畢業(yè)作品

設計題目：基于PLC溫室大棚控制系統(tǒng)設計 選題類型： 產品設計 學生姓名： 麻 瑜 學 號： 201604013314 專 業(yè)： 機電一體化技術 班 級： 16機電高職3班 指導教師： 唐晨光 2018年 12 月目錄一、選題的依據(jù)2二、 產品設計思路3三、產品構成41、PLC的選擇及選型42、觸摸屏的選擇43、傳感器參數(shù)的選擇6四、產品實現(xiàn)（重點）61、電路設計62、PLC 的I/O 分配表73、PLC I/O接線圖84、昆侖通態(tài)摸屏的頁面設置105、控制系統(tǒng)工作原理106、控制系統(tǒng)程序設計13五、產品調試及優(yōu)化分析181、手動模式與自動模式的調試182、急停開關的調試183、PLC及觸摸屏調試18六、 產品設計總結18七、參考文獻19八、致謝（單獨一頁）19一、選題的依據(jù)溫室大棚是發(fā)展農業(yè)生產的重要組成部分，溫室大棚不僅可以改善作物的生長條件，為作物提供適合生長環(huán)境，使作物的種植可以有效的擺脫溫濕度、氣候、土壤環(huán)境等制約因素的影響，實現(xiàn)作物的正常種植，能讓我們即使在寒冷的季節(jié)也能吃到一年四季反季節(jié)作物及蔬菜，滿足我們日常生活消費需求，具有重要的研究意義。經過查閱資料了解到，當前我國溫室大棚，普遍使用的人工操作管理；根據(jù)個人管理經驗對大棚內的作物生長情況，進行對作物生長環(huán)境進行人工調節(jié)；但是這種方式很不理想，不但浪費了大量的人力物力，而且不能對溫室大棚的作物大規(guī)模，規(guī)范化，標準化進行有效的控制，其控制范圍小，效果不明顯；而對比國外溫室控制技術的已應用廣泛，經驗技術十分成熟。國外的溫室控制技術能夠自動化有效監(jiān)控溫室里環(huán)境作物具體信息情況，對溫室里的機器設備參數(shù)可以實現(xiàn)有效的調試監(jiān)控，具有準確的控制，促進作物正常生長; 據(jù)了解，現(xiàn)在國外的溫室控制系統(tǒng)的產品價格比較昂貴，且漢語化功能不太完整，針對這些產品對于我國農戶都使用及操作的要求還是比較高的，就目前情況，這些國外產品還不適宜在我國溫室大棚領域大范圍推廣?？紤]到這些綜合因素，結合自己所學專業(yè)知識和現(xiàn)有條件，設計一款基于PLC溫室大棚控制系統(tǒng)，旨在彌補我國在溫室監(jiān)控領域的不足之處，實現(xiàn)溫室大棚現(xiàn)代化，自動化，標準化，生產管理，推進我國農業(yè)發(fā)展的進程。2、 產品設計思路1理清楚溫室大棚控制系統(tǒng)的組成部分，并且要分析控制系統(tǒng)的要求；從而才能確定控制系統(tǒng)的設計方案。選擇三菱2N系列PLC控制器作為控制系統(tǒng)的核心部分，和觸摸屏相連接組成控制部分；根據(jù)控制系統(tǒng)的要求要有5臺電機和LED燈實現(xiàn)溫室大棚的輸出。2.設計溫室大棚主電路和控制電路3.要選擇合適的元器件和參數(shù)，主要是三菱PLC、昆侖觸摸屏、傳感器、主令電器的型號上的選擇；和連接電路用的導線。4.設置元器件參數(shù)，主要對傳感器設定參數(shù)5.設計昆侖觸摸屏的顯示畫面，設計PLC梯形圖，并編寫在PLC控制程序里。三、產品構成本控制系統(tǒng)由三菱FX2N-48MR、昆侖通態(tài)觸摸屏、遮陽簾、通風機、暖風機、冷風機、增濕器、除濕器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器，CO2化碳傳感器組成基于PLC溫室大棚的控制系統(tǒng)，PLC 控制程序主要包括 FX2N-48MR和FX2N-4AD 模塊的初始化設定。傳感器主要是采集的存儲器和數(shù)據(jù)量之間的轉換，將溫室內環(huán)境物理量轉換為 PLC 能夠處理的數(shù)據(jù)量 ，如溫度、濕度光照、二氧化碳濃度和等，然后再把數(shù)據(jù)量轉換為物理量，并通過昆侖通態(tài)觸摸屏進行實時顯示觀察。