【基于PLC的大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)設計6800字（論文）】

基于PLC的大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-2"\h\u3898基于PLC的大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)設計 1186671.緒論 1184681.1研究的目的和意義 1207411.2課題設計的內容 2164961.3課題研究的思路 2150972.智能大棚的總體設計 3317952.1智能大棚的設計要求 3175272.2智能大棚的方案分析 3113972.3設計方案的確定 4173373.智能大棚的硬件設計 567113.1系統(tǒng)的I/O分配設計 5255663.2系統(tǒng)的主電路設計 5315363.3系統(tǒng)的PLC電路設計 613683.4系統(tǒng)的模擬量電路設計 7122174.溫室大棚的軟件設計 8272544.1系統(tǒng)的功能流程設計 839174.2模擬量處理程序設計 10229304.3手動程序設計 11267764.4自動程序設計 12269954.5系統(tǒng)的上位機設計 1314034參考文獻 141.緒論 1.1研究的目的和意義溫室大棚作為現(xiàn)代農業(yè)的重要發(fā)展方向，主要實現(xiàn)該溫室大棚內的自然條件控制，按照生物生長的基本條件，實現(xiàn)控制。智能溫室大棚的種植使人們在任何季節(jié)都可以嘗到新鮮的蔬菜和水果。對于智能溫室大棚的環(huán)境，影響到農作物生長的因素主要包含了溫室內的溫度、濕度以及光照度。當智能溫室大棚內的溫度和濕度以及光照度達到了植物生長的要求，才能使植物按照預期的目標生長，達到比較理想的效果。在該課題的設計中，都包含了方案設計、硬件設計、軟件設計、調試設計等步驟，通過本設計的系統(tǒng)，對后期的項目設計來說，是個很好的演練，能夠加深項目設計的基本思路，對自身設計的能力有很大的幫助。1.2課題設計的內容在智能溫室大棚的環(huán)境控制中，依據(jù)智能溫室大棚的使用面積，對溫度參數(shù)進行三個傳感器的檢測，對反饋的溫度值進行求平均值，從而和溫度上限值以及下限值比較，對保溫簾和噴淋泵進行實時控制。對濕度參數(shù)也進行三個傳感器的檢測，對反饋的濕度值進行求平均值，與濕度上限值以及下限值比較，對加濕器和風干機進行實時控制。對光照度度參數(shù)也進行三個光照度傳感器的檢測，對反饋的光照度值進行求平均值，與光照度上限值以及下限值比較，對遮陽簾和補光燈進行實時控制。系統(tǒng)的設計分為手動和自動控制兩種方式，通過PLC的輸入輸出和上位機的數(shù)據(jù)監(jiān)控，對系統(tǒng)實現(xiàn)硬件設計和軟件設計，通過仿真運行達到系統(tǒng)設計的要求。1.3課題研究的思路根據(jù)對大棚環(huán)境智能的設計內容要求，設計思路是采用順序控制和經驗控制的方法實現(xiàn)系統(tǒng)的手動控制和自動控制，從而確定大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的基本設計思路，具體的設計思路如下：（1）對大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設計內容和基本功能要求進行分析，明確系統(tǒng)設計的要求，完成系統(tǒng)的控制方案。（2）通過最佳設計方案，進行系統(tǒng)輸入和輸出部分的確定，對系統(tǒng)設計的功能進行分析。（3）繪制系統(tǒng)控制方案原理圖，按照該方案框圖進行硬件和軟件分布設計。（4）大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的硬件選型設進行設計，包含PLC的選型、傳感器元件的選型和電動機的選型等，設計大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的I/O分配表。