基于plc控制的温室大棚系统设计.docx

基于 PLC苗圃大棚自动掌握系统设计 *最高学历：本科工作单位：江苏大学 通讯地址：江苏大学电气与信息工程学院 号码：Email:字数： 6195表数： 4图数： 19基于 PLC 苗圃大棚自动掌握系统设计摘 要： 本文是针对现代农业对智能温室的需求而自行设计的温室自动掌握系 统。通过分析温室执行机构的相应动作对温室环境的影响，将PLC 和传感器技术应用到温室掌握系统设计，开发了基于 PLC 掌握的苗圃大棚智能掌握系统。大棚 的环境系统是一个非线性、时变、滞后简单大系统，难以建立系统的数学模型， 承受常规的掌握方法难以获得满足的静、动态性能。本次设计掌握系统硬件局部 主要由 PLC、各类传感器构成的，传感器是来检测大棚内部的温度、湿度、二氧 化碳的浓度、光照度等， PLC 是掌握温室内双向天窗、侧窗，遮阳网驱动，湿帘 水泵，环流风机，降温排湿风扇， C02 补气阀、补光灯等执行设备的。本系统的 智能温室大棚投入运行后可以很好地实现了对温室大棚内的各个环境因子的控 制调整，为苗圃制造了良好的生长环境。本系统操作简洁、工作稳定牢靠, 有用性强,适应当前农业现化的需要 ,适用范围广 ,经济效益很好，有好很的进展前景。 关键词： 大棚，温度掌握， PLCNursery Greenhouses Based on PLC Automatic ControlSystem DesignAbstract: This article is in view of the modern agriculture demand for intelligent greenhouse and greenhouse automatic control system design. Through the analysis of the corresponding action of greenhouse actuators on the greenhouse environment, the influence of the PLC and sensor technology is applied to the greenhouse control system design, the development of the nursery greenhouse intelligent control system based on PLC control. Greenhouse environment system is a nonlinear, time-varying lagging of large complex system is difficult to establish a system of mathematical model, the conventional control method is difficult to obtain satisfactory static and dynamic performance. The design of control system hardware part mainly composed of PLC, all kinds of sensors, sensor is to detect the temperature inside the greenhouse, humidity, carbon dioxide concentration, light, etc., the PLC is to control the bidirectional skylight, side window in greenhouse, sun-shade net drive, wet curtain pump, circulation fan, the platoon is wet cooling fan, our fleet air compensating valve, execute equipment such as the fill light. After the intelligent greenhouses into