基于PLC大棚温湿自动控制系统.docx

1、基于PLC大棚温湿自动控制系统毕业论文中文摘要基于plc大棚温湿自动控制系统摘要： 讨论了在温室控制中引入PLC技术构成分布式控制系统的方法,详细介绍了系统的特点、组成、硬件设计、实时动态监控系统及通信问题。分布式的控制结构,使各子系统相对独立,管理与控制功能分开,易于实现群控化管理,提高了系统的可靠性,且易于扩展。系统成本低廉,性能稳定,通用性好,符合中国国情,具有广泛的应用前景。关键词： 温室大棚 PLC 集散控制 温湿控制毕业论文外文摘要Title Design the agriculture temperature and humidity glasshouse control sys

2、tem with the programmable logic controller Abstract：The method of distributed control system composed by PLC technology in glasshouse control is introduced in this paper. It gives a detailed introduction to the characteristics, constitutes,software and hardware design , real - time dynamic surveilla

3、nce and communication of the system.The distributed control structure makes all sub - systems independent relatively , separates the management and control function , and easy to realize the swarm control management , greatly improves the reliability and expandable of the system. It has the characac

4、ters of low cost , stable function , wide adoptability , etc , which matches the conditions of China and has charming application foreground.Keywords： Glasshouse agriculture; PLC; Distributed control system;Swarm control management目 次 1 引言 11.1研究背景 11.2研究的目的及意义22 系统概述 22.1系统设计任务 22.2系统总体设计 22.3 系统工作

5、原理 72.4 温湿度传感器 83 系统硬件设计 93.1 PLC简介 93.2 总线简介 93.3电磁阀的简介与安装 103.4湿度传感器 133.5温度传感器 143.6 喷灌系统的设计 15结论 21参考文献 22致谢24图1251 引言1.1 研究背景我国的设施园艺绝大部分用于蔬菜生产。年代以来，温室、大棚蔬菜的种植面积连年增加。目前的栽培设施中，有国家标准的装配式钢管塑料大棚和玻璃温室仅占设施栽培面积的少部分，大多数的农村仍然采用自行建造的简单低廉的竹木大小棚，只能起到一定的保温作用，根本谈不上对温光水气养分等环境条件的调控，抗自然环境的能力极差。即使那些数量不多的装配式塑料大棚和玻

6、璃温室也缺乏配套的调控设备和仪器，主要依靠经验和单因子定性调控，设施栽培的智能化程度非常低。我国设施农业的发展，以超时令、反季节生产的设施园艺作物的发展为主，且发展迅猛。1997年设施园艺作物栽培面积达86.7万公顷，较80年代初期的栽培面积增长了128 倍，人均设施蔬菜占有量19961997年为33公斤，较19801981年人均设施蔬菜占有量增长了近164倍。2001年，我国设施园艺面积将突破100万公顷，全国设施蔬菜人均占有量将达到40公斤。塑料大棚、中棚及日光温室为我国主要的设施结构类型。其中能充分利用太阳光热资源、节约燃煤、减少环境污染的日光温室为我国所特有。1997年我国日光温室面

7、积已超过近16.7万公顷。由农业部联合有关部门试验推广的新一代节能型日光温室,每年每亩可节约燃煤约20吨。采用单层薄膜或双层冲气薄膜、PC板、玻璃为覆盖材料 的大型现代化连栋温室，具有土地利用率高、环境控制自动化程度高和便于机械化操作等特点，自1995年以来，呈现出迅猛发展之势，目前全国共有大型温室面积200 公顷，其中自日本、荷兰、以色列、美国等国家引进的温室面积达140公顷。我国设施农业目前还存在着诸如土地利用率低、盲目引进温室、设施结构不合理、能源浪费严重、运营管理费用高、管理技术水平低、劳动生产率低及单位面积产量低 等诸多问题，但随着社会的进步和科学的发展，我国设施农业的发展将向着地域

8、化、节能化、专业化发展，向着高科技、自动化、机械化、规模化、产业化的工厂型农业 发展，为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。1.2 研究的目的及意义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。虽然有些温室