（5）采用AUTOCAD繪圖軟件首先需要設計一個電氣接線圖，尤其最重要的是可編程控制器的電氣接線圖，對輸入部分電路，輸出部分電路以及電源電路進行分別設計和說明。（6）繪制大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的功能流程圖，，按照功能流程圖的設計，進行梯形圖的設計，詳細實現(xiàn)大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的各個功能。（7）通過系統(tǒng)的上位機軟件，對大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，對各個功能監(jiān)控和仿真。對每個分部的功能進行仿真和修改，滿足系統(tǒng)設計的基本要求。2.智能大棚的總體設計2.1智能大棚的設計要求智能溫室大棚的使用主要依靠溫度、濕度以及光照度來滿足植物生長的條件，為了更好的滿足植物的生長條件，必須針對性的對智能溫室大棚的溫度、濕度、光照度這三個參數(shù)進行檢測和控制。對著三個參數(shù)分別輸入到可編程控制器的模擬量輸入模塊，對實時反饋的溫度值進行系統(tǒng)的溫度上限值和下限值比較，控制保溫簾和噴淋泵的打開和關閉；對實時反饋的濕度值進行系統(tǒng)的濕度上限值和下限值比較，控制加濕器和風干機的打開和關閉；對實時反饋的光照度值進行系統(tǒng)的光照度上限值和下限值比較，控制遮陽簾和補光燈的打開和關閉。依照系統(tǒng)設計的基本控制要求，具體分析如下：（1）在智能溫室大棚內，對每個參數(shù)采用三個傳感器在不同的區(qū)域進行溫度、濕度、光照度的檢測。將這些檢測值反饋到可編程控制器，實現(xiàn)平均值的計算，對平均值進行上限值和下限值的比較，控制相應的設備運行。（2）對于溫度的控制，上限值設置為30攝氏度，下限值設置為20攝氏度。當溫度反饋值高于上限值30攝氏度時，將打開噴淋泵，為智能溫室大棚降溫。當大棚的溫度反饋值低于下限值20攝氏度時，將通過打開保溫簾為智能溫室大棚保溫。（3）對于濕度的控制，上限值設置為70RH，下限值設置為50RH。當濕度反饋值高于上限設定值70RH時，啟動風干機。當濕度反饋值低于下限值50RH時，啟動加濕器。（4）對于光照度的控制，上限值設置為60%，下限值設置為50%。當光照度反饋值高于上限值時，將打開遮陽網，當光照度反饋值低于下限值時，將打開補光燈。2.2智能大棚的方案分析根據(jù)本設計的大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)而言，為了實現(xiàn)該系統(tǒng)的控制要求和功能，并且滿足后期系統(tǒng)升級改造方便，開發(fā)周期小，本設計最終選擇采用可編程控制器作為控制單元，進行硬件設計和軟件設計，為了滿足大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的可視化管理，需要對大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)控，實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)修改，查詢當前的報警信息等，需要設計大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的上位機。通過對上位機的人機界面設計，實現(xiàn)大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設計要求，將上位機和可編程控制器之間進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。上位機的設計包含了驅動程序的設置、通訊變量的設計、畫面的設計和報表設計、動畫設計、命令語言的編譯等，通過這些設計步驟，可以實現(xiàn)可編程控制器和上位機之間的相互通信和信息顯示，反應當前大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的工況。