基于PLC的大棚温度自动控制系统设计.doc

基于PLC的大棚温度自动控制系统设计

33
2020年4月19日
文档仅供参考
清华大学

毕业设计（论文）

题 目
基于PLC的大棚温度自动控制系统设计
系 （院）
自动化系
专 业
电气工程与自动化
班 级
级3班
学生姓名
雷大锋
学 号

指导教师
王晓峰
职 称
副教授

二〇一三年六月二十日

独 创 声 明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:
年 月 日

毕业设计（论文）使用授权声明
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（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:
年 月 日

基于PLC的大棚温度自动控制系统设计
摘要
大棚温度自动控制系统是一种为作物提供最好环境、避免各种棚内外环境变化对其影响的控制系统。该系统采用FX2N系列PLC作为下位机， PC机作为上位机，采用三菱D-720通用变频器,采用温度、湿度、光照传感器采集现场信号，这些模拟量经PLC转化为数字信号，把转化来的数据与设定值比较，PLC经处理后给出相应的控制信号使环流风机、遮阴帘、微雾加湿机等设备动作，大棚温度就能实现自动控制。这种技术不但实现了生产自动化，而且非常适合规模化生产，劳动生产率也得到了相应的提高，经过种植者对设定值的改变，能够实现对大棚内温度的自动调节。

关键词： 大棚，温度控制，PLC

The Automatic Greenhouse Temperature Control System Based on PLC
Abstract
The system is a way to providing the best conditions to plants and promoting them growth very well ,avoiding the bad weather and effect of seasons outside the shed .This system uses FX2N series PLC as the next machine and PC as upper machine, using the Mitsubishi D-720 general frequency Manager. The sensor of temperature, humidity and light collecting scene signal, these simulation volumes are turned into digital signal by PLC, then compared with the setting value. At last, the PLC disposes of them, then contorts with wind machine, covering Yin curtain. According to the actual measured value of each sensor and the value determined in advance about greenhouse environmental factors. This system can suitable for the automation and mass production, the laboring productivity has been increasing by a wide margin through changing the target value of greenhouse environment, and we can control the greenhouse temperature automatically.
Key words: greenhouse, temperature control, PLC

目 录
第一章 绪论 1
1.1 大棚温度控制系统发展背景及现状 1
1.2 大棚温度控制系统研究目的及意义 2
第二章 系统概述 3
2.1 系统设计任务 3
2.2 系统技术介绍 3
2.2.1 传感技术 3
2.2.2 PLC 4
2.2.3 上位机 5
2.3 系统工作原理 5
2.4小结 7
第三章 硬件部分设计 8
3.1 环境调控系统 8
3.2 传感器的选择 10
3.3 系统硬件接线图 12
3.3.1 系统主电路设计 12
3.3.2 系统其它部分电路设计 14
3.3.3 PLC部分电路设计 15
3.4小结 16
第四章 软件设计 17
4.1 PLC的I/O分布图 17
4.2 系统程序 18
4.2.1 系统温度PID调节程序 18
4.2.2 系统主程序 18
4.3 小结 19
第五章 结论 20
参考文献 21
谢辞 22

