1、清華大學畢業設計（論文）題目系（院）專業班級學生姓名學號指導教師職稱基于PLC的大棚溫度自動控制系統設計自動化系電氣工程與自動化2009級3班雷大鋒2009022321王曉峰副教授二0一三年六月二十日獨創聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業設計（論文），是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。據我所知，除文中已經注明引用的內容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名:年月日畢業設計（論文）使用授權聲明本人完全了解濱州學院關于收集、保存、

2、使用畢業設計（論文）的規定。本人愿意按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版，同意學校保存學位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數字化或其它復制手段保存設計（論文）；同意學校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務系統，公布設計（論文）的部分或全部內容，允許他人依法合理使用。（保密論文在解密后遵守此規定）作者簽名:年月日基于PLC的大棚溫度自動控制系統設計摘要大棚溫度自動控制系統是一種為作物提供最好環境、避免各種棚內外環境變化對其影響的控制系統。該系統采用FX2N系列PLC作為下位機，PC機作為上位機，采用三菱D-720通用變頻器，采用溫度、濕度、光照傳感器采集現場信號，這些模擬量經P

3、LC轉化為數字信號，把轉化來的數據與設定值比較，PLC經處理后給出相應的控制信號使環流風機、遮陰簾、微霧加濕機等設備動作，大棚溫度就能實現自動控制。這種技術不但實現了生產自動化，而且非常適合規模化生產，勞動生產率也得到了相應的提高，通過種植者對設定值的改變，可以實現對大棚內溫度的自動調節。關鍵詞：大棚，溫度控制，PLCTheAutomaticGreenhouseTemperatureControlSystemasedonPLCAbstractThesystemisawaytoprovidingthebestconditionstoplantsandpromotingthemgrowthvery

4、well,avoidingthebadweatherandeffectofseasonsoutsidetheshed.ThissystemusesFX2NseriesPLCasthenextmachineandPCasuppermachine,usingtheMitsubishiD-720generalfrequencyManager.Thesensoroftemperature,humidityandlightcollectingscenesignal,thesesimulationvolumesareturnedintodigitalsignalbyPLC,thencomparedwith

5、thesettingvalue.Atlast,thePLCdisposesofthem,thencontortswithwindmachine,coveringYincurtain.Accordingtotheactualmeasuredvalueofeachsensorandthevaluedeterminedinadvanceaboutgreenhouseenvironmentalfactors.Thissystemcansuitablefortheautomationandmassproduction,thelaboringproductivityhasbeenincreasingbya

6、widemarginthroughchangingthetargetvalueofgreenhouseenvironment,andwecancontrolthegreenhousetemperatureautomatically.Keywords:greenhouse,temperaturecontrol,PLC目錄第一章緒論11.1 大棚溫度控制系統發展背景及現狀11.2 大棚溫度控制系統研究目的及意義2第二章系統概述32.1 系統設計任務32.2 系統技術介紹32.2.1 傳感技術32.2.2 PLC42.2.3 上位機52.3 系統工作原理52.4 小結7第三章硬件部分設計83.1 環

7、境調控系統83.2 傳感器的選擇103.3 系統硬件接線圖123.3.1 系統主電路設計123.3.2 系統其他部分電路設計143.3.3 PLC部分電路設計153.4 小結16第四章軟件設計174.1 PLC的I/O分布圖174.2 系統程序184.2.1 系統溫度PID調節程序184.2.2 系統主程序184.3 小結19第五章結論20參考文獻21謝辭22第一章緒論1.1大棚溫度控制系統發展背景及現狀如今塑料大棚、日光溫室逐漸成為我國設施結構的主要結構類型。其能夠充分利用陽光、節約燃煤、減輕環境污染等特點。1997年我國的日光溫室面積快速增加至16.7萬公頃。農業聯合部推廣的新一代節能型的

