基于PLC的大棚温室控制系统的设计.docx

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基于PLC的大棚温室控制系统的设计

TTMSsystemofficeroom【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-TTMSHHJ8】

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基于PLC的温室控制系统的设计

摘要

随着人们生活水平的提高，由温室大棚种植的反季节蔬菜成为人们越来越离不开的食物，所以温室大棚技术越来越重要，而温度控制是最为重要的一环。

考虑到PLC具有灵活性、操作简单等优点，所以设计出了基于PLC的温度控制系统。

该论文介绍了温室控制系统的构成，包括信息采集部分、智能控制部分以及最后的执行部分。

由于温度的变化因素很多，包括光照、湿度、通风等因素，所以本次设计的系统中包括了升降温系统、补光系统、遮阳系统、加湿系统、CO2系统、通风系统，来综合调整温度的变化保证温度的准确度。

根据设计需要和经济综合因素的考虑选用了西门子S7-200型PLC的控制，这样既能够满足输入与输出控制，又有比较高的性价比。

在设计中给出了控制系统的软硬件设计，并用STEP7软件进行对梯形图的输入、调试与仿真，能够完全符合设计需求。

关键词传感器PLC模糊控制器MCGS组态软件电机

GreenhouseControlSystemBasedonPLC

ABSTRACT

Withtheimprovementofpeople'slivingstandardantiseasonvegetablesbecomepeopleareincreasinglyinseparablefromthefood,sothegreenhousetechnologyismoreandmoreimportant,andthetemperaturecontrolhasbecomethemostimportantpart,sothePLCcontrolsystemofgreenhousebasedon.TemperaturesensorandPLCarethecoreofthegreenhousecontrolsystem,theyhaveadirectimpactontheworkingstatusofthesystem.Itsworkingprocessisthewhenthetemperaturesensortocollectthesignalistransmittedtothefuzzycontroller,thefuzzycontrollerbythesignalconversionandcomparativeanalysis,thenthesignaltransformationoutputsignaltotheMCGSconfigurationsoftwareisusedtojudgetheandthesignalistransmittedtothePLC,PLCreceivesthesignalandcontrolmotorworkingtemperaturecontrol.MCGSconfigurationsoftwarewherethecomputerisalsoaplatformforhuman-computerinteraction.

KeywordsTemperatureSensorPLCFuzzyController

MCGSConfigurationSoftwareElectricMachinery

第1章绪论

课题背景

时代在进步社会在发展人民的生活水平也在不断地提高，而反季节蔬菜已经成为人们餐桌上必不可少的食物，所以以大棚温室为主的农业种植面积不断增大，温室大棚主要就是为植物的生长创造合适的温度环境，但是如何创造合适的温度环境成为摆在人们面前一大难题。

而现在最普遍控温方式是人们根据室内温度进行操作，例如用竹杆挑拨塑料膜来控制风口大小以及用滑轮绳索拉动塑料膜来控制风口大小。

这种人工操作方式存在四个无法克服的难题；

（1）温度利用率比较低，在天气较好时为防止高温对植物生长的影响，所以风口要相对放大点，这样就造成室内低温段跟高温段温差较大，这就会使温度流失，植物的生长缓慢；

（2）当遇到雨雪大风天气，温室内的温度不能保证恒定不变，植被不能再适宜的温度下生长，就会容易发生病虫害，造成经济损失；（3）一次性的温度失控往往会有无法逆转的损失；例如在树花期出现一两次的高温情况，就会使的全年绝产；（4）劳动强度很大，时间上也很难快速调整温度。

蔬菜看管温度的用时约占总时的50%，水果看管温度用时约占总时的85%。

最近几年虽有用单机械收放风口的技术出现，但由于都解决不了实际得问题，得不到广泛应用。

本文设计智能温控系统的目的在于针对现有技术的不足，提供一种是替代人工控制温度操作，适用广范，结构简单，操作方便，温度资源利用率高，生产成本低，产品品质优良的温室大棚智能控温技术。

温室环境控制需要调控很多的环境因素，以达到调节成熟周期，加快生长发育的目的，温室环境控制为农业的高产稳产提供了保障，可以一定程度上替代人工，减少生产的成本，同时还具有结构简单，操作方便等优点。