第一章 绪论
1.1 大棚温度控制系统发展背景及现状
如今塑料大棚、日光温室逐渐成为中国设施结构的主要结构类型。其能够充分利用阳光、节约燃煤、减轻环境污染等特点。1997年中国的日光温室面积快速增加至16.7万公顷。农业联合部推广的新一代节能型的日光温室，能够节约大量的煤资源，每年没亩能节约燃煤约20吨[1] 。越来越先进的现代化温室大棚采用的覆盖材料也越来越先进，比如PC板。从1995年开始中国大型温室大棚面积迅速增加，截至当前已有约200公顷，一些发达国家也发现了现代化温室大棚土地利用率高、便于机械化操作等优点也大力发展面积也不断增加。
设施农业的发展为大棚实现大型现代化、温室的发展进程提供很好的机会，使其能够快速发展。可是到当前为止，有相当一部分的大棚、温室还要靠种植者的经验来完成，缺乏根本的科学性。这种管理方式缺乏量化的指标，精确度很差，仅仅能够被动的调节温度等，而不能主动的是大棚内的环境因子自动的改变，这就不能发挥大棚的高产特性。由此可知，大棚温度的自动控制对设施农业甚至中国农业现代化的进程都有很大的影响。
根据国内外大棚控制技术的发展形势，其发展阶段能够分为三个：
（1）手动控制：这是大棚环境控制发展的初级阶段，其技术相当落后。传感器也是长期从事农业生产的种植者，其也是该系统的执行者。她们作为该控制技术的核心，在对大棚内外各环境因子和作物情况的基础上结合自己丰富的经验，手动改变大棚内的环境。但其生产效率低，不适合农业现代化的进程，且要求种植者有较高的生产素质。
（2）自动控制：这是大棚控制技术发展的另一阶段，它需要种植者根据棚内作物的生长状况提前设置好作物所需的目标参数，然后控制系统把传感器的实际输出值与预先设置好的目标参数进行比较，从而去控制各环境因子的调节过程，进一步完成各种加热、降温等。该控制技术使生产自动化，利于大规模生产，大大提高的生产效率。改变预先设置的目标值能够使棚内的环境因子得到自动的调节，但该控制不能适应作物生长状况的突变，难以介入作物生长的内在规律。可是当前中国有相当一部分的自主开发的现代化温室以及引进的国外设备都运用该控制[2]。
（3）智能化控制：这是大棚控制发展到当前为止为最高阶段，该技术建立在自动控制和生产实践的基础上，是总结和运用各种农业领域知识、技术和实验数据建成的专家系统，经过建立最适宜作物生长的数学模型，开发出一种适合个各种作物生长的专家控制技术。该技术是在手动、自动、自动化控制发展之后发展起来的，也会越来越先进，越来越完备。
截至到当前，中国对于该系统的研究技术还是比较落后，以基本的PID控制为主。它仅仅能够满足常见的温度系统，在一些复杂、时变情况下难以使用，基本都由有经验的工人现场来调试。
当前，中国的设施农业土地利用率低、盲目引进温室、管理技术水平低、劳动生产率低、能源浪费严重[3] 。可是随着科技发展和社会的全面进步，这些问题也会被逐渐解决，逐步向专业化发展，朝着自动化农业型发展，从而为社会大众提供更加丰富可口、安全、优质的绿色健康食品。
1.2 大棚温度控制系统研究目的及意义
虽然当前中国绝大部分的大棚都安装了加热、降温和通风设备，可是大多是经过人工使其动作，一旦大棚面积很大种植者的劳动强度就会很大，更不用说实现对温度的精确控制了。 该系统结合当前国内外的发展现状，充分发挥PLC的控制优点在结合种植者种植经验的基础上实现对温度的精确自动调节，该温度自控控制系统实现了大棚作物生产的自动化，为推动规模化生产和劳动生产率的提高都起到了很好的促进作用。改变设定目标值就能自动地进行大棚内环境因子的调节。对于推进中国农业现代化起到很大作用。

