基于PLC的溫室大棚智能控制系統(tǒng)設計

目錄[6]。圖3.1數(shù)字量與模擬量輸入元器件描述數(shù)量遮陽行程開關2開關12濕度傳感器1溫度傳感器1光照強度傳感器2二氧化碳傳感器1土壤肥力檢測儀1由上表格分析可知需要12路數(shù)字量輸入通道和8路模擬量輸入通道圖3.2輸出量元器件描述數(shù)量加濕器1除濕器1熱風機1通風電機2遮陽電機1滴灌1施肥器1陽光生物燈1由上表分析可得此系統(tǒng)需要9個輸出量。根據以上兩個表格的分析，本系統(tǒng)需要總共20個輸入量和9個輸出量，因此PLC智能控制器選擇西門子S7-2006ES7288-1ST20-0AA136輸入/24輸出的那款機型，這款機型在符此系統(tǒng)需求的情況下最大程度節(jié)省了成本。圖3.3西門子S7-200PLC3.3傳感器選型智能溫室大棚想做到精確的改變到合適的環(huán)境條件，要首先知道目前大棚內部的環(huán)境情況是什么的，因此大棚內部的傳感器尤為重要，本系統(tǒng)內要用到二氧化碳傳感器、光照強度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、土壤肥力檢測儀等來測量和監(jiān)測大棚內部的環(huán)境情況，傳感器與PLC控制器模擬量輸入模塊直接連接，讓PLC直接讀取傳感器數(shù)據，根據傳感器的數(shù)據來讓整個大棚實現(xiàn)環(huán)境條件的時時處于需要的情況。（1）土壤肥力傳感器本系統(tǒng)采用JXBS-3001-SCY-EC型土壤肥力檢測儀來檢測土壤的肥力，如圖3.4所示。JXBS-3001-SCY-EC型土壤肥力檢測儀優(yōu)化了線路結構與算法，自帶參數(shù)補償功能，提高了測量精準度，加快了測量速度，提升了測量效率。適用于農作物種植業(yè)等領域，其參數(shù)如下：測量范圍：0～9999us（±100us）反應時間：<5s防護等級：IP68工作溫度：-20℃～+60℃圖3.4土壤肥力傳感器（2）溫度傳感器本系統(tǒng)選用SIN-WZP-Pt100型號的溫度傳感器來檢測大棚內部的時時溫服情況如圖3.5所示。SIN-WZP-Pt100型號的溫度傳感器采用德國久茂進口芯片，50ms的瞬時響應速度，測量誤差小，同時采用鍍銀屏蔽線可以有效的抗干擾，抵擋大棚內部其他電器元件對溫度傳感器造成的影響，SIN-WZP-Pt100型號的溫度傳感器的規(guī)格比較多，其穩(wěn)定性能也高，方便在大棚的各個位置安置。其參數(shù)如下：測溫范圍：-50～+200℃溫度系數(shù)：TRC=3850ppm/k防護等級：IP68（完全防水）自然系數(shù)：0.4k/mw（0℃時）絕緣阻值：大于100MΩ（20℃時）大于2MΩ（500℃時）穩(wěn)定性能：RO≤0.04%/年圖3.5溫度傳感器（3）濕度傳感器本系統(tǒng)選用RS-WS-N01-SMG-1型號的濕度傳感器，來檢測大棚內部的濕度情況，如圖3.6所示。其防水性能為IP65，防水性能好，其探頭耐高溫最高可在120℃中測量，最低能在-50℃的環(huán)境中進行測量。其參數(shù)如下：濕度精度：2%RH（60%25℃）濕度量程：0%RH～80%RH濕度分辨率：0.1%RH設備功耗：≤0.5W直流供電：DC10-30V圖3.6濕度傳感器（4）二氧化碳傳感器本系統(tǒng)采用RS-CO2-I20-2D(5000P)型號的二氧化碳濃度傳感器，來檢測大棚內部的二氧化碳濃度，如圖3.7所示。二氧化碳濃度對于大棚內部農作物生長特別重要，不僅對于農作物重要，其濃度過高時，人在不知情的情況下貿然進去大棚容易導致二氧化碳中毒，因此對二氧化碳濃度傳感器的精度和靈敏度的要求較高，RS-CO2-I20-2D(5000P)型號的二氧化碳濃度傳感器測量精準長期穩(wěn)定性好漂移小，其自帶溫度補償，可以減少因為大棚內部溫度調節(jié)而導致測量出錯的情況，其防護等級較高，能夠長期使用于惡劣的環(huán)境中，因此，大棚內選用此款二氧化碳濃度傳感器。