基于PLC的温室大棚自动化控制解读.docx

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基于PLC的温室大棚自动化控制解读

国家职业资格全国统一鉴定

维修电工技师论文

（国家职业资格二级）

论文题目：

基于PLC的温室大棚自动化控制

姓名：

史新杰

身份证号：

320421197601203015

准考证号：

所在省市：

江苏常州

所在单位：

江苏所常州技师学院

基于PLC的温室大棚自动控制系统

姓名：

史新杰

单位：

江苏常发农业装备股份有限公司

摘要：

植物生长讲究适时、适地，也就是对生长环境温度、湿度、光照强度以及土壤条件的需求比较严格，只有给予了植物合适的生长环境，才会有理想的收获，尤其是对人工控制生长环境的大棚植物，大棚内的温湿度和土壤的温湿度监控对植物的生长至关重要。

温湿度监控检测的方法很多，本文主要讲述了三菱FX2N-32MR系列可编程控制器（PLC）为主要的控制元件的系统，实现对温室大棚温度和湿度进行实时监测和显示。

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，并且对环境的适应性好。

关键词：

温室大棚；PLC；温湿控制

目录

第一章系统概述………………………………………………1

1.1课题研究背景和意义……………………………1

1.2温室大棚的结构…………………………………1

1.3温室大棚的控制要求……………………………2

第二章系统硬件设计…………………………………………5

2.1PLC的选用……………………………………5

2.2主回路的电路设计………………………………6

2.3温湿度传感器的选用……………………………14

2.4加热及加湿系统的设计………………………………20

第三章系统程序设计…………………………………………22

3.1温室大棚系统的I/O分配表…………………22

3.2PLC接线图……………………………………23

3.3程序设计注释……………………………………24

结束语……………………………………………………………28

答谢词……………………………………………………………29

参考文献…………………………………………………………30

附录………………………………………………………………31

附录A………………………………………………………31

附录B………………………………………………………32

第一章系统概述

1.1课题研究的背景和意义

温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、化工、农业等各类工作中广泛需要对温度、湿度的检测与控制。

本设计是基于三菱FX2N-32MR系列PLC为主要控制元件进行设计的，可编程控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术的一种新型的、通用的自动控制装置。

它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便，易于编程及适应恶劣环境下应用等一系列优点，近年来的工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控制三大支柱之一。