国内外研究现状

20世纪70年代国外就开始对温室温度控制技术进行研究，当时采用模拟仪表进行组合，现场采集信息并且进行记录、指示以及控制。

20世纪80年代末期出现了。

科技的发展带来的是生产力的解放，计算机技术的应用使温室控制更为精确，并且逐渐朝着无人化、智能化的方向发展。

我国对于温室控制技术的研究始于20世纪80年代。

我国大量吸取国外经验基础上，开始掌握了室内，但是这项技术仅仅只能控制温度、湿度和CO2浓度等单，从此之后我国的温室控制技术得到了飞跃式的发展。

到90年代中后期，在学习国外建造经验的基础上，我国开始尝试自主研发环境控制系统。

1995年，研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控”，这个系统是以小型分布式数据采集来控制的系统。

1996年研制成功了用进行管理的系统。

该系统能对较多的环境因素进行综合的控制，是国产化温室控制技术比较典型的成果。

90年代末期，河北职业技术学院研制了，能够对温度和湿度进行实时测量及控制。

当时我国水平较低，过多，温室的建造投资太大，对工作人员的要求较高等成为了限制温室控制技术发展的主要因素。

本文目的在于探寻温室环境自动控制在实践中的应用，并且推动温室控制系统的发展进程。

内容安排

温室的建造采用了先进的科学技术可以有效的提高农作物的产量和经济效益。

本文在充分了解影响温室温度控制因素的基础上做出智能温室温度控制系统的总体设计方案。

系统由PLC作为设备核心构建而成，可以实现我们预期达到的要求。

本文对温室温度控制算法进行研究。

温室环境是个复杂的系统，根据这种情况，本文采用模糊算法进行数据的前期处理。

之后使用PLC网络组态方法，这样就解决了过程控制层和监控层之间通讯等问题，并且利用编程软件根据环境系统对温度控制的要求编写了监控程序，这样就能够实现远程监控、用户管理、报警记录、曲线显示等多项监控功能。

本文设计的系统大大提高了设备的利用率，降低耗能，而强大的扩展功能使其可以很容易的选用外围设备，这样就能提高系统的容错率大大降低了系统建造的难度。

第2章系统总设计方案

系统总体设计思路

环境因素是影响植物生长的重要因素，而温室的建造使得环境这个重要因素得以改变，可以创造出更加好的环境让植物生长。

温室的主要作用就是来改变植物生长，它能避免恶劣天气对植物的影响达到促进植物更好的生长。

但是环境的更改我们需要考虑的很多，我们要主要分析哪些因素会对植物的生长起到作用。

经过我们不断的咨询和调查我们得出作物的生长环境主要是由温度、湿度、CO2浓度、光照等因素构成，我们只是单独控制一种因素来控制温度是无法达到我们所想要的目的的，所以我们要考虑多种因素的综合控制。

设计概要图

温室是具有鲜明使用功能的农业型建筑，其构建涉及工程问题必须符合国家规定建造。

温室的主要作用是承载负荷、保温、防雨雪等作用。

传感器监测到温室中环境因素的变化时，会把监测到的环境信号传递给模糊控制器，模糊控制器对信号进行处理然后传递给MCGS组态进行数据的人机互动显示，最后传递给PLC，PLC对信号进行处理控制内部设备运作不断地改变温室的环境，使温度保持在一定的范围内。

本文设计的系统是以PLC为控制核心总体分为以下三个部分；

（1）信息采集系统，它包括温/湿度传感器、光照传感器和CO2传感器主要是进行实时监测温室内的环境和执行设备工作时的反馈工作。

它是影响系统精确度的主要因素。

（2）智能控制部分，它主要包括了模糊控制器、MCGS组态（也是人机交互界面）还要系统最核心部分PLC。

信息采集系统把信号出输给模糊控制器，模糊控制器进行信号的处理（对PLC做出判断做出先前分析），模糊控制信号处理完毕然后传送给MCGS组态，MCGS组态做出趋势曲线、动画演示等进行人机信息交互，最后把信号传给PLC，PLC把信号与我们设定的值进行对比做出相应的判断，控制下一部分工作。

（3）系统执行部分，它包括最后的设备含有正反转设备和开关类设备，根据PLC给出的信号做出相应的反应控制温度等达到我们预想的目的。

最终信息采集部分在进行信息采集进行反馈然后重复上述步骤，进而达到智能控温的效果。

我们也可以进行手动或自动切换更加确保温度的准确性。

系统三个部分各有各的功能，它们的完美组合使得系统才能到达到我们所需要的目的，但是系统的运行过程中肯定会有误差存在。

信息采集系统是系统开始的第一步它们元件的质量是保证系统准确性的第一步，所以我们在选择信息采集系统的器件时我们第一位的应该是确保器件的质量在考虑器件的价格，信息采集系统直接影响了整个系统的准确性。

