本科毕业设计基于plc控制的苗圃温室大棚系统设计正文.docx
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本科毕业设计基于plc控制的苗圃温室大棚系统设计正文
基于PLC苗圃大棚自动控制系统设计
基于PLC苗圃大棚自动控制系统设计
摘要：
本文是针对现代农业对智能温室的需求而自行设计的温室自动控制系统。
通过分析温室执行机构的相应动作对温室环境的影响，将PLC和传感器技术应用到温室控制系统设计，开发了基于PLC控制的苗圃大棚智能控制系统。
大棚的环境系统是一个非线性、时变、滞后复杂大系统，难以建立系统的数学模型，采用常规的控制方法难以获得满意的静、动态性能。
本次设计控制系统硬件部分主要由PLC、各类传感器构成的，传感器是来检测大棚内部的温度、湿度、二氧化碳的浓度、光照度等，PLC是控制温室内双向天窗、侧窗，遮阳网驱动，湿帘水泵，环流风机，降温排湿风扇，C02补气阀、补光灯等执行设备的。
本系统的智能温室大棚投入运行后可以很好地实现了对温室大棚内的各个环境因子的控制调节，为苗圃创造了良好的生长环境。
本系统操作简单、工作稳定可靠,实用性强,适应当前农业现化的需要,适用范围广,经济效益很好，有好很的发展前景。
关键词：
大棚，温度控制，PLC
NurseryGreenhousesBasedonPLCAutomaticControlSystemDesign
Abstract:
Thisarticleisinviewofthemodernagriculturedemandforintelligentgreenhouseandgreenhouseautomaticcontrolsystemdesign.Throughtheanalysisofthecorrespondingactionofgreenhouseactuatorsonthegreenhouseenvironment,theinfluenceofthePLCandsensortechnologyisappliedtothegreenhousecontrolsystemdesign,thedevelopmentofthenurserygreenhouseintelligentcontrolsystembasedonPLCcontrol.Greenhouseenvironmentsystemisanonlinear,time-varying,laggingoflargecomplexsystemisdifficulttoestablishasystemofmathematicalmodel,theconventionalcontrolmethodisdifficulttoobtainsatisfactorystaticanddynamicperformance.ThedesignofcontrolsystemhardwarepartmainlycomposedofPLC,allkindsofsensors,sensoristodetectthetemperatureinsidethegreenhouse,humidity,carbondioxideconcentration,light,etc.,thePLCistocontrolthebidirectionalskylight,sidewindowingreenhouse,sun-shadenetdrive,wetcurtainpump,circulationfan,theplatooniswetcoolingfan,ourfleetaircompensatingvalve,executeequipmentsuchasthefilllight.Aftertheintelligentgreenhousesintooperationofthissystemcanwellrealizethecontrolofvariousenvironmentalfactorswithinthegreenhousesadjustment,createdagoodgrowthenvironmentforthenursery.Thissystemoperationissimple,stableandreliablework,strongpracticability,adapttotheneedsofthecurrentagriculturalmodernization,applicabilityiswideanditseconomicbenefitisverygood,hasgoodprospectsfordevelopment
Keywords:
greenhouse,temperaturecontrol,PLC
基于PLC苗圃大棚自动控制系统设计
1概述
1.1国内外温室控制技术的研究现状
现代温室中常见的能自动控制的调控机构有:
顶部通风窗、侧面通风窗、外遮阳帘幕、内遮阳帘幕、轴流通风机、降温湿帘、人工补光灯、二氧化碳施肥器、加热设备、喷雾系统及熏蒸设备。
控制器综合调节各个机构，使系统在运行中节约能源的同时保证室内气候满足植物生长需求。
使用的控制器可以有很多选择，如单片机、工控机、PLC、通用PC机等。
控制器之间可以通过局域网或现场总线进行信息交换。
国内外研究学者对控制系统和控制算法做了大量的研究。