其參數(shù)如下：功耗：0.3W量程：0～10000ppm工作環(huán)境：-10℃～+50℃精度：±（40ppm+3%F·S）（25℃）響應時間：<30s（擴散）供電：10-30VDC圖3.7二氧化碳傳感器（5）光照強度傳感器本系統(tǒng)光照傳感器采用SM2161B型號這款來采集大棚內外的光照強度，如圖3.8所示。該光照強度傳感器有較好的抗彎、抗壓和抗沖擊的能力，可以通過掛壁的方式直接安裝在大棚的內外側。其內部的數(shù)字式光照度檢測器可以做到穩(wěn)定、可靠和零漂移的檢測光照強度。其技術參數(shù)如下：測量精度：±7%測量量程：0-65535Lux/200000Lux運行溫度：-40℃～+85℃，0～80%RH波長測量范圍：380～730nm圖3.8光照強度傳感器3.4控制元件選型溫室大棚想完成對大棚內部環(huán)境的改變，不僅僅需要傳感器來檢測大棚內部的環(huán)境狀況，還需要執(zhí)行元件來調節(jié)大棚內部的環(huán)境條件，因此，執(zhí)行元器件在本系統(tǒng)中也是非常重要的，好的執(zhí)行元器件能夠做到精準、及時、迅速的對大棚內部的環(huán)境進行快速的調節(jié)，使得大棚內的農作物能夠一直處于所需要的最佳生長環(huán)境中，執(zhí)行元器件除了要能夠做到迅速調整大棚內部環(huán)境狀態(tài)外，還需要做到耐用抗干擾的特點，本系統(tǒng)用來調節(jié)大棚內部環(huán)境狀態(tài)的執(zhí)行元器件由除濕器、滴灌設備、熱風機、風機等構成。（1）加熱器本系統(tǒng)選用TSD-16-20型號的加熱器來為大棚加熱內部溫度，讓大棚內能在寒冷的時候維持較高的溫度，如圖3.9。此款加熱風機所能有效加熱的范圍廣闊，能夠達到200平方米，并且能夠保持住恒溫的狀態(tài)，不會因為加熱時間長而導致大棚內的溫度高于所設溫度或低于所設溫度，此型號加熱風機的出風量大，能夠快速改變大棚內部的環(huán)境情況。外表IPX4級防塵防水，能夠適用于大棚內部的各種環(huán)境條件，其參數(shù)如下：功率：50000W電壓：220V風量：1100m3/h使用面積：250～300m2圖3.9加熱器（2）除濕器本系統(tǒng)選用的除濕器為多樂信DR-1502L型號的除濕器來為大棚內部除濕，如圖3.10所示。濕度對于農作物的生長很重要，過高或者過低都是影響其呼吸，減少其生命活動，而本系統(tǒng)所選的多樂信DR-1502L型號的除濕器具有除濕量大的迅速的特點，可以幫助大棚快速且長時間改變環(huán)境狀態(tài)。并且此型號的除濕器對環(huán)境的適應性強，可以長期放在大棚內部進行除濕，不需要經常維護，且有低溫化霜的功能，具有一定降低大棚溫度的功能，達到一機兩用的功效其參數(shù)如下：濕度控制精度：±3%濕度調節(jié)范圍：10%～90%工作溫度：5～38℃峰值功率：1960W制冷量：4200W除濕量：110L/D(30℃80%RH)圖3.10除濕器（3）排風扇本系統(tǒng)采用AX250型號的排風扇，排風扇將在本系統(tǒng)中起到通過通風來降低大棚內部溫度的效果，和通過通風來達到降低大棚內部濕度的效果，排風扇如圖3.11所示。選用此型號的排風扇因為其成本低，且具有風量大的特點，其本身也帶有一定的除濕功能可以與除濕器一同使用達到快速除濕的作用。并且此型號的排風扇安裝簡單，占地小，重量輕，在大棚內可以輕松安裝，其功率低比較省電，在條件允許的情況下可以長時間用來給大棚降低二氧化碳通風排氣的作用。其參數(shù)如下：風量：19.2m3/min適合面積：42～84m2轉速：2000～2500r/min風壓：400～550Pa功率：170W圖3.11排風扇（4）電子閥門電子閥門主要用于現(xiàn)場滴灌系統(tǒng)和二氧化碳施肥系統(tǒng)中，通過開關電子閥門來實現(xiàn)放水滴灌和釋放二氧化碳氣體的功能，本系統(tǒng)選擇FPD-90A型號的電磁閥，如圖3.12所示。