根據(jù)傳感器實時檢測采集過來的具體數(shù)據(jù)的情況來看，本控制系統(tǒng)能夠根據(jù)作物生長的環(huán)境變量，對溫室大棚進行實時動態(tài)的控制。1、PLC的選擇及選型根據(jù)溫室大棚控制系統(tǒng)設計要求，選擇FX2N-48MR系列PLC,共有48個點數(shù)，24個輸入點，24個輸出點，工作電源為24VDC，輸入電流為24VDC 5mA，主機電源為220V AC，該系列PLC符合控制系統(tǒng)的設計要求，能高速處理并且可擴展需要的特殊功能模塊，模擬控制，具有功能完善，編程簡單；用途比較廣泛。圖1.三菱FX2N-48MR A/D 模擬特殊輸入模塊的選擇。 在本控制系統(tǒng)中，用到了檢測的數(shù)據(jù)的四種傳感器， 所以選擇了三菱FX2N-4AD功能模塊。有CH1CH4 四個模擬量輸入通道，其工作電壓供電為DC 24V，工作方式是把輸入的模擬信號轉化為數(shù)字信號，傳送給PLC進行數(shù)據(jù)處理。2、觸摸屏的選擇考慮到設計要求，觸摸屏選擇型號為昆侖通態(tài)TPC7062KX觸摸屏，其產品尺寸7英寸彩色顯示屏，分辨率800x480,供電電源24V，額定功率5w,工作溫度0-45，儲存濕度5%-60%其抗干擾性為工業(yè)三級標準，符合設計要求。圖2.昆侖通態(tài)TPC7062KX觸摸屏在硬件方面，包括執(zhí)行單元和環(huán)境參數(shù)檢測單元，傳感器回饋的信息通過傳遞給PLC，PLC由內部程序判斷信息從而又輸出給執(zhí)行設備，通過這樣的方式構成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。硬件中的各機械設備通過導線連接后接收PLC 的輸出信號，輸出信號輸出給交流接觸器，使用接觸器來控制電機，被控制的電機設備運行工作，作為調節(jié)大棚溫濕度的主要途徑,在調節(jié)過程中傳感器會根據(jù)實時檢測到的數(shù)據(jù)參、數(shù)值帶回 PLC，PLC 將帶回值反饋處理后送觸摸屏顯示執(zhí)行機構主要有遮陽簾、通風機、冷風機，暖風機，除濕器，加濕器灌溉等裝置。遮陽簾主要保證溫室內作物能夠在良好的光照條件下進行有效的光合作用，實現(xiàn)正反轉工作，促進作物正常生長。冷風機是對溫室內出現(xiàn)過高溫度的控制：當溫度高于作物正常生長溫度的限定值時，則打開冷風機，通過制冷的作用來對溫室大棚進行降溫處理；當溫室在正常的溫度范圍值時，關閉冷風機。暖風機加熱裝置主要實現(xiàn)提高溫室溫度的控制：當溫室內溫度低于作物正常生長的溫度限定值后，暖風機裝置會工作，增加室內的溫度；當達到作物生長溫度限定值以上時，關閉暖風機裝置。加濕器和除濕器裝置主要實現(xiàn)作物的澆水灌溉功能，通過濕度傳感器檢測土壤是否水分充足，過量。若沒有達到農作物正常生長的土壤濕度限定值，則啟動加濕器補水進行灌溉；若高于濕度限定值，則停止灌溉，打開除濕器裝置。圖3.基于PLC溫室大棚控制系統(tǒng)總體框架結構圖3、傳感器參數(shù)的選擇主要使用溫度、濕度、光照、二氧化碳傳感器四種傳感器來實現(xiàn)對溫室大棚內部環(huán)境量的數(shù)據(jù)采集工作。(1)溫度傳感器，工作電壓是DC 524V，輸出信號為 420mA 電流信號，其量程是50400。(2)濕度傳感器，工作電壓是DC 524V，輸出信號為 420mA 電流信號，其量程是 0%100%。(3)光照傳感器，工作電壓是DC 524V，輸出信號為 420mA 電流信號，其量程是 020wLux。(4)二氧化碳傳感器，工作電壓是DC 524V，輸出信號為 420mA 電流信號，其量程是 05000ppm。四、產品實現(xiàn)（重點）1、電路設計根據(jù)控制系統(tǒng)設計要求，設計主電路和控制電路接線圖，在主電路設計中， 電源的配置上，采用單相 220V和三相380V 供電， 以供給不同的用電設備。