operation of this system can well realize the control of various environmental factorswithin the greenhouses adjustment, created a good growth environment for the adapt to nursery. This system operation is simple, stable and reliable work, strong practicability, the needs of the current agricultural modernization, applicability is wide and itseconomic benefit is very good, has good prospects for developmentKey words: greenhouse, temperature control, PLC名目基于 PLC 苗圃大棚自动掌握系统设计11 概述11.1 国内外温室掌握技术的争论现状11.2 争论的意义22 本系统争论方案22.1 掌握系统设计目标22.2 掌握方案33 系统硬件设计43.1 系统的硬件组成43.2 温湿度采集电路的设计53.3 光照度传感器63.4 C02 传感器73.5 执行机构系统设计83.5.1 湿帘降温系统的设计83.5.2 天窗、侧窗、风扇、遮阳网的开闭系统设计83.6 PLC 的配置93.6.1 输入信号端子确实定：103.6.2 输出信号端子确实定：103.6.3 PLC 局部电路设计114 系统的软件设计134.1 大棚自动掌握系统 PLC 软件局部的设计134.1.1 掌握系统软件设计要求134.1.2 系统工作原理134.2 PLC 的 I/O 分布图154.3 主程序梯形图165 完毕语18参考文献19基于 PLC 苗圃大棚自动掌握系统设计1概述1.1 国内外温室掌握技术的争论现状现代温室中常见的能自动掌握的调控机构有 : 顶部通风窗、侧面通风窗、外 遮阳帘幕、内遮阳帘幕、轴流通风机、 降温湿帘、人工补光灯、二氧化碳施肥器、 加热设备、喷雾系统及熏蒸设备。 掌握器综合调整各个机构， 使系统在运行中节 约能源的同时保证室内气候满足植物生长需求。使用的掌握器可以有很多项选择择， 如单片机、工控机、 PLC、通用 PC 机等。掌握器之间可以通过局域网或现场总线 进展信息交换。国内外争论学者对掌握系统和掌握算法做了大量的争论。西方兴旺国家在现代温室测控技术上起步比较早。 1949 年，借助于工程技术 的进展，美国建成了第一个植物人工气候室， 开展了植物对自然环境的适应性和 抗御力量的根底及应用争论。 20 世纪 60 年月，生产型的高级温室开头应用于农 业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂， 70 年月后荷兰、日本、美国、英国、 以色列等国家的温室园艺迅猛进展， 温室设施广泛应用于园艺作物生产、 畜牧业 和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能掌握理论的进展，近百年来， 温室 大棚作为设施农业的重要组成局部， 其自动掌握和治理技术不断得以提高， 在世 界各地都得到了长足的进展。特别是二十世纪 70 年月电子技术的迅猛进展和微 型计算机的消灭，更使温室大棚环境掌握技术产生了革命性的变化。 80 年月， 随着微型计算机日月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室掌握要求的提 高，以微机为核心的温室综合环境掌握系统， 在欧美得到了长足的进展， 并迈入 了网络化，智能化阶段。目前，国外现代化温室的内部设施己经进展到比较完备的程度，并形成了一 定的标准。温室内的各环境因子大多由计算机集中掌握， 检测传感器也较为齐全， 如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、养分液浓度等，由传感器的 检测根本上可以实现对各个执行机构的自动掌握，如无级调整的天窗通风系统， 湿帘与风扇配套的降温系统， 由热水锅炉或热风机组成的加温系统， 可定时喷灌 或滴灌的浇灌系统，二氧化碳施肥系统， 以及适用于温室作业的农业机械等。 