基于PLC的温度控制系统设计毕业论文.docx

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基于PLC的温度控制系统设计毕业论文

作为世界第一农业大国，农业生产在我国国民经济中有着举足轻重的地位。

人们对绿色农产品的需求也随着生活水平的提高日益增强，因此我国农业由粗放式向集约式、精细式发展已经成为一种必然趋势，而设施农业作为其中的一个重要途径，越来越受到重视。

作物生长主要受温度、湿度、光照强度、CO2浓度等环境因素的影响，建造智能温室的目的就是为了对这些环境参数进行自动控制。

通过对温室控制对象和温室环境的特点的分析，确定了控制系统的结构和控制方案，本文设计了以PLC为下位机，以装有组态王软件的PC机为上位机的分布式智能温室监控系统。

硬件主要包括PLC及其特殊功能模块、各种传感器电路、电源和执行部件，软件主要是组态王软件和三菱PLC编程软件GXWorks。

控制系统有手动控制和自动控制两种控制方式。

在自动控制模式下，下位机PLC通过传感器采集环境参数，并与用户设定的环境参数上限下限比较，控制相应执行部件启停，调节温室环境参数。

在手动控制模式下，用户根据需要控制上位机组态王手动画面的模拟开关，控制PLC发出开关指令控制对应执行机构，对温室环境进行调节。

上位机PC的组态软件与下位机PLC通信，完成人机交互的功能。

通过组态王实时显示下位机采集的环境参数当前值、执行部件状态、故障报警等，同时可以进行趋势曲线查看、数据库操作等。

另外用户设定环境参数、手动自动控制切换、手动控制模式下控制模拟开关也在组态王上进行。

通过系统的测试实验，智能温室监控系统基本达到了预期的设计目标，但是还需要继续完善才能运用于实际温室。

关键词：

智能温室，PLC，组态王ABSTRACT

ABSTRACT

Asthebiggestagriculturalcountryintheworld,China'sagriculturalproductionHasapivotalpositioninnationaleconomy.Withtheimprovementoflivingstandards,demandforgreenvegetablesaregrowing,thereforeourcountryagricultureoverdevelopmentextensivetointensivehasbecomeaninevitabletrend,andasoneoftheimportancyofthedeveloping,agriculturalfacilitiesarereceivingmuchmoreattention.Cropgrowthismainlyaffectedbytemperature,humidity,lightintensity,carbonconcentration'sandotherenvironmentalfactors,sothepurposeofbuildingIntelligenceistoautomaticallycontroltheseenvironmentalparameters.

Throughtheanalysisofcontrolledobjectandenvironmentalqualitygreenhorn,wedeterminethestructureofthecontrolsystemandcontrolprograms.Inthispaper,wedesignadistributedintelligentgreenhousecontrolsystem,whichhaslowercomputer-programmablelogiccontrolleranduppercomputer-apersonalwithKing.HardwaremainlyincludesthePLCanditsspecialfunctionmodule,allkindsofsensorcircuit,powersupplyandexecutionunit;softwaremaidenlinessesKingandMitsubishiPLCprogrammingsoftware-GXDeveloper.

Thecontrolsystemhastwocontrolmodes-manualcontrolandautomaticcontrol.Intheautomaticcontrolmode,lowercomputer-PLCcollectedenvironmentalparametersensorsandcomparedwiththeminimummaximumenvironmentalparameterswhicharesetbytheuserstocontrolthestartandstopofthecorrespondingexecutionunitadjustedtheparametersofgreenhouseenvironment.Inmanualcontrolmode,overcontrolanalogueswitchintheGlenview'smanuallyscreenaccordingtotheneed，controllershipPLCtogiveoutswitchordertocontrollthecorrespondingexecutionimmunoregulationthegreenhouseenvironment.Uppercomputercommunicatewithcomputerist-PLCtocompletethefunctionofthehuman-computerinteraction.Anticakingreal-timedisplaythecurrentenvironmentparametervaluescollectedbycomputerist-PLC,thestatesoftheexecutionunits,alarmsandsoon.Inthe

meantime,userscanviewthetrendcurves,operatereportformsorAccessdatabaseLongview.Userssettingtheminimummaximumenvironmentalparameters,switching

manual/automaticcontrolandcontrollinganalogueswitchinmanualcontrolmodearealsocanbeoperatedinKing.