西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。
1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。
20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。
随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。
特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。
80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。
目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。
温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。
计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。
我国温室产业起步比较晚。
自70年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了40套左右的现代化温室成套设备。
虽然这些温室技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在较严重问题，主要有以下几点:
引进价格高，运行经济效益差;技术要求过高，要求经营者既要懂农业技术，熟悉英文，还要掌握电脑操作和机械运营和维护;运营模式没有与中国的实际结合起来，不适合于我国的气候特征。
所以，研究开发符合我国国情、产生明显经济效益并适用于大范围推广应用的自动控制温室系统己经迫在眉睫。
基于以上的种种原因，我国的农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度、光照等单因子控制技术的研究，并逐步推出既适宜我国经济发展水平又能满足不同生态气候条件要求的温室控制系统。
1.2研究的意义
国家“十五”重点科技攻关内容“工厂化农业关键技术研究与示范”尽管以结题。
为了推广温室技术，国家农委强调的在每一个地区都要建立温室示范工程，但每一个地区的气候条件都不一样，其控制模型和控制算法都不可能一样，因此，智能温室环境控制技术仍有很多问题需要解决。
该智能温室的先进控制模式适合本地区情况的，综合考虑植物生长和产量、节能、环境控制、经济效益等多方面因素，继续为本地区的种植业的发展的起到了模范作用。
智能温室控制系统将实现对农业生产的准确管理。
通过控制器实时监测温室内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度值，使对作物生长环境监测与普通简单温度、湿度计测量相比，更准确、更可靠。
人们能够通过这些监测手段实时准确地了解情况，完成相关设备调节，避免了监测误差和监测滞后带来的损失。
智能温室将自动化技术引入了农业生产，为农业科研活动提供了有利的科学手段。
通过参数设置及自动数据记录，为农艺工作者完成相关农艺科学研究，了解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方法的改进，都提供了简便、准确的手段。
因此，研究该课题具有深远的理论意义和重大的现实意义。
2本系统研究方案
2.1控制系统设计目标
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。
节约了水源，温度调节主要有遮阴帘风机的动作来解决。
温室控制系统是基于室内和室外的温度，湿度，光传感器，二氧化碳传感器，室外气象站收集或观察的室内和室外的温度，湿度，光照强度温室，CO2浓度的信息环境参数，控制温室保温被，开窗通风，遮阳，通过温室环境控制喷滴灌等驱动/执行器，气候和灌溉和施肥控制以满足作物生长的需要，生态环境的作物生长和发展提供最适合的，很大的提高了苗圃的产量和质量。
其示意图如下图2—1所示：
图2—1温室控制系统示意图．
2.2控制方案
从控制器类型来划分，主要有以下几种温室自动控制系统:
1.基于单片机的温室检测系统。
图2-2基于单片机检测原理图
2.基于PLC的温室自动控制系统。
图2-3基于PLC的温室自动控制系统原理图
根据现在建造的日光温室，提出了如下系统研究方案：
采用上位机计算机和可编程控制器组成分布式智能温室控制系统的硬件部分，即两级监控系统。
上级控制系统负责对智能温室进行监控和参数的设定。
下级是以PLC为核心的控制单元，负责温室参数的信息采集，系统逻辑运算，并对调控设备进行控制。
PLC在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在生产、调试、应用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳定、可靠性高。
采用PLC成本虽然比单片机高，但要考虑到稳定性、可维护性等综合因素，采用PLC比单片机具有较高的性价比。
而且当上位机发生故障时，PLC控制器可以自行实现数据采集、显示和输出等控制，不影响温室的自动运行。