8、日光溫室，可以節約大量的煤資源，每年沒畝能節約燃煤約20噸1。越來越先進的現代化溫室大棚采用的覆蓋材料也越來越先進，比如PC板。從1995年開始我國大型溫室大棚面積迅速增加，截至目前已有約200頃，一些發達國家也發現了現代化溫室大棚土地利用率高、便于機械化操作等優點也大力發展面積也不斷增加。設施農業的發展為大棚實現大型現代化、溫室的發展進程提供很好的機會，使其能夠快速發展。但是到目前為止，有相當一部分的大棚、溫室還要靠種植者的經驗來完成，缺乏根本的科學性。這種管理方式缺乏量化的指標，精確度很差，僅僅能夠被動的調節溫度等，而不能主動的是大棚內的環境因子自動的改變，這就不能發揮大棚的高產特性。由此

9、可知，大棚溫度的自動控制對設施農業甚至我國農業現代化的進程都有很大的影響。根據國內外大棚控制技術的發展形勢，其發展階段可以分為三個：(1)手動控制：這是大棚環境控制發展的初級階段，其技術相當落后。傳感器也是長期從事農業生產的種植者，具也是該系統的執行者。他們作為該控制技術的核心，在對大棚內外各環境因子和作物情況的基礎上結合自己豐富的經驗，手動改變大棚內的環境。但其生產效率低，不適合農業現代化的進程，且要求種植者有較高的生產素質。(2)自動控制：這是大棚控制技術發展的另一階段，它需要種植者根據棚內作物的生長狀況提前設置好作物所需的目標參數，然后控制系統把傳感器的實際輸出值與預先設置好的目標參數進

10、行比較，從而去控制各環境因子的調節過程，進一步完成各種加熱、降溫等。該控制技術使生產自動化，利于大規模生產，大大提高的生產效率。改變預先設置的目標值可以使棚內的環境因子得到自動的調節，但該控制不能適應作物生長狀況的突變，難以介入作物生長的內在規律。但是目前我國有相當一部分的自主開發的現代化溫室以及引進的國外設備都運用該控制20(3)智能化控制：這是大棚控制發展到目前為止為最高階段，該技術建立在自動控制和生產實踐的基礎上，是總結和運用各種農業領域知識、技術和實驗數據建成的專家系統，通過建立最適宜作物生長的數學模型，開發出一種適合個各種作物生長的專家控制技術。該技術是在手動、自動、自動化控制發展之

11、后發展起來的，也會越來越先進，越來越完備。截至到目前，我國對于該系統的研究技術還是比較落后，以基本的PID控制為主。它僅僅能夠滿足常見的溫度系統，在一些復雜、時變情況下難以使用，基本都由有經驗的工人現場來調試。目前，我國的設施農業土地利用率低、盲目引進溫室、管理技術水平低、勞動生產率低、能源浪費嚴重3o但是隨著科技發展和社會的全面進步，這些問題也會被逐漸解決，逐步向專業化發展，朝著自動化農業型發展，從而為社會大眾提供更加豐富可口、安全、優質的綠色健康食品。1.2大棚溫度控制系統研究目的及意義雖然目前我國絕大部分的大棚都安裝了加熱、降溫和通風設備，但是大多是通過人工使其動作，一旦大棚面積很大種植

12、者的勞動強度就會很大，更不用說實現對溫度的精確控制了。該系統結合目前國內外的發展現狀，充分發揮PLC的控制優點在結合種植者種植經驗的基礎上實現對溫度的精確自動調節，該溫度自控控制系統實現了大棚作物生產的自動化，為推動規模化生產和勞動生產率的提高都起到了很好的促進作用。改變設定目標值就能自動地進行大棚內環境因子的調節。對于推進我國農業現代化起到很大作用。第二章系統概述該系統下位控制由FX2N系列PLC完成，上位機為PC機，變頻器采用三菱D-720通用變頻器，由溫度、光電、濕度等傳感器采集現場信號，PLC將傳感器采集到的有關的環境參數轉化為數字信號，然后把這些數值與給定值比較，經過控制計算給出相應

13、的控制信號使環流風機、遮陰簾、微霧加濕機等設備動作，實現大棚溫度的自動控制。軟件部分主要是實現對各傳感器所測環境因子值的處理，其中包括一些算術邏輯運算，然后通過與設定值的對比，發出相應的信號完成對各種硬件設備的控制，軟件部分可以稱作系統的“大腦”，而硬件部分則可以稱作系統的“神經”和“肢體”。2.1 系統設計任務大棚的作用是為作物提供最佳的生長環境，避免一年四季氣候變化和惡劣天氣一般大棚以采光和覆蓋材料作為主要的結構材料，它能夠確保作物在冬季或其他惡劣環境下健康的生長，從而起到提高產量的作用。大棚溫度控制通過接受光照、溫度、濕度傳感器傳來的信號，經過PC機和PLC的控制和決策調節各種環境因子從