所以按照系統(tǒng)設計的要求，對大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設計，綜合多方面考慮最終采用可編程控制器+上位機的控制方案進行設計。根據(jù)以上的方案設計，按照目前國內對智能溫室大棚的設計的發(fā)展趨勢需要，實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。2.3設計方案的確定對于智能溫室大棚控制系統(tǒng)的基本設計及其功能的描述，系統(tǒng)的基本設計主要實現(xiàn)該系統(tǒng)的系統(tǒng)的溫度和濕度、對光照度進行檢測，完成設備的打開和關閉功能。智能溫室大棚控制系統(tǒng)設計主要包含通過溫度檢測控制保溫簾和噴淋泵、通過濕度檢測控制加濕器和風干機，通過光照度檢測控制補光燈和遮陽簾等功能。對智能溫室大棚控制系統(tǒng)的基本設計，綜合考慮采用可編程控制器+上位機的控制方案進行設計。系統(tǒng)采用手動控制和自動控制，在手動控制方式中，主要按照相關的設備啟停按鈕對設備進行啟停。自動控制的方式中，主要通過傳感器的反饋值和設定上下限值比較來實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制。輸入部分主要包括：啟停按鈕、手自動模式、手動啟停、故障檢測等；系統(tǒng)輸出部分包括運行指示、報警指示、手自動選擇指示、噴淋泵、保溫簾等設備輸出。具體的設計方案圖如下所示。圖2-1系統(tǒng)設計控制方案圖3.智能大棚的硬件設計3.1系統(tǒng)的I/O分配設計對于智能溫室大棚控制系統(tǒng)來說，需要考慮各種輸入信號功能和輸出信號功能，通過方案的描述，和可編程控制器的選型，以及充分考慮系統(tǒng)各種信號的采集輸入和執(zhí)行單元的輸出功能，按照基本分配的原則，實現(xiàn)系統(tǒng)的輸入輸出點的分配。輸入輸出點的分配主要有利于系統(tǒng)的接線圖設計，可以按照I/O分配的具體要求，對可編程控制器接線圖的輸入部分和輸出部分進行線路設計，規(guī)定每個輸入點和輸出點的具體功能。系統(tǒng)的輸入點分配原則是先進行按鈕或旋鈕的分配，再進行外部傳感器輸入分配，再進行系統(tǒng)保護信號分配；系統(tǒng)的輸出點分配原則是先進行執(zhí)行單元的分配，再進行系統(tǒng)指示的分配等。具體的I/O分配設計如下表所示。表3-1I/O分配設計表符號輸入地址系統(tǒng)功能符號輸出地址系統(tǒng)功能SB1X0系統(tǒng)啟動HL1Y0系統(tǒng)運行SB2X1系統(tǒng)停止HL2Y1系統(tǒng)報警SB3X2手動選擇HL3Y2手動模式指示SB4X3自動選擇HL4Y3自動模式指示SB5X4噴淋泵手動啟動KM1Y4噴淋泵運行SB6X5噴淋泵手動停止KM2Y5保溫簾開SB7X6保溫簾手動打開KM3Y6保溫簾關SB8X7保溫簾手動關閉KM4Y7濕簾運行SB9X10保溫簾手動停止KM5Y10風干機運行SB10X11水簾手動啟動KM6Y11遮陽網開SB11X12水簾手動停止KM7Y12遮陽網關SB12X13風干機手動啟動KM8Y13補光燈運行SB13X14風干機手動停止SB14X15遮陽網手動打開SB15X16遮陽網手動關閉SB16X17遮陽網手動停止SB17X20補光燈手動開啟SB18X21補光燈手動關閉FR1X22故障檢測3.2系統(tǒng)的主電路設計根據(jù)智能溫室大棚控制系統(tǒng)的設計內容和方案,對系統(tǒng)的主電路進行設計,系統(tǒng)主電路主要為電動機的設計,該電動機設計需要實現(xiàn)自鎖啟停控制、電機正反轉控制，在主電路設計中，QF為斷路器的電氣符號、KM為接觸器的電氣符號，F(xiàn)R為熱繼電器的電氣符號。具體的主電路圖如下圖所示。在系統(tǒng)為正轉自鎖控制時，主要按照可編程控制器發(fā)出接觸器吸合的控制指令，此時接觸器線圈得電，主觸點吸合，電動機可以旋轉運行，如果可編程控制器發(fā)出主接觸器斷開的控制指令，此時接觸器線圈失電，主觸點斷開，電動機停止運行，這樣就形成了自鎖控制電路。當電動機發(fā)生過流或短路故障時，斷路器迅速動作斷開。