基于PLC的蔬菜大棚設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)設(shè)計(jì)(論文)題目:_基于PLC的蔬菜大棚設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè):班級(jí):學(xué)號(hào):姓名:指導(dǎo)教師:年月日目錄第一章緒論..................................................11.1設(shè)計(jì)背景及意義..........................................11.2國(guó)內(nèi)外蔬菜大棚控制技術(shù)發(fā)展概括..........................21.2.1國(guó)外蔬菜大棚控制技術(shù)概括............................21.2.2國(guó)內(nèi)蔬菜大棚控制技術(shù)概括............................41.3研究?jī)?nèi)容................................................6第二章控制系統(tǒng)的整體控制方案................................72.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)......................................72.2系統(tǒng)的控制方案..........................................8第三章控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).....................................93.1電氣控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)..................................103.1.1電氣控制系統(tǒng)各部分控制電路設(shè)計(jì)......................113.1.2開(kāi)關(guān)設(shè)備............................................123.1.3正方轉(zhuǎn)設(shè)備..........................................133.2PLC簡(jiǎn)介................................................153.2.1PLC的發(fā)展歷程......................................153.2.2PLC的特點(diǎn)..........................................163.2.3PLC型號(hào)的選擇......................................183.2.4PLCI/O地址分配表..................................193.4傳感器的選型............................................213.4.1

溫度傳感器...........................................213.4.2光照傳感器...........................................223.4.3二氧化碳傳感器.......................................22第四章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).....................................234.1PLC程序設(shè)計(jì)方法........................................234.2控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)4.2.1程序控制流程圖....................................254.3控制程序設(shè)計(jì)...........................................27結(jié)論..........................................................32致謝..........................................................33參考文獻(xiàn)......................................................34摘要蔬菜大棚是用來(lái)栽培農(nóng)作物的設(shè)施，它能改變農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，使其能夠外界的四季變化和惡劣氣候，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的條件。蔬菜大棚作為高效農(nóng)業(yè)的重要組成部分，已經(jīng)成為我們研究的方向。如何利用科學(xué)技術(shù)控制溫室內(nèi)的各種環(huán)境因子，已成為我國(guó)蔬菜大棚行業(yè)研究的重要課題之一。

本論文主要介紹了基于PLC控制的蔬菜大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該研究中將采用溫度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器對(duì)蔬菜大棚中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，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(lái)調(diào)控蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了蔬菜大棚的自動(dòng)化、智能化控制。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)輸出顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)優(yōu)良的人機(jī)界面，為蔬菜大棚的研究提供新的方向。關(guān)鍵詞：蔬菜大棚；可編程控制器（PLC）；傳感器；控制第一章緒論1.1本設(shè)計(jì)的背景及意義蔬菜大棚控制技術(shù)它是綜合性非常強(qiáng)的一門(mén)技術(shù)，它是當(dāng)代農(nóng)業(yè)生物學(xué)技術(shù)、環(huán)境工程學(xué)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)、管理科學(xué)技術(shù)等多種技術(shù)的綜合起來(lái)的應(yīng)用，他的主要目的是用來(lái)改善環(huán)境條件使農(nóng)作物生長(zhǎng)在最佳的環(huán)境狀態(tài)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)農(nóng)作物的產(chǎn)期，并且促使它的生長(zhǎng)發(fā)育，降低病蟲(chóng)害的發(fā)生進(jìn)而使農(nóng)作物的質(zhì)量、產(chǎn)量等得到大幅度提升的目的。因此，研究開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套適合我國(guó)國(guó)情、效率高、成本低、并且具有獨(dú)立性知識(shí)產(chǎn)權(quán)的蔬菜大棚控制系統(tǒng)非常重要，現(xiàn)實(shí)意義重大。首先，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的精確控制，促使農(nóng)作物生長(zhǎng)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量；其次，可以提高蔬菜大棚控制的自動(dòng)化水平。所以，開(kāi)發(fā)一套功能完善的蔬菜大棚控制系統(tǒng)，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益于社會(huì)意義。1.2國(guó)內(nèi)外蔬菜大棚控制技術(shù)發(fā)展概括1.2.1國(guó)外蔬菜大棚控制技術(shù)概括西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是歐美開(kāi)始比較快的發(fā)展蔬菜大棚種植技術(shù)，像美國(guó)、以色列、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始采用儀表采集大棚中的現(xiàn)場(chǎng)信息并根據(jù)指標(biāo)進(jìn)行控制，基本實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化以及自動(dòng)化。但是當(dāng)時(shí)大棚控制中只是利用到單因子控制技術(shù)，即只是對(duì)溫濕度、光線(xiàn)強(qiáng)度、CO2

