基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要隨著人們生活水平的提高，由溫室大棚種植的反季節(jié)蔬菜成為人們?cè)絹碓诫x不開的食物，農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境能被溫室大棚所改善，外界的四季變化和惡劣氣候不會(huì)讓其發(fā)生改變，創(chuàng)造了適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境。作為高效農(nóng)業(yè)的重要部分溫室大棚，是我們值得研究的方向。本論文主要介紹了溫室大棚基于PLC控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為了對(duì)溫室大棚中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，該研究中將采用溫度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器，將測(cè)量值送入PLC中，在PLC中將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，再發(fā)出相應(yīng)的指令驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備來調(diào)控溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了溫室大棚的自動(dòng)化、智能化控制。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，節(jié)約資源，能實(shí)現(xiàn)利益最大化。關(guān)鍵詞：溫

2、室大棚；PLC；傳感器；智能控制ABSTRACTWith the improvement of peoples living standards, anti-season vegetables grown in greenhouses have become more and more indispensable for people. The growing environment of crops can be improved by greenhouses, and changes in the four seasons and bad weather will not allow th

3、em to occur. Change has created an environment suitable for the growth of crops. As an important part of high-efficiency agriculture, greenhouses are the directions that we should study.This paper mainly introduces the system design scheme based on PLC control in greenhouses. In order to detect vari

4、ous indicators in greenhouses, this research will use temperature sensors, CO2 concentration sensors, light sensors, and send the measured values to the PLC. PLC will compare it with the set value, and then issue corresponding instructions to drive the peripheral equipment to regulate the environmen

5、tal parameters in the greenhouse, thereby realizing the automation and intelligent control of the greenhouse. The advantages of this design are low cost, resource conservation, and maximized benefits.Key words:Greenhouse；PLC；Temperature Sensor；Intelligent control目 錄第一章 緒論11.1課題背景11.2研究目的和意義11.3國(guó)內(nèi)外研究

6、現(xiàn)狀2第二章 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案32.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)32.2系統(tǒng)的控制方案4第三章 控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)53.1電氣控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)53.2電氣控制系統(tǒng)各部分控制電路設(shè)計(jì)53.3PLC硬件電路設(shè)計(jì)93.4傳感器型號(hào)選擇11第四章 控制系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)144.1STEP7 Micro/Win軟件簡(jiǎn)介144.2控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思路144.3控制系統(tǒng)程序流程圖154.4控制程序設(shè)計(jì)及分析16第五章 控制程序的仿真與調(diào)試245.1仿真軟件介紹245.2仿真與調(diào)試準(zhǔn)備工作245.3程序仿真與調(diào)試24結(jié)論26致謝27參考文獻(xiàn)28第1章 緒論1.1課題背景 隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來越朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，一

7、些問世的溫濕度監(jiān)測(cè)與控制也與時(shí)俱進(jìn)。而我國(guó)的現(xiàn)代化溫室是在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)與自我開發(fā)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。本課題研究的重點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)溫室大棚的溫度智能控制，為了滿足溫濕度的需要能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度。目前，我國(guó)很難保障生產(chǎn)生活的需要，這是由于絕大多數(shù)溫室設(shè)備都比較老舊。這種溫度采集一般需要在溫室內(nèi)布置大量的測(cè)溫電纜，才能把傳感器上采集到的溫度信號(hào)送到主機(jī)上，安裝和拆卸都很繁雜，成本也比較高，同時(shí)線路上一般傳送的是模擬信號(hào)，線路損耗又嚴(yán)重影響到測(cè)溫精度。在這種情況下，開發(fā)一種實(shí)時(shí)性高，精度高，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定的精度也很難保證。 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種替代人工控制溫度操作，適用性廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，溫室

8、資源利用率高，生產(chǎn)成本低，這就是本文設(shè)計(jì)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的目的所在。1.2研究目的和意義作為高效農(nóng)場(chǎng)的一個(gè)重要部分溫室大棚。對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一項(xiàng)。例如：空氣的溫度、濕度、土壤的含水率等。為了使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培要求，要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件。而在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與作物的生長(zhǎng)、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，要實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化，進(jìn)行環(huán)境測(cè)控是必不可少的?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)揮著巨大的作用，其中蔬菜大棚就是典型的代表。蔬菜和水果的生長(zhǎng)與大棚內(nèi)的溫度、濕度以及土壤的含水率等參數(shù)

