電氣自動化論文

1、畢業(yè)設計（論文）題 目 基于plc的溫室大棚控制 系 （院）自動化系專 業(yè)電氣自動化技術班 級2009級2班學生姓名王召建 劉瑞超臧遠超 徐宏 趙亞全 學 號2009022268 2009022269 2009022328 20090223322009022343指導教師孔德平職 稱助 教二一二年六月 獨 創(chuàng) 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計(論文)，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。據我所知，除文中已經注明引用的內容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標

2、明。本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名: 二一二年六月畢業(yè)設計（論文）使用授權聲明本人完全了解濱州學院關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定。本人愿意按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版，同意學校保存學位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數字化或其它復制手段保存設計（論文）；同意學校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務系統(tǒng)，公布設計（論文）的部分或全部內容，允許他人依法合理使用。（保密論文在解密后遵守此規(guī)定）作者簽名: 二一二年 六 月 基于plc的溫室大棚摘 要 討論了在溫室控制中引入plc技術構成分布式控制系統(tǒng)的方法，詳細介紹了系統(tǒng)的特點、組成、硬件設計、實時動態(tài)監(jiān)控

3、系統(tǒng)及通信問題。分布式的控制結構，使各子系統(tǒng)相對獨立，管理與控制功能分開，易于實現群控化管理，提高了系統(tǒng)的可靠性，且易于擴展。系統(tǒng)成本低廉，性能穩(wěn)定，通用良好，符合中國國情，具有廣泛的應用前景。關鍵詞：plc；傳感器；控制器；程序設計；溫室大棚 the green house design for plcabstract automation is the inevitable trend of development for the future, not only the work and life. the programmable controller is referred to a

4、s plc, plc reliability, environmental adaptability, versatile, easy to use, simple maintenance, plc application is rapidly expanding. the early plc, where the relay can be used. plc today can almost be said to those who need to control the system will need to plc. the design is to write the plc prog

5、ram by setting greenhouse control, reduce labor, increase production efficiency, automate!key words: plc; sensors; controllers; program design 目 錄第一章 緒論1.1 課題背景.41.2 課題研究的意義.41.3 溫室環(huán)境的主要特點.41.4 課題的主要研究工作.51.5 plc的現狀.5第二章 基于plc設計的整體方案2.1硬件整體設計方案.62.2軟件整體設計方案.6第三章 系統(tǒng)設計3.1 設計的總體目標.63.2 設計的控制原則.73.3 設計的

6、控制方案.73.4 控制系統(tǒng)硬件組成.73.4、1 plc的選擇.83.4、2 plc機型和容量的選擇步驟與原則.83.5 傳感器的選擇.113.6 信息采集系統(tǒng).123.7 執(zhí)行機構.14第四章 軟件部分4.1 梯形圖4.2 指令表結論 參考文獻 謝詞第一章 緒論 前言智能溫室系統(tǒng)是近年來逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效設施農業(yè)技術，它是在普通日光溫室的基礎上，結合現代化計算機自控技術、智能傳感器技術等高科技手段發(fā)展起來的。自上世紀90年代以來，我國農業(yè)工程技術人員在吸收發(fā)達國家科技溫室生產技術的基礎上，對溫室內溫度、濕度、co2濃度等環(huán)境因子的控制技術的研究，研發(fā)了我國自己的智能溫室控制系

7、統(tǒng)。 1.1研究背景“工廠化農業(yè)關鍵技術研究與示范現代大型溫室標準化栽培技術體系研究與產業(yè)化示范”被列為國家重點科技攻關內容并成功結題。為了推廣溫室技術，國家農委強調在每一個地區(qū)都要建立溫室示范工程。因此，智能溫室控制技術有巨大的市場空間。山東省處于中國的中部，占據重要的位置，是全國的蔬菜種植地，研究溫室的智能控制是很有意義的。 1.2研究意義近年來，農業(yè)作為國家優(yōu)先發(fā)展產業(yè)正受到各級政府的高度重視，增加農民的收入是我們國家當前的基本國策，農業(yè)現代化是我們追求的目標，基于計算機和自動化技術的智能溫室是農業(yè)現代化的一個標志。智能溫室控制系統(tǒng)將實現對農業(yè)生產的標準管理。通過控制器實時監(jiān)測溫室內溫度

