基于plc的大棚温室控制系统的设计Word文件下载.docx
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20世纪80年代末期出现了分布式的控制系统。
科技的发展带来的是生产力的解放,计算机技术的应用使温室控制更为精确,并且逐渐朝着无人化、智能化的方向发展。
我国对于温室控制技术的研究始于20世纪80年代。
我国工程技术人员大量吸取国外经验基础上,开始掌握了室内微机控制技术,但是这项技术仅仅只能控制温度、湿度和CO2浓度等单环境因子,从此之后我国的温室控制技术得到了飞跃式的发展。
到90年代中后期,在学习国外建造经验的基础上,我国开始尝试自主研发环境控制系统。
1995年,北京农业大学研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统,这个系统是以小型分布式数据采集来控制的系统。
1996年江苏理工大学研制成功了用工控机进行管理的植物工厂系统。
该系统能对较多的环境因素进行综合的控制,是国产化温室控制技术比较典型的成果。
90年代末期,河北职业技术学院研制了蔬菜大棚,能够对温度和湿度进行实时测量及控制。
当时我国农业现代化水平较低,农业劳动力过多,温室的建造投资太大,对工作人员的要求较高等成为了限制温室控制技术发展的主要因素。
本文目的在于探寻温室环境自动控制在实践中的应用,并且推动温室控制系统的发展进程。
1.3.3内容安排温室的建造采用了先进的科学技术可以有效的提高农作物的产量和经济效益。
本文在充分了解影响温室温度控制因素的基础上做出智能温室温度控制系统的总体设计方案。
系统由PLC作为设备核心构建而成,可以实现我们预期达到的要求。
本文对温室温度控制算法进行研究。
温室环境是个复杂的系统,根据这种情况,本文采用模糊算法进行数据的前期处理。
之后使用PLC网络组态方法,这样就解决了过程控制层和监控层之间通讯等问题,并且利用编程软件根据环境系统对温度控制的要求编写了监控程序,这样就能够实现远程监控、用户管理、报警记录、曲线显示等多项监控功能。
本文设计的系统大大提高了设备的利用率,降低耗能,而强大的扩展功能使其可以很容易的选用外围设备,这样就能提高系统的容错率大大降低了系统建造的难度。
第2章系统总设计方案1.1系统总体设计思路环境因素是影响植物生长的重要因素,而温室的建造使得环境这个重要因素得以改变,可以创造出更加好的环境让植物生长。
温室的主要作用就是来改变植物生长,它能避免恶劣天气对植物的影响达到促进植物更好的生长。
但是环境的更改我们需要考虑的很多,我们要主要分析哪些因素会对植物的生长起到作用。
经过我们不断的咨询和调查我们得出作物的生长环境主要是由温度、湿度、C02浓度、光照等因素构成,我们只是单独控制一种因素来控制温度是无法达到我们所想要的目的的,所以我们要考虑多种因素的综合控制。
2.2设计概要图温室是具有鲜明使用功能的农业型建筑,其构建涉及工程问题必须符合国家规定建造。
温室的主要作用是承载负荷、保温、防雨雪等作用。
传感器监测到温室中环境因素的变化时,会把监测到的环境信号传递给模糊控制器,模糊控制器对信号进行处理然后传递给MCGS组态进行数据的人机互动显示,最后传递给PLC,PLC对信号进行处理控制内部设备运作不断地改变温室的环境,使温度保持在一定的范围内。
本文设计的系统是以PLC为控制核心总体分为以下三个部分;
(1)信息采集系统,它包括温/湿度传感器、光照传感器和C02传感器主要是进行实时监测温室内的环境和执行设备工作时的反馈工作。
它是影响系统精确度的主要因素。
(2)智能控制部分,它主要包括了模糊控制器、MCGS组态(也是人机交互界面)还要系统最核心部分PLC。
信息采集系统把信号出输给模糊控制器,模糊控制器进行信号的处理(对PLC做出判断做出先前分析),模糊控制信号处理完毕然后传送给MCGS组态,MCGS组态做出趋势曲线、动画演示等进行人机信息交互,最后把信号传给PLC,PLC把信号与我们设定的值进行对比做出相应的判断,控制下一部分工作。
(3)系统执行部分,它包括最后的设备含有正反转设备和开关类设备,根据PLC给出的信号做出相应的反应控制温度等达到我们预想的目的。