此型號的電子閥門為常閉式閥門，純銅結構耐用抗腐蝕，內置過濾網，防止水中小顆粒通過從而導致堵塞滴灌設備。其參數(shù)如下：供電：DC24V圖3.12電子閥門（5）二氧化碳發(fā)生器本系統(tǒng)選用glt-a貨號的二氧化碳發(fā)生器，來為溫室大棚內部增加二氧化碳濃度，如圖表16所示。此貨號的二氧化碳發(fā)生器自帶泄壓閥，可以防止制造的二氧化碳過多從而導致的安全隱患。圖3.13二氧化碳發(fā)生器3.5I/O配置PLC控制器的I/O就是PLC控制器的輸入與輸出接口，在進行PLC程序編寫的時候，程序內部會對不同的硬件設置不同的對應的I口和O口，就是對應的信號輸入口與信號輸出口。本系統(tǒng)中的傳感器元器件都是使用的信號輸入口，只有將對應的傳感器連接在對應的信號輸入口，PLC控制器才能夠識別如讀取傳感器中的數(shù)據，例如將溫度傳感器連接在了濕度傳感器的接口，PLC控制器就無法正確讀取數(shù)據，導致整個系統(tǒng)出問題。但是按鈕的信號輸入口沒有這種要求。信號輸出口也要按照程序的設置進行連接，連接錯誤不會導致程序識別不出數(shù)據的情況，但是會導致系統(tǒng)調控出現(xiàn)問題，不能按照當前所需來開關對應的設備。因此，當PLC的程序編寫出來后，絕對不能出現(xiàn)連接錯誤的情況。圖3.14PLC控制器I/O分配表元器件描術I/O配置啟動I0.0停止I0.1手動自動選擇I0.2手動加熱I0.3手動加濕器I0.4手動開窗I0.5手動關窗I0.6手動啟動遮陽網I0.7手動收起遮陽網I1.0手動排風I1.1手動循環(huán)風機I1.2手動生物燈I1.3手動CO2補充I1.4手動滴灌I1.5手動施肥I1.6窗開到位I1.7窗關到位I2.0遮陽網開到位I2.1遮陽網關到位I2.2加熱故障I2.3加濕故障I2.4窗電機故障I2.5遮陽電機故障I2.6排風風機故障I2.7循環(huán)風機故障I3.0圖3.15PLC控制器模擬量輸入I/O分配圖元器件描述I/O配置溫度傳感器AIW0濕度傳感器AIW2日照傳感器AIW4CO2傳感器AIW6土壤濕度傳感器AIW8電導率AIW10圖3.16PLC控制器輸出I/O分配圖元器件描述I/O配置加熱Q0.0加濕器Q0.1開窗Q0.2關窗Q0.3啟動遮陽網Q0.4收起遮陽網Q0.5啟動排風風機Q0.6循環(huán)風機啟動Q0.7啟動陽光型生物燈Q1.0啟動CO2補充電磁閥Q1.1啟動滴灌Q1.2啟動施肥Q1.3自動運行Q1.4故障指示燈Q1.5溫度高報警指示燈Q1.6溫度低報警指示燈Q1.7濕度高報警指示燈Q2.0元器件描述I/O配置濕度低報警指示燈Q2.1日照高報警指示燈Q2.2日照低報警指示燈Q2.3CO2高報警指示燈Q2.4CO2低報警指示燈Q2.5土壤濕度高報警Q2.6土壤濕度低報警Q2.7電導率高報警Q3.0電導率低報警Q3.1

第四章溫室大棚智能控制系統(tǒng)軟件設計4.1編程語言簡介西門子S7-200PLC的梯形圖是用MircoWin/Step7軟件進行程序編寫的，PLC編程所用的最多的語言是梯形圖，因此梯形圖也被稱作為PLC的第一編程語言。而PLC的編程語言之所以叫做梯形圖，是因為其程序是一行一行的，一行沿著一行接下去的，形狀像梯子一樣，所以被稱為梯形圖。而PLC梯形圖程序的編寫和C語言之類的程序編寫不一樣，PLC的程序相對C語言來說是圖像化的，其編寫時是按照從上到下，從左到右的順序進行編寫的。左邊的是驅動元件即信號輸入，右邊的是執(zhí)行部分，即信號接收。在歷史的發(fā)展中，PLC程序編輯器對梯形圖的編程，依舊保留使用的繼電器控制電路的樣式,而梯形圖語言是在經典的繼電器和接觸器邏輯控制系統(tǒng)基礎上簡化了符號發(fā)展出來的,有形象、直觀、實用等優(yōu)點,從事于電氣科研的人員與技術人員相對來說比較容易接受,所以梯形圖是目前使用上最多的一個PLC的編程語言。