计 算机对这些系统的掌握己经不是简洁的、独立的、静态的直接数字掌握， 而是基 于环境模型上的监视掌握， 以及基于专家系统上的人工智能掌握， 一些国家在实 现自动化的根底上正在向着完全自动化、无人化的方向进展。我国温室产业起步比较晚。自 70 年月末起，我国先后从日本、美国、荷兰和 保加利亚等国引进了 40 套左右的现代化温室成套设备。 虽然这些温室技术领先、 设备先进，但在我国的使用过程中还存在较严峻问题，主要有以下几点:引进价 格高，运行经济效益差 ; 技术要求过高，要求经营者既要懂农业技术，生疏英文， 还要把握电脑操作和机械运营和维护 ; 运营模式没有与中国的实际结合起来，不 适合于我国的气候特征。所以， 争论开发符合我国国情、 产生明显经济效益并适 用于大范围推广应用的自动掌握温室系统己经迫在眉睫。基于以上的种种缘由， 我国的农业工程技术人员在吸取兴旺国家高科技温室生产技术的根底上， 进展了 温室中温度、湿度、 光照等单因子掌握技术的争论， 并逐步推出既适宜我国经济 进展水平又能满足不同生态气候条件要求的温室掌握系统。1.2 争论的意义国家“十五”重点科技攻关内容“工厂化农业关键技术争论与示范”尽管以 结题。为了推广温室技术，国家农委强调的在每一个地区都要建立温室示范工程， 但每一个地区的气候条件都不一样， 其掌握模型和掌握算法都不行能一样， 因此， 智能温室环境掌握技术仍有很多问题需要解决。该智能温室的先进掌握模式适合本地区状况的，综合考虑植物生长和产量、 节能、环境掌握、 经济效益等多方面因素， 连续为本地区的种植业的进展的起到 了典范作用。智能温室掌握系统将实现对农业生产的准确治理。 通过掌握器实时监测温室 内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度值，使对作物 生长环境监测与普 通简洁温度、湿度计测量相比，更准确、更牢靠。人们能够通过这些监测手段实 时准确地了解状况， 完成相关设备调整，避开了监测误差和监测滞后带来的损失。智能温室将自动化技术引入了农业生产， 为农业科研活动供给了有利的科学 手段。通过参数设置及自动数据记录， 为农艺工作者完成相关农艺科学争论， 了 解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方法的改进，都供给了简便、 准 确的手段。因此，争论该课题具有深远的理论意义和重大的现实意义。2 本系统争论方案2.1 掌握系统设计目标温室的作用是用来转变植物的生长环境 , 避开外界四季变化和恶劣气候对 作物生长的不利影响 , 为植物生长制造适宜的良好条件。 温室一般以采光和掩盖 材料作为主要构造材料 , 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 , 从而到达对农作物调整产期、 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。 温室掌握主要是掌握温室内的温度、 湿度、通风与光照。 节约了水源，温度调整主要有遮阴帘风机的动作来解 决。温室掌握系统是基于室内和室外的温度， 湿度，光传感器，二氧化碳传感器， 室外气象站收集或观看的室内和室外的温度，湿度，光照强度温室， CO2 浓度的 信息环境参数，掌握温室保温被，开窗通风，遮阳，通过温室环境掌握喷滴灌等驱动/ 执行器，气候和浇灌和施肥掌握以满足作物生长的需要，生态环境的作物 生长和进展供给最适合的，很大的提高了苗圃的产量和质量。其示意图如以下图 2 1 所示：图 21 温室掌握系统示意图2.2 掌握方案 从掌握器类型来划分，主要有以下几种温室自动掌握系统1. 基于单片机的温室检测系统。图 2-2 基于单片机检测原理图2. 基于 PLC 的温室自动掌握系统图 2-3 基于 PLC 的温室自动掌握系统原理图依据现在建筑的日光温室，提出了如下系统争论方案：承受上位机计算机和可编程掌握器组成分布式智能温室掌握系统的硬件部 分，即两级监控系统。 