、反季节生产的设施园艺作物的发展为主，且发展迅猛。

1997年设施园艺作物栽培面积达万公顷，较80年代初期的栽培面积增长了128倍，人均设施蔬菜占有量1996～1997年为33公斤，较1980～1981年人均设施蔬菜占有量增长了近164倍。

2001年，我国设施园艺面积将突破100万公顷，全国设施蔬菜人均占有量将达到40公斤。

塑料大棚、中棚及日光温室为我国主要的设施结构类型。

其中能充分利用太阳光热资源、节约燃煤、减少环境污染的日光温室为我国所特有。

1997年我国日光温室面积已超过近万公顷。

由农业部联合有关部门试验推广的新一代节能型日光温室,每年每亩可节约燃煤约20吨。

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，但随着社会的进步和科学的发展，我国设施农业的发展将向着地域化、节能化、专业化发展，向着高科技、自动化、机械化、规模化、产业化的工厂型农业发展，为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。

研究的目的及意义

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良好条件。

温室一般以采光和覆盖材料作为主要结构材料,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。

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。

温室控制主要是控制温室内的温度、湿度、通风与光照。

虽然有些温室也安装有各种加热、加湿、通风和降温的设备,但其主要操作大多仍是由人工来完成的当温室面积较大或数量较多时,操作人员的劳动强度很大,而且也无法达到对温湿度的准确控制。

本文介绍一种基于PLC和温湿度传感器的温室控制系统。

2大棚温湿度检测系统概述

农业温室大棚为现代农业提供新的生产环境,取得了良好的经济和社会效益.它可以提高农民收入,提高产业化水平,提高抵御自然灾害能力,延长作物生长时间,提高作物产量.对于农作物来说,温度和湿度是两个非常重要的条件.所以能够监控温度和湿度对农业大棚的生产有着十分重要的意义。

大棚温湿度控制主要内容如下：

表1大棚温湿控制要求

PLC控制的农业大棚温湿度检测系统温度范围0℃┈+50℃.湿度0%～100%.。

1．系统每隔1分钟采集一次温度和湿度,以中断方式读取。

2．正常情况下,系统循环显示采集的温、湿度值,显示器由3位LED显示器构成。

（温度L3显示7，湿度L3显示8）

3．当温度达到30℃以上时,Y1降温阀门动作,低于18℃时,Y2升温阀门动作,设计温度在30℃～18℃之间,Y1和Y2不吸合。

4．当湿度达到90%以上时,Y3降湿阀门动作，低于60%以下时Y4加湿阀门动作，湿度在60%～90%之间，Y3和Y4不吸合

温湿度的检测方法很多,本文是以PLC为控制器的温湿度控制系统的设计.PLC与其他的控制器相比具有较高的抗干扰的能力和高的可靠性,并且对环境的适应行好.对温湿度的采集,可以选择相应的温度和湿度传感器,将温度和湿度转换成相应的电信号送入控制器中.PLC拥有丰富的软件功能,在控制器中我们可以用相应的程序将采集来的模拟信号转换成相应的数字信号.由于数字信号的大小是与被测量有关,但不是温度和湿度的工程量值,所以为了显示温度和湿度的物理量值的大小时,要将数字量进行标度变换.然后将标度变换所得的结果送入显示器中显示.其整体结构如图1所示。

