某室内植物园温湿度控制系统设计解析.docx

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某室内植物园温湿度控制系统设计解析

摘要

随着工业生产自动化程度的不断提高，模糊控制技术已得到了广泛的推广和应用。

这种建立在模糊控制理论基础上的控制技术为工业控制、家用电器和仪器仪表智能化的应用提供了一种全新的、有效的控制方法，并具有很大的实用意义和前景。

本设计根据室内植物园环境控制的特点，应用模糊控制理论，对植物园内的温度、湿度环境因子进行自动控制，完成了整个控制系统的软、硬件设计。

第一章对室内植物园智能控制系统的发展现状作了一个简单介绍，并确定了本设计的研究目标；第二章对三菱FX2N系列PLC做了简单介绍，并设计了PLC的接口电路；第三章应用模糊控制理论，介绍了室内植物园温度、湿度模糊控制器的设计和实现；第四章介绍了系统的硬件设计；第五章介绍了系统软件的设计；最后对整个系统的完成作出了总结。

关键词：

室内植物园,模糊控制技术,PLC

Abstract

Withindustrialproductionincreasingthedegreeofautomation,fuzzycontroltechnologyhasbeenwidelypromotedandapplied.Thisbuiltonthefuzzycontroltheorybasedonthecontroltechnologyforindustrialcontrol,homeappliancesandinstrumentationintelligentapplicationprovidesanew,effectivecontrolmethod,andhasgreatpracticalsignificanceandprospects.

ThedesignaccordingtothecharacteristicsofindoorenvironmentalcontrolBotanicGardens,theapplicationoffuzzycontroltheory,theBotanicalGardenofthetemperatureandhumidityautomaticcontrolofenvironmentalfactors,thecompletionoftheentirecontrolsystemsoftwareandhardwaredesign.

Thefirstchapteroftheindoorbotanicalgardenintelligentcontrolsystemdevelopmentstatusmade​​abriefintroduction,andtodeterminethedesignoftheresearchobjectives;secondchapterMitsubishiFX2NSeriesPLCmade​abriefintroduction,andthedesignofthePLCinterfacecircuit;ThirdChapterfuzzycontroltheory,introducedtheindoorbotanicalgardentemperatureandhumidityfuzzycontrollerdesignandimplementation;fourthchapterdescribesthesystemhardwaredesign;fifthchapterdescribesthesystemsoftwaredesign;finalcompletionoftheentiresystemtomakeasummary.

Keywords:

IndoorBotanicalGarden;fuzzycontroltechnology;PLC

1绪论

1.1设计背景

PLC（ProgrammableLogicController）是一种数字运算操作的电子系统，

专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执

行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、校

拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外

部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

原始的植物园湿温度的控制系统是应用手动控制，后来又发展到机械设备，到20世纪70年代计算机的应用替代了原始的机械设备的控制，使温室控制进入了一个新的时期。

美国、以色列、日本、荷兰等国均致力干该项技术的研究，并取得了公认的成就。

国外的高档温室已达到了工厂化管理的程度，对多种环境因子能够进行集中调控。

我国植物园的整体水平与世界上发达国家相比差距较大，表现在设施结构、配套设备、环境调控、管理技术等方面。

高档温室基本上靠进口，价格昂贵，其自动化控制与监控系统更是如此。

目前智能温室的发展趋势是采用各种传感器检测温室环境参数，自动调节各个设备的工作状况，从而达到全天气候无人监控条件下的植物园控制系统能正常运行，并且能够实现远程监控和管理。

1.2系统总体方案设计

1.2.1确定系统的控制任务

本设计实例的对象是包括两个展览区的室内植物园，每个展览区包括一个独立的温室，分别是热带雨林区、沙生植物区。

各温室的温湿度既可自行设定，也可以人工设定，并能够自动调节。

要求系统能够对植物园内的温湿度进行准确的测量和有效的控制，要求系统能够自动关窗、给水、送风等。

所要控制的设备主要有水泵、三相异步电机等。

本系统不仅要考虑对空气温湿度的控制，还要考虑对土壤温湿度的控制，不考虑对光照、CO2浓度等参数的控制。

综上所述，本系统应完成的主要任务有：

1）两个温室的温湿度数据采集和闭环控制。

2）电机和水泵的启停控制。

3）温湿度的显示和人机交互的实现。

此外，还要实现系统的越限和故障报警等功能。

对于温室内温湿度控制，温湿度必须进行多点采样。

考虑在温室内各处安装温湿度传感器，对温室内各参数进行监测，选用数据采集器进行数据采集及通讯，通过485总线传输数据。

通过监测程序对数据进行分析、处理。

温室常用设备有双向天窗、侧窗、内/外遮阳幕、内保温幕、多级风扇、湿帘、湿帘外翻窗、微雾降温加湿系统、环流风扇、补光灯、空调、热风机、C02补气、水暖混水阀、水暖循环泵、负压变频调速风机（用于检疫隔离温室）、灌溉阀、灌溉水泵等。