9、息息相關(guān)。國(guó)外的溫室設(shè)施已經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價(jià)格非常昂貴，缺乏與我國(guó)氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)都采用人工管理方式，對(duì)大棚溫度、濕度、土壤含水率等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與控制，這樣會(huì)造成不可彌補(bǔ)的損失，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。之所以呈現(xiàn)出這樣的局面是由于測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及測(cè)控不及時(shí)等弊端所導(dǎo)致。因此，為了走智能化生產(chǎn)發(fā)展這一條路，推動(dòng)我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，科學(xué)的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和準(zhǔn)確的提高農(nóng)業(yè)研究是必要的。溫室大棚自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)管理是基于傳感器對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境因素檢測(cè)，并結(jié)合農(nóng)作物的生長(zhǎng)規(guī)律設(shè)定參數(shù)，從而提高農(nóng)作物的質(zhì)量和品質(zhì)。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，

10、西方發(fā)達(dá)國(guó)家的起步比較早。1949年，美國(guó)建成了第一個(gè)人工氣候室在工程技術(shù)的幫助下。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，不斷地提高溫室大棚的自動(dòng)控制技術(shù)和管理技術(shù)，使其在世界各地都得到了不錯(cuò)的發(fā)展。到現(xiàn)在為止，國(guó)外的溫室大棚內(nèi)部設(shè)施已經(jīng)達(dá)到了比較完善的程度，并形成了一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由計(jì)算機(jī)控制溫室內(nèi)被控環(huán)境因子，傳感器也較為齊全，如溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等等，對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制基本上可以用傳感器檢測(cè)。對(duì)于這些系統(tǒng)的控制，計(jì)算機(jī)已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的、獨(dú)立的、靜態(tài)的直接數(shù)字控制，而是基于PLC的智能控制系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，一些國(guó)家向著完全自動(dòng)化、無人化的方向繼續(xù)發(fā)展。我

11、國(guó)的溫室大棚技術(shù)起步有點(diǎn)晚，政府發(fā)展的用塑料大棚、日光溫室為主的農(nóng)業(yè)栽培設(shè)施，加快了農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展并且有效的緩解了蔬菜季節(jié)性短缺的問題。我國(guó)溫室大棚的特點(diǎn)是：利用太陽(yáng)光熱資源，節(jié)約不可再生能源，減少環(huán)境污染。雖然我國(guó)溫室規(guī)模有限，還沒有形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，另外構(gòu)建設(shè)施的費(fèi)用也比較高，但從長(zhǎng)期發(fā)展來看，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布式和網(wǎng)絡(luò)化將是我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。現(xiàn)代溫室大棚中常用的自動(dòng)控制調(diào)控機(jī)構(gòu)有：通風(fēng)窗、遮陽(yáng)簾、通風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、人工加熱燈、二氧化碳增肥器、噴霧系統(tǒng)及蒸熏設(shè)備。控制器可以調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)保證室內(nèi)氣候滿足植物生長(zhǎng)需要并盡可能的節(jié)省能源。常用的控制器有：?jiǎn)纹瑱C(jī)、工控機(jī)、PLC、

12、通用PC機(jī)等。第2章 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)本文研究的是溫室大棚基于PLC技術(shù)上的應(yīng)用，從整體上對(duì)溫室大棚控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面。本次的研究?jī)?nèi)容為溫室大棚PLC控制系統(tǒng)，以可編程控制器PLC為核心，溫室大棚中的溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)可以通過溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器來檢測(cè)，溫室大棚的通風(fēng)扇、冷/熱風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)簾、加熱器、二氧化碳添加器等硬件設(shè)施通過PLC控制系統(tǒng)控制，對(duì)溫室大棚中的環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚智能化控制。2.2系統(tǒng)的控制方案為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，溫室大棚需要一套完善的溫室控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，溫室

13、大棚中的各項(xiàng)環(huán)境因子采用傳感器進(jìn)行檢測(cè)，然后將測(cè)量結(jié)果送入PLC中，經(jīng)過PLC的處理，然后對(duì)執(zhí)行設(shè)備發(fā)出指令，這樣能很好的調(diào)控溫室中的各項(xiàng)環(huán)境因子。本次控制系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)兩個(gè)模式，是考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的穩(wěn)定性與安全性。自動(dòng)方式是周期性的按照PLC進(jìn)行控制，手動(dòng)模式是當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)，可以手動(dòng)操作設(shè)備，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比較，然后通過軟件程序去執(zhí)行相關(guān)的命令。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是成本偏低，節(jié)約資源，能實(shí)現(xiàn)利益最大化。該溫室大棚的控制系統(tǒng)總框圖如下圖2-1所示： 圖2-1 控制系統(tǒng)總框圖由圖可知，PLC系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、外部執(zhí)行系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成了溫室大棚控制系統(tǒng)，