第二章 系统概述
该系统下位控制由FX2N系列PLC完成，上位机为PC机，变频器采用三菱D-720通用变频器,由温度、光电、湿度等传感器采集现场信号，PLC将传感器采集到的有关的环境参数转化为数字信号，然后把这些数值与给定值比较，经过控制计算给出相应的控制信号使环流风机、遮阴帘、微雾加湿机等设备动作，实现大棚温度的自动控制。
软件部分主要是实现对各传感器所测环境因子值的处理，其中包括一些算术逻辑运算，然后经过与设定值的对比，发出相应的信号完成对各种硬件设备的控制，软件部分能够称作系统的“大脑”，而硬件部分则能够称作系统的“神经”和“肢体”。
2.1 系统设计任务
大棚的作用是为作物提供最佳的生长环境，避免一年四季气候变化和恶劣天气
一般大棚以采光和覆盖材料作为主要的结构材料，它能够确保作物在冬季或其它恶劣环境下健康的生长，从而起到提高产量的作用。大棚温度控制经过接受光照、温度、湿度传感器传来的信号，经过PC机和PLC的控制和决策调节各种环境因子从而为其提供良好的生活环境。当前国内的大部分的大棚都是经过这种自动控制，这种控制方式对作物生长情况的改变难以作出及时的反应，不能紧密跟踪作物生长的内在规律。该系统在原有温度自动控制和生产者生产经验的基础上，经过一定的对农业领域知识、技术和各种实验数据的收集，更精确及时的使外部设备动作完成相应的加热降温和通风，及时为作物提供更适宜的生长环境，达到高产高效的目的。
2.2 系统技术介绍
2.2.1 传感技术
电量一般是指物理学中的电学量，如电流、电阻、电容、电感等；非电量则是指除电量之外的一些参数，如压力、流量、质量、温度等[4] 。能实现非电量到于此相对应的电量转换的技术称为传感技术，其核心器件为传感器。
2.2.2 PLC
PLC（可编程序控制器）由CPU模块、I/O模块和编程器构成PLC。PLC的特殊功能由特殊模块完成。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控制。
PLC特点如下：编程方法简单易学、功能强、性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适用性强，可靠性高，抗干扰能力强，系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小，维修方便，体积小，能耗低[5]。
PLC的工作原理：PLC有两种基本的工作模式，即运行模式与停止模式。PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式，一次循环能够分为五个阶段：内部处理、通信服务、输入处理、程序执行和输出处理。扫描过程如下图：

图2-1 PLC扫描过程

图2-2 PLC工作原理图
PLC一旦工作首先开始扫描，对输入信号进行集中采集，对输出信号进行集中刷新。每当刷新输入时，输入端口就关闭，在执行程序时，即使有新状态到达输入端，也不能被读入。下一扫描周期时才被读入。
2.2.3 上位机
计算机集散控制系统中有上位机的概念。在该控制系统中，计算机的级别是不一样的，下位机是与现场设备直接发生关系的计算机，控制下位机或给下位机提出新任务的称为“上位机”。集散控制系统越复杂，计算机的级别就越多，这样的话可能还会有级别更高的计算机对上位机进行控制或者下达命令。
2.3 系统工作原理
该系统由PLC,温度、光照、湿度传感器，还有一些环流风机、遮阴帘、微雾加湿机等设备组成。该系统工作原理如下图：

图2-3 系统工作原理图
该系统首先经过各传感器检测大棚内外的环境信号，然后将这些模拟量转换为电压信号，经过运算放大器组成的信号处理电路转化成系统需要的电压信号。温度传感器得分输出的电流正比与温度，而且响应速度快、线性度好和高阻抗电流输出，能够适应长距离传输，能够把- 5～55 ℃的温度转换为1～4 V的电压；湿度传感器能将相对湿度转换成相应的电流输出信号。然后PLC将传感器采集来的信号经过A/D转换成数字信号，经过存储器将这些数据暂时存储起来然后和设定值比较，经过一定的控制算法后给出相应的控制信号对执行机构包括风机、遮阴帘和加温热设备动作。
该系统还能够经过通信接口将数据送至上位机PC机，完成数据管理、智能决策等更为强大的功能，且能够进行数据的显示、编辑、储存和打印[6]。系统正常工作时，PLC经过传感器来测量大棚内的温度，然后与预先设定的目标值进行比较，如果测量值超出了设定范围的上下限值，PLC就会输出指令，从而使相应的硬件设备动作；如果测量值在范围值之内，PLC就会响应，使相应设备停止运转。
系统的工作流程见图：

图2-4 系统工作流程图

2.4小结
本章一开始介绍了大棚温度控制系统应该完成的任务，然后对系统所涉及的技术作了简单介绍，最后对PLC和系统的工作原理做了深入剖析。这项前续工作为后续章节系统硬件和软件上的设计奠定了基础。