对温室内各参数进行监测，同时对现场设备（如风机、喷淋、温控）进行自动控制。

根据以上分析，可初步画出系统构成粗框图如图1.1所示。

下面根据图1.1再逐步进行系统的分析、设计。

图1.1系统构成框图

1.2.2输入输出接口设计

（一）温湿度检测模拟输入接口设计

一个温室里面使有多个传感器采集点，通过RS485将采集数据统一汇聚到集采设备，工业集采设备采用232/485通信方式与无线通信模块进行连接，对传感器数据进行集中轮询后将数据通过串口送往无线通讯模块。

采用标准的工业串口通信，即插即用，使用高规格的模具设计，方便维护，工程人员无需太多的专业知识，在短时间内即可实现系统的安装与运行。

并且可以灵活解决项目点不断增多的需求，可随时对现有的系统新增监控点而且对现有系统无任何影响。

RS232/485接口如图1.2所示。

接口：

RS232接口：

RS485

图1.2RS232/485接口电路

（二）人机交互接口设计

人机界面（HumanMachineInterface）又称为人机接口，简称为HMI。

从广义上说，HMI泛指计算机与操作人员交换信息设备。

在控制领域，HMI一般特指用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的专用设备。

人机界面是按工业现场环境应用来设计的，正面的防护等级为IP65，背面的防护等级为IP20，坚固耐用，其稳定性和可靠性与PLC相当，能在恶劣的工业环境中长时间连续运行，因此人机界面是PLC的最佳搭档。

综上所述，本设计拟采用HMI触摸屏系统实现人机交互。

PLC与HMI触摸屏之间用串口连接线连接。

如图1.3所示。

图1.3人机交互界面通信线路设计

HMI触摸屏系统包括两个部分：

检测装置和控制器。

触摸屏检测装置安装在显示器的显示表面，用于检测用户的触摸位置，在将该处的信息传送给触摸屏控制器。

控制器接收来自触摸点检测装置的触摸信息，并将它转换成触点坐标，判断出触摸的意义后送给PLC。

他同时能接收PLC发来的命令并加以执行，如动态的显示开关量和模拟量等。

PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。

PLC在执行用户程序时所需输入继电器、输出继电器的数据取自于I\O映像区，而不直接与外部设备发生关系。

在运行工作模式时，PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。

PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

为了使PLC的输出及时的响应随时可能变化的输入信号，用户程序不只是执行一次，而是不断的重复执行。

通过HMI触摸屏上按键与变量建立连接，按下触摸屏上的按键，触摸屏控制器做出反应，给PLC发出信号，然后PLC做出反应，驱动各自控制的内部继电器动作。

2微型计算机选择

计算机控制系统各主机有各自的特点：

·PLC专为在工业环境下应用而设，可靠性高，编程容易，功能完善，扩展灵活，安装调试方便。

·工控机是一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机，配有丰富的外围接口，具有可靠性高，可维修性好，环境适应力强，控制实时性强,输入输出通道完善等优点。

·单片机体积小、功能全、价格低、软件丰富、面向控制、开发应用方便。

·DSP采用改进型的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，光泛采用流水线操作，提供特殊指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理。

·智能调节器是一利数字化的智能仪表，以微处理器或单片微型计算机为核心。

具有数据通信功能，能完成生产过程1-4个回路直接数字控制任务，在DCS的分散过程控制级中得到广泛应用口

考虑成本、开发周期、应用、安装调试和扩展性等方面，在本设计中采用PLC来作为控制系统主机。

目前生产PLC的厂家较多，但能配套生产，大、中、小、微型均能生产的不算太多。

较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有：

 德国西门子公司、日本OMRON公司、美国莫迪康公司（施奈德）、美国AB（Alien－Bradley）公司、日本三菱公司等。

其中日本三菱公司的PLC也是较早推到我国来的。

其小型机FI前期在国内用得很多，后又推出FXZ机，性能有很大提高。

在国内有很好的使用基础，并且有较高的性价比。

考虑到双栋温室开关量输入的点数以及必要的点数冗余，本设计选用三菱FX2N型号的PLC。

FX2N是FX系列中功能址强、速度最快的微型可编程序控制器，它的基本指令执行时问高达0.O8us每条指令，远远超过了很多大型可编程序控制器。

PLC具体配置：

FX2N-48MR（控制单元）和FX2N-485-BD（通讯板）。

这款PLC具有控制能力强、操作灵活方便、可靠铃高、适宜长期连续工作的特点，非常适合高效温室的控制。

2.1三菱FX2N-48MRPLC介绍

1）灵活的配置

除了具有满足特殊需求的大量特殊模块外,6个基本单元中的每个单元可扩展至256I/O接点。

2）高速运算

基本指令:

0.08us/指令,应用指令:

1.52至几百us/指令。

3）突出的寄存器容量

FX2N系列包括8K步内置RAM寄存器,用一个寄存器盒