1、温室大棚温度 PLC 控制系统设计摘 要温室，是用来栽培植物的设施，它能改变植物的生长环境，避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响，为植物生长创造适宜的条件。随着科学技术的迅速发展，农业应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。如何利用科学技术有效地控制温室内的各种环境因数，以提高温室大棚环境的控制效果，已成为目前我国温室业研究的重点课题之一。这对我国温室产业的发展有着不可估量的重要意义。本文主要介绍了基于西门子公司 S7-200 系列的可编程控制器（PLC ）和 MCGS 组态软件的温室大棚温度 PLC 控制系统设计方案。该研究中，将采用温度传感器、光
2、照传感器、CO2 浓度传感器对温室中各项环境指标进行检测，并将测量值送入 PLC 中，由 PLC 将其与设定值进行比较，再发出相应的指令驱动执行设备来调节温室内的环境参数，从而实现温室的智能化、自动化控制。在此基础上，采用 MCGS 组态软件完成了控制系统的组态设计，实现了动态演示、过程监测、数据记录、曲线显示等功能，从而实现了控制系统操作的人性化和过程的可视化，为温室大棚的发展提供了新的方向。关键词：温室，环境，控制，可编程控制器，组态目 录摘 要 .2第一章 绪论 .11.1 课题概述 .11.2 国内外研究现状 .21.3 研究内容 .4第二章 PLC 概述 .62.1 PLC 简介 .
3、62.2 PLC 控制系统设计的基本原则及步骤 .10第三章 控制系统的总体设计方案 .133.1 系统的设计任务 .133.2 系统的控制方案 .133.3 系统的工作原理 .14第四章 控制系统的硬件设计 .154.1 电气控制系统设计 .154.2 PLC 硬件电路的设计 .194.3 PLC 的硬件配置 .21第五章 控制系统的软件设计 .265.1 PLC 程序设计的方法 .265.2 编程软件 STEP 7-Micro/WIN 概述 .265.3 控制系统的程序设计 .275.4 控制程序的仿真与调试 .34第六章 组态画面的设计方案 .366.1 组态软件概述 .366.2 温室
4、大棚控制系统的组态设计 .38结论 .45致谢 .47参考文献 .480第一章 绪论1.1 课题概述1.1.1 课题简介温室又称暖房，是用来栽培植物的设施。温室的作用是用来改变植物的生长环境 ,避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响，为植物生长创造适宜的条件。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。温室控制主要是通过控制温室内的温度、湿度、通风与光照，使得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，从而达到对农作物调节产期、促进生长发育、防治病虫害及提高产量的目的。现代化温室中具有控制温湿度、光照等条件的设备，并采用电脑进行自动
5、控制，以此创造植物生长所需的最佳环境条件。1.1.2 研究目的及意义我国的设施园艺绝大部分用于蔬菜生产。80 年代以来，温室、大棚蔬菜的种植面积连年增加。目前的栽培设施中，有国家标准的装配式钢管塑料大棚和玻璃温室仅占设施栽培面积的少部分，大多数的农村仍然采用自行建造的简单低廉的竹木大小棚，只能起到一定的保温作用，根本谈不上对温光水气养分等环境条件的调控，抗自然环境的能力极差。即使那些数量不多的装配式塑料大棚和玻璃温室也缺乏配套的调控设备和仪器，仅仅依靠经验和单因子定性调控，所以，我国设施栽培的智能化程度非常低。除此之外，我国设施农业目前还存在着诸如土地利用率低、盲目引进温室、设施结构不合理、能
6、源浪费严重、运营管理费用高、管理技术水平低、劳动生产率低及单位面积产量低等诸多问题。中国农业想要发展，就必须走现代化农业这条道路。随着国民经济的迅速发展，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。在实际的农业种植中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换等有着密切的关系。作为实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，环境测控1可通过对监测数据的分析，并结合作物生长发育规律，从而控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。实际上生产生活中，以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现
7、代化农业生产中发挥着巨大的作用。目前，虽然国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今国内大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境。现阶段随着蔬菜
8、大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。随着社会的进步和科学的发展，我国设施农业将向着地域化、节能化、专业化发展，向着高科技、自动化、机械化、规模化、产业化的工厂型农业发展，为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。所以，进行温室大棚温度 PLC 控制系统的研究设计具有重要的现实意义。本课题通过对 PLC 可编程控制器、组态软件、传感器、数据采集系统的学习与研究，完成了利用西门子 PLC 与 PC 机构组成温室大棚温度监控系统。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状我国现代温室技术起步较晚，80 年代以来，政府大
9、力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。其中能充分利用太阳光热资源、节约燃煤、减少环境污染的日光温室为我国所特有。1997 年我国日光温室面积已超过近 16.7 万公顷。由农业部联合有关部门试验推广的新一代节能型日光温室,每年每亩可节约燃煤约 20 吨。随后，以单层薄膜或双层冲气薄膜、PC 板、玻璃为覆盖材料的大型现代化连栋温室，以其土地利用率高、环境控制自动化程度高和便于机械化操作等优点，自 1995 年以来，便呈现出迅猛的发展之势，目前全国共有大型温室面积 200 公顷，其中自日本、荷兰、以色列、美国等国家引进的温室面积达 140 公顷
10、。最初，我国的现代温室技术主要从国外引进，然而2近几年从国外引进的温室大部分经营亏损，目前已处于停产状态或仅仅利用其玻璃的外壳。随着温室面积的不断增加，温室建造的国产化问题越来越引起人们的重视。目前，现代化大型温室的骨架和覆盖材料国产化已经基本不成问题，但其内部的配套设施和计算机管理系统等现代化管理方法与先进国家相比还有较大的差距，是今后要着力解决的问题。在温室环境自动监控中，各环境参数分别由各自的闭环系统控制，但由于这些受控参数常常相互影响，如光照增加，室温相应增加，温度的升高，又造成温室相对湿度降低，同时各系统间并不完全独立，回路间相互耦合时可能导致系统不稳而失控，这里可采用模糊控制方法，
11、可较好地解决环境参数之间的相互影响。另外，以前在监控系统的研制开发中，主要针对环境，而很少考虑农业生产过程中的生物因素，没有农业专家的合作参与，很难对系统正确定位，其适应性也差。所以，将农业学科与工程学科结合起来，对果蔬生长的环境参数进行优化设计，对于开发经济有效的温室监控软件系统是非常重要的。近年来我国的温室控制取得了长足的进步，首先在温室群控制方面，进行了初步的探索和理论研究，其次在温室控制中引入了人工智能和先进的控制算法，如专家系统、遗传算法、模糊控制等理论和控制策略。当前温室控制系统研究热点己由简单的 DDC(直接数字控制)发展到分布式控制系统，如 DCS(分布式控制)、FCS(柔性控
12、制) 等网络化的控制系统。目前，在相关行业己经有网络化测量和控制方面的研究，实现网络化、分布式数据采集系统取代传统孤立的、信息闭塞的系统，甚至跨越以太网或 Internet 进行数据采集，实施远程控制。虽然国内温室规模有限，还没有形成规模经济，另外构建的费用也较高，但从长远来看，温室监控系统分布式和网络化将是一种必然的趋势。现代温室中常见的能自动控制的调控机构有：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。控制器综合调节各个机构，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。使用的控制器可以有很多选