第三章 硬件部分设计
系统硬件的选择对于系统的整个设计也是至关重要的，因为可供选择的设备的型号太多，选择的余地就会很大，因此选择硬件时应该慎重考虑温室控制的实际情况以及需要完成的控制功能、控制方式、资金情况等。
外遮阳系统、环流风机、温度加热器、微雾加湿机都是本系统必不可少的，当然传感器的选择对系统也至关重要。系统主电路图更加直观的介绍了系统所需的各种硬件及其连接方式。
3.1 环境调控系统
（1）外遮阳系统
全国很多地方夏季都很炎热，光照太强，因此应该在大棚上部安装遮阳系统，利用遮阴帘将大部分的阳光挡住，这样就能够根据大棚内作物生长的要求选择适当的遮阳率。

1.电机2.掉向轮3.压帘线4.托帘线5.动力线6.动边型材7.拉帘梁
图3-1 钢索遮阴帘系统结构图
如上图所示的钢索遮阴帘系统。其减速电机安装在大棚的中心位置，电机输出轴中心线距遮阴帘下表面相距约200mm，驱动线之间的距离小于3000mm，把换向轮安装在大棚的两端。
（2）环流风机
常见的环流通风是在大棚内有序的安装一定数量的环流风机，经过环流风机使大棚内的空气形成有序的流动以保证棚内空气的均匀和稳定，从而能够起到通风降温的作用。总和考虑棚内循环通风量、种植作物种类，采用如图所示的分布格局，使风机排列成两排，有序的排列在棚内中间走道两侧的架子上，因为该布局通风率较高，适合种植密度大、密闭要求高的大棚。

图3-2 环流风机布局图
（3）温度加热器
加热器是比较常见的电热器件。它具有体积小、加热功率高等特点，越来越备受人们的亲睐。原理图如下：

图3-3 温度加热器原理图

将电压连接到三相可控硅的输入端，输出电压的大小发生改变可控硅的触发角也会发生相应的改变，使加热器的电压值发生改变，实现了对大棚温度的闭环控制。
（4）微雾加湿机

图3-4 微雾加湿机
加湿经过高压微雾加湿机来完成，自来水经过精滤后加压，经过高压水管送至喷嘴，细微的辔头经过雾化形成以3～10微米的微雾喷射到大棚每个角落，使大棚起到加湿降温的效果，，该设备压力大、硬度强，效率高、省电而且噪音小且喷雾均匀。能够满足整个大棚空间的需要，起到高效加湿降温的效果
3.2 传感器的选择
传感器种类繁多，侧重功能不尽相同，而且受各种因数影响。因此传感器的选用对测量的精确有重要影响。测量对象与测量环境，传感器种类繁多，被测对象不同，可供选择的传感器多样，这就需要我们根据特定的环境，全面、细致分析，选择最合适的传感器。
传感器选择的基本原则
灵敏度，为了更好地处理输出信号我们一般会对输出信号进行放大，可是随着信号的增大外界无关量的影响作用也会随着增大，从而影响测量结果。因此，这就要求所选择的传感器应具有较高的抗干扰能力。同时也要尽可能的减小外界噪音的进入。
频率特性，在保证不失真的前提下将频率控制在允许范围内，被测量频率范围的大小与传感器的频率特性成正比，随着频率响应的增高而变宽，同时机械系统惯性与结构特性成正比关系。在动态测量中，应根据信号自身的特点，如随机性、瞬态性、稳态性等改变响应特性，避免过大误差的产生。
稳定性，传感器稳定性除受到自身结构影响之外还受到所在的环境影响。精度，精度是传感器重要的性能指标，它是整个控制系统测量精度的一个保障。
下面介绍几个比较常见的传感器：
（1）温度传感器
17世纪，人类开始有了温度 这一概念。当材质不同的两种导体在某点连接时，且加热连接点，不加热的地方就会有电位差出现。不加热的测量点温度决定相应电位差的数值，而且还决定于导体的材质。在对不加热部位环境的温度值测量时加上这个电位差精确测量值就能准确推算出加热点温度。此传感器被称为热电偶。温度不同要求的热电偶的材质也不同，它们对应的敏感程度也不同。当然热电偶传感器也有自己的优缺点：灵敏度比较低，也容易受到前置放大器温漂的影响，此特点决定它不适合测量很小的温度变化。因为材料的粗细并不决定热电偶传感器的敏感度，因此很细的材料也能做成温度传感器。同时延展性非常好，相应速度极快对于变化速度很快的过程也能测的出。
温度传感器的种类也很多，主要的类型有：热电偶、热电阻、电阻温度检测器和IC温度传感器[7]。
如今，在国防工程、空间技术、冶金、电子和食品行业低温技术应用越来越多，对于120K以下温度的低温温度计得到了很快的发展，如一些温度计，气体温度计、蒸汽压温度计、低温热电阻和低温温差电偶等[8]。
综上该系统采用热敏电阻测温。
（2）湿度传感器
基片上覆盖的一层感湿材料制成的膜是湿敏电阻的主要元件，元件的相应的电阻率、电阻值在感湿膜上有空气中的水蒸气吸附时发生变化，就是根据这一特性用来测量湿度的。
湿敏电容是另外一种较常见的湿度传感器，主要部分为高分子薄膜电容，其精度要小于湿敏电阻。
综上该控制系统采用湿敏电阻测湿度。
（3）光照传感器
光合有效辐射传感器
当光合有效辐射传感器接收到400～700nm波长的太阳光时，传感器就能给PLC发出相应的信号，从而使PLC控制遮阴帘电机 完成遮阴等动作。
3.3 系统硬件接线图
3.3.1 系统主电路设计