主電路如下圖所示，空氣開關QF1QF7起到保護所有用電設備。 有六臺電機M1M6、LED指示燈、FR1FR6熱繼電器，起到過載保護作用。圖4.主電路圖(1)、暖風機控制電路根據(jù)設計需要，冷風機控制電路設置有手動/自動的切換開關SA1-1SA1-2。在手動模式下SA1-1，交流接觸器KM1的線圈得電，此時暖風機M1運轉。在自動模式下SA1-2，由PLC控制器實現(xiàn)控制，交流接觸器KM1的線圈得電，其冷風機運行。其冷風機、加濕器、除濕器、通風機也是相同原理的操作運行方式。(2)、遮陽簾開簾、關簾；正反轉控制：遮陽簾開簾、關簾；需要實現(xiàn)正反轉控制，遮陽簾電機正反轉工作何時開啟或關閉由系統(tǒng)硬件、功能算法和PLC程序決定?？刂葡到y(tǒng)設有自動手動切換旋鈕開關SA1，將其旋到自動位置時由PLC程序進行自動控制，旋到手動時由人工按鈕手動控制，如：開啟按鈕SB9，交流接觸器KM6工作，遮陽簾電機開始正轉運行，遮陽簾開簾，達到最大限度時，行程開關SQ7動作，遮陽簾電機停止，遮陽簾開簾到位；按下按鈕開關SB10，交流接觸器KM7工作，遮陽簾電機開始反轉運行，遮陽簾關簾，達到最大限度時，行程開關SQ6動作，遮陽簾電機停止，遮陽簾關簾到位。2、PLC 的I/O 分配表 根據(jù)設計要求，PLC的輸入端接口及各個輸出端的分配情況如下圖所示：圖5.I/O 分配表3、PLC I/O接線圖 PLC的外部硬件接線。是通過擴展電纜和RS-422線與FX2N-4AD、 觸昆侖通態(tài)摸屏鏈接，I/O接線圖如下圖所示：圖6.I/O 分配表4、昆侖通態(tài)摸屏的頁面設置在MCGS組態(tài)環(huán)境軟件新建仿真文本，建立符合設計要求的控制系統(tǒng)，通過觸摸屏動手操作，昆侖通態(tài)觸摸屏對溫室大棚控制系統(tǒng)進行控制，控制系統(tǒng)主要是通過從溫室大棚內現(xiàn)場環(huán)境的利用傳感器集中的監(jiān)測環(huán)境，從而通過監(jiān)測傳感器，把各種環(huán)境數(shù)據(jù)變量能夠實時的傳送到控制室的PLC 中，讓 PLC可以根據(jù)預先確定好的設定值，結合輸入環(huán)境變量因素，對相應的控制裝置實時控制操作，實現(xiàn)對整個溫室大棚內環(huán)境調節(jié)，為作物生長的提供了良好生長環(huán)境。圖7.昆侖通態(tài)摸屏的仿真頁面圖在觸摸屏顯示頁面上有 X0X22，共19個開關，分別控制電機加熱、降溫加濕滴灌、除濕、減少CO2濃度、遮陽簾正反轉開關簾；手動、自動切換模式各有一個指示燈，每一臺電機都有一個指示燈，遮陽簾有兩個指示燈，主要用于顯示工作狀態(tài)；其中，溫度、濕度、光照強度、CO2 濃度分別有4 個模擬值輸入顯示頁面。自動控制設置如圖所示通過昆侖觸摸屏實現(xiàn)對控制系統(tǒng)功能控制，本控制系統(tǒng)有：急停按鈕1個、手動控制模式按鈕1個、自動控制模式按鈕1個、暖風機啟動按鈕及限位開關各1個、冷風機啟動按鈕及限位開關各1個、加濕器啟動按鈕及限位開關各1個、除濕器啟動按鈕及限位開關各1個、通風機啟動按鈕及限位開關各1個、遮陽簾關簾啟動按鈕及限位開關各1個、遮陽簾開簾及限位開關各1個。5、控制系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)開始運行工作時，首先要對大棚內的各種環(huán)境變量進行檢測工作，如溫度、濕度，光照、二氧化碳等環(huán)境變量。通過傳感器把從大棚內收集到的環(huán)境信息，用信號傳傳輸?shù)紽X2N-4AD模塊和PLC中，和系統(tǒng)預先設定值進行比較，先對溫度進行檢測判斷，當檢測到的溫濕度過高或者過低時，則打開運行相應的執(zhí)行機構設備，然后對溫濕度度進行控制，保持溫室大棚溫濕度達到平衡狀態(tài)。對溫度的控制通過控制有暖風機、冷風機，給室內加溫，降溫進行室內溫度的調節(jié)。