智能控制部分作为系统的第二部分起到了整个系统最核心的作用，它对系统准确性的影响（在我们先前校准完毕的情况下）不是特别大。

最后系统的执行部分对于系统准确性影响可以排在智能控制系统的前面，作为最终的执行机构它们承担着最终完成改变环境因素的职能，在他们工作的时候总是会产生热量会影响整个温室内部环境，可能在一段时间后设备会出现故障从而达不到我们想要的结果，这些都是系统存在的误差因素。

所以设计系统的时候应该加强对设备筛选和对控制系统的设计，尽量减少系统所产生的误差，确保系统的正常运行。

系统流程图如图所示。

图系统流程图

第3章系统硬件方案设计

信息采集电路的设计

温/湿度传感器的选择

本文选择的温/湿度传感器有两种一种是北京伊泰公司型号为IEC751和荷兰维拉公司型号为MMD30的产品。

北京伊泰公司型号为IEC751的技术参数是：

（1）绝缘电阻：

≥1000M

（2）适用范围：

-20℃—500℃

（3）湿度：

≤80%

（4）电压：

10~100V

荷兰维拉公司型号为MMD30的技术参数是：

（1）绝缘电阻：

1000M?

（2）适用范围：

-20℃—300℃

（3）湿度：

≤80%

（4）电压：

20~300V

根据本文设计的系统，荷兰维拉公司型号为MMD30的温/湿度传感器它的电压范围更适合实际情况，它的电压阻值也小更适合系统要求所以我选择它。

温/湿度传感器外观图如图所示。

图温/湿度传感器外观图

光照传感器的选择

光照传感器主要是实时采集光照的变化来控制开窗设备和光照设备的开关，使得植物得到的光照更加充足更好的生长。

光照度传感器有以下两种型号可供选择。

本文中选用的光照传感器的产品型号Poi88-c，其光照度传感器参数如下：

（1）量程：

O-200K1UX、O-20K10X、0—2000可选；

（2）供电电压：

24VDC／12VDC；

（3）输出信号：

20—4mA，10V—OV可选；

（4）精度：

±2％；

北京和润科技有限公司的光照度传感器参数；

（1）量程：

O-200K1UX、O-20K10X、0—1500可选；

（2）供电电压：

24VDC／12VDC；

（3）输出信号：

15—4mA，10V—OV可选；

（4）精度：

±3％；

根据系统要求北京易盛泰和科技有限公司产品型号Poi88-c光照度传感器精确度更准，更符合系统要求所以选择这个。

光照传感器外观图如图所示。

图光照传感器外观图

CO2传感器的选择

CO2传感器的作用是检测CO2的浓度控制开关设备进行浓度调节，保证植物的正常生长。

C02传感器有弗加罗公司生产C02传感器和美国仪态和科技有限公司的C02传感器。

弗加罗公司生产C02传感器参数：

（1）测量范围：

0～5000ppm；

（2）使用寿命：

1500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；

美国仪态和科技有限公司的C02传感器参数：

（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；

由于美国仪态和科技有限公司的C02传感器比弗加罗公司生产C02传感器使用寿命更长性能参数相同所以我选择它。

C02传感器外观图如图所示。

图C02传感器外观图

主控制电路设计

PLC的选择

PLC设备型号有两种选择一种是德国西门子的S7-200另一种德国西门子的S7-300两种，西门子设备应用比较广泛也是我们所学的设备所以我选择的都是西门子的设备。

S7-200型号的PLC具有的功能能够满足我们系统的需求，并且体积小节省空间，而且能应对比较复杂的环境具有很高的性价比，所以选择S7-200型号的PLC。

S7-300型号的PLC具有比S7-200更加强大的功能但是考虑到实际情况，S7-200型号的PLC已经符合我们的需求并且价格低廉所以我选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。

S7-200系列PLC包含CPU221、CPU222、CPU224、CPU226等类型。

根据本论文的设计要求选用的S7-200CPU226,CPU226是集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可以连接7个扩展模块，I/O端子排可进行拆卸。

I/O分配如表所示。

表I/O分配图

信号类型

PLC地址

功能

信号类型

PLC地址

功能

输入信号

自动/手动切换

输出信号

通风扇正转

启动开关

通风扇反转

停止开关

遮阳帘开帘

手动通风扇正转

遮阳帘关帘

手动通风扇反转

热风机启动

手动热风机启动

冷风机启动

手动冷风机启动

加热器启动

手动加热器启动

补光灯开启

CO2开关阀

指示灯

PLC内部接线图

因为PLC本身受限制外部输出点的带负载能力比较低，如果直接带风机等负载输出触点容易坏，所以采用交流接触器作为接触原件，来间接的控制电动机等设备的启停以及它们的正反转。

