【正文】 ......................................................................................39 附錄 1 外文資料翻譯 ..................................................................................40 附錄 2 電氣原理圖 .......................................................................................53 附錄 3 軟件程序 ............................................................................................54 山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 1 1 緒論 課題概述 課題簡介 溫室 大棚是用來栽培植物的設(shè)施。 溫室環(huán)境指的是農(nóng)作物的 生長空間 ,它是由光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等諸多因素組 成的。從而達(dá)到對農(nóng)作物調(diào)節(jié)產(chǎn)期、促進(jìn)農(nóng)作物生長發(fā)育、提高產(chǎn)量的目的。 研究目的及意義 目前的農(nóng)作物栽培設(shè)施中，按國家標(biāo)準(zhǔn)裝配的鋼管塑料大棚和玻璃溫室僅占全國大棚面積的一少部分，大多數(shù)的農(nóng)村仍是采用自行搭建的竹木棚。即使那些為數(shù)不多的裝配式塑料大棚和玻璃溫室，也都不同程度的缺乏配套的專業(yè)調(diào)控設(shè)備和儀器，所以我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)特別是溫室大棚領(lǐng)域的自動智能化程度還非常低。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在化農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚，因?yàn)闇厥掖笊綎|科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 2 棚已經(jīng)成為了現(xiàn)代化高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。 所以，現(xiàn)在我們進(jìn)行溫室大棚 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國溫室大棚技術(shù)起步較晚，政府發(fā)展的以塑料大棚、日光溫室為主的農(nóng)業(yè)栽培設(shè)施，促進(jìn)了農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和緩和了蔬菜的季節(jié)性短缺矛盾。 雖然我國溫室規(guī)模有限，還沒有形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，另外構(gòu)建設(shè)施的費(fèi)用也比較高，但從長期發(fā)展來看，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布式和網(wǎng)絡(luò)化將是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢?？刂破骶C合調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)在節(jié)省能源的同時(shí)保證室內(nèi)氣候滿足植物生長需要。 國外研究現(xiàn)狀 西方發(fā)達(dá)國家在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的起步比較早。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，溫室大棚作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施的重要組成部分，其自動控制技術(shù)和管理技山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 3 術(shù)得到不斷地提高，在世界各地都得到了不錯的發(fā)展。溫室內(nèi)被控環(huán)境因子由計(jì)算機(jī)控制，傳感器也較為齊全，如溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等等，由傳感器的檢測基本上可以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。 研究內(nèi)容 可編程控制器是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)為一體的新型自動控制裝置， PLC 的優(yōu)越性能，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的三大支柱之一。 本文研究的是 PLC 技術(shù)在溫室大棚技術(shù)上的應(yīng)用。 本次的研究內(nèi)容為溫室大棚 PLC 控制系統(tǒng)。在農(nóng)作物的生長環(huán)境中，溫室大棚中的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)對農(nóng)作物的生長起著非常重要的作用。 山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 4 2 控制系統(tǒng)的整體控制方案 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù) 本控制系統(tǒng)主要針對的被控對象是溫度、光照、二氧化碳濃度，通過對這些因素的檢測，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)。 