對濕度的控制通過控制有加濕器，除濕器，給溫室大棚的作物進行灌溉，除濕，保持室內濕度穩(wěn)定。當室內的光照條件不達標，則需要開啟遮陽簾，讓作物吸收光照，進行光合作用，促進作物生長。當外界光照強度過高，超出作物的能接受的限定值，則需要關閉遮陽簾，對作物進行遮陽防曬處理。同時，如檢測到溫室大棚的二氧化碳的濃度過高時，則需進行通風處理，打開通風機，進行排氣作用。使棚內二氧化碳濃度值保持在可接受范圍值內。這些措施是通過傳感器檢測到的環(huán)境變量信息傳入到PLC控制系統(tǒng)中，根據(jù)傳感器檢測到到環(huán)境數(shù)據(jù)，方便做出判斷，進行有效的系統(tǒng)控制。本控制系統(tǒng)設有手動、自動兩種工作模式，手動模式運用于一些突發(fā)情況。如檢測機器是否故障；自動工作模式下，PLC運行時，將傳感器對溫室溫度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境因素進行檢測的測量值與溫室控制系統(tǒng)的設定值進行比較，如果溫度的檢測量高于設定值，PLC就會發(fā)出相應的指令控制冷風機的開啟，降低溫室的溫度；如果測量值低于設定值，則打開熱風機，對溫室進行加溫；當溫室的濕度高于設定值時，系統(tǒng)打開除濕器除濕。當溫室的濕度低于設定值時，控制系統(tǒng)打開加濕器進行灌溉；當溫室的光照強度低于設定值時，系統(tǒng)打開遮陽簾進行補光；當溫室的光照高于設定值時，系統(tǒng)關閉遮陽簾。當溫室的二氧化碳濃度高于設定值，系統(tǒng)開啟通風機使溫室通風降低二氧化碳濃度。圖8.溫室大棚操作流程圖溫室大棚內的不同作物對于自然環(huán)境的要求也不盡相同，本設計為研究方便，取一其范圍內值，作為參考模擬。對大棚溫室內的溫度取值25，濕度取值50%RH，本系統(tǒng)取光照強度為2000lx , 二氧化碳濃度單位為100ppm。1.溫度檢測(溫度傳感器)，針對溫度的調節(jié)和控制。當溫室內被測溫度值小于設定值(25)，擇手動或者自動模式開啟暖風機增溫。當溫室內被測溫度值大于設定值(25)，開啟冷風機達到降溫效果。2. 濕度的檢測(濕度傳感器)，根據(jù)農作物生長需要，土壤濕度必須與室內的濕度要保持在一定范圍內才有利于農作物生長。當溫室內被測濕度值大于設定值(50%RH),選擇手動或者自動模式開啟除濕器除濕；當溫室內被測濕度值小于設定值(50%RH)，選擇手動或者自動模式開啟加濕器加濕；3. 光照的檢測(光照傳感器)，光照對農作物的生長影響十分大，為農作物提供光合反應生成有機物，使農作物體內的組織器官能夠有效生長。當溫室內被測光照值大于設定值(1000LX)，選擇手動或者自動模式關閉遮陽簾；當溫室內被測光照值小于設定值(1000LX)，選擇手動或者自動模式開啟遮陽簾；4. 二氧化碳的檢測(CO2傳感器)，當溫室內被測二氧化碳濃度值大于設定值(100ppm)，選擇手動或者自動模式開啟降溫，開啟通風機，它的作用就是使大棚內的降低二氧化碳濃度以滿足農作物生長要求的，6、控制系統(tǒng)程序設計程序編程設計，使用三菱公司的GX Works2軟件進行編程設計。 特點，編程使用方便，程序修改比較便捷。(1)、A/D初始程序編程設計在使用FX2n-4AD的A/D模擬器進行模擬量轉換讀取，要對它進行初始化程序編程設計，選擇接口參數(shù)，其初始化程序如程下圖所示(2)、手動/自動控制程序設計在控制系統(tǒng)中，設計有手動及自動控制功能，可以按照工作需要選擇啟動的方式。手動模式控制，控制執(zhí)行機構，按鈕采用點動啟動的方式，自動模式根據(jù)設備設置好的參數(shù)，自動執(zhí)行，工作。其程序設計如下圖所示：(3)、對于溫度的程序控制根據(jù)設計用到的傳感器量程和A/D 功能模塊轉化關系，對溫度設置區(qū)間限定值為25。當溫度傳感器檢測到室內溫度低于限定值25時， 輸出繼電器Y0動作， KM1線圈得電閉合，暖風機電機M1啟動，向室內提供熱量，溫度； 當檢測溫度高于上限設定值25時， 輸出繼電器Y1動作，KM2線圈得電閉合， 冷風機電機M2啟動，對室內進行降溫工作。