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

摘要在智能溫室大棚的系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計功能要求，采用可編程控制器作為主控制單元，來實現(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(shè)備的打開和關(guān)閉功能。采用三菱FX2N系列可編程控制器進行外部命令輸入和外部執(zhí)行單元的輸出控制。按照功能設(shè)計思路要求，對可編程控制器接線圖等進行詳細設(shè)計，根據(jù)功能要求，分析系統(tǒng)功能流程，完成梯形圖的設(shè)計，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達到了基本的自動控制功能。關(guān)鍵詞：溫濕度檢測；智能溫室大棚；可編程控制器；MCGS目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 31.緒論 51.1研究的目的和意義 51.2課題設(shè)計的內(nèi)容 61.3課題研究的思路 62.智能大棚的總體設(shè)計 72.1智能大棚的設(shè)計要求 72.2智能大棚的方案分析 82.3設(shè)計方案的確定 83.智能大棚的硬件設(shè)計 93.1系統(tǒng)的I/O分配設(shè)計 93.2系統(tǒng)的主電路設(shè)計 103.3系統(tǒng)的PLC電路設(shè)計 113.4系統(tǒng)的模擬量電路設(shè)計 124.溫室大棚的軟件設(shè)計 134.1系統(tǒng)的功能流程設(shè)計 134.2模擬量處理程序設(shè)計 154.3手動程序設(shè)計 164.4自動程序設(shè)計 174.5系統(tǒng)的上位機設(shè)計 18參考文獻 19附錄一 221.緒論1.1研究的目的和意義在農(nóng)業(yè)發(fā)展的今天，智能溫室大棚作為發(fā)展的趨勢，其應(yīng)用越來越廣泛。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(nóng)作物生長的因素主要包含了溫室內(nèi)的溫度、濕度以及光照度。當智能溫室大棚內(nèi)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。本設(shè)計主要按照智能溫室大棚的農(nóng)作物生長的依賴條件，對溫度、濕度和光照度進行實時檢測，并控制大棚的各種設(shè)備，達到調(diào)節(jié)各種參數(shù)的控制目的。1.2課題設(shè)計的內(nèi)容在智能溫室大棚的控制中，根據(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(shè)計分為手動和自動控制兩種方式，采用可編程控制器作為控制單元，采用上位機作為監(jiān)控系統(tǒng)單元，對系統(tǒng)實現(xiàn)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，通過仿真運行達到系統(tǒng)設(shè)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(shè)計內(nèi)容要求，設(shè)計思路是采用順序控制和經(jīng)驗控制的方法實現(xiàn)系統(tǒng)的手動控制和自動控制，確定大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，具體的設(shè)計思路如下：（1）對大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和基本功能要求進行分析，明確系統(tǒng)設(shè)計的要求，完成系統(tǒng)的控制方案。（2）通過最佳設(shè)計方案，進行系統(tǒng)輸入和輸出部分的確定，對系統(tǒng)設(shè)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(shè)計。（4）大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的硬件選型設(shè)進行設(shè)計，包含PLC的選型、傳感器元件的選型和電動機的選型等，設(shè)計大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的I/O分配表。（5）采用AUTOCAD繪圖軟件設(shè)計電氣接線圖，特別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(shè)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(shè)計，進行梯形圖的設(shè)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(shè)計的基本要求。2.智能大棚的總體設(shè)計2.1智能大棚的設(shè)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生長條件，需要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(guān)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(guān)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(guān)閉。按照系統(tǒng)設(shè)計的基本控制要求，具體分析如下：（1）在智能溫室大棚內(nèi)，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(yīng)的設(shè)備運行。（2）對于溫度的控制，上限值設(shè)置為30攝氏度，下限值設(shè)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。當溫度反饋值低于下限值20攝氏度時，將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(shè)置為70RH，下限值設(shè)置為50RH。當濕度反饋值高于上限設(shè)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(shè)置為60%，下限值設(shè)置為50%。