14、核心是PLC控制系統(tǒng)，將傳感器系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)通過PLC模擬量輸入模塊EM235輸入到PLC，通過與設(shè)定值比較，執(zhí)行設(shè)備被輸出開關(guān)量進(jìn)行控制。具體來說就是按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)后，由溫度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，經(jīng)過PLC內(nèi)部處理，由輸出模塊輸出控制信號(hào)，以控制外部的執(zhí)行器件。如果溫度過高，就會(huì)驅(qū)動(dòng)冷風(fēng)機(jī)、通風(fēng)扇來降低溫室內(nèi)溫度；如果溫度過低，就會(huì)驅(qū)動(dòng)熱風(fēng)機(jī)、加熱器、通風(fēng)扇來升高室內(nèi)溫度；遮陽(yáng)簾和發(fā)光器來調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度；二氧化碳添加器來添加二氧化碳濃度。第3章 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。本章介紹了溫室大棚控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，主要

15、有電氣控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)各部分控制電路設(shè)計(jì)、傳感器型號(hào)選擇、PLC型號(hào)選擇及PLC外部接線方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1電氣控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)溫室大棚控制系統(tǒng)的主電路如下圖3-1所示，通風(fēng)扇和遮陽(yáng)簾的主電路相似，都需要電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及正反轉(zhuǎn)來完成工作，不同的是通風(fēng)扇和遮陽(yáng)簾的電機(jī)功率不同，且遮陽(yáng)簾電機(jī)帶限位開關(guān)，冷/熱風(fēng)機(jī)、加熱器、發(fā)光體、CO2發(fā)生器都屬于開關(guān)設(shè)備，因此它們的工作原理大致相同。圖3-1 溫室大棚控制系統(tǒng)主電路原理圖上圖可知，刀開關(guān)為QK，能控制整個(gè)主電路的啟動(dòng)和停止；熱繼電器為FR1-FR5，能起過載保護(hù)作用；熔斷器為FU1-FU7，對(duì)各支路起到短路保護(hù)和過載保護(hù)作用

16、；接觸器的主觸頭為KM1-KM9，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及開關(guān)設(shè)備的啟?？刂?。3.2電氣控制系統(tǒng)各部分控制電路設(shè)計(jì)通過系統(tǒng)主電路可以看出，溫室大棚的控制系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備分為兩大類：開關(guān)設(shè)備和非開關(guān)設(shè)備。開關(guān)設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、加熱器等等；非開關(guān)設(shè)備比如正反轉(zhuǎn)的電機(jī)，包括通風(fēng)扇、遮陽(yáng)簾等，這些電機(jī)需要啟停和正反轉(zhuǎn)，需要限位開關(guān)。1.開關(guān)設(shè)備加熱器、二氧化碳添加器、熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、發(fā)光體都屬于開關(guān)設(shè)備，其控制電路比較相似，現(xiàn)在就以熱風(fēng)機(jī)為例，做以下分析：（1）熱風(fēng)機(jī)的主電路風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可以通過一個(gè)繼電器來控制，主要控制風(fēng)機(jī)的電機(jī)通斷。風(fēng)機(jī)工作運(yùn)行必須有熔斷器、熱繼電器來保護(hù)電路，主要功能有過電流保護(hù)、

17、短路保護(hù)和過載保護(hù)。下圖3-2為熱電機(jī)的主電路圖： 圖3-2 熱風(fēng)機(jī)主電路圖（2）熱風(fēng)機(jī)控制電路控制電路原理圖如下圖3-3所示，依照電路原理圖可知：SB1為手動(dòng)/自動(dòng)切換開關(guān)。按下總啟動(dòng)開關(guān)SB2，接觸器線圈KM10得電，KM10常開觸點(diǎn)閉合，形成自鎖。若是手動(dòng)操作，將旋鈕開關(guān)SB1打到手動(dòng)檔位，將SB6旋轉(zhuǎn)到開啟檔位，接觸器KM5得電，其常開觸點(diǎn)閉合，熱風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行；將SB6旋轉(zhuǎn)到停止檔位，接觸器KM5失電，其常閉觸點(diǎn)斷開，熱風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。若是自動(dòng)控制，將開關(guān)SB1旋轉(zhuǎn)到自動(dòng)檔位，由PLC控制器控制，當(dāng)接觸器KM5得電時(shí)，其常開觸點(diǎn)閉合，熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行。圖3-3 熱風(fēng)機(jī)控制電路圖2.正反轉(zhuǎn)設(shè)備在