8、、濕度，與普通簡單溫度濕度測量相比，更準確可靠。人們能夠通過這些監(jiān)測手段實時準確地了解情況，完成相關設備的調節(jié)，避免了監(jiān)測誤差和監(jiān)測滯后帶來的損失。智能溫室將自動化技術引進了農業(yè)生產，為農業(yè)科研活動提供了有利的科學手段。通過參數設置及自動數據記錄，為農藝工作者完成相關農藝科研，了解不同生產條件對作物的生長、品質影響及生產方法的改進都提供了簡便、準確的手段。1.3溫室系統(tǒng)主要特點非線性系統(tǒng)。溫室內部的氣候處于熱平衡混沌狀態(tài)。大量隨機的、不確定的因素使得對其精確建模比較困難。分布參數系統(tǒng)。由于溫室面積比較大，造成溫室內部各個物理量的分布是不均勻的。比如溫度，溫室內部各點溫度都不一樣，四周一般都比較

9、低，頂部和底部的溫度也有一定的差別，其值的大小依賴于空間位置和氣流方向等因素，在溫室中氣候分布是緩慢變化的。時變系統(tǒng)。作物在生長周期的不同階段，其光合作用能力、吸熱散熱能力等均有差別。因而，溫室系統(tǒng)是一個參數隨著時間變化的動態(tài)系統(tǒng)。時延系統(tǒng)。對與外界所施加的作用，溫室系統(tǒng)并不立即響應，而是經過一段時間的延遲才響應。比如，在溫室加熱系統(tǒng)中，對系統(tǒng)加熱，熱量傳到溫室的各個部分需要經過很長一段時間的延遲，溫度才會有所提高。多變量耦合系統(tǒng)。溫室系統(tǒng)是一個多輸入多輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)各變量之間并不是相互獨立，各個子系統(tǒng)的控制回路彼此耦合在一起，對控制任一目標的控制都會影響其他目標的變化。 1.4、1研究內容和

10、方法（1）根據影響植物生長的因素，選擇作物環(huán)境條件的實時檢測系統(tǒng)和智能溫室控制系統(tǒng)兩部分。自動檢測系統(tǒng)包括：溫度、濕度、co2濃度等傳感器與變送器。智能控制系統(tǒng)包括：通風機控制、噴灌控制、鍋爐加熱鼓風機的控制、co2釋放器電磁閥的控制等。（2）根據檢測和控制的對象，采用pid控制算法建立溫室溫度參數控制系統(tǒng)的數學模型，使用matlab進行仿真測試。（3）研制基于plc的溫室智能控制系統(tǒng)（4）開發(fā)智能溫室組態(tài)監(jiān)控界面。1.4、2要解決的關鍵問題（1）采用pid控制算法建立溫室溫度參數的數學模型（2）室內溫度、濕度、co2濃度等環(huán)境條件的自動檢測和控制技術。（3）開發(fā)功能完善、成本低、可靠性高和擴

11、展性好的溫室自動系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)，為溫室生產普及創(chuàng)造條件1.5 plc的現狀目前 plc 數值模擬研究不僅在工作而且在生活中也有廣泛應用，本節(jié)將從工作中運料中介紹。plc以后會覆蓋各個領域，會讓更多危險領域實現無人操作?？删幊炭刂破?plc對用戶來說，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的推廣應用?？删幊炭刂破魇敲嫦蛴脩舻膶Ｓ霉I(yè)控制計算機，具有許多明顯的特點。（1）可靠性高，抗干擾能力強 （2）配套齊全，功能完善，適用性強（3）易學易用，深受工程技術人員歡迎 （4） 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 （5） 體

12、積小，重量輕，能耗低第二章 基于plc設計的整體法案2.1硬件系統(tǒng)的組成 采用上位機計算機和下位機西門子plc組成分布式智能溫室控制系統(tǒng)的硬件部分，即兩級監(jiān)控系統(tǒng)。上位機控制系統(tǒng)負責對溫室進進行監(jiān)控和參數的設定。下級以plc為核心的控制單元，負責溫度參數的信息采集、系統(tǒng)邏輯運算并對調控設備進行控制。2.2軟件系統(tǒng)的編制 系統(tǒng)的軟件包括上位機監(jiān)控軟件和下位機系統(tǒng)軟件。上位機監(jiān)控軟件的編制采用mcgs組態(tài)軟件。下位機系統(tǒng)則采用西門子的step7編程軟件來開發(fā)。系統(tǒng)軟件不僅可以完成上位機和下位機的通信和可以滿足用戶對溫室環(huán)境數據的實時查詢和監(jiān)測。盡可能滿足操作簡單、界面友好、通用性和適應性強的軟件開

13、發(fā)原則。第三章 系統(tǒng)設計3.1總體目標 溫室控制系統(tǒng)就是依據室內外裝設的溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器等采集和觀測的溫室內的溫室內外的溫度、濕度、二氧化碳的濃度等環(huán)境參數信息，通過控制設備對溫室保溫被、通風窗、噴滴灌等驅動、執(zhí)行機構的控制，對溫室環(huán)境氣候和灌溉施肥進行調節(jié)控制以達到栽培作物生長發(fā)育的需要，為作物生長發(fā)育提供最適宜的生態(tài)環(huán)境，以大幅度提高作物的產量和品質。總體結構示意圖如下:3.2控制原則（1）以時間為基準的變溫管理：根據一天中時間的變化實行變溫管理，根據作物的生長需要將一天分成四個時間段，四個時間段中根據不同的控溫要求對溫室進行控制。一天中四個時間段的分段方法用戶可以靈