Throughsystemtestingexperiment,theintelligentgreenhousemonitoringsystemachievestheexpecteddesignrequirements,butitalsoneedtocontinuetoimproveBordentobeusedinpracticalgreenhouse.

Keywords:

IntelligentGreenhouse，Environmentalparameters，ProgrammableLogicController，King

第一章绪论

1.1课题研究背景

我国作为世界第一农业大国，农业生产在我国国民经济中有着举足轻重的地位。

作为一个占全世界人口1/5的大国，可耕地面积却只占世界可耕地面积的7%，人均可耕地面积仅为世界平均水平的1/3，土地资源较为匮乏。

同时由于环境污染和农产品消费需求的转变，人们对绿色食品的需求也大大增加。

因此我国农业由粗放式向集约式、精细式发展已经成为一种必然趋势，设施农业作为其中的一个重要途径，越发受到重视。

作物生长主要受温度、湿度、光照强度等因素的影响，而建造智能温室的目的就是为了对这些环境参数进行自动控制。

温室农业避免了作物受自然环境因素的限制，能够使作物按照自身的最佳模式生长，让作物与环境统一起来，对农业的发展有重要的意义。

智能温室控制是基于传统温室，结合了计算机技术，自动控制技术，传感器技术等高科技手段而发展起来的，能够为各种各样的作物提供无关地域、季节的良好自然环境。

从而提高土地产出率，实现无污染，高效，高产，优质的目标。

本文将探讨并设计实现一种可靠性高，实用性强，控制精准的智能温室监控系统。

1.2智能温室的国内外研究现状及发展趋势

1.2.1国外研究现状

在国外，温室的起源可以追溯到罗马帝国时期。

结合了计算机技术的现代智能温室始于20世纪70年代，先是现场采集后进行记录和指挥控制，而后发展成为分布式控制系统。

现在世界各国的智能温室控制技术发展迅猛，在欧美，荷兰、美国、加拿大、西班牙、意大利、法国、德国、英国、比利时、以色列都是温室农业的强国；在亚洲，韩国和日本的智能温室发展较为突出[1]。

荷兰以其先进的鲜花生产技术闻名于世，温室产业在其农业产业中份量极重。

荷兰玻璃温室面积占世界的20%以上，其温室的控制系统全部由计算机完成操作。

荷兰本国蔬菜生产的绝大部分来自温室，其中绝大部分又销往世界各地，同时荷兰的蔬菜种子出口，温室农业技术出口和温室建造出口也在世界市场处于绝对领先地位。

美国和加拿大是规模化、机械化、人力节约型温室农业的代表。

农业机械化和现代温室技术在农业的应用，提高了作物的产量，如在美国温室番茄的产量从50kg/2m提高到70kg/2m,体现了温室技术的最高水平。

加拿大在温室病虫害防治方面处于世界领先水平。

以色列也走在了现代温室农业发展的前列，享有“欧洲冬季厨房”美誉，其先进的一体化智能光照控制温室、配套监控系统软件平台及其相关设备均为世界领先水平，极大程度的弥补了其本国农业资源、气候环境的先天不足，实现了花卉蔬菜大量出口创汇。

地处伊比利亚半岛的西班牙由于受到地中海气候的影响，土质较差且缺乏水资源，该国积极利用滩涂发展设施蔬菜，也取得了良好的经济效益。

以中日韩为代表的亚洲是当今世界温室农业发展最快的区域，其中尤以日韩的温室技术较为发达。

日本的自身自然环境相对恶劣，也催生了他世界领先的温室技术。

日本对农业的重视使得其有限的生产资源得到了充分利用,农业生产效率和科技水平都处于世界领先水平。

日本的蔬菜大棚利用计算机控制温室环境因素的方法，当某一环境因素发生变化时，其余因素自动做出相应调整，使得温度、湿度、光照强度这三个主要环境因素随时处于最适宜作物生长的状态。

