电气自动化论文.doc

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1、毕业设计（论文）题 目 基于PLC的温室大棚控制 系 （院）自动化系专 业电气自动化技术班 级2009级2班学生姓名王召建 刘瑞超臧远超 徐宏 赵亚全 学 号2009022268 2009022269 2009022328 20090223322009022343指导教师孔德平职 称助 教二一二年六月 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标

2、明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 二一二年六月毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一二年 六 月 基于PLC的温室大棚摘 要 讨论了在温室控制中引入PLC技术构成分布式控制系统的方法，详细介绍了系统的特点、组成、硬件设计、实时动态监控

3、系统及通信问题。分布式的控制结构，使各子系统相对独立，管理与控制功能分开，易于实现群控化管理，提高了系统的可靠性，且易于扩展。系统成本低廉，性能稳定，通用良好，符合中国国情，具有广泛的应用前景。关键词：PLC；传感器；控制器；程序设计；温室大棚 The Green House Design for PLCAbstract Automation is the inevitable trend of development for the future, not only the work and life. The programmable controller is referred to a

4、s PLC, PLC reliability, environmental adaptability, versatile, easy to use, simple maintenance, PLC application is rapidly expanding. The early PLC, where the relay can be used. PLC today can almost be said to those who need to control the system will need to PLC. The design is to write the PLC prog

5、ram by setting greenhouse control, reduce labor, increase production efficiency, automate!Key words: PLC; sensors; controllers; program design 目 录第一章 绪论1.1 课题背景.41.2 课题研究的意义.41.3 温室环境的主要特点.41.4 课题的主要研究工作.51.5 PLC的现状.5第二章 基于PLC设计的整体方案2.1硬件整体设计方案.62.2软件整体设计方案.6第三章 系统设计3.1 设计的总体目标.63.2 设计的控制原则.73.3 设计的

6、控制方案.73.4 控制系统硬件组成.73.4、1 PLC的选择.83.4、2 PLC机型和容量的选择步骤与原则.83.5 传感器的选择.113.6 信息采集系统.123.7 执行机构.14第四章 软件部分4.1 梯形图4.2 指令表结论 参考文献 谢词第一章 绪论 前言智能温室系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感器技术等高科技手段发展起来的。自上世纪90年代以来，我国农业工程技术人员在吸收发达国家科技温室生产技术的基础上，对温室内温度、湿度、CO2浓度等环境因子的控制技术的研究，研发了我国自己的智能温室控制系

7、统。 1.1研究背景“工厂化农业关键技术研究与示范现代大型温室标准化栽培技术体系研究与产业化示范”被列为国家重点科技攻关内容并成功结题。为了推广温室技术，国家农委强调在每一个地区都要建立温室示范工程。因此，智能温室控制技术有巨大的市场空间。山东省处于中国的中部，占据重要的位置，是全国的蔬菜种植地，研究温室的智能控制是很有意义的。 1.2研究意义近年来，农业作为国家优先发展产业正受到各级政府的高度重视，增加农民的收入是我们国家当前的基本国策，农业现代化是我们追求的目标，基于计算机和自动化技术的智能温室是农业现代化的一个标志。智能温室控制系统将实现对农业生产的标准管理。通过控制器实时监测温室内温度

8、、湿度，与普通简单温度湿度测量相比，更准确可靠。人们能够通过这些监测手段实时准确地了解情况，完成相关设备的调节，避免了监测误差和监测滞后带来的损失。智能温室将自动化技术引进了农业生产，为农业科研活动提供了有利的科学手段。通过参数设置及自动数据记录，为农艺工作者完成相关农艺科研，了解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方法的改进都提供了简便、准确的手段。1.3温室系统主要特点非线性系统。温室内部的气候处于热平衡混沌状态。大量随机的、不确定的因素使得对其精确建模比较困难。分布参数系统。由于温室面积比较大，造成温室内部各个物理量的分布是不均匀的。比如温度，温室内部各点温度都不一样，四周一般都比较

9、低，顶部和底部的温度也有一定的差别，其值的大小依赖于空间位置和气流方向等因素，在温室中气候分布是缓慢变化的。时变系统。作物在生长周期的不同阶段，其光合作用能力、吸热散热能力等均有差别。因而，温室系统是一个参数随着时间变化的动态系统。时延系统。对与外界所施加的作用，温室系统并不立即响应，而是经过一段时间的延迟才响应。比如，在温室加热系统中，对系统加热，热量传到温室的各个部分需要经过很长一段时间的延迟，温度才会有所提高。多变量耦合系统。温室系统是一个多输入多输出系统，系统各变量之间并不是相互独立，各个子系统的控制回路彼此耦合在一起，对控制任一目标的控制都会影响其他目标的变化。 1.4、1研究内容和

