基于PLC的温室控制系统设计.docx

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基于PLC的温室控制系统设计

摘要

温室是植物栽培生产中必不可少的设施之一，可以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，为植物的生长创造适宜的良好条件。

随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活密切相关，已经越来越受到世界各国的关注与重视。

这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。

本文介绍一种基于PLC（ProgrammableLogicController）的温室控制系统，该系统实现了对室内各环境变量的实时监测和调节，大大降低了操作人员的劳动强度，同时提高了作物的质量与产量。

其主要内容包括：

1）研究花卉温室控制系统方案设计。

2）电气控制电路设计。

3）基于PLC的电气控制系统设计。

4）利用西门子编程软件设计PLC程序。

5）利用WinCCflexible组态软件设计人机交互界面。

6）系统调试与测试。

关键词：

温室；PLC；WinCCflexible；人机交互界面

Abstract

Greenhouseisoneoftheessentialplantcultivationandproductionfacilities,canbeusedtochangetheenvironmentforthegrowthofplants,avoidoutsidethefourseasonschangethebadweatherandtheadverseeffectsoncropgrowthandforplantgrowthandcreategoodconditionsforappropriate.Withthedevelopmentofagriculturalmodernization,theFacilitiesHorticultureprojecthasbecomemoreandmoreconcernedwiththewiderangeofsubjects,hightechnologycontent,andpeople'slife.ThisalsoforthedevelopmentofChineselarge-scalemodernizedgreenhouseprovidesanexcellentopportunityandhaveahugerole.ThispaperintroducesakindofgreenhousecontrolsystembasedonPLC（ProgrammableLogicController）,whichrealizesthereal-timemonitoringandadjustmentoftheindoorenvironmentvariables,whichgreatlyreducesthelaborintensityandimprovesthequalityandyieldofthecrops.Itsmaincontentsinclude：

1）Theflowersgreenhousecontrolsystemdesign.

2）Electricalcontrolcircuitdesign.

3）ElectricalcontrolsystemdesignbasedonPLC.

4）UsingthesoftwareofSiemensPLCprogrammingtodesignprogram.

5）UsingthesoftwareofWinCCflexibletodesignHMIconfiguration.

6）Thesystemdebuggingandtesting.

Keywords:

Greenhouse;PLC;WinCCflexible;HMI

第一章绪论

1.1课题背景及意义

在人们的日常生活中，鲜花是一种必不可少的消耗品，随着人们生活水平的不断提高，人们对鲜花的需求量越来越大，同时对鲜花的种类、数量以及质量的要求越来越高，而市场有时还需要提供反季节花卉的日常需求。