韩国的温室产品在韩国加入世贸组织之后由普通的粮食蔬菜产品向有高附加值的鲜花园艺产品转变，对其温室技术的发展也起到了推动作用，温室管理水平也有了长足的进步。

1.2.2国内研究现状

我国温室的起源可以追溯到先秦时期。

改革开放以来，我国的温室面积发展迅猛，作物种类和与之对应的设施类型也日趋多样化。

20多年的时间里，我国从一个设施农业面积不足1万2hm发展到2010年的362.7万2hm的设施农业大国。

自1999年以来我国一直保持世界设施农业第一大国，占世界设施农业面积的85%以上，设施农业人均面积为272m，仅次于以色列，居世界第二位。

我国的设施农业主要集中在山东、辽宁、河北、江苏、浙江、宁夏等地。

近年来，我国设施农业得到长足的发展，势头迅猛；涉及的领域也更加广泛，从蔬菜种植发展到了花卉、水果、中草药等更多高附加值的经济作物的种植；设施农业的面积也在大幅增加，开展设施农业的省份也大幅增加，设施农业生产遍布全国所有省、市、自治区。

设施农业的发展也因地域的特点呈现区域化分布的态势，北方因气候寒冷以发展高效节能温室为主；南方则以夏季简易设施农业为主；在经济发达的大中型城市的郊区，现代化自控温室作为都市农业的载体得以发展。

据2008年的调查显示，设施农业的投入产出比高达1比4.5，由于其高产量和上市时机可控等因素，比相应露地农业的收入高30%以上。

近年来，我国也根据各地不同的气候特点，在消化吸收国外先进温室技术的基础上，自主研发了许多高水平的智能温室系统。

不断将最新的传感器技术和控制算法应用于智能温室的控制，大大提高了智能温室的控制水平。

为真正实现发展高效、节能的智能温室的目标而努力。

科研人员和从业人员的不断努力，对温室各个环境要素的控制和控制执行部件开展了卓有成效的研究，形成了中国特色的温室产业与技术。

1.3智能温室的发展趋势

随着科学技术的飞速发展，科技含量和技术水平的提高已成为温室发展的必然趋势。

温室的发展总体有以下态势：

（1）标准化

标准化有两层含义，第一是根据地域特点，即当地的水土资源，气候条件，设计适合当地条件的标准化温室，并健全温室配套设施的设计、安装、使用标准；第二是对温室内各种作物的生长模型进行标准化处理，在模型中作物生长的每一个环节都量化，做到及时精确管理，保证作物最适合的生长条件。

（2）规模化、多样化

温室产业也随着生产力的发展由粗放型向集约型转变，逐渐走上规模化、产业化的道路，更多的大型智能温室将出现在人们的视野。

温室种植的作物也由单一的蔬菜向附加值更高的经济作物转变，这些都是市场经济的选择。

（3）智能化

温室控制技术是智能温室的重点所在。

现代智能温室中，所有环境因子都由计算机来监测、控制。

现在已经由对单一环境因子的控制发展到对多个环境因子综合控制，并且控制算法也在不断进步中。

（4）节能环保

农业的发展与自然界和谐一致，是新世纪农业发展的要求。

通过对温室水资源、营养液的循环利用，节能LED灯，优化温室结构，余热回收，雨水回收，精确施肥等方式有效实现温室的节能环保。

（5）温室工厂化

植物工厂是在全封闭设施内全年进行作物生产的高度自动化控制体系。

近年来，无土栽培技术的应用使农业工厂化变为了可能。

无土栽培可以让作物在保证质量的同时生长更加快速，从而提高产量，一般蔬菜无土栽培的产量为土壤栽培的数倍甚至数十倍。

同时无土栽培也可以充分利用空间，通过多层立体种植提高了单位面积的栽培效率。

1.4论文的结构和主要研究内容

1.4.1论文的结构

本论文介绍了基于PLC[2]和组态王的智能温室监控系统的设计，主要内容结构如下：

第一章绪论部分首先介绍课题研究的背景，然后概述了国内外智能温室的研究现状以及发展趋势。

第二章首先介绍温室控制对象和温室整体结构，然后提出温室监控系统整体方案，最后对PLC和组态王软件进行了介绍。

第三章首先分析系统功能需求，然后分别从硬件软件设计整个下位机系统。

第四章介绍组态王软件和利用组态王开发工程的一般流程，然后根据温室监控的需要对上位机组态进行了设计。

第五章对智能温室监控系统进行了的抗干扰分析并进行系统整体测试。

第六章对全文工作进行总结，并提出展望。

1.4.2论文主要研究内容

（1）分析温室控制对象的特点和温室整体结构。

（2）根据温室概况，分析现有工业控制方案，以选择温室控制系统的方案。

（3）根据控制系统的方案选择PLC及其特殊功能模块、各类传感器、上位机监控软件。

（4）完成基于组态王软件的上位机监控系统设计和和基于PLC的下位机软硬件设计，从而通过上位机下位机的分布式控制，实现对环境参数采集、参数上限下限的设置、执行部件状态显示、温室环境自动/手动控制等功能。