9、也安装有各种加热、加湿、通风和降温的设备 ,但其主要操作大多仍是由人工来完成的当温室面积较大或数量较多时 ,操作人员的劳动强度很大 ,而且也无法达到对温湿度的准确控制。本文介绍一种基于PLC和数字式温湿度传感器的温室控制系统。该系统实现了室内温湿度的自动测量和调节 ,大大降低了操作人员的劳动强度，采用喷灌系统作为改变温室湿度环境的方法节约了水资源。充分利用太阳能节约了能源。2 系统概述2.1 系统设计任务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

10、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。灌溉系统采用电磁阀控制的喷灌系统的方式，节约了水源，温度调节主要有遮阴帘风机的动作来解决。2.2 系统总体设计2.2.1 plc的选择由于德国 SIEMENS系列产品具有功能强大、可靠灵活等特点 ,从系统设计的整体性、一致性出发 ,考虑到经济性、功能性等各方面的原因 ,我们选用西门子公司的产品 ,以最优的性能/价格比进行系统的配置。本系统可以实现各个子系统的单独调控

11、 ,通过通讯网络由总控室进行统一的管理 ,便于实现群控化控制。系统配置上各个子系统选择了 SIEMENS系列的 S7 - 215 PLC,这是因为在200 系列 PLC中 ,只有215具有 Profibus- DP口 ,可以联到 Profibus上进行高速数据传输。S7 - 215 本机 14 个输入点和 10 个输出点 ,内存 13K字节。扩展模块 EM231 可以实现 3 路模拟量输入的 A/D 转换 ,EM235 实现 3 路模拟量输入的A/D 转换 1 路模拟量输出的D/A 转换 ,可以根据需要方便地进行功能的扩展。另外调整相应系统的硬件设备或者对应的用户子程序,可以方便地改变对参数的

12、设置。系统通过开关量传感器、模拟量传感器对温室内的温度、湿度、光照等进行检测。通过D/A通道要实现对各种执行和调节机构的控制,以及各种环境设备的启停和电机等设备的保护。各子系统选用 PLC的主机内部带有存储程序的 EPROM,停电后程序不会丢失。总控室选择 S7 - 315 ,它集成有数据通讯接口 ,可以方便地通过 PROFIBUS - DP 口实现和其他子系统的通信 ,进行集中管理。在这里通过动态监控画面可以动态地了解各种参数的变化。各个子系统可以实现独立运行 ,当网络出现意外或其他子系统出现问题也不会引起瘫痪。环境控制子系统配置硬件原理图如图 2.1所示。图2.1 系统组成框图2.2.2

13、软件和动态监控系统设计软件部分主要完成对各个子系统的控制 ,并集成有模糊控制算法 ,可以根据参数设定值达到对环境参数的精确控制 ,能够实现数据采集、数据预处理、通讯和监控执行机构等功能。动态监控系统的设计是采用西门子的视窗控制中心 SIMATIC WincCC,它是一种可视化的人机界面 ,可以很容易地结合标准和用户程序生成人 - 机界面 ,准确地满足实际要求。SIMATIC WinCC的组成包括计算机(Computer) 、标签管理(TagManagement) 、数据类型(Data Type)和编辑器(Editor)几个部分。动态监控系统可以实时检测温室内各种环境参数的瞬时值和动态显示他们的

14、变化趋势 ,同时每隔一定时间间隔对采集值进行存储以提供数据报表 ,同时将其保留在历史数据库中供作物栽培者日后进行检查。2.2.3 网络通信系统设计通信系统实现对整个温室运做的信线,RXD(收) 、TXD(发) 、GND(地) 。选用可保证波特率在9 600 bps时 ,通信距离可达到112 km。设计采用主从方式管理 ,主机通过RS- 232/ RS485通信接口转换器完成信号之间的转换 ,从机采用 MAX485 接口可以实现RS/485 与 TTL 电平的转换。信号通信程序分为初始化、接收和发送三个部分。本设计中所选 PLC都是 SIEMENS的产品 ,本身都集成了 PROFIBUS接口 ,

15、可以方便可靠的连接成一个现场总线网络。本机主站和从站的分配情况如下: 在本系统中选用了带有Profibus接口的 S7 - 315 为主站 ,它为每一个站点分配一个地址 ,在预定的信息周期内与分散的站点交换信息。本系统中总控室的上位 PC机属于第二类主站 ,选用带 PROFIBUS - DP 网卡(CP5611) 接口的工控机。从站为各个子系统的 S7 - 215。PLC与 PC之间的通讯 ,二者进行数据交换 ,各站周期性地交换 1 字节数据。主站发送命令信息 ,从站上通过DP - RECV(read) ,调用DP - RECV 功能从主站读取数据并存储到从站 DB11 中 ,然后通过DP -