对于传统的种植方式来说，已经无法满足目前社会对鲜花的需求，我们需要对花卉的生长进行更加精确的控制，因此，智能温室的管理与控制系统对于花卉种植来说是至关重要的。

本文旨在设计出可以满足花卉正常生长条件的温室控制系统，从而在最大程度上减轻相关工作人员的劳动强度，同时提高花卉的生产率以及品质，实现花卉的工业化生产。

从而促进了我国以全自动化控制且智能化管理的商品花卉工业化生产方式来取代目前落后的花卉生产方式，加快推动了我国农业现代化的发展进程。

1.2国内外研究现状

温室系统起源于美国，1949年美国由于工程技术的快速发展，建造了第一个植物人工气候室[1]。

在1974年，荷兰首次研制出计算机控制系统CECS，从而实现了施肥、温室供水和环境自动化控制[2]。

目前，英国的温室采用计算机管理，主要控制各种环境变量。

日本利用网络技术来实现对种植数量大且地点比较分散的农场实现远距离监控与管理[3]。

从20世纪70年代起，我国的农业工程技术人员开始学习借鉴国际上设施农业发展的先进经验，致力于温室系统的研究与开发工作。

1995年建立的潍坊职业学院潍禾示范农场，是中国与以色列合作建立的第一批商业示范农场[4]。

90年代中后期起，我国高校开始研制自己的控制系统。

近年来我国温室控制系统发展很快，已经出现了设计生产日光温室的公司。

但是这些公司的控制系统一般选用单片机，由单片机设计的人机交互界面很不友好，非专业人员操作困难，这就导致了自动控制模式大多数时间处于闲置状态。

同时，单片机设计的控制系统难以完成对大范围、地点分散的农场的监控与管理。

而采用可编程控制器（ProgrammableLogicController）作为控制器则能有效的改变这一现状，因为PLC具有使用灵活、通用性强、可靠性高、抗干扰能力强、维护简单等优点[5]，完全可以实现对大范围农场的实时监控与管理。

采用PLC实时监测与控制的分布式系统已成为当前发达国家一致的发展方向。

PLC作为温室控制系统的核心控制器，担负着向上位机触摸屏传送监测数据及对执行机构下达命令的任务。

而将PLC作为温室系统的核心控制器，可以极大程度上的简化控制系统，PLC的发展也将对温室系统的发展起到至关重要的作用。

1.3论文内容结构

本文采用西门子系列PLCS7-1200作为核心控制器，结合西门子smart700IE触摸屏，设计了一套基于PLC的温室控制系统。

本文主要工作如下：

第一章，绪论部分扼要地介绍了课题的研究背景与意义，以及目前国内外对于智能温室系统研究的进展。

第二章，系统总体结构设计部分对温室控制系统的设计要求以及其所具备的功能和硬件组成进行了具体的研究与分析。

第三章，系统硬件模块设计部分结合电气原理图分析了系统的主电路和控制电路，并介绍了执行机构的功能以及控制器与传感器的选型。

第四章，PLC软件设计部分对温室控制系统的软件程序部分进行了详细的分析，给出了系统的控制流程图和变量表，并结合梯形图对程序做了简要分析。

第五章，人机界面部分主要介绍了触摸屏的组态画面，及各个画面所具备的功能。

第六章，在S7-1200试验台上分别完成PLC程序及触摸屏程序的调试工作，最后进行了系统联调。

第七章，总结全文，介绍了本次设计的主要工作，以及控制系统的特色与创新，总结了本次设计存在的一些不足，并给出了相应的建议。

1.4本章小结

本章主要介绍了本课题的研究背景及其意义，重点介绍了国内外温室系统的研究与发展趋势，结合国内外温室系统的发展状况，分析了本次毕业设计的重要意义，并对本文结构做了简要介绍。

第二章系统总体结构设计

2.1温室的工艺要求及设施构成

温室的作用是创造出一个适宜植物生长的环境，尤其是在不适合该农作物生长的地区或季节，其作用更加明显。

不同的农作物其生长环境各不相同，相应的，对温室的工艺要求及硬件设施构成也不尽相同。

因此，需要先确定一个对象，进而确定温室的工艺及设施构成。

2.1.1温室的工艺

本次毕业设计主要研究的是花卉温室控制系统，在工艺方面对温室内的温度、光照强度、土壤湿度、空气湿度、CO2浓度等有相应的要求，通过控制系统对这些环境变量进行实时监控，从而建立一个适合花卉生长的最佳环境。

本文中以大叶花烛作为植物样本，查阅相关资料，总结得出该植物生长的最佳环境，制定温室内的各项工艺要求，构建出一套智能温室控制系统。

大叶花烛为喜阴植物，最佳生长温度为14-35℃，土壤湿度为12-25%，空气湿度为70-85%，光照强度为15000Lux以下，二氧化碳浓度为150-1000ppm[6]。