图3-5 系统硬件接线图

系统硬件由温度加热器、环流风机、遮阴帘系统和微雾加湿机构成，遮阴帘电机有正反控制功能，该系统通入380V工作电压。
3.3.2 系统其它部分电路设计
（1）正反转电机控制电路
图中SB3为停止按钮，SB1、SB2分别为正反转控制按钮，常闭触头KM3、KM4为互锁触头，以避免SB1、SB2同时闭合时可能造成的短路事故，常开触头分别完成各自的自锁功能，确保电机在正传或者反转时能保持一段时间，也就是所谓的自保持。

图3-6 正反转控制电路图
（2）开/关设备控制电路

图3-7 开关设备控制电路
图中SB1为停止按钮，负责切断设备电源，SB2为启动按钮，使设备投入电路开始运行，常开触头为自锁触头完成设备的自保持。
3.3.3 PLC部分电路设计

该系统采用三菱公司生产的FX2-32MR型号的PLC，该控制器输入输出点各16个，分别选用2个FX-4AD、一个FX-2DA特殊功能模块完成模拟量的输入和输出过程，完成启停的开关量信号全部由输入继电器分配，输出的开关量信号用于驱动由接触器控制的电机。模拟量由FX-4AD传递PLC， FX-4AD模拟量输入通道未全部使用。经过FX2-DA输出模拟量。温度传感器将4路温度信号，经过对采样周期的控制，对输入的温度信号不断采样4次，有效信号为其平均值，再对其值进行加权计算，计算方式为(y=alXl+a2x2+a3x3+a4x4，其中口a1、a2、a3、a4为不同测温点的测温值)其它模拟信号处理方式与其相同。PLC系统控制电路图如下：

图3-8 PLC系统控制电路图
3.4小结
本章首先对系统所需硬件及其工作原理作了简单介绍，其次对系统的主要电路图进行了设计使读者更直观的了解系统的结构，其它部分电路及PLC的控制电路图又单独对其它模块的结构和连接方式作了简单说明为后续章节的系统软件的设计作了充分的准备。
第四章 软件设计
一个系统功能的实现不但需要合适的硬件，而且与硬件相配的软件对系统也非常重要，软件主要功能是完成对信息量的逻辑运算然后对硬件发出相应的动作指令使其动作，因此只有软硬件配合紧密才能共同实现系统应有的功能。
4.1 PLC的I/O分布图
该系统采用三菱公司生产的FX2-32MR型号的PLC作为系统的核心控制部件，其I/O接口分配如图：
表4.1 I/O分配表
信号类型
名名称