10、方法（1）根据影响植物生长的因素，选择作物环境条件的实时检测系统和智能温室控制系统两部分。自动检测系统包括：温度、湿度、CO2浓度等传感器与变送器。智能控制系统包括：通风机控制、喷灌控制、锅炉加热鼓风机的控制、CO2释放器电磁阀的控制等。（2）根据检测和控制的对象，采用PID控制算法建立温室温度参数控制系统的数学模型，使用MATLAB进行仿真测试。（3）研制基于PLC的温室智能控制系统（4）开发智能温室组态监控界面。1.4、2要解决的关键问题（1）采用PID控制算法建立温室温度参数的数学模型（2）室内温度、湿度、CO2浓度等环境条件的自动检测和控制技术。（3）开发功能完善、成本低、可靠性高和扩

11、展性好的温室自动系统的硬件和软件系统，为温室生产普及创造条件1.5 PLC的现状目前 PLC 数值模拟研究不仅在工作而且在生活中也有广泛应用，本节将从工作中运料中介绍。PLC以后会覆盖各个领域，会让更多危险领域实现无人操作。可编程控制器 PLC对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的推广应用。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。（1）可靠性高，抗干扰能力强 （2）配套齐全，功能完善，适用性强（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎 （4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 （5） 体

12、积小，重量轻，能耗低第二章 基于PLC设计的整体法案2.1硬件系统的组成 采用上位机计算机和下位机西门子PLC组成分布式智能温室控制系统的硬件部分，即两级监控系统。上位机控制系统负责对温室进进行监控和参数的设定。下级以PLC为核心的控制单元，负责温度参数的信息采集、系统逻辑运算并对调控设备进行控制。2.2软件系统的编制 系统的软件包括上位机监控软件和下位机系统软件。上位机监控软件的编制采用MCGS组态软件。下位机系统则采用西门子的Step7编程软件来开发。系统软件不仅可以完成上位机和下位机的通信和可以满足用户对温室环境数据的实时查询和监测。尽可能满足操作简单、界面友好、通用性和适应性强的软件开

13、发原则。第三章 系统设计3.1总体目标 温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器等采集和观测的温室内的温室内外的温度、湿度、二氧化碳的浓度等环境参数信息，通过控制设备对温室保温被、通风窗、喷滴灌等驱动、执行机构的控制，对温室环境气候和灌溉施肥进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要，为作物生长发育提供最适宜的生态环境，以大幅度提高作物的产量和品质。总体结构示意图如下:3.2控制原则（1）以时间为基准的变温管理：根据一天中时间的变化实行变温管理，根据作物的生长需要将一天分成四个时间段，四个时间段中根据不同的控温要求对温室进行控制。一天中四个时间段的分段方法用户可以灵

14、活的更改，而且四个时间段中的温度设定值用户也可以设定修改。（2）以种植的作物为基准：可能每个阶段用户种植的作物不同，所需的环境参数也不同，每个阶段的各个参数都可以依据作物所需的生长环境进行灵活的设定。3.3控制方案本系统采用自动与手动互相切换控制两种方式来实现对温室的控制，提高设备运行的可靠性。在运行的时候可以通过按钮对这两种控制方式进行切换。（1）手动控制模式 手动控制简单可靠，由继电器、接触器、按钮、限位开关等电气元件组成。（2）自动控制模式 通过传感器对环境因子进行监测，并对其设定上限和下限值，当检测到某一值超过设定值，便发出信号自动对驱动设备进行开启和关闭，从而使温室环境因子控制在设定

15、的范围内。可以大大节约劳动力，降低劳动者的劳动强度。3.4 控制系统的硬件组成 用安装有组态软件的计算机作为上位机，进行环境各因子的长期监控，PLC作为下位机，当各个参数变化时对各个执行机构进行相应的控制。3.4、1 PLC的选择(1) PLC在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在生产、调试、应用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳定、可靠性高。采用PLC成本虽然比单片机高，但是考虑到稳定性、可维护性等综合因素，采用PLC比单片机具有较高的性价比。(2) PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑3.4、2 P

16、LC机型和容量的选择步骤与原则1.PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点： （一）合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于系统|来源|考试|大|一级建造师|工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。 （二）安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分

17、布式。 集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程IO电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。（三）相应的功能步骤 一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC. 对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功

18、能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC.但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。（四）响应速度要求PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。 上位机（计算机）串行通信接口下位机（PLC）输入模块A/D模块输出模块限位开关手动开关模拟变送电路模拟传感器继电器模块执行机构卷帘机限位卷帘机鼓风机通风机抽水机温度湿度卷帘机鼓风机通

19、风机抽水机（五）系统可靠性的要求 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。2.PLC容量的选择PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面。（一）IO点数的选择PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的裕量。通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的裕量来确定。（二）存储容量的选择用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一

20、复杂功能时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。PLC的IO点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%30%的裕量。存储容量（字节）开关量IO点数8模拟量IO通道数32另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。I/O点数的估计设备说明数量 设备说明数量总自动/手动切换开关1 电源指示灯1卷帘机自动/手动切换开关1 通风机1补气自动/手动切换开关1 灌溉水泵1通风机自动/手动切换开关1 补气电磁阀1补气自动/手动开关1 卷帘机2喷灌泵自动/手动开关1 鼓风机1备用4备用3共计1

21、4共计103.5 传感器的选择（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。（2）根据灵敏度的选择传感器： 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对

22、应的输出信号比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。（3）根据频率响应特性选择传感器： 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率传感器范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器总有定响应延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的