濃度等環(huán)境條件分別進(jìn)行控制。大棚環(huán)境領(lǐng)域的控制技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也在不斷的發(fā)生變化。美國(guó)出現(xiàn)了一種融合了氣候調(diào)節(jié)、農(nóng)田灌溉與作物的肥料供應(yīng)的一個(gè)整體的一體化的大棚網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各種生產(chǎn)管理進(jìn)行融合然后根據(jù)傳感器的輸入來(lái)調(diào)節(jié)各部分進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作，以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)最有效的手段進(jìn)行控制大棚。

以色列大棚農(nóng)業(yè)采用計(jì)算機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，具有先進(jìn)的蔬菜大棚結(jié)構(gòu)及空氣溫濕度控制系統(tǒng)，配合幕簾、天窗等輔助設(shè)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)光線(xiàn)強(qiáng)度。監(jiān)控室內(nèi)的中心計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)控制器相互通信，方便地控制滴灌和微噴灌系統(tǒng)進(jìn)行灌溉和施肥，可達(dá)到80%-90%的水肥利用率。加拿大蔬菜大棚農(nóng)業(yè)使用計(jì)算機(jī)輔助蔬菜大棚管理軟件，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理，降低生產(chǎn)成本，減少農(nóng)藥使用，提高蔬菜大棚經(jīng)濟(jì)效益。

總之，國(guó)外智能大棚產(chǎn)業(yè)發(fā)展早，經(jīng)濟(jì)效益高，隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代智能控制技術(shù)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程遙測(cè)技術(shù)以及專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)等在蔬菜大棚的控制與管理上的應(yīng)用，大大提高了蔬菜大棚控制系統(tǒng)的先進(jìn)性，并且許多研究者都提出了新的控制思想和控制算法來(lái)改善蔬菜大棚系統(tǒng)的控制。以計(jì)算機(jī)為核心的蔬菜大棚綜合環(huán)境控制系統(tǒng)，真正邁入了智能化、網(wǎng)絡(luò)化階段2。

1.2.2國(guó)內(nèi)蔬菜大棚控制技術(shù)概括

我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，蔬菜、花卉等農(nóng)作物的種植栽培技術(shù)早在兩千年前就已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展了。20世紀(jì)30年代，我國(guó)北方地區(qū)就開(kāi)始在冬季利用原始的塑料大棚種植蔬菜。但這種蔬菜大棚的光照、溫度等環(huán)境條件都還不能完全滿(mǎn)足喜溫作物的生長(zhǎng)需求。

20世紀(jì)80年代，我國(guó)農(nóng)業(yè)科研人員在溫室環(huán)境的控制和管理領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用計(jì)算機(jī)，對(duì)溫室中的溫度、濕度、光照等環(huán)境因子的控制技術(shù)進(jìn)行了研究。1982年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院建立了第一個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)研究機(jī)構(gòu)，并首次在蔬菜大棚環(huán)境的控制中應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。蔬菜大棚環(huán)境控制系統(tǒng)的研究在我國(guó)逐步發(fā)展起來(lái)。