14、活的更改，而且四個時間段中的溫度設定值用戶也可以設定修改。（2）以種植的作物為基準：可能每個階段用戶種植的作物不同，所需的環(huán)境參數也不同，每個階段的各個參數都可以依據作物所需的生長環(huán)境進行靈活的設定。3.3控制方案本系統(tǒng)采用自動與手動互相切換控制兩種方式來實現對溫室的控制，提高設備運行的可靠性。在運行的時候可以通過按鈕對這兩種控制方式進行切換。（1）手動控制模式 手動控制簡單可靠，由繼電器、接觸器、按鈕、限位開關等電氣元件組成。（2）自動控制模式 通過傳感器對環(huán)境因子進行監(jiān)測，并對其設定上限和下限值，當檢測到某一值超過設定值，便發(fā)出信號自動對驅動設備進行開啟和關閉，從而使溫室環(huán)境因子控制在設定

15、的范圍內?？梢源蟠蠊?jié)約勞動力，降低勞動者的勞動強度。3.4 控制系統(tǒng)的硬件組成 用安裝有組態(tài)軟件的計算機作為上位機，進行環(huán)境各因子的長期監(jiān)控，plc作為下位機，當各個參數變化時對各個執(zhí)行機構進行相應的控制。3.4、1 plc的選擇(1) plc在工業(yè)控制中應用多年，屬于大批量生產的產品，其在生產、調試、應用、服務等方面都有一套完備的標準，所以產品質量穩(wěn)定、可靠性高。采用plc成本雖然比單片機高，但是考慮到穩(wěn)定性、可維護性等綜合因素，采用plc比單片機具有較高的性價比。(2) plc的選擇主要應從plc的機型、容量、i/o模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網能力等方面加以綜合考慮3.4、2 p

16、lc機型和容量的選擇步驟與原則1.plc機型的選擇plc機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點： （一）合理的結構型式 plc主要有整體式和模塊式兩種結構型式。整體式plc的每一個io點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對較小，一般用于系統(tǒng)|來源|考試|大|一級建造師|工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式plc的功能擴展靈活方便，在io點數、輸入點數與輸出點數的比例、io模塊的種類等方面選擇余地大，且維修方便，一般于較復雜的控制系統(tǒng)。 （二）安裝方式的選擇plc系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠程io式以及多臺plc聯(lián)網的分

17、布式。 集中式不需要設置驅動遠程io硬件，系統(tǒng)反應快、成本低；遠程io式適用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣，遠程io可以分散安裝在現場裝置附近，連線短，但需要增設驅動器和遠程io電源；多臺plc聯(lián)網的分布式適用于多臺設備分別獨立控制，又要相互聯(lián)系的場合，可以選用小型plc，但必須要附加通訊模塊。（三）相應的功能步驟 一般小型（低檔）plc具有邏輯運算、定時、計數等功能，對于只需要開關量控制的設備都可滿足。 對于以開關量控制為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)，可選用能帶ad和da轉換單元，具有加減算術運算、數據傳送功能的增強型低檔plc. 對于控制較復雜，要求實現pid運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網等功

18、能，可視控制規(guī)模大小及復雜程度，選用中檔或高檔plc.但是中、高檔plc價格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。（四）響應速度要求plc是為工業(yè)自動化設計的通用控制器，不同檔次plc的響應速度一般都能滿足其應用范圍內的需要。如果要跨范圍使用plc，或者某些功能或信號有特殊的速度要求時，則應該慎重考慮plc的響應速度，可選用具有高速io處理功能的plc，或選用具有快速響應模塊和中斷輸入模塊的plc等。 上位機（計算機）串行通信接口下位機（plc）輸入模塊a/d模塊輸出模塊限位開關手動開關模擬變送電路模擬傳感器繼電器模塊執(zhí)行機構卷簾機限位卷簾機鼓風機通風機抽水機溫度濕度卷簾機鼓風機通

19、風機抽水機（五）系統(tǒng)可靠性的要求 對于一般系統(tǒng)plc的可靠性均能滿足。對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。2.plc容量的選擇plc的容量包括io點數和用戶存儲容量兩個方面。（一）io點數的選擇plc平均的io點的價格還比較高，因此應該合理選用plc的io點的數量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的io點最少，但必須留有一定的裕量。通常io點數是根據被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上10%15%的裕量來確定。（二）存儲容量的選擇用戶程序所需的存儲容量大小不僅與plc系統(tǒng)的功能有關，而且還與功能實現的方法、程序編寫水平有關。一個有經驗的程序員和一個初學者，在完成同一