图1系统整体结构图

3系统硬件的选型

PLC的定义

可编程控制器，英文称ProgrammableController，简称PLC，是用于工业现场的电控制器。

它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。

它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

PLC的特点

（1）抗干扰能力强，可靠性好

I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

（2）控制系统结构简单，通用性强

PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

（3）编程方便，易于使用

PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

（4）功能完善

在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。

（5）设计、施工、调试、的周期短

PLC采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。

（6）体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装。

（7）易于实现网络化

PLC可连成功能很强的网络系统。

（8）可实现三电一体化

PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体。

PLC的工作原理

PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。

PLC通电后，首先对硬件和软件作一些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务。

但是PLC也有它自己的特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的

基本的功能

PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：

逻辑处理功能；

数据运算功能；

准确定时功能；

高速计数功能；

中断处理（可以实现各种内外中断）功能；

程序与数据存储功能；

联网通信功能；

自检测、自诊断功能。

像PLC这样，集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。

丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为自动化行业的远程化、信息化及智能化创造了条件

可编程控制器（PLC）的选择

在温湿度检测系统中,输入量为温湿度传感器检测值,输出量为显示器和提示灯.主机选择S7-224，其功能如下。

（1）本机集成了输入/输出14DI/10DO

（2）可以有7个扩展模块,

（3）最大数字量输入/输出范围168

（4）模拟量范围输入/输出/最大28/14/35

（5）用户程序8/12kb

（6）程序执行时间

（7）标志寄存器/计数器/定时器256/256/256

（8）高速计数器6*30KHZ

（9）实时时钟内置

（10）脉冲输出2*20khz

（11）通讯接口1*RS485

（12）模拟电位器2

（13）自整定PID调节内置

扩展模块选择

3.6.1EM231模拟量输入模块的选择

由于温度和湿度都是模拟量,所以选EM231模块做为模拟量输入模块。

表2模拟量输入特性

模拟量输入点数

4

电压（单极性）

0～10V，0～5V

电压（双极性）

±5V，±

电流

0～20mA

电压（单极性）

（0～10V时）（0～5V时）

（0～5V时）

电压（双极性）

（±5V时）（±时）

电流

5μA（0～20mA时）

模数转换时间

＜250μs

模拟量输入响应

～95%

共模抑制

40dB，DCto60Hz

共模电压

信号电压+共模电压（必须小于等于12V）

双极性，全量程范围

-32000～+32000

单极性，全量程范围

0～32000

输入阻抗

大于等于10MΩ

输入滤波器衰减

最大输入电压

30VDC

最大输入电流

32mA

分辨率

12位A/D转换器

EM222输出模块的选择

输出是点亮LED显示器和提示灯,S7-224的输出点不够,为了能够满足输出,选择三个EM222模块做为输出模块.

表3模块输出特性

数字量输入点数

16

消耗电流（最大）

110mA

功耗

3W

屏蔽

500m

非屏蔽

150m

“1”信号输入电压

20V

“1”信号输入电流（最大）

750mA

40℃

3A

55℃以上（水平安装）

3A

节电寿命

无

感性负荷

0.75A

灯负载

5W

阻性负荷

0.75A

尺寸：

（宽×高×深）

×80×62mm

重量

145g

温度传感器选择

本系统中要求检测温度的范围是0℃┈+50℃为了满足要求,系统中选择JCJ100F。

其技术参数如下：

输出信号:

（4～20）mA、（0～5）VDC、（0～10）VDC

输入信号:

Pt100（默认）、Pt500、Pt1000

输入线阻:

≤50Ω

负载电阻:

≤500Ω（电流输出），≥3KΩ（电压输出）

电源电压:

1、24VDC2、12VDC（0～5V电压输出时）3、24VAC4、12VAC（0～5V电压输出时）

环境温度:

-20～80℃相对湿度：

5～90%RH（无凝露）

消耗功率:

≤

湿度传感器的选择

而湿度的范围要求是0%～100%.为满足要求,选择JCJ100H1湿度传感器.其技术参数如下：

工作电源：

12VDC±10%24VAC±10%24VDC±10%

湿度：

5～95%RH无凝露

温度：

-40～80℃

变送器材料：

ABS塑料

外形尺寸：

75×55×28mm

湿度传感器：

湿敏电容HS1101（采用专利技术的固态聚合物结构）

反应时间（ta）：

典型值＜5s

长期稳定性：

典型值%RH/年

有效测量范围：

10～95%

信号输出对应范围：

0～100%

测量准确度：

±3%RH（20～95%RH,20℃）

±2%RH（20～95%RH,20℃）

电压信号：

（0～5）VDC（0～10）VDC（0～1）VDC

电流信号：

（三线制）（4～20）mA（0～20）mA

（0～10）mA（用于单湿度）

湿度测量：

通常状态下，漂移不大于1%RH

负载能力：

电压型≥1KΩ

电流型0～500Ω

电流信号：

24V/45mA

电压信号：

（0～5）VDC：

12V/35mA

（0～10）VDC：

24V/35m

大棚水温空调装置

由于大棚水温空调装置主要由高效舌板式复合热交换燃煤炉和复交换管片式水温空气交换器组成，当大棚温度超过30℃时,Y1降温阀门动作,以浅层地下水或流动的地表水为冷媒进行循环降温。

当温度低于18℃时,Y2升温阀门动作,该装置以燃煤炉提供的热水为热媒进行供暖。

温度在30℃～18℃之间,Y1和Y2不吸合。

当湿度达到90%以上时,Y3降湿阀门动作，风管打开，实现通风换气。

当棚内空气低于60%以下时，Y4加湿阀门动作，喷水加湿。

湿度在60%～90%之间，Y3和Y4不吸合

4系统硬件设计

I/O接口分配

在本系统中启动按钮接,停止按钮接.温度采集模拟量输入通道接AIW0,湿度采集模拟量输入通道接AIW2.主机与扩展模块的I/O分配如表4所示.

表4主机与扩展模块I/O接口

主机s7-224

模块1EM222

模块2EM222

模块3EM222

模块4EM231

AIW0

Q41

AIW2

AIW4

AIW6

输出量与输入量的I/O接口分配如5图所示

表5输出量与输入量I/O分配

启动按钮SB1

停止按钮SB2

Y1降温阀门

Y2升温阀门

Y3将湿阀门

Y4加湿阀门

温度模拟量

AIW0

湿度模拟量

AIW2

温度工程量

VW204

湿度工程量

VW304

显示器LED1

QB2

显示器LED2

QB3

显示器LED3

QB4

PLC与外围器件的连线

PLC与外围器件的连线如图5所示

图5PLC与外围器件连线

5软件设计

主程序的设计

在主程序中,当按下启动按钮系统开始工作.每隔一分钟,对温湿度进行一次采集.此过程是通过调用子程序完成的.同时通过中断程序显示结果.当采样值满足一定要求时提示灯亮.按下停止按钮系统停止工作.其程序如下：

主程序

子程序的设计

子程序的功能是将温湿度传感器所检测的值进行转换和保存,其程序如下

温度采集子程序SBR0

湿度采集子程序SBR1

中断程序设计

中断程序是将温湿度的工程量值送入LED中显示,其程序如下：

中断服务程序INT_0,温度显示程序

中断服务程序INT_1,湿度显示程序

总结

　　这次课程设计根据课题要求,复习了所学的PLC课程内容,设计重点是理论与实际的相结合,使我得到了一次用专业知识,专业技能分析和解决问题的锻炼.通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺.明白学习是一个长期积累的过程,在以后的工作,生活中都应该不断的学习,努力提高自己的综合素质.

　　这次的PLC设计重点是理论与实际的相结合,不单单只是书上的一条条分离的指令.通过这次设计让我更系统的了解了各个指令以及PLC的扩展内容.从设计图到选择元器件,在此过程中出现了不少的问题,我没有气馁,没有退缩,积极向老师和同学请教,我认为态度决定了一切.通过设计,我深深体会到:

知识必须通过应用才能实现其价值!

有些东西以为学会了,但真正到用的时候才发现是两回事,所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了.在设计过程中,我通过查阅大量有关资料,与同学交流经验和自学,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获颇丰.在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,也为即将开始的毕业设计打下了基础。

主要参考文献

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机械工业出版

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