18、執(zhí)行設(shè)備里，通風(fēng)扇和遮陽(yáng)簾屬于非開關(guān)設(shè)備，也就是正反轉(zhuǎn)設(shè)備，他們的控制電路很相似，現(xiàn)在以遮陽(yáng)簾為例來分析一下主電路圖和控制電路原理圖。（1）遮陽(yáng)簾主電路下圖3-4為遮陽(yáng)簾的主電路圖。由電路圖可知，接觸器KM3、KM4主要是控制遮陽(yáng)簾電機(jī)正反轉(zhuǎn)；熔斷器FU2主要是在電路中起到過電流保護(hù)，應(yīng)對(duì)短路；熱繼電器FR2的作用主要是電機(jī)的過載保護(hù)。 圖3-4 遮陽(yáng)簾主電路圖（2）遮陽(yáng)簾的控制電路遮陽(yáng)簾的控制電路原理圖如下圖3-5所示。由其電路原理圖可以分析得：旋鈕SB1為手動(dòng)/自動(dòng)選擇開關(guān)，按鈕SB2為總啟動(dòng)開關(guān)，按下SB2，交流接觸器KM10得電，其常開觸點(diǎn)閉合，形成自鎖；若手動(dòng)操作，將旋鈕旋轉(zhuǎn)到手動(dòng)位

19、置，SB4為開簾、閉簾切換開關(guān)，當(dāng)SB4切換到開簾開關(guān)時(shí)，接觸器KM3得電，其常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)其開簾程度達(dá)到最大程度時(shí)，碰到限位開關(guān)SQ1，其常閉觸點(diǎn)斷開，接觸器KM3失電，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)SB4切換到閉簾開關(guān)時(shí)，接觸器KM4得電，其常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，待關(guān)閉到最大限度時(shí)，限位開關(guān)SQ2常閉觸點(diǎn)斷開，KM4失電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。SB3為緊急停止開關(guān)，當(dāng)按下SB3時(shí)，接觸器KM10失電，其常閉觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。若自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，旋鈕開關(guān)SB1旋轉(zhuǎn)到自動(dòng)位置，遮陽(yáng)簾運(yùn)行受到PLC控制，中間接觸器KM3得電時(shí)，其常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，遮陽(yáng)簾打開；中間接觸器KM4得電時(shí)

20、，其常開觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，遮陽(yáng)簾閉合。圖3-5 遮陽(yáng)簾控制電路圖3.3 PLC的硬件電路3.3.1PLC的型號(hào)選擇1.控制系統(tǒng)所需要的I/O點(diǎn)數(shù)根據(jù)溫室大棚控制系統(tǒng)的控制要求，可以確定全部的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，從而可以確定PLC有關(guān)的輸入輸出設(shè)備，進(jìn)而可以確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，本控制系統(tǒng)所需的PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為14個(gè)數(shù)字量輸入，3個(gè)模擬量輸入，10個(gè)數(shù)字量輸出。2.選擇PLC的型號(hào)西門子PLCS7系列PLC包括S7-200系列、S7-300系列、S7-400系列。其功能非常強(qiáng)大，按其功能又分為小型、中型、大型PLC。根據(jù)本系統(tǒng)控制要求，選擇S7-200系列的PLC。由以上分析得此系統(tǒng)所

21、需I/O點(diǎn)數(shù)為14輸入、10輸出。根據(jù)PLC硬件設(shè)計(jì)要求，應(yīng)留出約25%的空余點(diǎn)數(shù)，以方便以后的系統(tǒng)改造升級(jí)。CPU224的I/O點(diǎn)數(shù)雖然也為14輸入、10輸出，但是不能留出I/O點(diǎn)數(shù)裕量，不方便以后的升級(jí)改造，所以選擇擁有I/O點(diǎn)數(shù)為24輸入、16輸出的CPU226，以方便以后系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化。CPU226相對(duì)功能強(qiáng)大，可以連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展至248個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)或35個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，具有13K的儲(chǔ)存空間。3.3.2 PLC的I/O地址分配表根據(jù)系統(tǒng)要求，控制系統(tǒng)的I/O地址分配表如下表3-6、3-7所示表3-6 輸入端口地址分配表序號(hào)輸入口信號(hào)名稱備注符號(hào)01I0.0手動(dòng)/自動(dòng)