當光照度反饋值高于上限值時，將打開遮陽網(wǎng)，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(shè)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，并且滿足后期升級改造方便，開發(fā)周期小，采用可編程控制器作為本設(shè)計的控制單元，進行硬件設(shè)計和軟件設(shè)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(shè)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(shè)計，實現(xiàn)大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計包含了驅(qū)動程序的設(shè)置、通訊變量的設(shè)計、畫面的設(shè)計和報表設(shè)計、動畫設(shè)計、命令語言的編譯等，通過這些設(shè)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(yīng)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(shè)計的要求，對大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設(shè)計，綜合考慮采用可編程控制器+上位機的控制方案進行設(shè)計。根據(jù)以上的設(shè)計，按照智能溫室大棚的設(shè)計要求，實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。2.3設(shè)計方案的確定對于智能溫室大棚控制系統(tǒng)的設(shè)計功能描述，系統(tǒng)的設(shè)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(shè)備的打開和關(guān)閉功能。智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)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)的設(shè)計，綜合考慮采用可編程控制器+上位機的控制方案進行設(shè)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(guān)的設(shè)備啟停按鈕對設(shè)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(shè)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(shè)備輸出。具體的設(shè)計方案圖如下所示。圖2-1系統(tǒng)設(shè)計控制方案圖3.智能大棚的硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)的I/O分配設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計如下表所示。表3-1I/O分配設(shè)計表輸入地址系統(tǒng)功能輸出地址系統(tǒng)功能X0啟動按鈕Y0運行指示燈X1停止按鈕Y1報警指示燈X2手動模式Y(jié)2手動指示燈X3自動模式Y(jié)3自動指示燈X4噴淋泵啟動Y4噴淋泵X5噴淋泵停止Y5保溫簾開X6保溫簾開啟Y6保溫簾關(guān)X7保溫簾關(guān)閉Y7濕簾X10保溫簾停止Y10風干機X11水簾啟動Y11遮陽網(wǎng)開X12水簾停止Y12遮陽網(wǎng)關(guān)X13風干機啟動Y13補光燈X14風干機停止X15遮陽網(wǎng)開啟X16遮陽網(wǎng)關(guān)閉X17遮陽網(wǎng)停止X20補光燈打開X21補光燈關(guān)閉X22故障檢測3.2系統(tǒng)的主電路設(shè)計根據(jù)智能溫室大棚控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和方案,對系統(tǒng)的主電路進行設(shè)計,系統(tǒng)主電路主要為電動機的設(shè)計,該電動機設(shè)計需要實現(xiàn)自鎖啟?？刂啤㈦姍C正反轉(zhuǎn)控制，在主電路設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)的控制指令，此時正轉(zhuǎn)接觸器線圈得電，主觸點吸合，電動機可以正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運行，如果可編程控制器發(fā)出電動機反轉(zhuǎn)的控制指令，此時反轉(zhuǎn)接觸器線圈得電，主觸點吸合，電動機可以反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運行。正轉(zhuǎn)接觸器和反轉(zhuǎn)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(shè)計原理圖3.3系統(tǒng)的PLC電路設(shè)計可編程控制器的接線設(shè)計主要包含了三個部分，首先是電源部分的設(shè)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(guān)進行電源的通斷。其次為輸入部分設(shè)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(yīng)的PLC輸入端子?？删幊炭刂破鞯慕泳€設(shè)計主要包含了三個部分，首先是電源部分的設(shè)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(guān)進行電源的通斷。其次為輸入部分設(shè)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(yīng)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(yīng)的輸入指示燈亮，表示該點已經(jīng)有信號輸入。