23、影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。（4）根据线性关系范围选择传感器：传感器的线形关系是指输出与输入的比例关系。以理论上讲，在线性关系范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。（5）根据稳定性选择传感器：传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境

24、选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。（6）根据精度选择传感器：精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比 较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。综上所述,本

25、系统选择的传感器如下： 温度：AD590 湿度：AL2O3 CO2：6004光照：3DU33 3.6信息采集系统3.6、1温度采集（1）温度传感器AD590基本知识AD590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4V30V，检测的温度范围为55150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1uA。 AD590温度与电流的关系如下表所示： 摄氏温度0102030405060100AD590电流（UA）273.2283.2293.2303.2313.2323.2333.2373.2经10k电压(v)2.7322.8322.9323.0323.1323.2323.3353.73

26、2（2）温度检测电路的设计温度检测电路如图，其中运算放大器A1接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。运放A2的作用是把绝对温标转化为摄氏温标，给A2的同相输入端一个恒定的电压，此电压放大到2.732V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转化成的摄氏温标。 3.6、2 湿度采集国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式元件较为多见。电容式湿度传感器的动态范围大，动态响应快，几乎没有零漂，结构简单，适应性强。基于以上原因，本设计选AL2O3湿度传感器,本传感器属于电容型的高分子材料制成的湿敏元件。他具有线性度好、滞后性小以及能在较寒冷的环境中使用等优点，其主要的特性参数为：工作环境温度

27、：-3080度相对湿度测量范围：0100RH测量精度：4RH湿度检测电路如图，湿度检测电路由湿度传感器、振荡电路、整流电路、输出放大电路等组成。振荡电路为RC桥式振荡电路，传感器特性的线性补偿由R1,R2完成，D1,D2,D3用于输入保护，A1,A2，为运算放大器，A2电压跟随器。当环境湿度发生变化时，传感器的电容也随着变化，这种变化反应到振荡电路提供的正弦信号，通过电压跟随器输出电压值。3.6、3CO2浓度的采集在二氧化碳浓度测量上采用响应速度快、测量精度高、技术成熟的红外二氧化碳气体传感器6004，并配合了一系列有效的补偿措施。为了增加系统的通用性、灵活性，本系统硬、软件都采用了模块化结构

28、，根据应用场合不同而选用不同的配置。该系统可广泛地应用于诸如温室大棚、蔬菜储藏以及其它农业生产和科研领域，并且由于系统的灵活性和模块化，可以方便地满足其它场合的需要。3.6.4光照传感器系统设计根据温室内作物对光照强度的要求，光照传感器应该反应灵敏、精度高。本电路设计选用光照传感器器件光敏三极管3DU33作为感光元器件。光照传感器是利用光电子产生的电流来测量光照度的，通过放大电路的放大后输出合适的电压或电流信号。3.7执行机构 （1）单相异步电动机 它有主绕组A1-A2，副绕组B1-B2+电容C组成。分布特点：在空空间互差90。设流过主绕组的电流为I，流过副绕组的电流为IB。一般情况下，工作绕

29、组的匝数多，电感大，是感性负载，那么IA在相位上滞后电源电压。那么我们要实现反转，只要让IB滞后于IA 90(或者换句话说，让IA超前IB 90)。要实现这个很简单，只要IB翻转180(或者IA翻转180)就能实现了。起动绕组中串有电容，适当选取电容值，就可以使起动绕组为容性负载，那么IB在相位是超前电源电压。只要我们选择合适的电容，就可以使IB超过IA 90。那么如何实现IB翻转180(或者IA翻转180)呢？我们从它的接线图上可以看出，实际上主绕组同副绕组是接在同一个电源上的，也就是说他们的电压是同相位的。那要是我们把主绕组的L接A1 N接A2换一下，改成L接A2 N接A1，副绕组不变，维

30、持L接B1 N接B2。那么主绕组的电压和副绕组的电压就有180的相位差，也就是说主绕组的电流也翻转了180。这时我们就实现了IB滞后于IA90(或者换句话说，让IA超前IB 90)。旋转磁场的方向为逆时针。实现了反转。 用接触器控制的，单相电机正反转在KM1的下方红线和粉线互换，或者蓝线和黄线互换，电机就可以反转了KM1和KM2的二次线路就用三相电机的普通正反转互锁电路就行了卷帘机电机的功率的选择应该和温室的温度紧密关联，我们计算了一下，我们的保温装置的重量是1kg/m2,总重量应该是1000N左右，所以我们选择1500KW的电机。电磁阀的选择我们选择上海正一自动化仪表有限公司ZCGC燃气快速切断电磁阀其特性如下：工作介质：天然气，煤气环境温度：2050度 介质温度：60度公称压力：1.6MPa公称通经：25、32、40、50、65、80、100、125、150200 、250、300、350、400、450、500、600mm工作压差：00.004MPa电源电压：AC220V DC24V功耗AC（VA）：90 150 DC（W）：70 120（2）鼓风机鼓风机的选择较简单，选通用的单相电机控制的鼓风机即可。（3）通风机的选择 通风机的选择也较简单，选择普通的单相电机的通风机即可。第四章 软件部分