當熱繼電器發(fā)生故障時，可編程控制器收到故障保護指令，將主觸點自動斷開。在系統(tǒng)為正反轉控制時，電動機控制需要兩臺接觸器互鎖進行，主要按照可編程控制器發(fā)出電動機正轉的控制指令，此時正轉接觸器線圈得電，主觸點吸合，電動機可以正轉旋轉運行，如果可編程控制器發(fā)出電動機反轉的控制指令，此時反轉接觸器線圈得電，主觸點吸合，電動機可以反轉旋轉運行。正轉接觸器和反轉接觸器之間互鎖，不能同時接通。當電動機發(fā)生過流或短路故障時，斷路器迅速動作斷開。當熱繼電器發(fā)生故障時，可編程控制器收到故障保護指令，將主觸點自動斷開。圖3-1主電路設計原理圖3.3系統(tǒng)的PLC電路設計可編程控制器的接線設計主要包含了三個部分，首先是電源部分的設計，按照可編程控制器的選型，PLC的電源電壓等級為AC220V，輸入部分和輸出部分的電壓等級和電源電壓等級相同，電源采用DZ47-60的2P開關進行電源的通斷。其次為輸入部分設計，不同的電器元件，電氣符號不相同，輸入部分的公共端子為正極端子，接入電器元件的一端，另一段子為相應的PLC輸入端子?？删幊炭刂破鞯慕泳€設計主要包含了三個部分，首先是電源部分的設計，按照可編程控制器的選型，PLC的電源電壓等級為AC220V，輸入部分和輸出部分的電壓等級和電源電壓等級相同，電源采用DZ47-60的2P開關進行電源的通斷。其次為輸入部分設計，按照I/O分配的要求，對每個地址的輸入點進行信號接入，并且對電器元件的符號進行命名，不同的電器元件，電氣符號不相同，輸入部分的公共端子為正極端子，接入電器元件的一端，另一段子為相應的PLC輸入端子。比如X0，該電器元件的類型為按鈕，命名為SB1，該按鈕的一端接入公共線AC220V，另一端子接入可編程控制器的X0端子，當X0的電器元件接通時，X0得電輸入，相應的輸入指示燈亮，表示該點已經有信號輸入。再次為輸出部分設計，根據(jù)不同的執(zhí)行單元或指示燈，進行命名設計，不同的執(zhí)行單元，電氣符號不相同。比如Y0，該執(zhí)行電器元件為KM1，線圈的一端接線為公共端0V，線圈的另一端接入Y0，當可編程控制器輸出Y0執(zhí)行命令時，線圈得電，將輸出執(zhí)行元件運行。對于可編程控制器的接線，按照系統(tǒng)設計的要求和后期升級改造的需求，需要留有足夠的余量，以備后期改造使用。本系統(tǒng)的硬件接線如下圖所示。圖3-2可編程控制器設計原理圖3.4系統(tǒng)的模擬量電路設計模擬量信號的采集和使用需要通過模擬量模塊來進行設計,外部標準模擬量信號接入模擬量模塊,可以將連續(xù)模擬信號轉換為連續(xù)的數(shù)字信號,實現(xiàn)可編程控制器的采集和使用。按照系統(tǒng)設計的內容和方案，需要對現(xiàn)場的溫度傳感器信號、濕度傳感器信號、光照度傳感器信號等進行采集，并實現(xiàn)控制，系統(tǒng)選用的模擬量模塊為EM231模擬量輸入模塊。圖3-3模擬量模塊設計接線圖模擬量輸入模塊的每個回路均有三個端子，以第一路為例說明，A+端子接入模擬量信號的正極，A-端子接入模擬量信號的負極。由于現(xiàn)場的工況比較復雜，時常有干擾信號對模擬量進行干擾，所以必須采用專用的屏蔽電纜進行模擬量信號的傳輸達到優(yōu)化控制的目的，屏蔽電纜的屏蔽層要可靠接地。對于模擬量來說，標準信號為4-20mA，或者0-10V，需要通過模擬量模塊的撥碼開關進行選擇，當DIP開關為0時選擇的信號類型為0-10V，當DIP開關為1時，選擇的信號類型為4-20mA。4.溫室大棚的軟件設計4.1系統(tǒng)的功能流程設計對于溫室大棚的控制，主要對溫度、濕度光照度等進行比較，按照比較結果進行相關的控制，具體的工藝設計控制流程如下。圖4-1程序功能流程圖對于溫室大棚的控制主要分為兩種方式，分別實現(xiàn)手動方式的控制和自動方式的控制。（1）手動方式控制時，首先選擇手動控制模式，按照外部PLC輸入的相關按鈕，對相關設備進行手動控制調節(jié)。（2）自動方式控制時，主要通過外部的溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器來實現(xiàn)比較和自動控制。