最终信息采集部分在进行信息采集进行反馈然后重复上述步骤,进而达到智能控温的效果。
我们也可以进行手动或自动切换更加确保温度的准确性。
系统三个部分各有各的功能,它们的完美组合使得系统才能到达到我们所需要的目的,但是系统的运行过程中肯定会有误差存在。
信息采集系统是系统开始的第一步它们元件的质量是保证系统准确性的第一步,所以我们在选择信息采集系统的器件时我们第一位的应该是确保器件的质量在考虑器件的价格,信息采集系统直接影响了整个系统的准确性。
智能控制部分作为系统的第二部分起到了整个系统最核心的作用,它对系统准确性的影响(在我们先前校准完毕的情况下)不是特别大。
最后系统的执行部分对于系统准确性影响可以排在智能控制系统的前面,作为最终的执行机构它们承担着最终完成改变环境因素的职能,在他们工作的时候总是会产生热量会影响整个温室内部环境,可能在一段时间后设备会出现故障从而达不到我们想要的结果,这些都是系统存在的误差因素。
所以设计系统的时候应该加强对设备筛选和对控制系统的设计,尽量减少系统所产生的误差,确保系统的正常运行。
系统流程图如图2.1所示。
图2.1系统流程图第3章系统硬件方案设计3.1信息采集电路的设计3.1.1温/湿度传感器的选择本文选择的温/湿度传感器有两种一种是北京伊泰公司型号为IEC751和荷兰维拉公司型号为MMD30的产品。
北京伊泰公司型号为IEC751的技术参数是:
(1)绝缘电阻:
1000M
(2)适用范围:
-20500(3)湿度:
80%(4)电压:
10100V荷兰维拉公司型号为MMD30的技术参数是:
-20300(3)湿度:
20300V根据本文设计的系统,荷兰维拉公司型号为MMD30的温/湿度传感器它的电压范围更适合实际情况,它的电压阻值也小更适合系统要求所以我选择它。
温/湿度传感器外观图如图3.1所示。
图3.1温/湿度传感器外观图1.1.2光照传感器的选择光照传感器主要是实时采集光照的变化来控制开窗设备和光照设备的开关,使得植物得到的光照更加充足更好的生长。
光照度传感器有以下两种型号可供选择。
本文中选用的光照传感器的产品型号Poi88-c,其光照度传感器参数如下:
(1)量程:
O-200K1UX、O-20K10X、02000可选;
(2)供电电压:
24VDC12VDC;
(3)输出信号:
204mA,10VOV可选;
(4)精度:
2;
北京和润科技有限公司的光照度传感器参数;
O-200K1UX、O-20K10X、01500可选;
154mA,10VOV可选;
3;
根据系统要求北京易盛泰和科技有限公司产品型号Poi88-c光照度传感器精确度更准,更符合系统要求所以选择这个。
光照传感器外观图如图3.2所示。
图3.2光照传感器外观图3.1.3CO2传感器的选择CO2传感器的作用是检测CO2的浓度控制开关设备进行浓度调节,保证植物的正常生长。
C02传感器有弗加罗公司生产C02传感器和美国仪态和科技有限公司的C02传感器。
弗加罗公司生产C02传感器参数:
(1)测量范围:
05000ppm;
(2)使用寿命:
1500天;
(3)内部热敏电阻(补偿用):
100kQ5;
(4)使用温度:
一10+50;
(5)使用湿度:
595RH;
美国仪态和科技有限公司的C02传感器参数:
2000天;
由于美国仪态和科技有限公司的C02传感器比弗加罗公司生产C02传感器使用寿命更长性能参数相同所以我选择它。
C02传感器外观图如图3.3所示。
图3.3C02传感器外观图3.2主控制电路设计3.2.1PLC的选择PLC设备型号有两种选择一种是德国西门子的S7-200另一种德国西门子的S7-300两种,西门子设备应用比较广泛也是我们所学的设备所以我选择的都是西门子的设备。
S7-200型号的PLC具有的功能能够满足我们系统的需求,并且体积小节省空间,而且能应对比较复杂的环境具有很高的性价比,所以选择S7-200型号的PLC。
S7-300型号的PLC具有比S7-200更加强大的功能但是考虑到实际情况,S7-200型号的PLC已经符合我们的需求并且价格低廉所以我选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。
S7-200系歹UPLC包含CPU221、CPU222,CPU224,CPU226等类型。