其程序設計如下圖所示：(4)、對于濕度程序控制根據(jù)設計用到的傳感器量程和A/D 功能模塊轉化關系，對濕度設置區(qū)間限定值為50%RH。當檢測濕度低于限定值50%RH時， 輸出繼電器Y2動作， KM3線圈得電閉合，加濕器電機M3進行滴灌工作，向掌握和土壤補充水分。 當檢測濕度高于限定值50%RH時，輸出繼電器Y3動作， KM4線圈得電閉合，除濕器電機M4進行工作，降低室內濕度。其程序設計如下圖所示：(5)、CO2濃度控制程序設計根據(jù)設計用到的CO2傳感器量程和A/D 功能模塊轉化關系，對CO2濃度設置區(qū)間限定值為100ppm。當檢測CO2濃度高于限定值100ppm時，輸出繼電器Y4動作， KM5線圈得電閉合，通風機M5進行通風處理，降低室內CO2濃度，保持作物正常生長；其程序設計如下圖所示：(6)、光照強度控制程序設計根據(jù)設計用到的光照傳感器量程和A/D 功能模塊轉化關系，對光照強度設置區(qū)間限定值為2000LX。當檢測光照強度高于限定值2000LX時，輸出繼電器Y5動作， KM6線圈得電閉合，遮陽簾電機M6反轉關簾遮光，當檢測光照強度低于限定值2000LX。時， 輸出繼電器Y6動作， KM7線圈得電閉合，遮陽簾電機M6正轉開簾補光，。其程序設計如下圖所示：五、產品調試及優(yōu)化分析1、手動模式與自動模式的調試在控制系統(tǒng)調試過程中，根據(jù)控制系統(tǒng)工作需要，選擇控制模式，在機器調試過程中如果發(fā)現(xiàn)機器發(fā)生故障或存在問題，單一手動操作不能滿足整個系統(tǒng)的控制的工作要求，需要重新設計PLC程序梯形控制圖，加入自動/手動轉換開關SA1，實現(xiàn)手動與自動的切換，進行對設備調試，使控制系統(tǒng)使用便捷靈活，并且符合任務設計要求。2、急停開關的調試在完成手動模式與自動模式的調試之后，如控制系統(tǒng)依然出現(xiàn)問題，在機器出現(xiàn)故障及事故問題，控制系統(tǒng)不能馬上停止工作，應該重新設計控制電路圖以及梯形圖，添加緊急按鈕SB3后再進行調試，在控制系統(tǒng)系統(tǒng)運行過程中按下SB3，控制系統(tǒng)實現(xiàn)緊急停止工作。3、 PLC及觸摸屏調試首先是PLC外部的連接，不同于電壓的負載要分發(fā)布連接到不同的接線端口上，PLC上的幾個公共端要分別接到相應的電壓上。調試每一個工作模塊，使部分元件先工作起來，后把每一個元件連接在一起來使整個元件工作，之后把設計程序下載到PLC中，進行調試實現(xiàn)設計任務要求。其次是觸摸屏的調試，使用昆侖通態(tài)MCGS嵌入版7.7觸摸屏軟件模擬組態(tài)調試畫面。打開文本工程項目，進入運行環(huán)境，選擇模擬調試，下載成功，準備調試，模擬調試成功打開，進行模擬調試或者連機運行，連機運行時要進行查看該PLC通訊參數(shù)設置。得知PLC的具體設置參數(shù)情況后，就可以與PLC通訊連接。 在連接時，要選擇正確的通訊線，在設備窗口中，父設備的參數(shù)設置要與PLC的參數(shù)保持一致。在進行通訊測試時，我們可以根據(jù)控制系統(tǒng)返回值做出相應的判斷。在觸摸屏上進行操作控制。6、 產品設計總結在控制系統(tǒng)設計的過程中，首先要分析基于PLC溫室大棚控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析得出有一些方面需要改進，如控制系統(tǒng)里添加一些能夠更好的展示其功能的東西，使溫室控制系統(tǒng)的性能更加的完善。在設計過程中，我是按照設計方案進行構思設計，然后進行對設備及材料的選擇，最后才選用模擬調試選擇編寫PLC梯形圖程序，用功能指令來進行模擬調試，其控制系統(tǒng)所展示的功能能實現(xiàn)。如今，在國內市場中，農業(yè)發(fā)展的步伐越來越快，而對于溫室控制系統(tǒng)自動化技