【正文】 溫室大棚溫度 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 溫室，是用來(lái)栽培植物的設(shè)施，它能改變植物的生長(zhǎng)環(huán)境，避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ψ魑锷L(zhǎng)的不利影響，為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的條件。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。如何利用科學(xué)技術(shù)有效地控制溫室內(nèi)的各種環(huán)境 因數(shù) ，以提高溫室大棚環(huán)境的控制效果，已成為目前我國(guó)溫室業(yè)研究的重點(diǎn)課題之一。這對(duì)我國(guó)溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著不可估量的重要意義。 本文主要介紹了基于西門(mén)子公司 S7200 系列的可編程控制器（ PLC）和 MCGS 組態(tài)軟件的溫室大棚溫度 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該研究中，將采用溫度 傳感器 、光照 傳感器 、 CO2 濃度傳感器對(duì)溫室中各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并將測(cè)量值送入 PLC 中，由 PLC 將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，再發(fā)出相應(yīng)的指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)溫室的智能化、自動(dòng)化控制。在此基礎(chǔ)上，采用 MCGS 組態(tài)軟件完成了控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)演示、過(guò)程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、 曲線顯示 等功能，從而實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)操作的人性化和過(guò)程的可視化，為溫室大棚的發(fā)展提供了新的方向。 關(guān)鍵詞： 溫室，環(huán)境，控制，可編程控制器，組態(tài) 目 錄 摘 要 ............................................................................................................... 0 第一章 緒論 ...................................................................................................... 1 課題概述 ............................................................................................. 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ................................................................................. 2 研究?jī)?nèi)容 ............................................................................................. 4 第二章 PLC 概述 ............................................................................................... 6 PLC 簡(jiǎn)介 .............................................................................................. 6 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及步驟 .............................................. 10 第三章 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 ................................................................. 13 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù) ............................................................................... 13 系統(tǒng)的控制方案 ............................................................................... 13 系統(tǒng)的工作原理 ............................................................................... 14 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ........................................................................ 15 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................................... 15 PLC 硬件電路的設(shè)計(jì) ........................................................................ 19 PLC 的硬件配置 ................................................................................ 21 第五章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ........................................................................ 26 PLC 程序設(shè)計(jì)的方法 ........................................................................ 26 編程軟件 STEP 7Micro/WIN 概述 .................................................. 26 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) ....................................................................... 27 控制程序的仿真與調(diào)試 .................................................................... 34 第六章 組態(tài)畫(huà)面的設(shè)計(jì)方案 ........................................................................ 36 組態(tài)軟件概述 ................................................................................... 36 溫室大棚控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì) ........................................................ 38 結(jié)論 ................................................................................................................. 45 致謝 ................................................................................................................. 47 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................... 48 1 第一章 緒論 課題概述 課題簡(jiǎn)介 溫室又稱暖房，是用來(lái)栽培植物的設(shè)施。溫室的作用是用來(lái)改變植物的生長(zhǎng)環(huán)境 ,避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ψ魑锷L(zhǎng)的不利影響，為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造適宜的條件。 溫室環(huán)境指的是作物在地面上的生長(zhǎng)空間 ,它是由光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等因素構(gòu)成的。溫室控制主要是通過(guò)控制溫室內(nèi)的溫度、濕度、通風(fēng)與光照，使得它可以在冬季或其他不適宜植物露地生長(zhǎng) 的季節(jié)栽培植物，從而達(dá)到對(duì)農(nóng)作物調(diào)節(jié)產(chǎn)期、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育、防治病蟲(chóng)害及提高產(chǎn)量的目的?，F(xiàn)代化溫室中具有控制溫濕度、光照等條件的設(shè)備，并采用電腦進(jìn)行自動(dòng)控制，以此創(chuàng)造植物生長(zhǎng)所需的最佳環(huán)境條件。 研究目的及意義 我國(guó)的設(shè)施園藝絕大部分用于蔬菜生產(chǎn)。 80 年代以來(lái)，溫室、大棚蔬菜的種植面積連年增加。