第二章系统整体方案分析

2.1温室整体概况

2.1.1温室控制对象

温室控制系统是对温室环境参数进行控制的系统，在设计监控系统之前，需要对控制的对象有较深的了解。

影响植物生长的因素很多，为了保证作物的高产高质，掌握植物生长环境中的这些因素是很重要的。

下面简单分析本系统所关注的环境参数温度、湿度、光照度对植物的影响。

（1）温度

温度对植物的影响是综合的，它可以通过气温、土温、水温、植物体温等从各个方面影响植物的生长发育。

每种植物的生长发育都有其最高温度、最低温度和最适温度。

植物只能生存在最低温度到最高温度的范围内。

在最适温度，植物生长最快，但却会因为植物的呼吸作用使有机物消耗过多，长得细长柔弱。

要想植物健壮生长，就需要植物生长在其协调的最适温度，这个温度常比最适温度略低。

因此，将温室温度控制在协调最适温度的一定范围内对作物的生长将具有重要意义。

（2）湿度

影响水汽的来源、水汽输送的条件、空气保持水汽能力的条件都可能影响空气的相对湿度。

当空气湿度过小，会因为干旱造成植物缺水，影响植物生长；长时间湿度过大也会抑制植物的生长，并且过大的湿度会带来许多病虫害，如小麦锈病和小麦吸浆虫等；只有空气湿度较小且土壤水份充足，才是植物生长的较好条件。

因此，将温室的相对湿度保持在一个最适宜的范围内对温室内作物的生长和病虫防治具有重要意义。

（3）光照强度

一切绿色植物都必须在光照下才能进行光合作用。

通常根据植物对光的不同要求，分为阳性植物、中性植物、阴性植物。

阳性植物在低光照下难以正常生长，阴性植物在高光照下生长会受到抑制，但即使对光照强度要求最低的阴性植物也要达到其光补偿点才能生长。

对于同一种植物，不同的光照强度和光谱特性也影响着各器官的生长速度和发育比例。

此外，光照还能抑制某些病菌的活动。

因此，针对不同的作物，提供合适的光照强度将有利于作物的生长。

2.1.2温室整体结构

本文所设计监控系统针对的温室如下文所述，温室为9.6m跨三屋脊文洛式温室，南北向长9.6m，东西向长8m；面积76.8m2，为独栋温室；三角形顶棚，肩高4m，顶高5m，外遮阳高6m；温室骨架为轻钢结构，顶部使用聚碳酸酯板（PC板）为透光材料，四面使用玻璃材料。

温室顶部开有天窗，在屋脊两边面积相同，天窗大小2m×1m×2；四周开有侧窗，侧窗高2m，宽1.5m。

根据温室内所需控制的环境参数的种类，用以下几种执行设备调节温室环境，包括外遮阳幕，内保温幕，湿帘系统，天窗，侧窗，循环风机，通风风机，补光灯和加温装置。

2.2系统的整体方案

2.2.1系统控制方案

本系统采用的是可以在手动自动之间切换的控制模式，在开关量输入设置一个变量作为PLC的输入信号，即可实现控制模式的转换。

（1）自动控制

将温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器[3]采集到的环境参数信息，与用户设定的上限下限值比较后，如果某一个传感器采集到的实际值在用户所设置的环境参数目标值下限到上限的区间之外，则会通过PLC发出开关指令，来控制天窗电机、侧窗电机、湿帘、遮阳幕、保温幕、加温锅炉等这些执行部件中的相应部件的启停，使实际环境参数回到目标值下限到上限的区间之间。

本系统所针对的温室面积较大，光照强度分布均匀性较好，一组传

感器采集可以满足要求，但是温度、湿度的分布均匀性较难保证，固而需要多组传感器。

本系统设计了4组温度、湿度传感器分别从温室顶部、底部，靠南、靠北来检测温度、湿度

，这样的情况下，温度、湿度控制方案为，将各组传感器采集实时参数与用户设置的上限下限值比较，一旦有某一个传感器采集到得实时参数在下限到上限的区间外，就触发相应执行部件。