22、切換旋鈕SB102I0.1總啟動(dòng)按鈕SB203I0.2總停止按鈕SB304I0.3遮陽(yáng)簾開限位限位開關(guān)SQ105I0.4遮陽(yáng)簾關(guān)限位限位開關(guān)SQ206I0.5遮陽(yáng)簾開簾單刀雙擲開關(guān)SB407I0.6遮陽(yáng)簾關(guān)簾單刀雙擲開關(guān)SB408I0.7通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)單刀雙擲開關(guān)SB509I1.0通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)單刀雙擲開關(guān)SB510I1.1熱風(fēng)機(jī)啟停旋鈕SB611I1.2冷風(fēng)機(jī)啟停旋鈕SB712I1.3加熱器啟停旋鈕SB813I1.4補(bǔ)光燈啟停旋鈕SB914I1.5CO2添加器啟停旋鈕SB1015AIW0溫度傳感器16AIW2光照度傳感器17AIW4CO2濃度傳感器表3-7 輸出端口地址分配表序號(hào)輸出口控制信號(hào)備注符

23、號(hào)01Q0.0通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)接觸器KM102Q0.1通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)接觸器KM203Q0.2遮陽(yáng)簾開簾接觸器KM304Q0.3遮陽(yáng)簾關(guān)簾接觸器KM405Q0.4熱風(fēng)機(jī)接觸器KM506Q0.5冷風(fēng)機(jī)接觸器KM607Q0.6加熱器接觸器KM708Q0.7補(bǔ)光燈接觸器KM809Q1.0CO2添加器接觸器KM910Q1.1啟動(dòng)指示燈接觸器KM103.3.3 PLC硬件接線圖本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用S7-200系列的CPU226以及模擬量輸入模塊EM235，硬件接線圖如下圖3-8所示圖3-8 硬件接線圖3.4傳感器型號(hào)選擇1.溫度傳感器根據(jù)溫室溫度控制的要求，本文的溫度傳感器采用芬蘭維薩拉公司型號(hào)為HMD40的產(chǎn)品，該

24、款傳感器不僅測(cè)量精度高，易于安裝、響應(yīng)速度快，對(duì)環(huán)境要求較低，還具可靠性好、良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、滯后小、不宜受灰塵、化學(xué)氣體等環(huán)境因素的影響等特點(diǎn)。其外觀如下圖3-9所示： 圖3-9 HMD40型溫度傳感器實(shí)物圖該傳感器的主要性能指標(biāo)如下：1溫度檢測(cè)范圍：-1060；測(cè)量精度：0.3%2工作電壓：1028V DC；3輸出信號(hào)：420mA。2.光照傳感器 光控用于控制遮陽(yáng)幕的開關(guān)，使作物得到合理的光照并實(shí)現(xiàn)以下目的：免除作物超過光飽合點(diǎn)，提高光合作用；實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)日照作物、中日照作物和短日照作物的光照控制。光照度傳感器可以采用北京易盛泰和科技有限公司產(chǎn)品型號(hào)Poi88-c光照度傳感器。該傳感器用于實(shí)現(xiàn)

25、對(duì)環(huán)境光照度的測(cè)量，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓及電流信號(hào)，體積小，安裝方便，線性度好，傳輸距離長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，量程可調(diào)。1.量程：O-200Klx、O-20Klx、02000lx可選2.供電電壓：24VDC12VDC3.輸出信號(hào)：4-20mA，0-10V可選4.精度：2%3.二氧化碳濃度傳感器二氧化碳控制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)C02的含量，當(dāng)C02的含量低于設(shè)定值時(shí)打開C02儲(chǔ)氣罐或C02發(fā)生器以增施氣肥。C02傳感器選用弗加羅公司生產(chǎn)TGS4160二氧化碳傳感器，該傳感器為固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長(zhǎng)、選擇性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)外，同時(shí)還具有耐高濕低溫的特性，可廣泛用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系