2.1.2温室的设施构成

花卉温室控制系统包含触摸屏、控制器PLC、执行机构以及传感器等装置。

触摸屏是人机交互设备，用于实时显示数据，便于操作人员监测，同时在紧急情况下可以实现对温室系统的手动控制功能。

控制器部分接收传感器的输出信号，并根据已定的PLC程序，进行相应的运算和处理，驱动执行机构动作，使环境变量值达到适合植物生长的范围。

现将部分硬件部件及其功能陈列如下：

2.2系统设计思路

本文设计的控制系统在温室内部安置了不同型号的传感器，通过传感器检测温室内部的各环境参数，并将检测到的温度、空气湿度、土壤湿度、CO2浓度、光照强度等环境变量值，与程序内部的设定值作比较，然后将反馈信号传递给加热管道、加湿水泵、灌溉水泵、通风风机等执行机构，从而改变温室内部各环境参数值，达到适合作物生长的适宜条件，提高作物的品质以及产量。

2.2.1系统具备的功能

本文设计的温室控制系统具备以下功能：

1、数据采集及显示功能

通过温室内部的各种传感器，对温室内部的环境变量值进行实时监测，并将监测到的数据实时显示在触摸屏界面上，方便操作人员查看。

同时在触摸屏界面组态了实时趋势视图，便于工作人员观察温室内部环境变量的走势。

2、参数设置的功能

对于不同的作物，其生长条件不同，相应的温室内部各环境变量的值也不同，所以为了便于培育不同的植物，对环境变量的设置有相应的要求。

参数设置的功能可以针对实际需求，对环境变量的值做出修改。

3、对执行机构的监控功能

温室内部各环境变量的改变是通过执行机构的动作来实现的，为了方便查看各个执行机构的工作状态，系统应具备一定的监控功能，并在触摸屏界面组态相应画面，实时反馈执行机构的工作状态，在特定情况下可以对执行机构进行强制操作。

而在正常情况下，执行机构根据编制的程序，进行自动调节与控制。

4、安全登录的功能

为了避免工作人员的错误操作，对本系统的手动控制模式组态了登录权限，不具备权限的工作人员无法对系统进行手动操作。

5、报警功能

当温室内部的某执行机构的调控出现错误时，将导致某种环境变量值严重超出设定值，影响植物的正常生长，此时系统应做出报警，以提醒工作人员，同时在触摸屏界面有报警组态，显示具体何种变量超出警示值，便于工作人员有针对性的对环境变量进行调控。

2.2.2控制模式

本文设计的温室控制系统分为手动和自动两种控制方式，在这两种方式的共同作用下，为作物的生长营造一个适宜的环境。

手动控制模式：

手动控制模式下可以通过触摸屏界面的开关量输入按钮，对执行机构进行强制性操作，便于工作人员对温室内部的环境变量进行直接调节。

自动控制模式：

自动控制模式下，系统将温室内部的环境变量进行实时监测，传感器将采集到的数据经过A/D转换后[7]，传递到核心控制器PLC中，并与设定值进行比较，若在正常范围内，温室内的执行机构维持现状，若超出了植物生长的适宜范围，则根据编制好的程序，PLC将信号反馈给相应的执行机构，使执行机构动作，从而调节温室内的环境变量值以达到适宜植物生长的正常范围。

2.3控制系统方案

本文以单温室作为研究对象，查阅相关书籍以及相关的学术论文和期刊杂志，对于涉及到此课题的相关知识进行了仔细的阅读和研究，了解到近年来我国温室控制系统发展很快，相关温室控制系统通常选择单片机[8]。