14、而為其提供良好的生活環境。目前國內的大部分的大棚都是通過這種自動控制，這種控制方式對作物生長情況的改變難以作出及時的反應，不能緊密跟蹤作物生長的內在規律。該系統在原有溫度自動控制和生產者生產經驗的基礎上，通過一定的對農業領域知識、技術和各種實驗數據的收集，更精確及時的使外部設備動作完成相應的加熱降溫和通風，及時為作物提供更適宜的生長環境，達到高產高效的目的。2.2 系統技術介紹2.2.1 傳感技術電量一般是指物理學中的電學量，如電流、電阻、電容、電感等；非電量則是指除電量之外的一些參數，如壓力、流量、質量、溫度等40能實現非電量到于此相對應的電量轉換的技術稱為傳感技術，其核心器件為傳感器。2.

15、2.2 PLCPLC（可編程序控制器）由CPU模塊、I/O模塊和編程器構成PLC。PLC的特殊功能由特殊模塊完成。輸入模塊完成對信號的接收和輸入，輸出模塊實現對繼電器等執行裝置的控制。PLC特點如下：編程方法簡單易學、功能強、性能價格比高、硬件配套齊全，用戶使用方便，適用性強，可靠性高，抗干擾能力強，系統的設計、安裝、調試工作量少，維修工作量小，維修方便，體積小，能耗低5oPLC的工作原理：PLC有兩種基本的工作模式，即運行模式與停止模式。PLC采用順序掃描，不斷循環”的工作方式，一次循環可以分為五個階段：內部處理、通信服務、輸入處理、程序執行和輸出處理。掃描過程如下圖：圖2-1PLC掃描過程

16、堀程鬻按氈開關繼電器觸苴行程開關輸入部分楠出部分電源部分圖2-2PLC工作原理圖PLC一旦工作首先開始掃描，對輸入信號進行集中采集，對輸出信號進行集中刷新。每當刷新輸入時，輸入端口就關閉，在執行程序時，即使有新狀態到達輸入端，也不能被讀入。下一掃描周期時才被讀入。2.2.3 上位機計算機集散控制系統中有上位機的概念。在該控制系統中，計算機的級別是不一樣的，下位機是與現場設備直接發生關系的計算機，控制下位機或給下位機提出新任務的稱為“上位機”。集散控制系統越復雜，計算機的級別就越多，這樣的話可能還會有級別更高的計算機對上位機進行控制或者下達命令。2.3 系統工作原理該系統由PLC,溫度、光照、濕

17、度傳感器，還有一些環流風機、遮陰簾、微霧加濕機等設備組成。該系統工作原理如下圖：圖2-3系統工作原理圖該系統首先通過各傳感器檢測大棚內外的環境信號，然后將這些模擬量轉換為電壓信號，經過運算放大器組成的信號處理電路轉化成系統需要的電壓信號。溫度傳感器得分輸出的電流正比與溫度，而且響應速度快、線性度好和高阻抗電流輸出，能夠適應長距離傳輸，可以把-555C的溫度轉換為14V的電壓；濕度傳感器能將相對濕度轉換成相應的電流輸出信號。然后PLC將傳感器采集來的信號通過A/D轉換成數字信號，通過存儲器將這些數據暫時存儲起來然后和設定值比較，經過一定的控制算法后給出相應的控制信號對執行機構包括風機、遮陰簾和加

18、溫熱設備動作。該系統還可以通過通信接口將數據送至上位機PC機，完成數據管理、智能決策等更為強大的功能，且可以進行數據的顯示、編輯、儲存和打印6o系統正常工作時，PLC通過傳感器來測量大棚內的溫度，然后與預先設定的目標值進行比較，如果測量值超出了設定范圍的上下限值，PLC就會輸出指令，從而使相應的硬件設備動作；如果測量值在范圍值之內，PLC就會響應，使相應設備停止運轉。系統的工作流程見圖：圖2-4系統工作流程圖2.4 小結本章一開始介紹了大棚溫度控制系統應該完成的任務，然后對系統所涉及的技術作了簡單介紹，最后對PLC和系統的工作原理做了深入剖析。這項前續工作為后續章節系統硬件和軟件上的設計奠定了