當溫度的平均值小于20度時，將外部的保溫簾設備打開，當溫度的平均值達到30度時，將外部的保溫簾關閉；如果溫度的平均值大于40度時，將外部的噴淋泵打開運行，如果溫度降到30度時，將外部的噴淋泵關閉；如果當前的濕度平均值小于50RH時，將外部的加濕器運行，當濕度的平均值達到70RH時，關閉加濕器。如果當前的濕度平均值大于90RH時，將開啟風干機運行，如果濕度的平均值低于70RH時，將關閉風干機。對于光照度控制，如果當前光照度低于50%時，將打開補光燈運行。如果光照度達到60%時，關閉補光燈。如果光照度超過70%時，將打開遮陽網運行，如果光照度低于60%時，將關閉遮陽網。按照此設計的基本控制功能，對系統(tǒng)進行設計。4.2模擬量處理程序設計對大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)來說，往往需要滿足某些條件后，才能執(zhí)行動作。所以對于這類的控制要求來說，需要采用條件判斷設計思路進行程序設計。比如要執(zhí)行某一輸出動作，往往需要好幾個條件同時滿足時才能執(zhí)行，那么這些條件可能包含了啟動運行使能、自動使能、傳感器信號輸入、其他聯(lián)鎖使能等，那么需要對這些條件進行整理，當條件都滿足時，就可以執(zhí)行元件輸出。當系統(tǒng)運行的時候，首先通過外部的按鈕將系統(tǒng)啟動運行，此時系統(tǒng)將處于運行狀態(tài)，并且輸出運行指示燈。如果按下外部的停止按鈕，系統(tǒng)將停止，如果出現(xiàn)系統(tǒng)的故障，將系統(tǒng)自動停止，并且輸出故障報警信號。當系統(tǒng)運行后，開始進行手自動兩種方式的選擇，如果通過外部的手動模式選擇，此時系統(tǒng)進入手動模式，通過外部的手動按鈕來實現(xiàn)設備的啟動停止、打開和關閉等操作。如果系統(tǒng)為自動控制方式，首先將外部的溫度模擬量、濕度模擬量、光照度模擬量等進行求平均值。然后根據(jù)平均值實現(xiàn)設定值的比較。按照求平均值之后，可以對溫度反饋、濕度反饋、光照度反饋實現(xiàn)當前實時平均值的反饋顯示，根據(jù)此反饋顯示值來進行相關的比較控制。4.3手動程序設計首先選擇手動控制模式，按照外部PLC輸入的相關按鈕，對相關設備進行手動控制調節(jié)。主要實現(xiàn)對保溫簾的手動開啟和關閉、風干機、加濕器以及補光燈等設備，可以通過外部的按鈕來實現(xiàn)啟停控制和打開關閉控制。4.4自動程序設計按照系統(tǒng)設計的自動控制流程，對系統(tǒng)設計進行相關比較，當比較滿足時，將輸出相應設備控制，來實現(xiàn)自動控制的功能。4.5系統(tǒng)的上位機設計對于智能溫室大棚的控制，根據(jù)實際生產控制要求，進行系統(tǒng)相應的調節(jié)。上位機采用MCGS6.2進行設計，可以在上位機直觀地監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并且對系統(tǒng)的參數(shù)進行調節(jié)，監(jiān)控設備的狀態(tài),顯示當前報警,對生產報表或歷史趨勢進行查詢,達到優(yōu)化控制的目的。在大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度和濕度的檢測，并且對光照度進行檢測，完成智能溫室大棚的各種設備的打開和關閉功能。按照這些功能，需要通過上位機進行展現(xiàn)，并且通過相關的參數(shù)設置，完成這些功能的優(yōu)化，更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。按照此設計思路，對系統(tǒng)進行MCGS上位機的設計。在系統(tǒng)仿真調試時，要按照智能溫室大棚控制系統(tǒng)的功能流程要求，對系統(tǒng)進行接線，包括主電路接線和PLC電路接線，按照接線圖要求進行嚴格檢查。當接線完畢后，檢查電壓等級準確無誤后，就可以對系統(tǒng)進行上電。具體的調試結果如下圖所示。圖4-2MCGS的調試效果圖參考文獻[1]郁漢琪.可編程序控制器原理及應用（第二版）[M].中國電力出版社,2010.[2]鄭鳳翼.怎樣看電氣控制電路