PLC的最终目标是用于实践，提高生产力。

如今，应用PLC已经成为世界潮流，PLC将在我国得到更全面的推广运用。

本文主要介绍了对温室大棚的温湿度进行检测和显示的设计方法。

1.2温室大棚的结构

1．本次课题中的实物结构图如下图1-1所示

图1-1温室大棚的实物图

2.温度传感器、湿度传感器、仪表

温度、湿度是植物生长最重要的条件，保证植物正常生长需的适宜温度、湿度，达到最高的产量。

在植物生长的过程中，仪表对大棚内的温度、湿度进行监控、设定、调节。

3.电机

在整套系统中，用了五台电机，在系统中起到很重要的作用。

为大风电机、风冷电机、风门电机、喷灌电机、加热风机。

（1）大风电机

它在整个植物生长过程中时刻不停的工作，主要作用是将大棚内的空气形成对流，为每一个植物提供适宜的温度和湿度。

（2）风冷电机

风冷电机主要作用是当温度过高时进行散热降温的作用，来保证植物的正常温度下生长。

（3）风门电机

风门电机主要作用是为植物提供新鲜的空气，来控制大棚内的适宜的温度和湿度。

（4）加湿电机

加湿电机是为植物正常生长提供适宜湿度的关键部分，提高植物成活率。

（5）加热风机

在植物生长的过程中，对大棚内的空气进行加热，达到植物所需的温度，大棚中使用圆翼型热镀锌散热器进行加热的。

1.3温室大棚的电气控制要求

1．对大棚内的温度与湿度进行监控、调节

不同的植物生长所需的最适温度也不同，如：

蒜黄生长所需的最适温度图1-2

植物

生长周期

温度（度）

蒜黄

20天

20～25

图1-2蒜黄最适生长温度

系统中通过一个温度传感器来控制温度，同时对温度进行调节。

湿度传感器在系统中控制大棚内的湿度，通过湿度传感器设定的值与当前大棚内的值进行比较，来控制风门电机的开启来使箱内的湿度达到设定值。

2.在此系统中可实现手动、自动两种控制要求。

（1）在系统中可手动控制

可以手动控制加湿电机、风门电机的启动和停止

（2）自动控制

温室大棚的流程是，在在拨种完成后，按下启动按钮打开大风电机（在此通过变频器来控制大风电机的转速），为了不要让大风电机一直处于最好速度运行，通过变频器来调速。

当刚开始启动大风电机时以最高速度来运行，使大棚内的湿度和温度快速搅拌均匀，来达到我们设定的温度和湿度。

当温度和湿度到达设定值时，大风电机以低速运行，在后面每三个小时换气中大风电机以中速运行。

在按下启动按钮后，加湿电机启动，加热风机进行加热。

当湿度湿度达到预设值时，加湿电机停转，当湿度大于预设值时，加湿电机停转，启动风门电机通风散湿，使湿度达到预设值。

当温度达到预设值时，加热风机停转，当温度超过预设值时，加热风机停转，启动风冷电机散热，使温度达到预设值。

为了给大棚内的植物植物提供新鲜的空气，风门电机每三个小时启动一次，进行通风。

（3）线路简单，工作稳定可靠。

（4）当在改变工艺流程时，便于线路的改造。

（5）便于检修与调试。

第二章系统硬件设计

2.1PLC的选用

1．PLC控制的优点

可编程控制器作为一种通用的自动控制设备，它在控制系统中具有一些独特的优点：

（1）可靠性高：

PLC平均无故障时间可达几十万小时，也就是说一台PLC连续运行30多年不出故障，可靠性非常好。

（2）更改线路容易：

PLC只需要对内部梯形图更改，对外部接线更改要求不多。

所以，它更改线路就比普通电气线路容易很多。

（3）对环境要求低：

它对湿度、温度要求不高，抗震抗冲击性能好，对电源电压要求也不高。

（4）与其他装配连接方便：

可编程控制器与其他装配的连接基本上是直接的。

（5）抗干扰能力强：

很强的抗电磁干扰能力。

2.PLC的选型

随着PLC制造技术的不断发展，PLC产品的种类、型号越来越多，他们的功能、价格、使用条件各不相同。

由于本次课题的控制任务中对PLC功能的要求不是很高，又因为价格便宜，调试和故障查找非常方便，而且与同类产品相比它质量好、运行稳定、可扩展性强、抗干扰能力强、售后服务优良。

因此本课题采用三菱公司生产的PLC。

FX2N型PLC是日本三菱公司生产的一种小型的PLC，但是其许多功能能达到大、中型PLC的水平，而价格却比大、中型的PLC低很多，因此它一经推出就受到了广泛的关注。

特别是FX2N系列PLC，在本系统中共用到了14个输入，9个输出，其中四个输出传给变频器，两个输入给温度传感器，两个输入给湿度传感器。

输入输出如下表2-1所示。

表2-1PLC输入输出点数

输入

输出

手动/自动按钮：

SA

大风电机运行：

KM1

大风电机启动：

SB1

加湿电机运行：

KM2

开始启动按钮：

SB2

风门电机运行：

KM3

加湿电机启动：

SB3

加热风机运行：

KM4

风门电机启动：

SB4

风冷电机运行：

KM5

风冷电机启动：

SB5

温度指示灯：

HL1

加热风机加热：

SB6

湿度指示灯：

HL2

暂停按钮：

SB7

暂停警铃：

HA1

停止按钮：

SB10

变频器异常警铃：

HA2

温度传感器输出：

T1～T2

湿度传感器输出：

T3～T4

变频器异常输入：

AC

由于在本温室大棚电气控制系统中输入输出不需要太多，综合性价比的考虑，我选择了三菱PX2N-32MR型的PLC。

3.三菱FX2N-32MR的参数

型号：

FX2N-32MR

电源：

AC85-264V

频率：

50/60HZ

功率：

21W

输入点数：

16

输出点数：

16

2.2主回路的电路设计

1．大风电机主回路设计

在本系统中，大风电机是整个温室大棚设备控制中最重要的部分，它在植物生长的过程中时刻不停的工作，主要是将大棚内的空气形成对流。

为植物提供适宜的温度和湿度。

由于在植物生长的过程中我们需要对电机的速度进行调节，在此通过变频器来控制大风电机的速度，为了不让大风电机一直处于最高速运行状态，通过变频器来改变，当刚开始启动大风电机时以最高速来运行，转速为1120转/min，使大棚内的温度、湿度快速搅拌均匀，达到我们设定的温度和湿度，当温度和湿度达到预设值时，大风电机低速运行，转速为280/min。

在后面每三个小时的换气中，大风电机以中速运行，转速为700/min。

（1）变频器的选择

变频器功率的选择取决于电机功率的大小，所以选用变频器的容量要大于等于4KW，本系统中选择了FR-E540-4K三菱变频器。

下图为三菱FR-E540-4K变频器端子接线图。

图2-1三菱FR-E540-4K变频器接线端子图

在本系统所用到的端子为：

1）L1、L2、L3：

连接工频电源，为电源输入端。

2）U、V、W：

变频器输出，接三相鼠笼电机。

3）STF：

正转启动，STF信号ON时便正转，处于OFF时停止。

4）RH、RM、RL：

信号组合，用来选择多段速度。

5）SP：

信号公共输入端子。

6）RUN：

变频器运行输出端子。

7）SE：

集电极开路输出公共端，RUN、FU的公共端子。

8）ABC:

为异常输出端，当出现异常时变频器停止工作。

（2）控制端子

图2-2变频器的控制端子

SD为公共端，STF控制电机正转，STR控制电机反转，RL为大风电机以280n/min运行，RM为大风电机以700n/min运行，RH为大风电机以1120n/min运行。

（3）参数设置

由于使用的是普通的三相电机，所以对其内部的参数设置比较简单，大多数是默认值，只需对以下参数进行设置。

Pr.4→40设置高速频率为40HZ

Pr.5→25设置中速频率为25HZ

Pr.6→10设置低速频率为10HZ

Pr.7→1设置加速时间为2S

Pr.8→1设置减速时间为2S

Pr.9→5电子过流保护

Pr.71→0设置适用电机为合适标准电机的热特性

Pr.79→2操作模式选择

Pr.83→380电机额定电压

Pr.84→50电机额定频率

AC端为变频器异常输出端

根据系统需要，M为大风电机，电机功率为4KW，额定电流为8A。

QF2保护整个主回路的作用，起到过流、过载保护。

在此选用10A的空气开关。

接触器KM1的型号为CJ20-10A，当KM1线圈得电时，KM1主触头闭合，驱动大风电机运行。

电路图如下图2-3所示。

图2-3大风电机主回路电路

2.风门电机主回路设计

风门控制系统的主要作用是为植物生长提供新鲜空气。

当植物光合作用的过程中不断吸入二氧化碳，排出氧气。

为了植物能健康生长，所以间隔一段时间通风，使新鲜空气进入。

M3为风门电机，电机功率为1.1KW，电机的额定电流为2.5A，供电电压为交流380V。

在此系统中通过KM3来控制风门电机，交流接触器KM3的型