上级掌握系统负责对智能温室进展监控和参数的设定。 下 级是以 PLC 为核心的掌握单元，负责温室参数的信息采集，系统规律运算，并对 调控设备进展掌握。PLC 在工业掌握中应用多年， 属于大批量生产的产品， 其在生产、 调试、应用、 服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳定、牢靠性高。承受 PLC 本钱虽然比单片机高， 但要考虑到稳定性、可维护性等综合因素，采 用PLC 比单片机具有较高的性价比。 而且当上位机发生故障时， PLC 掌握器可以自 行实现数据采集、显示和输出等掌握，不影响温室的自动运行。要依据苗圃的最适生长环境来制定温室环境， 将最重要的环境因素如温室内 空气温度、湿度、 光照、 二氧化碳浓度作为根本监测和掌握工程 , 这样避开了太 简单的掌握方案。依据温室本身的特点设置了如图 2 - 1 所示掌握系统的总体设3系统硬件设计3.1 系统的硬件组成为了实现智能温室的环境监控，本设计建立了温室环境掌握参数的长时间在 线计算机自动掌握系统。实现了温室内温度、湿度、 C02 浓度、光照强度等参数 的长期监测。并可依据智能温室温湿度的需求，对天窗、侧窗、降温湿风扇、风 机、湿帘、内外遮阳网等设备自动掌握。构造图如以下图 3-1 所示：上位机计算机下位机 PLCA/D 模块模拟变送电路模拟传感器C温 湿浓2光度 度照温室大棚智能掌握构造图图 3-1 温室大棚智能掌握构造图3.2温湿度采集电路的设计一、产品型号HG14 温湿度变送器利用半导体敏感元件来测量空气中的温度、 湿度，适用 于室内环境测量，当敏感元件被监测到环境温度、湿度，输出智能数字信号。该变送器装在最能代表被测环境状态的地方，避开安装在空气流淌不畅的死 角处。二、产品特点： 薄型设计，轻松美观。 独特风道设计，防止电路温升影响传感器真实测试。 专利构造技术，易于安装，易于维护。精度高，全都性好。防护性能极好三、主要技术参数：如表 3-1表 3-1HG14 温湿度传感器主要技术参型号数额定电压测量范围HG14DC24V ( DC15VDC24V )测量精度电压输出接线端子温度： 050 湿度： 0100%rh温度：±0.5 湿度：±3%rhHumidity:0- 10v=0 100%rh Temperature:0-10v=- 050(1) 系统电源线(2)工作面积安装方式系统电源 - 线 / 信号地(3) 温度输出(4) 湿度输出10-20m2 /只室内墙面安装，天花板吸顶安装主体：约 200g，底座：约 50g，ABS 树脂质材四、外形如图 3-2图 3-2HG14 温湿度传感器外形五、连接图：1、安装时，线槽端头与传感器底座连接处，应用 PVC 终端头过渡。为了保证线槽与传感器安装在同一轴心线上，建议先安装底座，然后在钉线槽。2、传感器至空调送风口的水平距离应大于 1.5m，至顶棚送风口的距离应大 于0.5m。3.3 光照度传感器光控用于掌握遮阳幕的启闭， 使作物得到合理的光照度并实现以下目的： 免除作物超过光饱合点，提高光合作用； 实现对长日照作物、 中同照作物和短日照 作物的光照掌握。光照度传感器承受北京易盛泰和科技产品型号Poi88-c 光照度传感器。说明：承受先进的电路模块技术开发变送器，用于实现 对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小，安装便利，线性度 好，传输距离长， 抗干扰力量强。可广泛用于环境、养殖、建筑、楼字等的光照 度测量。量程可调。接线原理图：+5VVout光照检测电路图 3-3 光照检测电路 量程： O-200K1UX、O-20K10X、02023 可选 供电电压： 24VDC 12VDC 输出信号 4-20mA，0V1OV 可选 精度：±2 负载力量：500， 3Ks3.4 C02 传感器二氧化碳掌握实时监测 C02 的含量，当 C02 的含量低于肯定值时翻开 C02 储 气罐或C02 发生器以增施气肥。 C02 传感器选用弗加罗公司生产 TGS4160 二氧化 碳传感器，该传感器是的固态电化学型气体敏感元件，外形图见图 3-12 。