在PLC程序圖中,左、右母線連接方式類似于傳統(tǒng)繼電器和接觸器的控制供電線路,圖4.1梯形圖4.3系統(tǒng)流程圖4.2流程圖當系統(tǒng)開機開始運行時，會首先檢測PLC控制器內部當前是否時初始化的情況，如果是初始化沒有設定數(shù)據的情況，控制器會提示讓先進行數(shù)據的設置，數(shù)據的設置包括各種環(huán)境參數(shù)的測量范圍以及各參數(shù)的設定值與控制調節(jié)時的偏差值。如果系統(tǒng)不是初始化的情況，系統(tǒng)將進入到下一步，讀取當前傳感器傳輸來的模擬量，與PLC內設定的數(shù)值進行比較，比較過后，系統(tǒng)會對當前的操作模式進行檢測，如果是手動模式，系統(tǒng)不會自動進行下一步調控，如果系統(tǒng)監(jiān)測目前為自動模式，則會自動啟動對應的各部分執(zhí)行元器件來調節(jié)大棚內部的環(huán)境情況。在啟動執(zhí)行元器件的時候，系統(tǒng)會監(jiān)測執(zhí)行元器件是否故故障，如果執(zhí)行元器件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會停止硬件的運行，并且進行報警。硬件執(zhí)行系統(tǒng)如果沒有故障正常運行，系統(tǒng)會根據傳感器在調節(jié)環(huán)境的時候傳來的數(shù)據選擇繼續(xù)運行執(zhí)行元器件來使大棚達到所設定的環(huán)境條件還是目前已經達到所示條件而停止運行執(zhí)行元器件。4.4PLC梯形圖設計本系統(tǒng)PLC梯形圖因為比較復雜且繁瑣，經過分析，選擇分為模塊化編寫，一個執(zhí)行元器件一個模塊。這樣技能方便進行編寫，同時也能清楚的知道此部分的程序是用來驅動什么元器件的，在系統(tǒng)運行時某個部分出問題時能夠快速的找到對應的程序部分，方便及時改寫與優(yōu)化程序。4.4.1參數(shù)模塊圖4.3參數(shù)梯形圖圖4.4讀取梯形圖圖4.5范圍梯形圖第一個模塊的程序是用來讀取事先在PLC內設定的環(huán)境參數(shù)，而這個事先設定的參數(shù)是根據當前溫室大棚內種植的農作物來決定的，或者大棚內將要種植的農作物來決定的，本文以種植大豆為例，大豆在成長后對溫度的需求是在11度左右，，因此本系統(tǒng)設的溫度參數(shù)為11度，其控制范圍參數(shù)范圍為11℃～16℃。大豆生長時土壤的水分要保持在55%左右，所以濕度參數(shù)設置為55%，其控制參數(shù)范圍為55%～60%，隨后此部分模塊會監(jiān)測系統(tǒng)此時是否為初始化的狀態(tài)。然后進行讀取傳感器的模擬量數(shù)據，隨后將讀取的模擬量如設定量進行對比，并在設定的控制范圍內進行對比。4.4.2溫度模塊圖4.6溫度模塊梯形圖此模塊負責溫室大棚內部的溫度加熱部分。系統(tǒng)根據傳感器傳來的數(shù)據與設定的數(shù)據進行對比后，來決定是否啟動大棚的加熱系統(tǒng)，當監(jiān)測到的溫度低于11℃時，系統(tǒng)會打開加熱器來加熱大棚將大棚內部的溫度升高，當大棚內部的溫度重新處于11℃～16℃時，系統(tǒng)將會停止加熱器的使用，加熱器可以手動進行控制，當手動控制時，系統(tǒng)會斷掉對加熱器的控制，使手動控制優(yōu)先于自動控制，當溫度處于11℃～13℃時且此時大棚濕度過高，系統(tǒng)會低功率運行加熱器就行輔助除濕，在輔助除濕的時候系統(tǒng)會同時低功率運行風機，防止因為輔助除濕導致溫度過高。當大棚內部溫度高于13℃時，加熱器不會進行輔助除濕。4.4.3加濕模塊圖4.7加濕模塊梯形圖此模塊負責大棚內部的濕度加濕部分。系統(tǒng)會根據濕度傳感器與系統(tǒng)的數(shù)據對比后來決定啟用此部分，當大棚內部的濕度低于55%時，系統(tǒng)會啟動此部分，來為大棚加濕，當濕度處于55%～60%時，此模塊會被停用，加濕模塊在大棚濕度處于55%～58%時且大棚內部的溫度超過16℃時，會進行輔助降溫，此模塊將會被重新啟用，當大棚溫度達到16℃時此模塊會停止運行。