19、基礎。第三章硬件部分設計系統硬件的選擇對于系統的整個設計也是至關重要的，因為可供選擇的設備的型號太多，選擇的余地就會很大，所以選擇硬件時應該慎重考慮溫室控制的實際情況以及需要完成的控制功能、控制方式、資金情況等。外遮陽系統、環流風機、溫度加熱器、微霧加濕機都是本系統必不可少的，當然傳感器的選擇對系統也至關重要。系統主電路圖更加直觀的介紹了系統所需的各種硬件及其連接方式。3.1 環境調控系統(1)外遮陽系統全國很多地方夏季都很炎熱，光照太強，所以應該在大棚上部安裝遮陽系統，利用遮陰簾將大部分的陽光擋住，這樣就可以根據大棚內作物生長的要求選擇適當的遮陽率。1.電機2,掉向輪3.壓簾線4.托簾線5.

20、動力線6.動邊型材7.拉簾梁圖3-1鋼索遮陰簾系統結構圖如上圖所示的鋼索遮陰簾系統。具減速電機安裝在大棚的中心位置，電機輸出軸中心線距遮陰簾下表面相距約200mm,驅動線之間的距離小于3000mm,把換向輪安裝在大棚的兩端。(2)環流風機常用的環流通風是在大棚內有序的安裝一定數量的環流風機，通過環流風機使大棚內的空氣形成有序的流動以保證棚內空氣的均勻和穩定，從而能夠起到通風降溫的作用。總和考慮棚內循環通風量、種植作物種類，采用如圖所示的分布格局，使風機排列成兩排，有序的排列在棚內中間走道兩側的架子上，因為該布局通風率(3)溫度加熱器加熱器是比較常用的電熱器件。它具有體積小、加熱功率高等特點，越

21、來越備受人們的親睞。原理圖如下：圖3-3溫度加熱器原理圖將電壓連接到三相可控硅的輸入端，輸出電壓的大小發生改變可控硅的觸發角也會發生相應的改變，使加熱器的電壓值發生改變，實現了對大棚溫度的閉環控制(4)微霧加濕機微霧加濕機圖3-4微霧加濕機加濕通過高壓微霧加濕機來完成，自來水經過精濾后加壓，經過高壓水管送至噴嘴，細微的轡頭經過霧化形成以310微米的微霧噴射到大棚每個角落，使大棚起到加濕降溫的效果，該設備壓力大、硬度強，效率高、省電而且噪音小且噴霧均勻。可以滿足整個大棚空間的需要，起到高效加濕降溫的效果3.2 傳感器的選擇傳感器種類繁多，側重功能不盡相同，而且受各種因數影響。所以傳感器的選用對測

22、量的精確有重要影響。測量對象與測量環境，傳感器種類繁多，被測對象不同，可供選擇的傳感器多樣，這就需要我們根據特定的環境，全面、細致分析，選擇最合適的傳感器。傳感器選擇的基本原則靈敏度，為了更好地處理輸出信號我們一般會對輸出信號進行放大，但是隨著信號的增大外界無關量的影響作用也會隨著增大，從而影響測量結果。因此，這就要求所選擇的傳感器應具有較高的抗干擾能力。同時也要盡可能的減小外界噪音的進入。頻率特性，在保證不失真的前提下將頻率控制在允許范圍內，被測量頻率范圍的大小與傳感器的頻率特性成正比，隨著頻率響應的增高而變寬，同時機械系統慣性與結構特性成正比關系。在動態測量中，應根據信號自身的特點，如隨機