要依据苗圃的最适生长环境来制定温室环境，将最重要的环境因素如温室内空气温度、湿度、光照、二氧化碳浓度作为基本监测和控制项目,这样避免了太复杂的控制方案。
根据温室本身的特点设置了如图2-1所示控制系统的总体设计方案。
3系统硬件设计
3.1系统的硬件组成
为了实现智能温室的环境监控，本设计建立了温室环境控制参数的长时间在线计算机自动控制系统。
实现了温室内温度、湿度、C02浓度、光照强度等参数的长期监测。
并可根据智能温室温湿度的需求，对天窗、侧窗、降温湿风扇、风机、湿帘、内外遮阳网等设备自动控制。
结构图如下图3-1所示：
图3-1温室大棚智能控制结构图
3.2温湿度采集电路的设计
一、产品型号
HG14温湿度变送器利用半导体敏感元件来测量空气中的温度、湿度，适用于室内环境测量，当敏感元件被监测到环境温度、湿度，输出智能数字信号。
该变送器装在最能代表被测环境状态的地方，避免安装在空气流动不畅的死角处。
二、产品特点：
薄型设计，轻巧美观。
独特风道设计，防止电路温升影响传感器真实测试。
专利结构技术，易于安装，易于维护。
精度高，一致性好。
防护性能极好
三、主要技术参数：
如表3-1
表3-1HG14温湿度传感器主要技术参数
型号
HG14
额定电压
DC24V（DC15V~DC24V）
测量范围
温度：
0℃~50℃
湿度：
0～100%rh
测量精度
温度：
±0.5℃
湿度：
±3%rh
电压输出
Humidity:
0-10v=0…100%rh
Temperature:
0-10v=-0…50℃
接线端子
（1）系统电源＋线
（2）系统电源-线/信号地
（3）温度输出
（4）湿度输出
工作面积
10-20m2/只
安装方式
室内墙面安装，天花板吸顶安装
质
主体：
约200g，底座：
约50g，
材
ABS树脂
四、外形如图3-2
图3-2HG14温湿度传感器外形
五、连接图：
1、安装时，线槽端头与传感器底座连接处，应用PVC终端头过渡。
为了保证线槽与传感器安装在同一轴心线上，建议先安装底座，然后在钉线槽。
2、传感器至空调送风口的水平距离应大于1.5m，至顶棚送风口的距离应大于0.5m。
3.3光照度传感器
光控用于控制遮阳幕的启闭，使作物得到合理的光照度并实现以下目的：
免除作物超过光饱合点，提高光合作用；实现对长日照作物、中同照作物和短日照作物的光照控制。
光照度传感器采用北京易盛泰和科技有限公司产品型号Poi88-c光照度传感器。
说明：
采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小，安装方便，线性度好，传输距离长，抗干扰能力强。
可广泛用于环境、养殖、建筑、楼字等的光照度测量。
量程可调。
接线原理图：
图3-3光照检测电路
①量程：
O-200K1UX、O-20K10X、0—2000可选
②供电电压：
24VDC／12VDC
③输出信号4-20mA，0V—1OV可选
④精度：
±2％
⑤负载能力：
≥500Ω，≤3KΩ／s
3.4C02传感器
二氧化碳控制实时监测C02的含量，当C02的含量低于一定值时打开C02储气罐或C02发生器以增施气肥。
C02传感器选用弗加罗公司生产TGS4160二氧化碳传感器，该传感器是的固态电化学型气体敏感元件，外形图见图3-12。
这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性可广泛用于自动通风换气系统或是C02气体的长期监测等应用场合。
TGS4160传感器的主要技术参数如下：
①测量范围：
0～5000ppm；
②使用寿命：
2000天；
③内部热敏电阻（补偿用）：
100kQ±5％：
④使用温度：
一10～+50℃
⑤使用湿度5～95％RH；
图3-4TGS4160传感器管脚外形图
它输出的电压信号与CO2浓度值呈线性关系，输出的电压信号为0-3V，相当于0-3000PPM的CO2浓度。
另外，该模块还提供有中继转接控制信号。
当CO2浓度高于设定值时，输出的转接控制信号为高电平5V亮；反之它将转接控制信号为低电平0V。
3.5执行机构系统设计
从2-1系统设计框图中可以看到，执行系统包括湿帘降温系统，顶板，侧窗，风机，遮阳网打开和关闭系统，排湿风机系统等。
3.5.1湿帘降温系统的设计
湿帘降温水循环系统的系统组成：
湿帘、湿帘水泵、风扇和附件。
通过利用水的蒸发原理实现降温的目的。
湿帘安装在温室的北端，风扇安装在南端。
当需要降温时，启动风扇将室内的空气强制抛出，形成负压，同时湿帘水泵将水打到湿帘墙上，室外的空气因负压被吸入室内的过程中，以·定的速度从湿帘的缝隙穿过，导致水分蒸发和降温，冷空气流经温室，吸收室内热量后，经风扇排出，从而达到降温的目的。
3.5.2天窗、侧窗、风扇、遮阳网的开闭系统设计
本系统的各个执行设备是由PLC输出和执行控制，多数是电机控制设备。
我们讲解一下一号天窗的开闭，如下图所示是一号天窗的电机控制实现原理。
其他的控制主电路原理图见附录。
图3-51号天窗电机主线路图3-61号天窗电机控制线路
主回路：
OF为电机的总开关，当QFl断开时，主回路和控制回路均断电。
KM1和KM2控制电机的正传和翻转动作，FRI为保护电机的熔断器。
KMI和KM2为互锁开关，SQl为天窗1开到最大的限位开关，当SQ1开到极限位置是自动关闭。
SQ2为天窗关的限位开关，当SQ2开到极限位置是自动关闭。