根据本论文的设计要求选用的S7-200CPU226,CPU226是集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可以连接7个扩展模块,I/O端子排可进行拆卸。
I/O分配如表3.1所示。
表3.1I/O分配图信号类型PLC地址功能信号类型PLC地址功能10.0自动/手动切换Q0.0通风扇正转10.1启动开关Q0.1通风扇反转10.2停止开关Q0.2遮阳帘开帘10.7手动通风扇正转Q0.3遮阳帘关帘11.0手动通风扇反转Q0.4热风机启动输入信号11.1手动热风机启动输出信号Q0.5冷风机启动11.2手动冷风机启动Q0.6加热器启动11.3手动加热器启动Q0.7补光灯开启Q1.0CO2开关阀Q1.1指示灯3.2.2PLC内部接线图因为PLC本身受限制外部输出点的带负载能力比较低,如果直接带风机等负载输出触点容易坏,所以采用交流接触器作为接触原件,来间接的控制电动机等设备的启停以及它们的正反转。
阻容吸收电路组成是由一个500Q和一个0.1nF/400V的电容串联而成。
EM231具有四路模拟量输入,电流、电压都可以是它的输入信号,电流对于噪声敏感度不高,所以选用4到20mA的电流作为传输信号,同时还可以避免传输线路的损耗。
电流在输入时进入端需将“R”与“+”短接,流出端为,并将SW1、SW2、SW3三个开关分别设定为“ON”、“ON”、“OFF”。
EM231的接口电路图如图3.4所示图3.4EM231的接口电路图3.2.3模糊控制器设计原理模糊控制器本身存在一个知识库一般是由两部分组成,一部分是数据库一部分是规则库,数据库是历史数据的集合,而规则库是根据人们对于温室温度控制的经验而建立,能够做出像人们对于温室控制的一种直觉推理,从而做出规则控制。
信号进入模糊控制器后会进行模糊化处理在以知识库作为参考依据的前提下对信号做出处理。
最后反模糊化是把输出的模糊输出量转变成实际输出量,最终为系统有效的控制温室内的温度提供最先一步的处理。
模糊控制器原理图如图3.5所示图3.5模糊控制器原理图3.3系统执行部分设计系统执行部分一般可以分为两部分,一部分是可以进行正反转的电机设备,另一部分是开关控制的开关类设备。
3.3.1正反转部分设计正反转设备有侧窗电机、连续开窗、遮阳系统等,由于系统的要求它们使用的电机功能参数相差不大所以可以使用同一种正反转电机。
正反转电机有两种一种是碧凯公司WN系列电机另一种是德国福玛特公司的町系列电机。
碧凯公司WN系列的减速电机输出转速:
6.9460r/min输出转矩:
高至1500Nm电机功率:
0.124Kw安装形式:
底脚安装法兰安装。
德国福玛特公司的町系列电机采用高精度齿轮,并配有油封防止进水,0型环密封式齿轮箱,采用润滑脂浴润方式,具有噪音低,使用寿命长、体积小、功率大等特点。
减速范围比较宽广,减速比1:
31:
1500。
减速电机输出转速:
4.0290r/min输出转矩:
高至1300Nm电机功率:
根据本文设计系统的要求和实际情况我选择碧凯公司WN系列电机,它的性能更加强大性价比比较高。
由于正反转电路的控制电路相差不大,现在以遮阳系统为例做出系统控制电路介绍。
遮阳系统电路中的热继电器FR2是电机的过载保护,主要当遮阳系统因为外界原因关闭不了或打不开的情况。
熔断器FU2起到过电流保护的作用。
而KM3、KM4在电路中起到控制电机正转与反转的功能。
遮阳系统主电路图如图3.6所示。
图3.6遮阳系统主电路图3.3.2开关类设计加热器、热风机、发光体、冷风机等属于开/关设备,它们控制电路大体相同,所以现以热风机为例,做以下介绍。
热风机主要的功能是控制电机的通断电来实现,、继电器来控制风机,由热继电器、熔断器来实现电路中的短路保护、过载保护、过流保护。
热风机系统主电路图如图3.7所示图3.7热风机系统主电路图3.4系统主电路图系统主电路硬件中天窗电机、侧窗电机、遮阳电机功率有所不同都同意配有限位开关,然后通过电机的正转,反转及停止来完成相应的功能的开启及闭合。
所以它们的主电路都是相似的。
传感器、微雾加湿器、热风机、湿帘风机、湿帘水泵、补光灯都是输入开关设备。