阻容吸收电路组成是由一个500Ω和一个μF/400V的电容串联而成。

EM231具有四路模拟量输入，电流、电压都可以是它的输入信号，电流对于噪声敏感度不高，所以选用4到20mA的电流作为传输信号，同时还可以避免传输线路的损耗。

电流在输入时进入端需将“R”与“+”短接，流出端为“-”，并将SW1、SW2、SW3三个开关分别设定为“ON”、“ON”、“OFF”。

EM231的接口电路图如图所示

图EM231的接口电路图

模糊控制器设计原理

模糊控制器本身存在一个知识库一般是由两部分组成，一部分是数据库一部分是规则库，数据库是历史数据的集合，而规则库是根据人们对于温室温度控制的经验而建立，能够做出像人们对于温室控制的一种直觉推理，从而做出规则控制。

信号进入模糊控制器后会进行模糊化处理在以知识库作为参考依据的前提下对信号做出处理。

最后反模糊化是把输出的模糊输出量转变成实际输出量，最终为系统有效的控制温室内的温度提供最先一步的处理。

模糊控制器原理图如图所示

图模糊控制器原理图

系统执行部分设计

系统执行部分一般可以分为两部分，一部分是可以进行正反转的电机设备，另一部分是开关控制的开关类设备。

正反转部分设计

正反转设备有侧窗电机、连续开窗、遮阳系统等，由于系统的要求它们使用的电机功能参数相差不大所以可以使用同一种正反转电机。

正反转电机有两种一种是碧凯公司WN系列电机另一种是德国福玛特公司的HJ系列电机。

碧凯公司WN系列的减速电机输出转速：

～460r/min输出转矩：

高至1500Nm电机功率：

～4Kw安装形式：

底脚安装法兰安装。

德国福玛特公司的HJ系列电机采用高精度齿轮，并配有油封防止进水，O型环密封式齿轮箱，采用润滑脂浴润方式，具有噪音低，使用寿命长、体积小、功率大等特点。

减速范围比较宽广，减速比1：

3～1:

1500。

减速电机输出转速：

～290r/min输出转矩：

高至1300Nm电机功率：

～4Kw安装形式：

底脚安装法兰安装。

根据本文设计系统的要求和实际情况我选择碧凯公司WN系列电机，它的性能更加强大性价比比较高。

由于正反转电路的控制电路相差不大，现在以遮阳系统为例做出系统控制电路介绍。

遮阳系统电路中的热继电器FR2是电机的过载保护，主要当遮阳系统因为外界原因关闭不了或打不开的情况。

熔断器FU2起到过电流保护的作用。

而KM3、KM4在电路中起到控制电机正转与反转的功能。

遮阳系统主电路图如图所示。

图遮阳系统主电路图

开关类设计

加热器、热风机、发光体、冷风机等属于开/关设备，它们控制电路大体相同，所以现以热风机为例，做以下介绍。

热风机主要的功能是控制电机的通断电来实现，、继电器来控制风机，由热继电器、熔断器来实现电路中的短路保护、过载保护、过流保护。

热风机系统主电路图如图所示

图热风机系统主电路图

系统主电路图

系统主电路硬件中天窗电机、侧窗电机、遮阳电机功率有所不同都同意配有限位开关，然后通过电机的正转，反转及停止来完成相应的功能的开启及闭合。

所以它们的主电路都是相似的。

传感器、微雾加湿器、热风机、湿帘风机、湿帘水泵、补光灯都是输入开关设备。

在系统接线图中QK是闸刀开关作用是控制整个主电路的启停,QF1-QF8为断路器起到保护线路和电机作用，FU1是熔断器起到保护电路短路或过载的作用。

FR1-FR8是热继电器主要是对电机起到过载保护的作用，KM1-KM13是交流接触器主要作用是控制电机的正反转、启动、停止和其余设备的开关。

系统主电路图如图和所示。

图系统主电路图

图系统主电路图

第4章系统软件方案设计

STEP7Micro/Win软件简介

STEP7-Micro/WIN编程软件功能强大同时连接方式也比较简单利用一根PC/PPI电缆就可以建立起计算机和PLC之间的通信关系。

这是一种单主站通信方式，不需要其他硬件设备，在加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作，是西门子PLC用户不可缺少的开发工具。