26、統(tǒng)或是C02氣體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合。其外觀如下圖3-10所示： 圖3-10 TGS4160二氧化碳傳感器實(shí)物圖TGS4160傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：1.測(cè)量范圍：300-50,000ppm2.對(duì)二氧化碳CO2濃度有高靈敏度3.CO2二氧化碳傳感器TGS4160對(duì)濕度依賴性極低，長(zhǎng)壽命4.使用溫度：-10+50第4章 控制系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)4.1 STEP7Micro/Win軟件簡(jiǎn)介STEP7-Micro/WIN32 編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7-200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，既可用于開發(fā)用戶程序，又可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。STEP7-Mi

27、cro/WIN主界面如圖4-1所示。圖4-1 STEP7-Micro/WIN主界面圖編程軟件的具體功能如下：1.可以用梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊圖編程。2.可以進(jìn)行符號(hào)編程，通過符號(hào)表分配符號(hào)和絕對(duì)地址，即對(duì)編程元件定義符號(hào)名稱，增加程序的可讀性，并可打印輸出。3.支持三角函數(shù)，開方，對(duì)數(shù)運(yùn)算功能。4具有易于使用的組態(tài)向?qū)А?.可用于CPU硬件配置。6.可以將STEP 7-Micro/WIN正在處理的程序與所連接的PLC中的程序進(jìn)行比較。4.2控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思路本控制系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作模式，自動(dòng)模式為正常運(yùn)行狀態(tài)，手動(dòng)模式用于應(yīng)對(duì)一些突發(fā)情況。在自動(dòng)工作模式下，PLC運(yùn)行時(shí)，將傳感器對(duì)溫

28、室溫度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境因素進(jìn)行檢測(cè)的測(cè)量值與溫室控制系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，如果溫度的檢測(cè)量高于設(shè)定值，PLC就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的指令控制冷風(fēng)機(jī)的開啟和通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)（將溫室中的空氣排向外界）；如果測(cè)量值低于設(shè)定值，則打開加熱器和熱風(fēng)機(jī)，對(duì)溫室進(jìn)行加溫，并使通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)（將外界的空氣引入溫室）。當(dāng)溫室的光照低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)打開遮陽(yáng)簾和補(bǔ)光燈；當(dāng)溫室的光照高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉遮陽(yáng)簾。當(dāng)溫室的二氧化碳濃度低于設(shè)定值，系統(tǒng)開啟二氧化碳調(diào)節(jié)閥。如果溫室中的測(cè)量值與設(shè)定值相等，則關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備，保持溫室中的環(huán)境參數(shù)。溫室大棚內(nèi)的不同作物對(duì)于自然環(huán)境的要求也不盡相同，本系統(tǒng)為研究方便，取其范圍內(nèi)一值，作為參

29、考。植物對(duì)大棚溫室內(nèi)的溫度要求大多數(shù)在25-30，本系統(tǒng)取值28；光照強(qiáng)度單位為lx,本系統(tǒng)取光照強(qiáng)度為30000lx;夏季在陽(yáng)光直接照射下，光照強(qiáng)度可達(dá)6萬(wàn)10萬(wàn)lx，沒有太陽(yáng)的室外0.1萬(wàn)1萬(wàn)lx，夏天明朗的室內(nèi)100550lx，夜間滿月下為0.2lx。二氧化碳濃度單位為ppm,空氣中含量為300-400ppm，而植物生長(zhǎng)需求則為1000-1500ppm，因此本系統(tǒng)取二氧化碳濃度臨界值為1000ppm。4.3控制系統(tǒng)程序流程圖4.3.1溫室控制系統(tǒng)流程圖 圖4-2 溫室控制系統(tǒng)流程圖（1） 溫室大棚的溫度控制流程圖，如圖4-3：圖4-3 溫室大棚的溫度控制流程圖（2） 光照控制流程圖，如圖

30、4-4： 圖4-4 光照控制流程圖（3） CO2濃度控制流程圖，如圖4-5：圖4-5 CO2濃度控制流程圖4.4控制程序設(shè)計(jì)及分析1. 自動(dòng)/手動(dòng)切換圖4-6 自動(dòng)/手動(dòng)切換圖如網(wǎng)絡(luò)1所示，I0.0為自動(dòng)/手動(dòng)切換，I0.1為總啟動(dòng)，當(dāng)I0.1=1時(shí)，Q1.1得電，啟動(dòng)燈亮，I0.2為總停止，當(dāng)I0.0=1，I0.1=1時(shí)，中間繼電器M0.0得電，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為自動(dòng)模式；當(dāng)I0.0=0，I0.1=1時(shí)，中間繼電器M0.1得電，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為手動(dòng)模式。2. 溫度控制圖4-7 自動(dòng)情況下溫度控制圖如網(wǎng)絡(luò)2所示，當(dāng)中間繼電器M0.0得電時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為自動(dòng)模式。在自動(dòng)情況下，溫度傳感器將測(cè)得