16、 SEND(write) ,调用DP - SEND 功能存储在 DB11 中的数据写入到主站的输入区。1 PLC与上位机的通讯协议 通讯协议包括两方面的内容：一是通讯接口；二是通讯方式。PLC 与上位机一般采用 RS-232接口的异步串行通讯方式。CQM1 的 CPU 单元本身带有RS-232接口,可直接使用该端口与上位机进行RC-232串行通讯。通讯方式有两种:一种是上位机始终具有初始传送优先权,所有的通讯均由上位机来启动，CQM1 总是处于被动状态；另一种是 PLC 具有优先权,命令由 PLC 发送至上位机。笔者设计的监控系统采用的是第一种通讯方式。 PLC 与上位机的数据通讯是以“帧”为

17、单位进行的，帧的格式如图 2.2 和图 2.3 所示。命令帧由上位机发送给 PLC，响应帧为 PLC 接收到命令帧后自动向上位机发送的应答信号。图2.2 命脉令帧图2.3 响应帧2 通讯过程 通讯开始，先由上位计算机对 PLC 发出一串字符的测试帧命令。在帧的传送格式中，“”为起始符；节点号为 PLC 的编号,用于标识和上位机通讯的PLC，由 PLC 中 DM6648 设定。在这个温室环境检测控制系统中，只有一个下位 PLC，其节点号为 00;标题码为一个 2 字符的命令代码,用来标明帧的功能。例如 RD、WD 分别为读、写 DM 数据区的标题码FCS 为一个 2 字符的帧检查次序代码，即从帧

18、起始位到帧数据结束（FCS 前）之前的数据进行“异或运算的结果，用来检查帧的传送结果。例如，计算机发送一命令帧00RR00?0143 CR，帧中 43 为 FCS的值，它是由命令帧中、0、0、R、R、0、0?1 分别转化为 ASC码,再转化为 8 位二进制数进行“异或”运算后转化为十六进制的结果；CR 表示帧结束响应帧中结束代码为“00”，标明通讯有效。 为充分利用上位机 CPU 的时间，可使上位机与PLC 并行工作,在上位机等待 PLC 回答信号的同时，使 CPU 处理其它任务或线程。某 PLC 在接到上位机的一个完整帧以后，首先判断是不是自己的代号，若不是，就不予理睬；若是，就发送呼叫回答

19、信号上位机接到回答信号后，与发送测试的数据比较。若两者无误，发出可以进行数据通讯的信号，转入正常数据通讯；否则，提示用户检查线路重新测试或通讯失败。3 PC 机串行通讯软件的设计 VisualC+6.0 具有强大的 MFC 类库、强大的图形功能和良好的人机界面，可以轻松地开发出界面良好的 Windows 标准风格的图形用户界面。 编程时，主要使用 VC+提供的串行通信控件 MS Comm 来实现。首先，利用 MFC APPWizard 创建对话框；然后，在对话框中创建通信控件，或通过菜单Project - Add to Project - Components and Control 插入即可

20、，再将该控件从工具箱中拉到对话框中。然后，设置合适的 WindowsAPI 函数的接口。也就是设置和监视 MSComm 控件的属性和事件。 在 ClassWizard 中，为新创建的通信，控件定义了成员对象（CMSComm m_Serial）。通过该对象，便可以对串口属性进行设置。下面是通过设置控件属性对串口进行初始化的程序： BOOL CSampleDlg: PortOpen() BOOL m_Opened; . m_Serial.SetCommPort(2); / 指定串口号m_Serial.SetSettings(4800,N,8,1); /通信参数设置 m_Serial.SetInBu

21、fferSize(1024); /指定接收缓冲区大小 m_Serial.SetInBufferCount(0);/ 清空接收缓冲区 m_Serial.InputMode(1); / 设置数据获取方式 m_Serial.SetInputLen(0); / 设置读取方式 m_Opened=m_Serail.SetPortOpen(1);/打开指定的串口 return m_Opened; 打开所需串口后，需要考虑串口通信的时机。在接收或发送数据过程中，可能需要监视并响应一些事件和错误，所以事件驱动是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。使用 OnComm 事件和Com mEvent 属性捕捉并检