23、性、瞬態性、穩態性等改變響應特性，避免過大誤差的產生。穩定性，傳感器穩定性除受到自身結構影響之外還受到所在的環境影響。精度,精度是傳感器重要的性能指標，它是整個控制系統測量精度的一個保障。下面介紹幾個比較常用的傳感器：(1)溫度傳感器17世紀，人類開始有了溫度這一概念。當材質不同的兩種導體在某點連接時，且加熱連接點，不加熱的地方就會有電位差出現。不加熱的測量點溫度決定相應電位差的數值，而且還決定于導體的材質。在對不加熱部位環境的溫度值測量時加上這個電位差精確測量值就能準確推算出加熱點溫度。此傳感器被稱為熱電偶。溫度不同要求的熱電偶的材質也不同，它們對應的敏感程度也不同。當然熱電偶傳感器也有自己

24、的優缺點：靈敏度比較低，也容易受到前置放大器溫漂的影響，此特點決定它不適合測量很小的溫度變化。因為材料的粗細并不決定熱電偶傳感器的敏感度，所以很細的材料也能做成溫度傳感器。同時延展性非常好，相應速度極快對于變化速度很快的過程也能測的出。溫度傳感器的種類也很多，主要的類型有：熱電偶、熱電阻、電阻溫度檢測器和IC溫度傳感器7。如今，在國防工程、空間技術、冶金、電子和食品行業低溫技術應用越來越多，對于120K以下溫度的低溫溫度計得到了很快的發展，如一些溫度計，氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等8。綜上該系統采用熱敏電阻測溫。(2)濕度傳感器基片上覆蓋的一層感濕材料制成的膜是濕敏電阻

25、的主要元件，元件的相應的電阻率、電阻值在感濕膜上有空氣中的水蒸氣吸附時發生變化，就是根據這一特性用來測量濕度的。濕敏電容是另外一種較常用的濕度傳感器，主要部分為高分子薄膜電容，其精度要小于濕敏電阻綜上該控制系統采用濕敏電阻測濕度。(3)光照傳感器光合有效輻射傳感器當光合有效輻射傳感器接收到400700nm波長的太陽光時，傳感器就能給PLC發出相應的信號，從而使PLC控制遮陰簾電機完成遮陰等動作。3.3 系統硬件接線圖3.3.1 系統主電路設計圖3-5系統硬件接線圖系統硬件由溫度加熱器、環流風機、遮陰簾系統和微霧加濕機構成，遮陰簾電機有正反控制功能，該系統通入380V工作電壓。3.3.2 系統其

26、他部分電路設計(1)正反轉電機控制電路圖中SB3為停止按鈕，SB1、SB2分別為正反轉控制按鈕，常閉觸頭KM3、KM4為互鎖觸頭，以避免SB1、SB2同時閉合時可能造成的短路事故，常開觸頭分別完成各自的自鎖功能，確保電機在正傳或者反轉時能保持一段時間，也就是所謂的自保持。VKM3圖3-6正反轉控制電路圖(2)開/關設備控制電路圖3-7開關設備控制電路圖中SB1為停止按鈕，負責切斷設備電源，SB2為啟動按鈕，使設備投入電路開始運行，常開觸頭為自鎖觸頭完成設備的自保持。3.3.3 PLC部分電路設計該系統采用三菱公司生產的FX2-32MR型號的PLC,該控制器輸入輸出點各16個，分別選用2個FX-

27、4AD、一個FX-2DA特殊功能模塊完成模擬量的輸入和輸出過程，完成啟停的開關量信號全部由輸入繼電器分配，輸出的開關量信號用于驅動由接觸器控制的電機。模擬量由FX-4AD傳遞PLC,FX-4AD模擬量輸入通道未全部使用。通過FX2-DA輸出模擬量。溫度傳感器將4路溫度信號，通過對采樣周期的控制，對輸入的溫度信號不斷采樣4次，有效信號為其平均值，再對其值進行加權計算，計算方式為（y=alXl+a2x2+a3x3+a4x4,其中口al、a2、a3、a4為不同測溫點的測溫值）其他模擬信號處理方式與其相同。PLC系統控制電路圖如下：TOSB”U股肛/125£3SE'f4SB5K5&#