系统的人机交互界面很不友好，非专业人员操作困难，往往导致自动控制模式大多数时间处于闲置状态。

同时，单片机设计的控制系统可靠性差、抗干扰能力较弱，极易受环境因素的影响，且不便于维护。

采用可编程控制器PLC作为控制器则能有效的改变这一现状，因为PLC具有使用灵活、通用性强、可靠性高、抗干扰能力强、维护简单等优点。

同时使用WinCCflexible2008制作的触摸屏界面非常友好，便于用户操作，非专业人员在经过短期培训后也可熟练操作。

故本文基于PLC设计并建立了一套智能温室控制系统，其中包括硬件模块和软件模块两个部分。

2.3.1硬件模块

图2.1系统硬件结构图

本文采用西门子S7-1200[9]系列PLC作为温室系统的核心控制器，并选用相应的模拟量扩展模块。

PLC在接收信号后，根据具体的需求，对温室内部的环境变量进行调控，以达到适宜该作物生长的环境。

本系统的控制方式分为手动控制模式与自动控制模式。

手动控制模式下，工作人员可以强制性地对执行机构进行控制，从而调控温室内的环境变量值。

自动控制模式下，系统根据设定的环境变量值自动调节各执行机构的开启状态，对温室内部的环境变量进行智能化的调节。

模拟量模块的主要功能是接收传感器检测到的信号，并将其传递给控制器PLC，PLC根据已编制的程序对信号进行处理，并反馈给驱动部件，使得执行机构进行相应的动作。

由于温室是一个封闭式的环境，一般情况下，工作人员不得进入温室内部进行操作。

因此，本系统基于WinCCflexible组态了温室系统的监控画面[10]，用于显示温室内部各环境变量的值，同时监控执行机构的运行状况，在紧急情况下，还可以对执行机构进行强制操作。

而且使用WinCCflexible组态的人机交互界面非常友好，操作简便，大大减轻了工作人员的负担。

2.3.2软件模块

在本文设计的温室控制系统中，选用了西门子S7-1200系列PLC作为核心控制器，在PLC编程方面，我们使用的是TIAPortalV13[11]，程序的编写要求根据温室内种植花卉的品种而定，将传感器检测到的数据经过A/D转换后与程序内的设定值比较，控制器PLC发出相应的信号，传递给执行机构，从而控制执行机构动作，以达到预期的环境效果。

而对于组态触摸屏的画面我们使用的是SMATICWinCCflexible2008SP4[12]，使用该软件制作的人机交互界面非常友好，易于操作，大大降低了工作人员的劳动强度。

PLC与触摸屏之间通过以太网进行通讯，从而可以在触摸屏界面实时监控温室内的环境变量值，以及执行机构的运行状态，并可以对执行机构进行强制操作。

2.4本章小结

本章主要介绍了本课题的总体结构的设计，简单介绍了温室的工艺要求及设施组成，重点介绍了系统的设计思路，分析了本系统应具备的功能和控制方式。

最后对控制系统方案做了相应的介绍，简述了硬件及软件的组成。

第三章硬件模块设计

3.1硬件系统结构

本文设计的温室控制系统的硬件部分主要由传感器、核心控制器PLC、触摸屏和执行机构四大部分组成。

传感器的主要作用是采集温室内部各环境变量的值；核心控制器PLC选用的是西门子公司的S7-1200系列PLC，主要完成本系统的控制功能；触摸屏的主要功能是实时监控温室内部的环境变量值以及各执行机构的运行情况；执行机构则包括通风风机、加湿水泵、补光灯、遮阳板等调控温室内部环境变量的机构。

3.2硬件电气原理图

3.2.1系统主电路图[13]

图3.1主电路图

图3.1为系统主电路图，图中从左至右分别为天窗电机正反转电路、遮阳板电机正反转电路、加湿水泵电路、灌溉水泵电路、通风风机电路、加热管道电路、CO2发生器电路、补光灯电路和报警器电路。

在温室系统中，PLC的输出信号直接控制执行机构的动作或驱动执行机构的动力装置使其发生相应动作，其工作过程如下：

天窗电机：

通过天窗电机正反转，控制天窗的开启与关闭。

天窗电机正转，将打开天窗，反转则关闭天窗。

天窗的开启与关闭的角度分别由天窗上限位开关与天窗下限位开关控制，当天窗电机接收到PLC输出的电机正转信号时，常开触点QA1得电闭合，天窗电机正转，天窗打开，在打开过程中天窗与上限位开关接触时，PLC端将输出一个停止信号，停止天窗电机运行，此时天窗处于完全开启状态；当天窗电机接收到PLC端输出的电机反转信号时，天窗电机反转，天窗闭合，在闭合过程中天窗与下限位开关接触时，PLC端将输出一个停止信号，停止天窗电机运行，此时天窗处于完全闭合状态。