22、查通讯事件和错误的值。发生通讯事件或错误时，将触发 OnComm 事件，CommEvent 属性的值将被改变，应用程序检查 CommEvent 属性值并做出相应的反应。在程序中用 ClassWiz ard 为 CMSComm 控件添加 OnComm 消息处理函数： void CSampleDlg:OnComm() switch(m_Serial.GetCommEvent() case 2:/ 串行口数据接收，处理； 2.3 系统的工作原理系统由温湿度传感器、PLC系统 (含键盘和液晶显示 )、加热设备和加湿设备几部分组成。整个系统的工作原理图如图 2.4所示。图2.4 系统工作原理图该温室控制

23、系统是利用 PLC把传感器采集的有关参数 (如温度、湿度 )转换为数字信号,并把这些数据暂存起来 ,与给定值进行比较 ,经一定的控制算法后 ,给出相应的控制信号进行控制。系统还可以经过串行通信接口将数据送至上位机 ,从而完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能 ,并可以对数据进行显示、编辑、存储及打印输出。传感器把与生物有关的参量 (温度、湿度等 )转换为电压信号 ,经运算放大器组成的信号处理电路变换成压频转换器 (V/F)需要的电压信号。其中温度传感器的输出电流与绝对温度成正比 ,且具有温度响应快、线性度好及高阻抗电流输出等特点 ,适于长距离传输 ,可把 - 555 的温度转

24、换成 14 V的电压;测湿调理电路是将湿度传感器测试到的10 %90 %的相对湿度转换成 420 mA的电流输出信号。温室控制系统的执行机构包括风机、气泵、水帘、遮阴帘、电磁阀等设备。系统工作时 , PLC通过温湿度传感器来测量温室内的温湿度并与设定值相比较 ,如果温室内的温度或湿度超出了设定范围的上下限值 , PLC就输出指令 ,控制接通相应的设备;当温室的温度和湿度都在范围内时 , PLC就输出指令 ,切断设备的电源。系统的工作流程见图 2。图2.5 系统工作流程图2.4 温湿度传感器温湿度传感器采用芬兰维萨拉公司生产的温湿度传感器 ,型号是 HMW 40Y。此传感器具有测量精度高、响应时

25、间短、对环境要求低、易于安装等特点。其主要性能指标如下:湿度: 10 %90 %RH温度: - 555 测量精度: 3 %RH/ 0. 3 输出信号: 420 mA3. 系统的硬件设计3.1 PLC简介S7-200系列PLC可以满足多样化的控制要求，由于具有紧凑的设计，良好的扩展性，低廉的价格以及强大的指令系统，使得可以近乎完美的满足小规模控制要求。S7200 PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC。3.1.1 S7-200系列PLC系统结构1 基本单元基本单元有时又称CPU模块，也有时成主机或本机，它包括CPU，存储器，基本输入输出点和电源等，时PLC的主要部分。2 扩展单元当主机I/

26、O数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元数量和实际所能使用的I/O点数是有多种因素共同决定的。3 特殊功能模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可与s7-200主机相联，以完成某种特殊的控制任务的一种装置。4相关设备主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。5工业软件工业软件是为了更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要由标准工具、运行软件、和人机接口等几大类构成。3.2 总线简介3.2.1 总线定义：是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字

27、通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。多种现场总线并存 目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组

28、织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有左右的市场。3.2.2 PROFIBUS总线PROFIBUS是德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线标准。由PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动

29、化的总线类型，服从IEC1158标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。3.3 电磁阀的简介与安装3.3.1 电磁阀简介电磁阀是用来控制流体的方向的自动化基础元件，属于执行器；通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。电磁阀常与空气过滤器，回信器相连接叫气动三联件 工作原理电磁阀里有密闭的腔，在不

30、同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。 3.3.2 电磁阀在选型时的注意事项电磁阀的选型电磁阀选型首先应该依次遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则，其次是根据六个方面的现场工况(即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择)。选型依据： 一、根据管道参数选择电磁阀的：通径规格(即DN)、接口方式 1、按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径(DN)尺寸。 2、接口方式，一般DN50要选择法兰接口，DN50则可根据用户需要自由选择。 二、根据流体参数选择电磁阀的：材质、温度组 1、腐蚀性流体：宜选用耐腐蚀电磁阀和全不