31、的模擬量通過模擬量輸入模塊EM235送入PLC中，通過整數(shù)比較指令，將溫度傳感器檢測(cè)到的測(cè)量值A(chǔ)IW0與設(shè)定值“28度”進(jìn)行比較，當(dāng)AIW028時(shí)，中間繼電器M0.2得電，啟動(dòng)降溫設(shè)備；當(dāng)AIW030000時(shí)，中間繼電器M2.0得電，啟動(dòng)遮光設(shè)備；當(dāng)AIW230000時(shí)，中間繼電器M2.1得電，啟動(dòng)補(bǔ)光設(shè)備。圖4-15 手動(dòng)情況下光照控制圖如網(wǎng)絡(luò)10所示，當(dāng)中間繼電器M0.1得電時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為手動(dòng)模式?？赏ㄟ^控制相應(yīng)的按鈕遮陽(yáng)簾開簾I0.5、遮陽(yáng)簾關(guān)簾I0.6、補(bǔ)光燈I1.4，進(jìn)行溫室大棚光照強(qiáng)度的手動(dòng)控制。圖4-16 遮陽(yáng)簾開簾圖如網(wǎng)絡(luò)11所示，在溫室大棚的光照控制過程中，自動(dòng)模式下，

32、當(dāng)光照傳感器測(cè)量的光照強(qiáng)度低于設(shè)定的光照值時(shí)，中間繼電器M2.1得電，遮陽(yáng)簾開簾補(bǔ)光；手動(dòng)模式下，將控制遮陽(yáng)簾開關(guān)簾的單刀雙擲開關(guān)撥至“遮陽(yáng)簾開簾”，中間繼電器M2.2得電，遮陽(yáng)簾開簾補(bǔ)光。圖4-17 遮陽(yáng)簾關(guān)簾圖如網(wǎng)絡(luò)12所示，在溫室大棚的光照控制過程中，自動(dòng)模式下，當(dāng)光照傳感器測(cè)量的光照強(qiáng)度高于設(shè)定的光照值時(shí)，中間繼電器M2.0得電，遮陽(yáng)簾關(guān)簾遮光；手動(dòng)模式下，將控制遮陽(yáng)簾開關(guān)簾的單刀雙擲開關(guān)撥至“遮陽(yáng)簾關(guān)簾”，中間繼電器M2.3得電，遮陽(yáng)簾關(guān)簾遮光。圖4-18 補(bǔ)光燈開啟圖如網(wǎng)絡(luò)13所示，在溫室大棚的光照控制過程中，自動(dòng)模式下，當(dāng)光照傳感器測(cè)量的光照強(qiáng)度低于設(shè)定的光照值時(shí)，中間繼電器M2

33、.1得電，補(bǔ)光燈開啟補(bǔ)光；手動(dòng)模式下，按下補(bǔ)光燈的啟停按鈕，中間繼電器M2.4得電，補(bǔ)光燈開啟補(bǔ)光。4.二氧化碳濃度控制圖4-19 自動(dòng)情況下二氧化碳濃度控制圖如網(wǎng)絡(luò)14所示，當(dāng)中間繼電器M0.0得電時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為自動(dòng)模式。在自動(dòng)情況下，CO2濃度傳感器將測(cè)得的模擬量通過模擬量輸入模塊EM235送入PLC中，通過整數(shù)比較指令，將CO2濃度傳感器檢測(cè)到的測(cè)量值A(chǔ)IW4與設(shè)定值“1000ppm”進(jìn)行比較，當(dāng)AIW41000時(shí)，中間繼電器M3.0得電，添加溫室中的CO2。圖4-20 手動(dòng)情況下二氧化碳濃度控制圖如網(wǎng)絡(luò)15所示，當(dāng)中間繼電器M0.1得電時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為手動(dòng)模式。可通過控制CO