20世紀(jì)90年代，根據(jù)我國(guó)的國(guó)情及當(dāng)時(shí)的蔬菜大棚，開(kāi)始設(shè)計(jì)適合我國(guó)的蔬菜大棚控制系統(tǒng)。先后有中國(guó)農(nóng)機(jī)化研究院研制出的新型的溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)；北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出的小型分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)“WJG-1型溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)”；江蘇理工大學(xué)研制的智能溫室群集散控制系統(tǒng)；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)研制的山東省濟(jì)寧“大型育苗溫室計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)”等一系列新型的溫室控制系統(tǒng)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，蔬菜大棚環(huán)境控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)又得到了較快的發(fā)展。總體上看，我國(guó)蔬菜大棚農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化水平及智能化程度與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還處于落后水平，并且與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在著較大的差距。因此，我們應(yīng)該研制出適合我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的蔬菜大棚控制系統(tǒng)，并廣泛的推廣應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。1.3研究?jī)?nèi)容本次的研究?jī)?nèi)容為蔬菜大棚PLC控制系統(tǒng)。蔬菜大棚的作用是改變植物生長(zhǎng)的環(huán)境，從而避免因四季變化和突發(fā)的惡劣天氣對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的不良影響，為植物生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境。在農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境中，蔬菜大棚中的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起著非常重要的作用。本次研究以可編程控制器PLC為核心，通過(guò)傳感器檢測(cè)溫室中的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)變送的電流信號(hào)后送入PLC的模擬量輸入模塊中，經(jīng)分析處理，輸出開(kāi)關(guān)量，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制通風(fēng)扇、冷暖風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)簾、二氧化碳發(fā)生器等多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚智能化控制。第二章控制系統(tǒng)的整體控制方案2.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)本控制系統(tǒng)主要針對(duì)的被控對(duì)象是溫度、光照、二氧化碳濃度，通過(guò)對(duì)這些因素的檢測(cè)，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫度的調(diào)節(jié)主要靠通風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)、和加熱器進(jìn)行調(diào)節(jié);光照主要通過(guò)遮陽(yáng)簾進(jìn)行控制;二氧化碳濃度主要通過(guò)二氧化碳發(fā)生器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本次設(shè)計(jì)的蔬菜大棚就是通過(guò)溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器來(lái)檢測(cè)蔬菜大棚中的溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等信息，然后通過(guò)PLC控制系統(tǒng)控制蔬菜大棚的通風(fēng)扇、冷/熱風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)簾、加熱器、二氧化碳發(fā)生器等硬件設(shè)施，對(duì)蔬菜大棚中的環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控，以使蔬菜大棚里的環(huán)境為最適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境。2.2系統(tǒng)的控制方案在蔬菜大棚中，需要一套完善的控制系統(tǒng)來(lái)控制上述任務(wù)。本控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，采用傳感器對(duì)溫室大棚中的各項(xiàng)環(huán)境因子進(jìn)行檢測(cè)，然后將測(cè)量結(jié)果送入PLC中，經(jīng)過(guò)PLC的處理，然后對(duì)執(zhí)行設(shè)備發(fā)出指令，通過(guò)執(zhí)行設(shè)備對(duì)系統(tǒng)中的各項(xiàng)環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控。

考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的穩(wěn)定性與安全性，本控制系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)兩個(gè)模式，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)遇到緊急突發(fā)狀況時(shí)，改為手動(dòng)操作，進(jìn)而去控制執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行。通過(guò)傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)和設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，然后通過(guò)軟件程序去執(zhí)行相關(guān)的命令，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?？刂葡到y(tǒng)總體框圖