这种 二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、 选择性和稳定性好等特点外， 同时还具 有耐高湿低温的特性可广泛用于自动通风换气系统或是 C02 气体的长期监测等 应用场合。 TGS4160 传感器的主要技术参数如下： 测量范围： 05000ppm； 使用寿命： 2023 天； 内部热敏电阻 补偿用 ：100k Q±5： 使用温度：一 10+50 使用湿度 595 RH；图 3-4 TGS4160 传感器管脚外形图它输出的电压信号与 CO2 浓度值呈线性关系，输出的电压信号为 0-3V，相 当于 0- 3000PPM 的 CO2 浓度。另外，该模块还供给有中继转接掌握信号。当 CO2 浓度高于设定值时，输出的转接掌握信号为高电平 5V 亮；反之它将转接掌握信 号为低电平 0V。3.5执行机构系统设计从 2-1 系统设计框图中可以看到，执行系统包括湿帘降温系统，顶板，侧窗，风 机，遮阳网翻开和关闭系统，排湿风机系统等。3.5.1 湿帘降温系统的设计湿帘降温水循环系统的系统组成：湿帘、湿帘水泵、风扇和附件。通过利用 水的蒸发原理实现降温的目的。湿帘安装在温室的北端，风扇安装在南端。 当需 要降温时，启动风扇将室内的空气强制抛出， 形成负压， 同时湿帘水泵将水打到 湿帘墙上，室外的空气因负压被吸入室内的过程中，以· 定的速度从湿帘的缝隙穿过，导致水分蒸发和降温，冷空气流经温室，吸取室内热量后，经风扇排出， 从而到达降温的目的。3.5.2 天窗、侧窗、风扇、遮阳网的开闭系统设计本系统的各个执行设备是由 PLC 输出和执行掌握，多数是电机掌握设备。我们讲 解一下一号天窗的开闭， 如以下图所示是一号天窗的电机掌握实现原理。 其他的控 制主电路原理图见附录。图 3-5 1 号天窗电机主线路图 3-6 1 号天窗电机掌握线路主回路： OF 为电机的总开关，当 QFl 断开时，主回路和掌握回路均断电。 KM1 和KM2 掌握电机的正传和翻转动作， FRI 为保护电机的熔断器。 KMI 和KM2 为互锁开 关， SQl 为天窗 1 开到最大的限位开关，当 SQ1 开到极限位置是自动关闭。 SQ2 为天 窗关的限位开关， 当SQ2 开到极限位置是自动关闭。 PLC 掌握中间继电器 KM1 和 KM2 而掌握K1 和K2，开关掌握面板，天窗电机的 PLC 掌握，互锁，限位，宠保护和指 示功能。3.6 PLC的配置PLC可编程序掌握器由 CPU 模块、 I/O 模块和编程器构成 PLC。PLC 的特 殊功能由特别模块完成。 输入模块完成对信号的接收和输入， 输出模块实现对继 电器等执行装置的掌握。PLC 特点如下：编程方法简洁易学、 功能强、性能价格比高、 硬件配套齐全， 用户使用便利，适用性强，牢靠性高，抗干扰力量强，系统的设计、安装、调试 工作量少，修理工作量小，修理便利，体积小，能耗低。3.6.1 输入信号端子确实定：设备 天窗开关天窗限位侧窗开关侧窗限位表 3-1 输入信号端子确实定数量2222湿帘窗开关2湿帘窗限位2遮阳网开关2遮阳网限位2湿帘水泵开关2遮阳网开关2环流风机开关2降温风扇开关2补光灯开关2C02 补气开关2共计283.6.2 输出信号端子确实定：设备数量报警灯天窗电机测窗电机湿帘窗电机1222表 3-2 输出信号端子确实定湿帘水泵1遮阳网电机2环流风机电机1C02 补气电磁阀1补光灯2共计14基于以上因素，选用日本三菱系列中64 个输出端子 完全满足要求。FX2N128MR 的PLC该机含有64 个输入端子、3.6.3 PLC 局部电路设计本系统使用的是三菱生产的 FX-2N-128MR 型号的 PLC，他共有 64 个输入输 出点，选用 FX-2DA 的功能模块来实现模拟量的输出，选用 FX-AD 来实现模量 的输入，温度湿度都是承受多处测量来去平准值。 PLC 系统掌握电路如 3-7 所示图 3-7PLC接线图4系统的软件设计4.1 大棚自动掌握系统 PLC 软件局部的设计4.1.1 掌握系统软件设计要求依据的根本要求和列表如下： 1以防止接触错误动作：使用自锁电路解决。 2系统的自我诊断功能： PLC 本身具有的功能。 