13、择，如单片机、工控机、PLC 、通用 PC 机等。1.2.2 国外研究现状西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。1949 年，借助于工程技术的发展，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能力的基础及应用研究。20 世纪 60 年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，3奥地利首先建成了番茄生产工厂，70 年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，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控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的
14、发展。特别是二十世纪 70 年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。80 年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，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发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控制，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、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉
15、或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，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控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。1.3 研究内容可编程控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM) 之一。PLC 的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来 PLC 技术在我国将得到更全面的
16、推广和应用。本论文研究的是 PLC 技术在温室控制系统上的应用。从整体上分析和研究了控制系统的电路设计、硬件设计、软件设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的设计等。本次研究内容为温室大棚温度 PLC 控制系统设计。温室大棚的作用是改变植物的生长因子，从而避免四季的气候变化和恶劣气候对植物生长的不良影响，为植物提供一个良好的生长环境。在植物的生长过程中，温室中的温度，光照，湿度，CO2 浓度，土壤酸碱度等环境参数对植物的生长起着重要作用。本次研究采用可编4程控制器 PLC 作为控制核心。通过传感器检测温室中的环境参数，经变送转换为标准电流信号（420mA）后送入 S
17、7-200 的模拟量输入模块 EM235，PLC 通过分析处理，输出开关量，通过驱动电路控制通风扇、遮阳帘、风机等多种执行机构。5第二章 PLC 概述2.1 PLC简介2.1.1 PLC的产生和应用1969 年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器 PDP-14，并在GM 公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。1971 年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器 DSC-18。1973 年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。我国从 1974 年开始研制，1977 年开始工业推广应用。进入 20世纪 70 年代，随着电子技术的发展，尤其是 PLC 采用通讯微处理
18、器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。进入 20 世纪 80 年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以 16 位和少数 32 位微处理器构成的微机化 PLC，使PLC 的功能更加强大 工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。2.1.2 PLC的组成和工作原理一、PLC 的组成PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本上相同。整体式 PLC 一般由 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存和电源等组
19、成。模块式 PLC 一般由 CPU 模块、I/O 模块、内存模块、电源模块、底板或机架等组成。无论哪种结构类型的 PLC，都属于总线式的开放结构，其 I/O 能力可根据用户需要进行扩展与组合。 1、CPUCPU 是 PLC 的核心，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的地址总线、数据总线及控制总线构成，此外 CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。CPU 主要用于存储程序及数据，
20、是 PLC 不可缺少的组成单元,在很大程度上决定了 PLC 的整体性能。CPU6速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，I/O 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 2、I/O 模块输入模块和输出模块通常称为 I/O 模块或 I/O 单元。PLC 的对外功能主要是通过各种 I/O 接口模块与外界联系来实现的。输入模块和输出模块是 PLC 与现场 I/O 装置或设备之间的连接部件，起着 PLC 与外部设备之间传递信息的作用。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入 PL
21、C 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（Digital Input，DI ），开关量输出（Digital Output，DO），模拟量输入（Analog Input，AI），模拟量输出（Analog Output，AO）等模块。开关量模块按电压水平分有 220VAC、110VAC、24VDC 等规格；按隔离方式分有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出等类型。模拟量模块按信号类型分有电流型（4-20mA、 0-20mA）、电压型（0-10V、0-5V 、 -10-10V）等规格；按精度分有12 位，14 位，16 位等规格。3、存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用
22、户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序、监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM 组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为 35 年。4、编程器编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。4、电源PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC 或 110VAC），直流电源（常用的为 24VDC）。7图 2-1 PLC 基本结构图二、可编程控制器的工作原理PLC 的工作方式是循环扫描的方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。PLC 工作的全过程可用图 2-2 所示的运行框图来表示。