該蔬菜大棚控制系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)，外部執(zhí)行系統(tǒng)等幾部分組成，以PLC控制系統(tǒng)為核心，通過(guò)傳感器系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，通過(guò)PLC模擬量輸入模塊輸入到PLC，經(jīng)過(guò)與設(shè)定值比較，輸出開(kāi)關(guān)量進(jìn)而對(duì)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制。具體來(lái)說(shuō)就是按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)后，接收由溫度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部處理，由輸出模塊輸出控制信號(hào)，以控制外圍的執(zhí)行器件。如果溫度過(guò)高，就會(huì)驅(qū)動(dòng)冷風(fēng)機(jī)、通風(fēng)扇來(lái)降低溫室內(nèi)溫度:如果溫度過(guò)低，就會(huì)驅(qū)動(dòng)熱風(fēng)機(jī)、加熱器、通風(fēng)扇來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度:光照則由遮陽(yáng)簾和發(fā)光器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié):二氧化碳濃度則由二氧化碳添加器來(lái)添加。第三章控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1電氣控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)蔬菜大棚控制系統(tǒng)的主電路如下圖3.1所示。其中通風(fēng)扇和遮陽(yáng)簾主工作電路相似，都需要電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及正反轉(zhuǎn)來(lái)完成工作，不同點(diǎn)是通風(fēng)扇和遮陽(yáng)簾電機(jī)的功率不同，且遮陽(yáng)簾電機(jī)帶限位開(kāi)關(guān)。其中冷/熱風(fēng)機(jī)、加熱器、發(fā)光體、CO2發(fā)生器的作原理大致相同。圖3.1蔬菜大棚控制系統(tǒng)主電路原理圖上圖可知，刀開(kāi)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(guò)載保護(hù)作用；熔斷器為FU1-FU7，對(duì)各支路起到短路保護(hù)和運(yùn)載保護(hù)作用；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(kāi)關(guān)設(shè)備的啟?？刂?。3.1.1PLC控制硬件接線(xiàn)圖硬件接線(xiàn)圖如下圖3.6所示：3.2電氣控制系統(tǒng)各部分控制電路設(shè)計(jì)從系統(tǒng)主電路可以看出，溫室控制系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備分為兩類(lèi)

開(kāi)關(guān)柜和非開(kāi)關(guān)柜設(shè)備，包括風(fēng)扇，加熱器等的開(kāi)關(guān)柜。非開(kāi)關(guān)設(shè)備(例如，通過(guò)風(fēng)扇，遮陽(yáng)罩等正在反轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī))，這些電動(dòng)機(jī)需要啟動(dòng)，停止以及前進(jìn)和后退，需要限位開(kāi)關(guān)。

3.2.1

開(kāi)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(kāi)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：熱風(fēng)機(jī)的主電路風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可以通過(guò)一個(gè)繼電器來(lái)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(lái)保護(hù)電路，主要功能有過(guò)電流保護(hù)、短路保護(hù)和過(guò)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(kāi)關(guān)。按下總啟動(dòng)開(kāi)關(guān)SB2，接觸器線(xiàn)圈KM10得電，KM10常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，形成自鎖。若是手動(dòng)操作，將旋鈕開(kāi)關(guān)SB1打到手動(dòng)檔位，將SB6旋轉(zhuǎn)到開(kāi)啟檔位，接觸器KM5得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，熱風(fēng)機(jī)開(kāi)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(kāi)，熱風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。若是自動(dòng)控制，將開(kāi)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(kāi)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3.2.2正反轉(zhuǎn)設(shè)備在執(zhí)行設(shè)備中，通風(fēng)機(jī)和遮陽(yáng)板屬于非開(kāi)關(guān)設(shè)備，即正向和反向設(shè)備。它們的控制電路非常相似?，F(xiàn)在以遮陽(yáng)罩為例來(lái)分析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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)，按鈕SB2為總啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，按下SB2，交流接觸器KM10得電，其常開(kāi)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)位置，SB4為開(kāi)簾、閉簾切換開(kāi)關(guān)，當(dāng)SB4切換到開(kāi)簾開(kāi)關(guān)時(shí)，接觸器KM3得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)其開(kāi)簾程度達(dá)到最大程度時(shí)，碰到限位開(kāi)關(guān)SQ1，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，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(kāi)關(guān)時(shí)，接觸器KM4得電，其常開(kāi)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(kāi)關(guān)SQ2常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，KM4失電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。SB3為緊急停止開(kāi)關(guān)，當(dāng)按下SB3時(shí)，接觸器KM10失電，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。若自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，旋鈕開(kāi)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(kāi)觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，遮陽(yáng)簾打開(kāi)中間接觸器KM4得電時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，遮陽(yáng)簾閉合。圖3.4遮陽(yáng)簾控制電路圖3.2PLC簡(jiǎn)介3.2.1PLC的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開(kāi)關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1968年美國(guó)GM(通用汽車(chē))公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國(guó)數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱(chēng)ProgrammableController(PC)。個(gè)人計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)PC)發(fā)展起來(lái)后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為ProgrammableLogicController(PLC),現(xiàn)在，仍常常將PLC簡(jiǎn)稱(chēng)PC。PLC的定義有許多種。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)PLC的定義是:可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成-一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率-直保持為30~40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng).3.2.2PLC的特點(diǎn)1、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)（1）所有的I/0接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為10~20ms.（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。2、豐富的1/0接口模塊PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如:交流或直流;開(kāi)關(guān)量或模擬量;電壓或電流;脈沖或電位;強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/0模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如:按鈕;行程開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)，傳感器及變送器，電磁線(xiàn)圈;控制閥等直接連接。3、配套開(kāi)全、功能完善、適用性強(qiáng)PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工:業(yè)控制場(chǎng)臺(tái)。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。4、易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。5、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造PLC是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。6、體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm,重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備2.4PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，大致可歸納為如下幾類(lèi)。1、開(kāi)關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線(xiàn)。2、模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量(Analog)和數(shù)字量Digital)之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠(chǎng)家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3、運(yùn)動(dòng)控制PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量I/0模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠(chǎng)家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。4、過(guò)程控制過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。5、數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算(含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?、通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠(chǎng)商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.3.3