STEP7-Micro/WIN主界面如图所示。

图STEP7-Micro/WIN主界面图

STEP7-Micro/WIN编程软件主要功能

STEP7-Micro/WIN编程软件可以实现以下功能。

（1）当脱机（离线）是可以创建用户程序，修改和编辑原来的程序。

（2）当联机（在线）时可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行操作，如上载、下载组态数据和用户程序等。

（3）可以在编辑程序的过程中同时进行语法的检查。

（4）对用户程序可以进行加密处理和文档管理等功能。

（5）可以设置PLC的参数、工作方式和运行监控等操作。

STEP7-Micro/WIN编程方法

由于在使用STEP7-Micro/WIN编程软件编辑程序的过程太过于繁琐，所以在此只能做出简单介绍。

（1）首先我们先打开STEP7-Micro/WIN编程软件，进入主界面。

（2）我们单机浏览栏中的程序块按钮，这样我们就进入了梯形图编辑串口。

（3）在编辑梯形图的窗口中需要我们把光标定位好。

（我们即将输入编程元件的地方）

（4）这是我们可以直接在指令栏中找到我们所需要的指令直接点击，这样我们所需要的指令会直接插入到我们光标所在的位置。

例如我们点击常开触点指令。

这时梯形图窗口中就会有常开触点的指令，还需要在处输入。

常开触点指令如图所示。

图常开触点指令

PLC系统软件介绍

（1）系统自动/手动切换

是启动开关，是自动/手动切换控制，是控制灯，当=1，得电，这时是停止开关，=0，=1时，中间继电器得电，系统选择的运行方式为手动模式。

=1，=1时，中间继电器得电，系统选择的运行方式是自动模式；系统自动/手动切换梯形图如图所示。

图系统自动/手动切换梯形图

（2）系统温度控制

系统运行方式为自动模式时，温度传感器把监测到的环境信号输入到模糊控制器中，模糊控制器做出比较输出给MCGS组态，MCGS组态把信号输入给PLC，PLC将温度传感器检测到的值AIW0与设定值“25度”进行比较，AIW0>25时，中间继电器得电，启动降温设备；当AIW0<25时，中间继电器得电，启动升温设备。

系统自动温度控制梯形图如图所示。

图系统自动温度控制梯形图

系统的运行方式为手动模式时，直接通过按钮进行控制就可以了。

系统手动温度控制梯形图如图所示。

图系统手动温度控制梯形图

自动模式下，温度传感器测量的值高于设定的值时，中间继电器会得电这时控制通风扇正转，手动模式下，将单刀双掷开关拨至“通风扇正转”，中间继电器得电，通风扇正转。

系统通风扇正转梯形图如图所示。

图系统通风扇正转梯形图

通风扇反转的原理与通风扇正传原理相同，这里就不多做介绍。

系统通风扇反转梯形图如图所示。

图系统通风扇反转梯形图

系统运行方式是自动模式下，温度传感器测量的值低于设定的值中间继电器得电，热风机启动；手动模式下，按下热风机启动按钮，中间继电器得电，热风机启动。

系统热风机启动梯形图如图所示。

图系统热风机启动梯形图

系统运行方式为自动模式时，温度传感器测量的值高于设定的值时，中间继电器得电，冷风机启动；手动模式下，按下冷风机启动按钮，中间继电器得电，冷风机启动。

系统冷风机启动梯形图如图所示。

图系统冷风机启动梯形图

系统运行方式是自动模式时，温度传感器测量的值低于设定的值时，中间继电器得电，加热器启动；手动模式下，按下加热器启动按钮，中间继电器得电，加热器启动。

系统加热器启动梯形图如图所示。

图系统加热器启动梯形图

（3）系统光照控制

系统的运行方式是自动模式时。

光照传感器将测得的模拟量通过模拟量输入模糊控制器中，模糊控制器做出比较输出给MCGS组态，MCGS组态把信号输入给PLC，PLC将光照度传感器检测到的值与设定值比对，当AIW0>20时得电，不启动补光设备；当AIW2<20时得电，启动补光设备。

系统自动光照控制梯形图如图所示。

图系统自动光照控制梯形图

系统运行方式为手动模式时，可通过控制相应的按钮进行控制。

系统手动光照控制梯形图如图所示。

图系统手动光照控制梯形图

系统运行模式为自动模式，光照传感器测量的值低于设定的值时，