20、復雜功能時，其程序量可能相差25%之多，所以對于初學者應該在存儲容量估算時多留裕量。plc的io點數的多少，在很大程序上反映了plc系統(tǒng)的功能要求，因此可在io點數確定的基礎上，按下式估算存儲容量后，再加20%30%的裕量。存儲容量（字節(jié)）開關量io點數8模擬量io通道數32另外，在存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。i/o點數的估計設備說明數量 設備說明數量總自動/手動切換開關1 電源指示燈1卷簾機自動/手動切換開關1 通風機1補氣自動/手動切換開關1 灌溉水泵1通風機自動/手動切換開關1 補氣電磁閥1補氣自動/手動開關1 卷簾機2噴灌泵自動/手動開關1 鼓風機1備用4備用3共計1

21、4共計103.5 傳感器的選擇（1）根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型：要進行個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。（2）根據靈敏度的選擇傳感器： 通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對

22、應的輸出信號比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。（3）根據頻率響應特性選擇傳感器： 傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率傳感器范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器總有定響應延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的

23、影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。（4）根據線性關系范圍選擇傳感器：傳感器的線形關系是指輸出與輸入的比例關系。以理論上講，在線性關系范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。（5）根據穩(wěn)定性選擇傳感器：傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應能力。 在選擇傳感器之前，應對其使用環(huán)境進行調查，并根據具體的使用環(huán)境

24、選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。（6）根據精度選擇傳感器：精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比 較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。綜上所述,本

25、系統(tǒng)選擇的傳感器如下： 溫度：ad590 濕度：al2o3 co2：6004光照：3du33 3.6信息采集系統(tǒng)3.6、1溫度采集（1）溫度傳感器ad590基本知識ad590產生的電流與絕對溫度成正比，它可接收的工作電壓為4v30v，檢測的溫度范圍為55150，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1，其電流增加1ua。 ad590溫度與電流的關系如下表所示： 攝氏溫度0102030405060100ad590電流（ua）273.2283.2293.2303.2313.2323.2333.2373.2經10k電壓(v)2.7322.8322.9323.0323.1323.2323.3353.73

26、2（2）溫度檢測電路的設計溫度檢測電路如圖，其中運算放大器a1接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。運放a2的作用是把絕對溫標轉化為攝氏溫標，給a2的同相輸入端一個恒定的電壓，此電壓放大到2.732v。這樣，a1與a2輸出端之間的電壓即為轉化成的攝氏溫標。 3.6、2 濕度采集國內市場上出現了不少國內外濕度傳感器產品，電容式元件較為多見。電容式濕度傳感器的動態(tài)范圍大，動態(tài)響應快，幾乎沒有零漂，結構簡單，適應性強?；谝陨显颍驹O計選al2o3濕度傳感器,本傳感器屬于電容型的高分子材料制成的濕敏元件。他具有線性度好、滯后性小以及能在較寒冷的環(huán)境中使用等優(yōu)點，其主要的特性參數為：工作環(huán)境溫度

27、：-3080度相對濕度測量范圍：0100rh測量精度：4rh濕度檢測電路如圖，濕度檢測電路由濕度傳感器、振蕩電路、整流電路、輸出放大電路等組成。振蕩電路為rc橋式振蕩電路，傳感器特性的線性補償由r1,r2完成，d1,d2,d3用于輸入保護，a1,a2，為運算放大器，a2電壓跟隨器。當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，傳感器的電容也隨著變化，這種變化反應到振蕩電路提供的正弦信號，通過電壓跟隨器輸出電壓值。3.6、3co2濃度的采集在二氧化碳濃度測量上采用響應速度快、測量精度高、技術成熟的紅外二氧化碳氣體傳感器6004，并配合了一系列有效的補償措施。為了增加系統(tǒng)的通用性、靈活性，本系統(tǒng)硬、軟件都采用了模塊化結構，根據應用場合不同而選用不同的配置。該系統(tǒng)可廣泛地應用于諸如溫室大棚、蔬菜儲藏以及其它農業(yè)生產和科研領域，并且由于系統(tǒng)的靈活性和模塊化，可以方便地滿足其它場合的需要。3.6.4光照傳感器系統(tǒng)設計根據溫室內作物對光照強度的要求，光照傳感器應該反應靈敏、精度高。本電路設計選用光照傳感器器件光敏三極管3du33作為感光元器件。光照傳感器是利用光電子產生的電流來測量光照度的，通過放大電路的放大后輸出合適的電壓或電流信號。3.7執(zhí)行機構 （1）單相異步電動機 它有主繞組