在PLC的输出端有两个端子，通过控制继电器从而控制天窗电机的正转与反转。

遮阳板电机：

通过遮阳板电机正反转，控制遮阳板的合上与打开。

遮阳板电机正转，将带动遮阳板沿遮阳板导轨合上遮阳板，反转时则打开遮阳板。

遮阳板的开启与关闭程度由限位开关决定。

在遮阳板电机正转过程中，当遮阳板与上限位开关接触时，PLC端输出一个停止信号，遮阳板电机停止动作，此时遮阳板处于完全合上的状态；在遮阳板电机反转过程中，当遮阳板与下限位开关接触时，PLC端输出一个停止信号，遮阳板电机将停止动作，此时遮阳板处于完全打开的状态。

同样的，遮阳板电机的正反转也是由PLC输出端的两个端子通过继电器控制的。

加湿水泵电机：

由PLC的输出端通过继电器控制加湿水泵的开启和关闭。

常开触点QA5得电闭合，加湿水泵打开，雾化喷头开始向温室内喷水，增加温室内的空气湿度，当空气湿度达到设定值后，QA5断开，加湿水泵关闭，雾化喷头停止喷水。

灌溉水泵电机：

灌溉水泵的开启与关闭由PLC输出端通过继电器控制。

当温室内的土壤湿度低于设定值时，PLC发出信号，使常开触点QA6闭合，灌溉水泵开启，浇灌喷头开始向温室内洒水，增加土壤湿度值，当土壤湿度达到正常范围后，PLC输出端发出关闭信号，灌溉水泵关闭，浇灌喷头停止洒水。

通风风机：

由PLC的输出端通过继电器控制通风风机的开启和关闭。

当温室内的温度过高时，PLC输出端将发出信号，常开触点QA7得电闭合，通风风机开启，当温室内的环境变量值趋于正常时，通风风机停止动作。

加热管道：

当温室内的温度过低时，PLC输出端发出信号，常开触点QA8得电闭合，控制加热装置开启，同时将加热后的热水输送到加热管道中，增加温室内的温度，当温室内温度正常时，停止加热。

CO2发生器：

当温室内的CO2浓度过低时，PLC输出端发出信号，常开触点QA9闭合，控制CO2发生器开启，增加温室内的CO2含量，当温室内CO2浓度达到正常范围时，QA9断开，CO2发生器关闭。

补光灯：

当温室内的光照强度不足以满足植物正常生长的需要时，工作人员手动按下补光灯开关，PLC输出端发出信号，常开触点QA10闭合，点亮补光灯，提高温室内部的光照强度。

报警器：

当温室内的温度严重超出设定值，影响植物正常生长时，报警器将会发出声光报警，提醒工作人员进行人工调节温室内的环境变量值。

3.2.2系统控制电路图[14]

图3.2为系统控制电路图。

图3.2控制电路图

本次毕业设计的控制电路主要由Smart700IE触摸屏、TP-LINK、S7-1200系列PLC构成。

触摸屏与PLC分别配备24V直流电源，TP-LINK的电源为12V直流电源。

由于Smart700IE触摸屏[15]与S7-1200系列PLC不能直接建立通讯，所以在触摸屏与PLC之间增加TP-LINK模块作为数据交换机，并通过以太网[16]将三者连接起来，从而实现Smart700IE触摸屏与S7-1200系列PLC之间的数据传输。