再次為輸出部分設(shè)計，根據(jù)不同的執(zhí)行單元或指示燈，進行命名設(shè)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(shè)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(shè)計原理圖3.4系統(tǒng)的模擬量電路設(shè)計本設(shè)計采用的模擬量擴展模塊為三菱FX2N-4AD和FX2N-2AD模擬量輸入模塊，根據(jù)模擬量擴展模塊的外部結(jié)構(gòu)及自動控制系統(tǒng)的控制要求畫出模擬量擴展模塊的外部硬件接線圖。下圖為模擬量擴展模塊的外部硬件接線圖。圖3-3模擬量模塊設(shè)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，所以需要采用專用的屏蔽電纜進行模擬量信號的傳輸，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(guān)進行選擇，當DIP開關(guān)為0時選擇的信號類型為0-10V，當DIP開關(guān)為1時，選擇的信號類型為4-20mA。4.溫室大棚的軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)的功能流程設(shè)計按照系統(tǒng)設(shè)計的要求，對農(nóng)作物程序流程功能圖進行詳細的設(shè)計，設(shè)計如下所示。圖4-1程序功能流程圖按照以上程序功能流程圖所示，對系統(tǒng)進行手動和自動兩種控制方式設(shè)計，當在手動控制狀態(tài)下，通過外部的輸入按鈕，對相應(yīng)的設(shè)備進行控制。在自動控制狀態(tài)下，通過系統(tǒng)啟動按鈕，使系統(tǒng)處于運行狀態(tài)，并且通過外部的傳感器監(jiān)測值，對系統(tǒng)進行條件判斷，并且按照條件判斷的結(jié)果進行相應(yīng)設(shè)備的控制。當智能溫室大棚內(nèi)的平均溫度低于20攝氏度時，打開保溫簾，當達到30攝氏度，將關(guān)閉保溫簾。當溫度超過40攝氏度，開啟噴淋泵，當降到30攝氏度時，將關(guān)閉噴淋泵。當平均濕度低于50RH時，打開加濕器，當濕度達到70RH，將關(guān)閉加濕器。當濕度超過90RH，將開啟風干機，當下降到70RH時，將關(guān)閉風干機。當平均光照度低于50%時，打開補光燈，當光照度達到60%，將關(guān)閉補光燈。當光照度超過70%，將開啟遮陽網(wǎng)，當下降到60%時，將關(guān)閉遮陽網(wǎng)。按照此功能圖，對系統(tǒng)進行程序設(shè)計。4.2模擬量處理程序設(shè)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(shè)計思路進行程序設(shè)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。在系統(tǒng)啟動時，通過可編程控制器的外部輸入按鈕X0，系統(tǒng)將啟動，此時Y0得電并自鎖。如果按下停止按鈕X1時，系統(tǒng)將停止。如果外部發(fā)生故障，系統(tǒng)將自動停止，并且輸出報警。當系統(tǒng)運行過程中，通過外部的按鈕進行手自動選擇，當選擇手動控制時，將調(diào)用手動程序，并且手動指示燈亮，當選擇自動控制時，調(diào)用自動程序，并且自動指示燈亮。對外部的溫度檢測值進行采集，并且通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為0-100的攝氏度單位值，同理，對濕度采集和光照度采集，采用數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值。通過以上的轉(zhuǎn)換之后，對數(shù)值進行計算，計算出平均值。按照計算的結(jié)果可知，D40為溫度平均值，D60為濕度平均值，D80為光照度平均值。4.3手動程序設(shè)計通過外部相應(yīng)的按鈕啟動，相應(yīng)的設(shè)備輸出。按照相同的手動控制原理，對其他的設(shè)備都采用自鎖控制的原理進行程序設(shè)計輸出。4.4自動程序設(shè)計按照系統(tǒng)設(shè)計的自動控制流程，對系統(tǒng)設(shè)計進行相關(guān)比較，當比較滿足時，將輸出相應(yīng)設(shè)備控制，來實現(xiàn)自動控制的功能。4.5系統(tǒng)的上位機設(shè)計按照大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和方案，對系統(tǒng)的上位機進行設(shè)計，通過可編程控制器和上位機之間的通訊，實現(xiàn)信息的相互通訊，根據(jù)實際生產(chǎn)控制要求，進行系統(tǒng)相應(yīng)的調(diào)節(jié)。上位機采用MCGS6.2進行設(shè)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(diào)節(jié)，監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài),顯示當前報警,對生產(chǎn)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(shè)備的打開和關(guān)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(guān)的參數(shù)設(shè)置，完成這些功能的優(yōu)化，更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。在上位機的開發(fā)設(shè)計中，主要設(shè)計包含了與可編程控制器驅(qū)動的建立、上位機的變量設(shè)計、畫面設(shè)計、動畫設(shè)計以及命令語言設(shè)計等。通過大棚環(huán)境智能控制系統(tǒng)的在線仿真調(diào)試，達到系統(tǒng)設(shè)計的要求。按照此設(shè)計思路，對系統(tǒng)進行MCGS上位機的設(shè)計。在系統(tǒng)仿真調(diào)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(diào)試結(jié)果如下圖所示。圖4-2MCGS的調(diào)試效果圖參考文獻[1]郁漢琪.可編程序控制器原理及應(yīng)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圖[M].人民郵政出版社,2008.