在系统接线图中QK是闸刀开关作用是控制整个主电路的启停,QF1-QF8为断路器起到保护线路和电机作用,FU1是熔断器起到保护电路短路或过载的作用。
FR1-FR8是热继电器主要是对电机起到过载保护的作用,KM1-KM13是交流接触器主要作用是控制电机的正反转、启动、停止和其余设备的开关。
系统主电路图如图3.8和3.9所示。
图3.8系统主电路图图3.9系统主电路图第4章系统软件方案设计4.1STEP7Micro/Win软件简介STEP7-Micro/WIN编程软件功能强大同时连接方式也比较简单利用一根PC/PPI电缆就可以建立起计算机和PLC之间的通信关系。
这是一种单主站通信方式,不需要其他硬件设备,在加上汉化后的程序,可在全汉化的界面下进行操作,是西门子PLC用户不可缺少的开发工具。
STEP7-Micro/WIN主界面如图4.1所示。
图4.1STEP7-MicroAVIN主界面图4.2STEP7-Micro/WIN编程软件主要功能STEP7-Micro/WIN编程软件可以实现以下功能。
(1)当脱机(离线)是可以创建用户程序,修改和编辑原来的程序。
(2)当联机(在线)时可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行操作,如上载、下载组态数据和用户程序等。
(3)可以在编辑程序的过程中同时进行语法的检查。
(4)对用户程序可以进行加密处理和文档管理等功能。
(5)可以设置PLC的参数、工作方式和运行监控等操作。
4.3STEP7-Micro/WIN编程方法由于在使用STEP7-Micro/WIN编程软件编辑程序的过程太过于繁琐,所以在此只能做出简单介绍。
(1)首先我们先打开STEP7-Micro/WIN编程软件,进入主界面。
(2)我们单机浏览栏中的程序块按钮,这样我们就进入了梯形图编辑串口。
(3)在编辑梯形图的窗口中需要我们把光标定位好。
(我们即将输入编程元件的地方)(4)这是我们可以直接在指令栏中找到我们所需要的指令直接点击,这样我们所需要的指令会直接插入到我们光标所在的位置。
例如我们点击常开触点指令。
这时梯形图窗口中就会有常开触点的指令,还需要在?
处输入10.0。
常开触点指令如图4.2所示。
图4.2常开触点指令4.4PLC系统软件介绍
(1)系统自动/手动切换10是启动开关,10.0是自动/手动切换控制,QL1是控制灯,当10.1=1,Q1.1得电,这时10.2是停止开关,10.0=0,10.1=1时,中间继电器M0.1得电,系统选择的运行方式为手动模式。
10.0=1,10.1=1时,中间继电器M0.0得电,系统选择的运行方式是自动模式;
系统自动/手动切换梯形图如图4.3所示。
(2)系统温度控制系统运行方式为自动模式时,温度传感器把监测到的环境信号输入到模糊控制器中,模糊控制器做出比较输出给MCGS组态,MCGS组态把信号输入给PLC,PLC将温度传感器检测到的值AIWO与设定值“25度”进行比较,AIW025时,中间继电器M0.2得电,启动降温设备;
当AIW025时,中间继电器MO.3得电,启动升温设备。
系统自动温度控制梯形图如图4.4所示。
图4.4系统自动温度控制梯形图系统的运行方式为手动模式时,直接通过按钮进行控制就可以了。
系统手动温度控制梯形图如图4.5所示。
图4.3系统自动/手动切换梯形图自动模式下,温度传感器测量的值高于设定的值时,中间继电器M0.2会得电这时控制通风扇正转,手动模式下,将单刀双掷开关拨至“通风扇正转”,中间继电器M0.4得电,通风扇正转。
系统通风扇正转梯形图如图4.6所示。
图4.6系统通风扇正转梯形图通风扇反转的原理与通风扇正传原理相同,这里就不多做介绍。
系统通风扇反转梯形图如图4.7所示。
图4.7系统通风扇反转梯形图图4.5系统手动温度控制梯形图系统运行方式是自动模式下,温度传感器测量的值低于设定的值中间继电器M0.3得电,热风机启动;
手动模式下,按下热风机启动按钮,中间继电器M0.6得电,热风机启动。
系统热风机启动梯形图如图4.8所示。
图4.8系统热风机启动梯形图系统运行方式为自动模式时,温度传感
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