28、163;E氏/t67H1RM1I第4鱉COM(Y4J55Y5<M6Y6HtlC0M1¥10¥11FX4AD7H1二OMI?H2二0M2JOU3COM2FX-2ADJH1二。Hl計第機+A弘B觸發開關一C圖3-8PLC系統控制電路圖3.4 小結本章首先對系統所需硬件及其工作原理作了簡單介紹，其次對系統的主要電路圖進行了設計使讀者更直觀的了解系統的結構，其他部分電路及PLC的控制電路圖又單獨對其他模塊的結構和連接方式作了簡單說明為后續章節的系統軟件的設計作了充足的準備。第四章軟件設計一個系統功能的實現不但需要合適的硬件，而且與硬件相配的軟件對系統也非常重要，軟件主要功能是

29、完成對信息量的邏輯運算然后對硬件發出相應的動作指令使其動作，所以只有軟硬件配合緊密才能共同實現系統應有的功能。4.1 PLC的I/O分布圖該系統采用三菱公司生產的FX2-32MR型號的PLC作為系統的核心控制部件，其I/O接口分配如圖：表4.1I/O分配表信號類型名稱電路中編號PLC中地址信號回名稱電路中的編RPLC中地址數字輸入信號啟動按鈕SB1X0數字輸出信號環流風機KM1Y0停止按鈕SB2X1微霧加濕機KM2Y1轉換開關KHX2遮陰簾開KM3Y2環流風機開關SB3X3遮陰簾關KM4Y3遮陰簾開SB4X4天窗開KM5Y4遮陰簾關SB5X5天窗關KM6Y5總復位開關SB6X6報警鈴TLY6加

30、熱器1KM7Y10加熱器2KM8Y11表4.2數據寄存器分布編PD305-308D309D310D311D312D320D350D206功能4路溫度輸入濕度輸入1濕度輸入2光強輸入溫度控制加權溫度PID參數溫度給定4.2 系統程序4.2.1 系統溫度PID調節程序KOK30口300KICMPK2O10D300出00UQKOKOH111IKIFROMKOK5D305K4行RDMK30網2KICMPKSO1QD302第。7UQK2KOmxxwKIffROMK29K4M65OKI£T0格KlD313Ki?IDD206P320D3300313133圖4-1溫度PID調節程序4.2.2系統主程

31、序圖4-2系統主程序4.3 小結本章對系統所需的軟件進行了設計，PLC型號的選擇和I/O端口的分布之合理充分配合了系統的硬件，二者相互配合實現了系統應有的功能，程序梯形圖的成功編寫為該系統設計畫上了圓滿的句號。第五章結論大棚溫度自動控制系統是一種為作物提供最好環境、避免各種棚內外環境變化對其影響的控制系統。本文介紹的系統組成和功能如下：(1)硬件上，溫度、濕度和光照傳感器檢測大棚內外諸如溫度、濕度等環境因子，然后通過變送器將這些檢測到的模擬量轉化為電壓或者電流通過輸入端口輸入到PLC然后經過A/D轉化后到達其內部經過其對信息的處理完成對硬件的相應動作：遮陽系統根據系統的輸出信號完成遮陽降低大棚

32、內的光照量，環流風機動作使大棚內的空氣形成有序的流動以保證棚內空氣的均勻和穩定，從而能夠起到通風降溫的作用，天窗電機的正反轉實現對大棚進出空氣量的控制，微霧加濕機的動作在一定程度上增加了大棚內的濕度從而使溫度發生相應變化。(2)軟件上，PLC通過A/D轉化將傳感器檢測到的大棚內外的實時環境信號轉化為數字信號后與預先設定值比較，如果數值高于或低于預先設定值，報警電路就會報警，然后PLC對信息進行處理后相應的硬件動作，如果溫度在設定值，PLC就不會輸出信號，實現了對大棚溫度的自動控制。由于時間和所學知識有限，本系統的硬件和軟件可能做的不夠完善可能不能適應比較復雜的情況，主要是對溫度的自動調節，對于影響溫度的其他環境因子考慮可能不夠全面，建議后續工作能夠在實時性、精確性和擴展性等方面對系統進一步完善，為我國農業現代化的進程作出貢獻。參考文獻1張劍鋒.節能型日光溫室環境因子的物理模型及其評價D.南京：南京農業大學,2003.2李慧，劉毅.溫室技術的發展方向J.林業機械與土木設備,2004(3).3古文海，陳建.設施農業的現狀分析及展望J.農機化研究,2004(5):1