PLC的型號(hào)選擇（1）控制系統(tǒng)所需要的1/0

點(diǎn)數(shù)根據(jù)蔬菜大棚控制系統(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/0點(diǎn)數(shù)，本控制系統(tǒng)所需的PLC的I/0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)SIMATICS7-1200本次設(shè)計(jì)所應(yīng)用的PLC是西門(mén)子公司的SIMATICS7—1200，SIMATICS7-1200典型的特點(diǎn)是能夠完成一些簡(jiǎn)單邏輯控制和高級(jí)邏輯控制等邏輯控制任務(wù)，還可以完成HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。S7-1200PLC有結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面的特點(diǎn)，它的CPU模塊由工業(yè)以太網(wǎng)通信接口集成，并且能夠作為一個(gè)組件集成在自動(dòng)化系統(tǒng)中。實(shí)物圖如圖3-2所示。圖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地址分配表如下圖3.13.2所示3.4

傳感器型號(hào)選擇

3.4.1

溫度傳感器

(1)本文根據(jù)溫室濕度控制的要求，采用芬蘭維薩拉公司生產(chǎn)的hmd40型溫度傳感器。該傳感器不僅具有測(cè)量精度高、安裝方便、響應(yīng)速度快、環(huán)境要求低等特點(diǎn)，而且具有可靠性好、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、滯后小、不適合受粉塵、化學(xué)氣體等環(huán)境因素影響的特點(diǎn)。其外觀(guān)如下圖3.7所示：該傳感器的主要性能指標(biāo)如下：

1.溫度檢測(cè)范圍：-10～60點(diǎn)：測(cè)量精度：土0.3%℃；

2.工作電壓：10～28V

DC;

3.輸出信號(hào)：4～20mA:

3.4.2

光照傳感器

使農(nóng)作物得到適當(dāng)?shù)恼彰?，達(dá)到以下目的：消除農(nóng)作物的光飽和點(diǎn)，提高光合作用；實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)日作物，中日作物和短日作物的光照控制，如下圖所示。光照度傳感器可以用北京益盛泰和技術(shù)有限公司生產(chǎn)的poi88-c照度傳感器。用于測(cè)量環(huán)境照度，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流信號(hào)，體積小，安裝方便，線(xiàn)性度好，傳輸距離長(zhǎng)，強(qiáng)大的抗干擾能力和可調(diào)范圍。

1.量程：0-200K1x、0-20K1x、0—20001x可選

2.供電電壓：24VDC/12VDC

3.輸出信號(hào)：4-20mA，0-10V可選

4.精度：士2%3.4.3二氧化碳濃度傳感器二氧化碳控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二氧化碳的含量。當(dāng)二氧化碳含量低于設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)二氧化碳儲(chǔ)氣罐或二氧化碳發(fā)生器，增加氣肥的施用量。二氧化碳傳感器選用由弗加羅生產(chǎn)的TGS4160二氧化碳傳感器，該傳感器為固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感原件?；瘜W(xué)氣體傳感器除了具有體積小、壽命長(zhǎng)、選擇性好、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)外，還具有耐濕性高、耐低溫等特點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)或二氧化碳?xì)怏w的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，其外觀(guān)如下圖3.8所示：圖3.8