3风扇掌握：温室设有一组风扇， 也可以启动和停顿，当温度超过预定值， 在PLC 掌握的自动开启 2 侧窗，启动风机，湿帘泵启动，从而降低温室的温度。 4侧窗掌握： 2 侧窗，侧窗由电机掌握，电机开关受限位开关限制。 5湿帘泵掌握：当大棚的湿度超过预定值，在 PLC 掌握下启动，在预定值之间 自动关闭。（6） 遮阳网掌握：当光照超过预定值， PLC 掌握下启动（7） C02 补气掌握：大棚内CO2 低于设定值时， PLC 掌握下开启 CO2 罐的阀门，来补充CO2。（8） 补光灯掌握： 大棚内的光照低于设定值时，而翻开遮阳帘还不够时，就翻开 补光灯来补充光照。4.1.2 系统工作原理首先是各传感器采集温室内外的环境因子， 然后通过各电路将环境信号转换 为模拟信号，在通过放大器将信号放大，再将放大的模拟信号输入到 PLC 的 FX-2AD 转换为数字量 的信号，将这信号与设定的值比较，高于或低于这设定值 是相应的执行机构就会自开工作， 例如正常工作时， 温度传感器将温室的温度传 到 PLC 与设定值比较，超出设定的上限或下限是 PLC 将输出指令，遮阳帘就会 工作，假设在相应的设定范围内 PLC 响应遮阳帘就会终止工作。系统工作过程如图开头温度采样图 4-1系统工作过程流程图当温度采样到 PLC 显示温度高于设定值时启动环流电机， 一段时间后温度采样 温度在设定范围内该系统关闭。当光照传感器采集到光照不再设定范围时，当光照低于设定值是翻开遮阳帘 翻开补光灯，当高于设定值时关闭遮阳帘。直到光照在设定范围内时系统关闭。当湿度传感器采集到湿度不再设定范围时， 当湿度低于设定值时翻开加湿器， 当高于设定值时翻开环流风机。直到湿度在设定范围内时系统关闭。当CO2 传感器采集到 CO2 不再设定范围时， 当CO2 低于设定值时翻开 CO2 电磁阀， 当高于设定值时翻开环流风机。直到 CO2 在设定范围内时系统关闭。4.2 PLC 的 I/O 分布图信号类型电 路 中编名 称号PLC 中地址信号电路中的名称类型编号PLC 中地址数 字 输天窗 1 开KM1Y0加湿KM9Y8出 信 号数 字机开天窗 1 关KM2Y1输 出加湿机KM10Y9信 号关天窗 2 开KM3Y2遮阴KM11Y10帘开天窗 2 关KM4Y3遮阴KM12Y11帘关侧窗 1 开KM5Y4补光灯1 2KM13Y12侧窗 1 关Y5KM6环流风KM14Y13机侧窗 2 开KM7Y6Co2 补气KM15Y14侧窗 2 关KM8Y7表 4-1 I/O 安排表4.3主程序梯形图5完毕语总结本文争论的成果，得出以下主要结论：l 、本文依据大棚环境的特点，运用 PLC 技术完成了大棚环境掌握 系统的硬件设计。2、实现了对大棚内部温度、湿度、二氧化碳的浓度、光照度等参数 的检测与采集。3、固然由于条件的缘由还有一些问题需要解决。 由于时间和本人所学学问的有限， 本系统的硬件和软件可能做的不够完善还 不能适应简单的环境。 , 主要是温度自动调整 , 对其他环境因素可能影响温度并不 全面 , 系统检测设备需要完善， 传感器系统的测量精度需要校准； 建议后续工作 可以实时、准确性和可扩展性的系统进一步完善 , 促进我国农业的现代化。参考文献1 文华，基于 PLC 的气体的设计与实现 J ；天津大学计算机科学与技 术学院，20232 刘迎春传感器原理设计与应用 M ，北京：国防科技大学出版社， 2023：205-207 3 余成波，胡宇，赵勇 . 传感器与自动检测技术 M . 北京：高等教育出版社， 20234 向巍，基于 PLC 的茶苗苗圃微喷灌自动化掌握系统 J ；中国西部科技 2023 年 10 月上旬第 09 卷第 28 期总第 225 期5 邵文冕，基于 PLC 的温湿度检测仪的设计 J ；黑龙江科技学院工程训练与根底试验中心，哈尔滨 1500276 解永辉，基于 PLC 的智能温室掌握系统的设计 J ；山东大学硕士学位论文 ,2023.47 程鹏，自动掌握原理 M ，北京：高等教育出版社， 2023.48 黄鸿，传感器与检测技术 M ，北京：高等教育出版社， 2023.119 王阿根，程掌握原理与应用 M ，北京清华大学出版社， 2023.110 白涛，王鹏，园林苗圃 M ，黄河水利出版社， 2023， 10