34、2調(diào)節(jié)閥I1.5，進(jìn)行溫室大棚CO2濃度的手動(dòng)控制。圖4-21 二氧化碳調(diào)節(jié)閥工作圖如網(wǎng)絡(luò)16所示，在溫室大棚的CO2濃度控制過程中，自動(dòng)模式下，當(dāng)CO2濃度傳感器測(cè)量的濃度低于設(shè)定的濃度時(shí)，中間繼電器M3.0得電，打開CO2調(diào)節(jié)閥添加CO2；手動(dòng)模式下，按下CO2添加器的啟停按鈕，中間繼電器M3.1得電，打開CO2調(diào)節(jié)閥添加CO2。第五章 控制程序的仿真與調(diào)試5.1仿真軟件介紹在本次設(shè)計(jì)中，利用S7-200仿真軟件V3.0漢化版進(jìn)行控制程序的仿真與調(diào)試。該仿真軟件可以仿真大量的S7-200指令（除部分指令如順序控制指令、循環(huán)指令、高速計(jì)數(shù)器指令和通訊指令等尚無法支持外，可支持常用的位觸點(diǎn)指令

35、、定時(shí)器指令、計(jì)數(shù)器指令、比較指令、邏輯運(yùn)算指令和大部分的數(shù)學(xué)運(yùn)算指令等）。該仿真軟件還提供了數(shù)字信號(hào)輸入開關(guān)、兩個(gè)模擬電位器和LED輸出顯示，仿真軟件同時(shí)還支持對(duì)TD-200文本顯示器的仿真，在實(shí)驗(yàn)條件尚不具備的情況下，完全可以作為學(xué)習(xí)S7-200的一個(gè)輔助工具。5.2仿真與調(diào)試準(zhǔn)備工作仿真軟件不提供源程序的編輯功能，因此必須和STEP7 Micro/Win程序編輯軟件配合使用，即在STEP7 Micro/Win中編輯好源程序后，然后加載到仿真程序中執(zhí)行后續(xù)步驟：（1）在STEP7 Micro/Win中編輯好梯形圖；（2）利用File|Export命令將梯形圖程序?qū)С鰹閿U(kuò)展名為awl的文件；

36、（3）如果程序中需要數(shù)據(jù)塊，需要將數(shù)據(jù)塊導(dǎo)出為txt文件；5.3程序仿真與調(diào)試采用了S7-200V3.0漢化版仿真軟件進(jìn)行程序的仿真與調(diào)試，主要是為了保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行并且達(dá)到我們所想達(dá)到的目的。仿真與調(diào)試可以分為以下幾個(gè)步驟；（1）打開S7-200仿真軟件，選擇CPU型號(hào)：CPU226，EM235，載入程序：（2）單擊“RUN”鍵，系統(tǒng)開始運(yùn)行，觀察是否相應(yīng)的綠燈亮起：（3）模擬仿真結(jié)果與控制要求完全一致，程序仿真成功：程序仿真圖如圖5-1和5-2所示。圖5-1 控制程序仿真圖圖5-2 控制程序仿真圖結(jié)論本次完成對(duì)溫室大棚控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過西門子S7-200系列PLC實(shí)

37、現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)分為手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作模式，正常運(yùn)行狀態(tài)即為自動(dòng)模式，當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)，可以切換手動(dòng)模式進(jìn)行操作。在自動(dòng)工作模式下，PLC運(yùn)行時(shí)，溫室溫度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境因素由傳感器進(jìn)行檢測(cè)，將測(cè)量值與溫室控制系統(tǒng)的設(shè)定值相比較，如果溫度的測(cè)量值高于設(shè)定值，冷風(fēng)機(jī)和通風(fēng)扇均會(huì)被開啟隨著PLC發(fā)出的指令；如果測(cè)量值低于設(shè)定值，則加熱器和熱風(fēng)機(jī)均會(huì)被開啟，對(duì)溫室進(jìn)行升溫，并使通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)。當(dāng)溫室的光照低于設(shè)定值，遮陽(yáng)簾和補(bǔ)光燈均會(huì)被打開；當(dāng)溫室的光照高于設(shè)定值時(shí)，遮陽(yáng)簾則會(huì)被關(guān)閉。當(dāng)溫室的二氧化碳濃度低于設(shè)定值，二氧化碳調(diào)節(jié)閥將被開啟。如果溫室中的測(cè)量值與設(shè)定值相等，則關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備，保持溫室中的環(huán)境參數(shù)。此外，本溫度監(jiān)控系統(tǒng)仍存在一些不足：（1）輸