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：300-50,000ppm;

②對(duì)二氧化碳CO2濃度有高靈敏度：

3C02二氧化碳傳感器TGS4160對(duì)濕度依賴(lài)性極低，長(zhǎng)壽命：

④使用溫度：-10～+50℃：第四章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1PLC程序設(shè)計(jì)方法PLC程序設(shè)計(jì)常用的方法主要有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、電路轉(zhuǎn)換梯形圖法、邏輯設(shè)計(jì)法、順序控制設(shè)計(jì)法等。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法：即根據(jù)前人總結(jié)的典型控制電路程序，再按照設(shè)計(jì)中被對(duì)象的具體要求，把典型程序進(jìn)行重新組合，而且需要反復(fù)調(diào)試和修改，得到現(xiàn)在系統(tǒng)所需要的梯形圖，有時(shí)僅僅這些還不能滿(mǎn)足要求，還需要增加中間環(huán)節(jié)，才能得出符合要求的系統(tǒng)。這種方法沒(méi)有一定的規(guī)律可遵循，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間和設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，故稱(chēng)為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法：用PLC的外部硬件接線(xiàn)和梯形圖軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能。三、順序控制設(shè)計(jì)法：根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開(kāi)始一步一步地設(shè)計(jì)下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫(huà)出功能流程圖。四、邏輯設(shè)計(jì)法：通過(guò)中間量把輸入和輸出聯(lián)系起來(lái)。實(shí)際上就找到輸出和輸入的關(guān)系，完成設(shè)計(jì)任務(wù)4.2控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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)。蔬菜大棚內(nèi)的不同作物對(duì)于自然環(huán)境的要求也不盡相同，木系統(tǒng)為研究方便，取其范圍內(nèi)一值，作為參考。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1x，本系統(tǒng)取光照強(qiáng)度為300001x；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)1x，沒(méi)有太陽(yáng)的室外0.1萬(wàn)～1萬(wàn)1x，夏天明朗的室內(nèi)100～5501x，夜間滿(mǎn)月下為0.21x。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。

4.2.1程序控制流程圖

1.溫度控制流程圖

蔬菜大棚控制系統(tǒng)的溫度控制流程圖如下圖4.1所示：圖4.1溫度控制流程圖光照控制流程圖，如圖4.2所示：圖4.2光照控制流程圖CO2濃度控制流程圖，如圖4.3所示圖4.3CO2濃度流程圖4.3控制程序設(shè)計(jì)模擬量轉(zhuǎn)化為實(shí)際值模擬量轉(zhuǎn)化為實(shí)際值模擬量轉(zhuǎn)化為實(shí)際值對(duì)溫度進(jìn)行判斷對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行判斷對(duì)CO2濃度進(jìn)行判斷結(jié)論本次完成對(duì)蔬菜大棚控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過(guò)西門(mén)子S7-1200系列PLC實(shí)現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式。正常運(yùn)行狀態(tài)為自動(dòng)模式。當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，手動(dòng)模式可以切換到操作模式。在自動(dòng)工作模式下，當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí)，通過(guò)傳感器檢測(cè)溫室溫度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境因素，并將測(cè)量值與溫室控制系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較。如果溫度測(cè)量值高于設(shè)定值，則根據(jù)可編程邏輯控制器發(fā)出的指令打開(kāi)冷卻風(fēng)扇和通風(fēng)風(fēng)扇。如果測(cè)量值低于設(shè)定值，加熱器和熱風(fēng)機(jī)都將打開(kāi)，溫室將預(yù)熱，通風(fēng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。當(dāng)溫室中的光低于設(shè)定值時(shí)，遮陽(yáng)板和填充光將被打開(kāi)；當(dāng)溫室中的光高于設(shè)定值時(shí)，遮陽(yáng)簾