目前的栽培設(shè)施中，有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的裝配式鋼管塑料大棚和玻璃溫室僅占設(shè)施栽培面積的少部分，大多數(shù)的農(nóng)村仍然采用自行建造的簡(jiǎn)單低廉的竹木大小棚，只能起到一定的保溫作用，根本談不上對(duì)溫光水氣養(yǎng)分等環(huán)境條件的調(diào)控，抗自然 環(huán)境的能力極差。即使那些數(shù)量不多的裝配式塑料大棚和玻璃溫室也缺乏配套的調(diào)控設(shè)備和儀器，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)和單因子定性調(diào)控，所以，我國(guó)設(shè)施栽培的智能化程度非常低。除此之外，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)目前還存在著諸如土地利用率低、盲目引進(jìn)溫室、設(shè)施結(jié)構(gòu)不合理、能源浪費(fèi)嚴(yán)重、運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用高、管理技術(shù)水平低、勞動(dòng)生產(chǎn)率低及單位面積產(chǎn)量低等諸多問(wèn)題。 中國(guó)農(nóng)業(yè)想要發(fā)展，就必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制。在實(shí)際的農(nóng)業(yè)種植中，溫室環(huán)境與生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、能量交換等有著密切的關(guān)系。作為實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證，環(huán)境測(cè)控可通過(guò)對(duì) 2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，從而控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。實(shí)際上生產(chǎn)生活中，以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。 目前，雖然國(guó)外的溫室設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價(jià)格非常昂貴，缺乏與我國(guó)氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件。而當(dāng)今國(guó)內(nèi)大多數(shù)對(duì)大棚溫度、 濕度、二氧化碳含量的檢測(cè)與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及由于測(cè)控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)設(shè)施與相應(yīng)的農(nóng)業(yè)工程，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內(nèi)形成有利于蔬菜、水果生長(zhǎng)的環(huán)境。 現(xiàn)階段隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對(duì)其性能要求也越來(lái)越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)大棚的自動(dòng)化程度要求也越 來(lái)越高。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)將向著地域化、節(jié)能化、專業(yè)化發(fā)展，向著高科技、自動(dòng)化、機(jī)械化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化的工廠型農(nóng)業(yè)發(fā)展，為社會(huì)提供更加豐富的無(wú)污染、安全、優(yōu)質(zhì)的綠色健康食品。所以，進(jìn)行溫室大棚溫度 PLC 控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本課題通過(guò)對(duì) PLC 可編程控制器、組態(tài)軟件、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與研究，完成了利用西門(mén)子 PLC 與 PC 機(jī)構(gòu)組成溫室大棚溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)現(xiàn)代溫室技術(shù)起步較晚， 80 年代以來(lái)，政府大力發(fā)展以塑料大棚 、節(jié)能日光溫室為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)，促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和緩和了蔬菜季節(jié)性短缺矛盾。其中能充分利用太陽(yáng)光熱資源、節(jié)約燃煤、減少環(huán)境污染的日光溫室為我國(guó)所特有。 1997年我國(guó)日光溫室面積已超過(guò)近 萬(wàn)公頃。由農(nóng)業(yè)部聯(lián)合有關(guān)部門(mén)試驗(yàn)推廣的新一代節(jié)能型日光溫室 ,每年每畝可節(jié)約燃煤約 20 噸。隨后，以單層薄膜或雙層沖氣薄膜、PC 板、玻璃為覆蓋材料的大型現(xiàn)代化連棟溫室，以其土地利用率高、環(huán)境控制自動(dòng)化程度高和便于機(jī)械化操作等優(yōu)點(diǎn)，自 1995 年以來(lái)，便呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展之勢(shì)，目前全國(guó)共有大型溫室面積 200 公頃，其中自日本、 荷蘭、以色列、美國(guó)等國(guó)家引進(jìn)的溫室面積達(dá) 140 公頃。最初，我國(guó)的現(xiàn)代溫室技術(shù)主要從國(guó)外引進(jìn)，然而近幾年從國(guó) 3 外引進(jìn)的溫室大部分經(jīng)營(yíng)虧損，目前已處于停產(chǎn)狀態(tài)或僅僅利用其玻璃的外殼。隨著溫室面積的不斷增加，溫室建造的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。目前，現(xiàn)代化大型溫室的骨架和覆蓋材料國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)基本不成問(wèn)題，但其內(nèi)部的配套設(shè)施和計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)等現(xiàn)代化管理方法與先進(jìn)國(guó)家相比還有較大的差距，是今后要著力解決的問(wèn)題。在溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控中，各環(huán)境參數(shù)分別由各自的閉環(huán)系統(tǒng)控制，但由于這些受控參數(shù)常常相互影響，如光照增加，室溫 相應(yīng)增加，溫度的升高，又造成溫室相對(duì)濕度降低，同時(shí)各系統(tǒng)間并不完全獨(dú)立，回路間相互耦合時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)而失控，這里可采用模糊控制方法，可較好地解決環(huán)境參數(shù)之間的相互影響。另外，以前在監(jiān)控系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)中，主要針對(duì)環(huán)境，而很少考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的生物因素，沒(méi)有農(nóng)業(yè)專家的合作參與，很難對(duì)系統(tǒng)正確定位，其適應(yīng)性也差。所以，將農(nóng)業(yè)學(xué)科與工程學(xué)科結(jié)合起來(lái)，對(duì)果蔬生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的溫室監(jiān)控軟件系統(tǒng)是非常重要的。 近年來(lái)我國(guó)的溫室控制取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，首先在溫室群控制方面，進(jìn)行了初步的探索和 理論研究，其次在溫室控制中引入了人工智能和先進(jìn)的控制算法，如專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊控制等理論和控制策略。當(dāng)前溫室控制系統(tǒng)研究熱點(diǎn)己由簡(jiǎn)單的DDC(直接數(shù)字控制 )發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)，如 DCS(分布式控制 )、 FCS(柔性控制 )等網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。目前，在相關(guān)行業(yè)己經(jīng)有網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和控制方面的研究，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取代傳統(tǒng)孤立的、信息閉塞的系統(tǒng)，甚至跨越以太網(wǎng)或Inter 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)施遠(yuǎn)程控制。雖然國(guó)內(nèi)溫室規(guī)模有限，還沒(méi)有形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，另外構(gòu)建的費(fèi)用也較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布 式和網(wǎng)絡(luò)化將是一種必然的趨勢(shì)。 現(xiàn)代溫室中常見(jiàn)的能自動(dòng)控制的調(diào)控機(jī)構(gòu)有：頂部通風(fēng)窗、側(cè)面通風(fēng)窗、外