考虑到温室内温度差、湿度差不会大于相应上限与下限之差（用户应尽量避免这种情况出现），所以若同时出现温度传感器1采集的实时值小于下限，温度传感器2采集的实时值大于上限的情况，触发故障报警。

4组传感器的传感器的放置如下图所示，其中1号组包含4种传感器，2~4号组只包含温度、湿度传感器。

图2-3传感器组放置示意图

当实际温度低于目标下限，控制保温幕展开，加温设备开启，循环风设备开启；当实际温度高于目标上限，控制湿帘系统开启，遮阳幕展开，循环风设备开启。

当实际湿度低于目标下限，控制湿帘系统开启，循环风开启；当实际湿度大于目标上限，控制通风风机开启，侧窗开启。

当实际光照度低于目标值下限，打开补光灯；当实际光照度高于目标值上限，展开遮阳幕。

另外由于PLC检测系统反应灵敏，能够迅速反应实际环境值的变化。

当环境实际值在上限、下限值附近扰动时，PLC会频繁发出开关指令，造成执行部件的频繁动作，会减少执行部件的使用寿命，并且由于温室环境的时延特性，也不需要对执行部件进行即时控制，所以在程序中加入延时模块，并且根据实际情况修改延时的长短，以优化控制的效果。

（2）手动控制

手动模式则是通过点击组态王手动控制画面中的开窗、关窗,打开通风电机、关闭通风电机等模拟开关，从而控制这些执行部件来改变环境参数，达到手动控制的目的。

2.2.2系统结构与技术手段

系统采用组态王6.53的计算机作为上位机，通过串行通信接口与下位机PLC进行通信，采集温室当前环境参数，进而根据控制方案通过输出接口对执行机构进行控制。

系统还具有手动/自动的切换功能，当需要时直接通过手动开关控制执行机构，使系统更具可靠性。

通过系统结构可知，需要用到温度、湿度、光照强度3种传感器，并设计信号变送电路；对PLC编程进行数据采集和控制执行机构；通过组态王软件开发人机交互界面，对环境参数和执行机构状态进行显示，进行手动控制等。

总结起来需要用到得技术有，传感器电路设计、PLC硬件连接和软件编程、组态王开发。

图2-4系统硬件结构框图

2.3PLC和组态软件简介

2.3.1PLC简介

（1）PLC的基本概念

PLC是一种带有指令存储器、数字或模拟输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，面向机器或生产过程的自动控制装置。

（2）PLC的特点与功能

PLC与其他工业控制装置相比，有两大特点：

可靠性高、通用性好。

温室现场环境一般都比较恶劣，因此温室控制对控制系统的可靠性要求很高。

PLC设计和制造过程中采取了一系列有效措施保证PLC可靠运行。

在硬件设计上：

PLC所有的输入输出接口都采用光耦合器件，使PLC内部与外部电路直接在电气上隔离；PLC的电源与I/O回路设计有多重滤波电路（如RC滤波器、LC滤波器、数字滤波器等）；采用了性能优良的开关电源。

在软件设计上：

PLC程序一次性采入，循环方式执行，在循环执行期间改变输入也不会影响程序的执行；PLC程序采用的都是面向用户的专用编程语言，简单直观，在编译过程中还可以进行错误自动检查，保证了程序的正确性；PLC的用户程序与系统程序相对独立；以上这些措施都大大提高了程序执行的可靠性。

通用性好，使用方便，是PLC之所以能够得到普及的重要原因。

PLC大多都采用了基本单元加扩展或者特殊模块的结构形式，在需要时可以随时更换或增减I/O模块，温室中I/O设备的更换和增减也较为频繁。

特殊功能模块也越来越多，可以满足不同的控制要求。

PLC的I/O连接简单，工作量和出错可能性都小，维护和维修也非常方便。

PLC的编程语言简单明了，程序形象直观，即使没有计算机知识的人也非常容易掌握，推广与普及相对其他工业控制装置容易。

PLC首先具备满足顺序控制要求的基本逻辑运算功能。

随后，由于PLC应用范围的扩大，又不断开发了可以满足各种控制要求的特殊控制功能。

近年来，为了适应信息、网络技术的发展，网络与通信能