PLC控制中间继电器KM1和KM2而控制K1和K2，开关控制面板，天窗电机的PLC控制，互锁，限位，热保护和指示功能。
3.6PLC的配置
PLC（可编程序控制器）由CPU模块、I/O模块和编程器构成PLC。
PLC的特殊功能由特殊模块完成。
输入模块完成对信号的接收和输入，输出模块实现对继电器等执行装置的控制。
PLC特点如下：
编程方法简单易学、功能强、性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适用性强，可靠性高，抗干扰能力强，系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小，维修方便，体积小，能耗低。
3.6.1输入信号端子的确定：
表3-1输入信号端子的确定
设备
数量
天窗开关
2
天窗限位
2
侧窗开关
2
侧窗限位
2
湿帘窗开关
2
湿帘窗限位
2
遮阳网开关
2
遮阳网限位
2
湿帘水泵开关
2
遮阳网开关
2
环流风机开关
2
降温风扇开关
2
补光灯开关
2
C02补气开关
2
共计
28
3.6.2输出信号端子的确定：
表3-2输出信号端子的确定
设备
数量
报警灯
1
天窗电机
2
测窗电机
2
湿帘窗电机
2
湿帘水泵
1
遮阳网电机
2
环流风机电机
1
C02补气电磁阀
1
补光灯
2
共计
14
基于以上因素，选用日本三菱系列中FX2N—128MR的PLC（该机含有64个输入端子、64个输出端子）完全满足要求。
3.6.3PLC部分电路设计
本系统使用的是三菱生产的FX-2N-128MR型号的PLC，他共有64个输入输出点，选用FX-2DA的功能模块来实现模拟量的输出，选用FX-AD来实现模量的输入，温度湿度都是采用多处测量来去平准值。
PLC系统控制电路如3-7所示
图3-7PLC接线图
4系统的软件设计
4.1大棚自动控制系统PLC软件部分的设计
4.1.1控制系统软件设计要求
根据的基本要求和列表如下：
（1）以防止接触错误动作：
使用自锁电路解决。
（2）系统的自我诊断功能：
PLC本身具有的功能。
（3）风扇控制：
温室设有一组风扇，也可以启动和停止，当温度超过预定值，在PLC控制的自动开启2侧窗，启动风机，湿帘泵启动，从而降低温室的温度。
（4）侧窗控制：
2侧窗，侧窗由电机控制，电机开关受限位开关限制。
（5）湿帘泵控制：
当大棚的湿度超过预定值，在PLC控制下启动，在预定值之间自动关闭。
（6）遮阳网控制：
当光照超过预定值，PLC控制下启动
（7）C02补气控制：
大棚内CO2低于设定值时，PLC控制下开启CO2罐的阀门，来补充CO2。
（8）补光灯控制：
大棚内的光照低于设定值时，而打开遮阳帘还不够时，就打开补光灯来补充光照。
4.1.2系统工作原理
首先是各传感器采集温室内外的环境因子，然后通过各电路将环境信号转换为模拟信号，在通过放大器将信号放大，再将放大的模拟信号输入到PLC的FX-2AD转换为数字量的信号，将这信号与设定的值比较，高于或低于这设定值是相应的执行机构就会自动工作，例如正常工作时，温度传感器将温室的温度传到PLC与设定值比较，超出设定的上限或下限是PLC将输出指令，遮阳帘就会工作，如果在相应的设定范围内PLC响应遮阳帘就会终止工作。
系统工作过程如图
图4-1系统工作过程流程图
当温度采样到PLC显示温度高于设定值时启动环流电机，一段时间后温度采样温度在设定范围内该系统关闭。
当光照传感器采集到光照不再设定范围时，当光照低于设定值是打开遮阳帘打开补光灯，当高于设定值时关闭遮阳帘。
直到光照在设定范围内时系统关闭。
当湿度传感器采集到湿度不再设定范围时，当湿度低于设定值时打开加湿器，当高于设定值时打开环流风机。
直到湿度在设定范围内时系统关闭。
当CO2传感器采集到CO2不再设定范围时，当CO2低于设定值时打开CO2电磁阀，当高于设定值时打开环流风机。
直到CO2在设定范围内时系统关闭。
4.2PLC的I/O分布图
表4-1I/O分配表
信号类型
名名称
电电路中编号
PPLC中地址
地
信信号类型
名名称
电电路中的编号
PPLC中地址
地
数
字
输出
信
号
号
天窗1开
KM1
Y0
数字
输出
信号
号
加湿机开
KM9
Y8
天窗1关
KM2
Y1
加湿机关
KM10
Y9
天窗2开
KM3
Y2
遮阴帘开
KM11
Y10
天窗2关
KM4
Y3
遮阴帘关
KM12
Y11
侧窗1开
KM5
Y4
补光灯12
KM13
Y12
侧窗1关
KM6
Y5
环流风机
KM14
Y13
侧窗2开
KM7
Y6
Co2补气
KM15
Y14
侧窗2关
KM8
Y7
4.3主程序梯形图
5结束语
总结本文研究的成果，得出以下主要结论：
l、本文根据大棚环境的特点，运用PLC技术完成了大棚环境控制
系统的硬件设计。
2、实现了对大棚内部温度、湿度、二氧化碳的浓度、光照度等参数
的检测与采集。
3、当然由于条件的原因还有一些问题需要解决。
由于时间和本人所学知识的有限，本系统的硬件和软件可能做的不够完善还不能适应复杂的环境。
主要是温度自动调节,对其他环境因素可能影响温度并不全面,系统检测设备需要完善，传感器系统的测量精度需要校准；建议后续工作可以实时、准确性和可扩展性的系统进一步完善,促进我国农业的现代化。
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