由于本课题设计的温室控制系统需要对温室内的各环境变量如温度、空气湿度、土壤湿度、CO2浓度、光照强度等进行检测，故增加了温湿度传感器（主要用于检测温室内的温度值与空气湿度值）、土壤湿度传感器、CO2浓度传感器以及光照强度传感器，并配备了相应的模拟量输入模块SM1231，具有8个模拟量输入通道，可接入

10V、

5V、

2.5V、0~20mA模拟量信号。

以天窗电机正反转为例，对控制电路的控制方式做详细介绍。

当在触摸屏上按下天窗的“开”按钮时，中间继电器的线圈KA1得电，中间继电器的常开触点KA1闭合，从而交流接触器线圈QA1得电，常开触点QA1得电，天窗电机正转，天窗打开，当天窗与天窗上限位开关BG1接触时，中间继电器KA1失电，交流接触器线圈QA1失电，触点QA1断开，天窗电机停止运转，此时天窗开启最大。

当按下天窗“关”按钮时，中间继电器线圈KA2得电，常开触点KA2闭合，交流接触器线圈QA2得电，其常开触点QA2得电闭合，天窗电机反转运行，天窗闭合，天窗上限位开关重新闭合。

当天窗与天窗下限位开关接触时，BG2的常闭触点断开，中间继电器失电，交流接触器同时失电，触点QA2断开，天窗电机停止运转，天窗完全关闭。

此时，天窗上限位开关为闭合状态，下限位开关为断开状态。

3.3硬件部分选型

3.3.1控制器件的选型[17]

本次设计选用西门子S7-1200系列PLC作为核心控制器。

S7-1200系列小型控制器具备可扩展性和灵活性，可以使其能够更加高效、迅速地完成自动化任务对控制器复杂的要求。

S7-1200系列PLC可以在CPU前端嵌入信号板，这一设计使得PLC的结构更加紧凑，配置更加方便。

同时，S7-1200的通信模块是独立的，可以根据需要灵活扩展通信模块。

本课题设计的温室控制系统，选用S7-1200系列PLC可以更加高效地完成对温室内环境变量的调控。

相对应的，S7-1200系列PLC的性价比较高，介于西门子200PLC与西门子300PLC之间，可以满足于中小型自动化控制系统的要求。

同时，S7-1200系列集成了PROFINET接口，用户可以通过以太网进行程序的下载及实现与人机界面的通信。

3.3.2传感器的选型

本次设计中，共选择了四种传感器，分别是温湿度传感器、土壤湿度传感器、CO2浓度传感器与光照强度传感器。

温湿度传感器选择的是由瑞士Sensirion公司设计的SHTxx系列的DWS-S8型传感器，温度的测量范围为-40℃~123.8℃，湿度的测量范围为0~100%RH，并且该传感器耐热防潮，适宜在温室内长期工作。

同时配备DWS-T8型温湿度变送器，可输出4~20mA电流信号。

土壤湿度传感器选择的型号为DSF-T1，该传感器量程为0~100%，测量精度为+/-3%Fs，工作温度范围为-30~85℃，输出信号为0~2V或4~20mA。

此传感器的测量精度高，传输速度快，且不易受腐蚀，应用地区广泛，适用于温室内土壤湿度的检测。

CO2浓度传感器选用DCO2-T8V2，本次设计中研究对象是大叶花烛，该花适宜生长的CO2浓度为150~1000ppm，所选传感器的测量范围为0~2000ppm，输出信号为0~10V，传感器的工作环境为0~50℃，0~95%RH，适用于温室内CO2浓度的检测。

光照强度传感器选择的是RY-G/W，在本设计中适宜花卉生长的光照强度范围为15000Lux以下，故选择的光照强度传感器的量程范围为0~20kLux，输出信号为0~5V。

并且该传感器具有防水、防腐蚀的能力，广泛应用于温室系统、光照设备检测等领域。

3.4本章小结

本章结合电气原理图分析了系统的主电路和控制电路，叙述了主电路与控制电路的组成，分别介绍了执行机构的功能以及控制电路的