4.4.4風機模塊圖4.8風機模塊梯形圖此模塊為本系統(tǒng)的風機模塊，負責大棚內的許多功能，例如通風、降低大棚內部溫度與降低二氧化碳濃度的功能，當大棚內部的溫度高于16℃時此部分就會運行，用來降低大棚內部的溫度，但是此部分在大棚內部濕度低于55%時大鵬溫度過高也不會開啟，而是先開啟大棚內部的加濕系統(tǒng)來增加大棚內部的濕度，當濕度達標后才會運行，當大棚內部濕度降低到16℃時，此模塊會停止，其負責降低大棚內部濕度的時候，當監(jiān)測到大棚內部濕度高于60%且溫度不低于11℃時，系統(tǒng)會打開此模塊，當大棚內部溫度低于11℃時，此模塊不會開啟，系統(tǒng)會先開啟大棚的加熱模塊進行加熱同時做到輔助除濕的作用，當溫度超過11℃時，此模塊會開啟，當大棚內部濕度低于60%時，此模塊就會停止運行，此部分同樣具有手動控制與自動控制的功能。當選擇手動控制此部分時，可以根據大棚當前情況來給大棚進行通風。4.4.5補光模塊圖4.9補光模塊梯形圖此模塊負責本系統(tǒng)的補光模塊，用來調節(jié)大棚內部光照強度太低的情況，當傳感器的數(shù)據低于PLC設定的光照強度參數(shù)時，此模塊將會啟動來增加大棚內部的光照強度，當大棚內部的光照處于正常值的范圍時，此模塊將會停止，此模塊同樣具有手動控制模式，手動控制模式主要是當人工需要增強光照時啟動，正常很少使用。

第五章基于PLC溫室大棚智能控制系統(tǒng)的安裝與調試5.1硬件系統(tǒng)調試對現(xiàn)場的硬件設備進行連接后，通過手動的控制來檢測每個硬件設備能否正確且正常的運行，在檢測過程中，手動開關執(zhí)行元器件，每個元器件都能夠正常的發(fā)揮其作用，隨后通過PLC智能控制來嘗試啟停執(zhí)行元器件，經檢測，PLC控制器可以正常啟停執(zhí)行元器件，之后對各個傳感器元件進行測試，溫室大棚內部想完成精準調節(jié)，傳感器是非常重要的，首先將傳感器連接到PLC上進行數(shù)據測量，隨后人工干涉環(huán)境，查看PLC上傳感器傳來的數(shù)據有沒有改變，再用任用測量儀器測量環(huán)境，測量出來的數(shù)值與PLC中傳感器傳來的數(shù)據對比，來分析傳感器傳來的數(shù)據是否精確。經過測量，各硬件運行全都正常，通過現(xiàn)場的實驗，硬件系統(tǒng)可以對大棚內的環(huán)境進行一個快速的調整。5.2軟件系統(tǒng)調試系統(tǒng)的軟件程序是用MircoWin/Step7軟件進行程序編寫的，其編寫的梯形圖可以在MircoWin/Step7軟件線性模擬跑一便看看有沒有問題，經過MircoWin/Step7軟件的測試，系統(tǒng)的梯形圖沒有問題，然后將梯形圖上傳到PLC中，進行現(xiàn)場的自動化測試，經過一系列的實驗，軟件系統(tǒng)可以快速反應，實現(xiàn)自動化控制大棚內部的環(huán)境狀態(tài)，并且其手動控制的程序也能夠正常使用，其手動控制時會斷掉自動控制的線路，因此手動控制不會影響自動控制，自動控制也不會影響手動控制。5.3智能溫室大棚整體調試溫室大棚整體的調試采用組態(tài)軟件進行監(jiān)控，系統(tǒng)各種狀態(tài)通過組態(tài)指示燈來分辨系統(tǒng)目前處于什么狀態(tài)中。經過調試，現(xiàn)場的硬件設備都能夠正常運行，并且現(xiàn)場自動與手動的控制互不影響，通過網線的連接可以實現(xiàn)短距離遠程控制，圖表SEQ圖表\*ARABIC圖表SEQ圖表\*ARABIC19監(jiān)測畫面圖5.1監(jiān)測畫面由于現(xiàn)場環(huán)境比較穩(wěn)定，不清楚整體系統(tǒng)會不會出錯，因此實驗中采用人工干預環(huán)境的方式來突然改變環(huán)境狀態(tài)，PLC控制器在突然接到環(huán)境變化的時