电电路中编号

PPLC中地址
地
信信号类型
名名称
电电路中的编号
PPLC中地址
地
数
字
输 入
信
号
号
启动按钮
SB1
X0
数 字
输 出
信 号

号
环流风机
KM1
Y0

停止按钮
SB2
X1
微雾加湿机
KM2
Y1

转换开关
KH
X2
遮阴帘开
KM3
Y2
环流风机开关
SB3
X3
遮阴帘关
KM4
Y3
遮阴帘开
SB4
X4
天窗开
KM5
Y4
遮阴帘关
SB5
X5
天窗关
KM6
Y5
总复位开关
SB6
X6
报警铃
TL
Y6

加热器1
KM7
Y10
加热器2
KM8
Y11

表4.2 数据寄存器分布
编号
D305-308
D309
D310
D311
D312
D320
D350
D206
功能
4路温度输入
湿度输入1
湿度输入2
光强输入
温度控制
加权温度
PID参数
温度给定

4.2 系统程序
4.2.1 系统温度PID调节程序

图4-1 温度PID调节程序
4.2.2 系统主程序

图4-2 系统主程序
4.3 小结
本章对系统所需的软件进行了设计，PLC型号的选择和I/O端口的分布之合理充分配合了系统的硬件，二者相互配合实现了系统应有的功能，程序梯形图的成功编写为该系统设计画上了圆满的句号。
第五章 结论
大棚温度自动控制系统是一种为作物提供最好环境、避免各种棚内外环境变化对其影响的控制系统。本文介绍的系统组成和功能如下：
（1）硬件上，温度、湿度和光照传感器检测大棚内外诸如温度、湿度等环境因子，然后经过变送器将这些检测到的模拟量转化为电压或者电流经过输入端口输入到PLC然后经过A/D转化后到达其内部经过其对信息的处理完成对硬件的相应动作：遮阳系统根据系统的输出信号完成遮阳降低大棚内的光照量，环流风机动作使大棚内的空气形成有序的流动以保证棚内空气的均匀和稳定，从而能够起到通风降温的作用，天窗电机的正反转实现对大棚进出空气量的控制，微雾加湿机的动作在一定程度上增加了大棚内的湿度从而使温度发生相应变化。
（2）软件上，PLC经过A/D转化将传感器检测到的大棚内外的实时环境信号转化为数字信号后与预先设定值比较，如果数值高于或低于预先设定值，报警电路就会报警，然后PLC对信息进行处理后相应的硬件动作，如果温度在设定值，PLC就不会输出信号，实现了对大棚温度的自动控制。
由于时间和所学知识有限，本系统的硬件和软件可能做的不够完善可能不能适应比较复杂的情况，主要是对温度的自动调节，对于影响温度的其它环境因子考虑可能不够全面，建议后续工作能够在实时性、精确性和扩展性等方面对系统进一步完善，为中国农业现代化的进程作出贡献。

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谢辞
该课题的研究在我的指导老师张宝国副教授的不断指导下结束，张老师教学严谨、知识渊博、动手实践能力很强、工作一丝不苟，对学生严格要求，在此向张老师表示我深深的谢意和真心的问候。
即将毕业，感谢四年来对我谆谆教诲的各位老师，我承认四年的不断成长离不开她们的孜孜不倦，是她们让我的知识层面越来越广，视野越来越开阔，做人更成功。大学生活美好而珍贵，非常感谢陪我度过四年生活的舍友、感谢三年的同班同学、感谢帮助过我的学长，感谢默默支持关心过我的好朋友，也希望大家毕业后闯出属于自己的天地。
最后感谢的是我的父母，是她们不辞辛苦的养育了我，教会了我最基本的做人道理，是她们用自己的血汗钱换来了我的学习生活，我会好好努力，今后一定会报答她们的养育之恩。