本次設(shè)計(jì)的溫室大棚就是通過溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器來檢測溫室大棚中的溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等信息，然后通過 PLC 控制系統(tǒng)控制 溫室大棚的通風(fēng)扇、冷 /熱風(fēng)機(jī)、遮陽簾、加熱器、二氧化碳發(fā)生器等硬件設(shè)施，對溫室大棚中的環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控，以使溫室大棚里的環(huán)境為最適宜農(nóng)作物生長的環(huán)境。本控制系統(tǒng)以 PLC 為控制核心，采用傳感器對溫室大棚中的各項(xiàng)環(huán)境因子進(jìn)行檢測，然后將測量結(jié)果送入 PLC 中，經(jīng)過 PLC 的處理， 然后對執(zhí)行設(shè)備發(fā)出指令，通過執(zhí)行設(shè)備對溫室中的各項(xiàng)環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控。通過傳感器檢測到數(shù)據(jù)和設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，然后通過軟件程序去執(zhí)行相關(guān)的命令，本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，節(jié)約資源，能實(shí)現(xiàn)利益最大化。本系統(tǒng)為一個(gè)溫室大棚的控制系統(tǒng)，以后還可以以大棚群為單位，通過上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制。如果溫度過高，就會驅(qū)動冷風(fēng)機(jī)、通風(fēng)扇來降低溫室內(nèi)溫度；如果溫度過低，就會驅(qū)動熱風(fēng)機(jī)、加熱器、通風(fēng)扇來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度；光照則由遮陽簾和發(fā)光器來進(jìn)行調(diào)節(jié) ；二氧化碳濃度則由 二氧化碳添加器來添加。本章主要 從硬件角度介紹了溫室大棚控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，主要從電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 PLC 外部接線圖及外部硬件配置方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中通風(fēng)扇和遮陽簾 主工作電路相似，都需要電機(jī)的啟動、停止以及正反轉(zhuǎn)來完成工作，不同點(diǎn)是通風(fēng)扇和遮陽簾電機(jī)的功率不同，且遮陽簾電機(jī)帶限位開關(guān)。 圖 溫室大棚控制系統(tǒng)主電路原理圖 從上圖可以看出， QK 為刀開關(guān)，其作用 為控制整個(gè)主電路的啟停；FR1FR5 位熱繼電器，起過載保護(hù)作用； FU1FU7 為熔斷器，對各支路起到短路保護(hù)和過載保護(hù)作用； KM1KM9 為接觸器的主觸頭，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及開關(guān)設(shè)備的啟?？刂啤ｉ_關(guān)設(shè)備 包括風(fēng)機(jī)、加熱器等等；非開關(guān)設(shè)FU3 FU4 FU5M13 ～FU6 FU7 FU8M23 ～KM1 KM2KM3KM4F R 1 F R 2通風(fēng)扇電動機(jī) 遮陽簾電動機(jī)FU9 F U 10 F U 11M33 ～F U 12 F U 13 F U 14M43 ～F U 15 F U 16 F U 17F R 3 F R 4 F R 5熱風(fēng)機(jī) 冷風(fēng)機(jī) 加熱器KM5 KM6 KM7F U 18LKM8發(fā)光體F U 19KM9二氧化碳發(fā)生器QKUVWN山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 8 備比如正反轉(zhuǎn)的電機(jī)，包括通風(fēng)扇、遮陽簾等，這些電機(jī)需要啟停和正反轉(zhuǎn)，需要限位開關(guān)。風(fēng)機(jī)工作運(yùn)行必須有熔斷器、熱繼電器來保護(hù)電路，主要功能有過電流保護(hù)、短路保護(hù)和過載保護(hù)。按下總啟動開關(guān) SB2，接觸器線圈 KM10 得電， KM10 常開觸點(diǎn)閉合，形成自鎖。若是自動控制，將開關(guān) SB1 旋轉(zhuǎn)到自動檔位，由 PLC 控制器控制，當(dāng)接觸器 KM5 得電時(shí)，其常開觸點(diǎn)閉合，熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行。 （ 1） 遮陽簾 主電路 下圖 為遮陽簾的主電路圖。 S B 2S B 3K M 10K M 10S B 1手動自動S B 6M 0. 3KM5K M 10山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 遮陽簾主電路圖 （ 2） 遮陽簾的控制電路 遮陽簾的控制電路原理圖如下圖 所示。 SB3 為緊急停止開關(guān)，當(dāng)按下 SB3 時(shí)，接觸器 KM10失電，其常閉觸點(diǎn)斷開，電動機(jī) 停止運(yùn)行。 圖 遮陽簾控制電路原理圖 S B2K M 10S B3K M 10K M 10 S B1手動S B4KM4S Q 1KM3KM3S Q 2KM4KM3S Q 1KM4M KM3S Q 2 KM4自動M 山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 12 PLC 簡介 PLC 的產(chǎn)生 和系統(tǒng)組成 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司研制出世界第一臺 PLC，開創(chuàng)了工業(yè)控制新時(shí)代。目前， PLC 已經(jīng)使用 16 位、 32 位高性能微處理器，并實(shí)現(xiàn)了多處理器多通道處理。 [1]， [46] PLC 實(shí)質(zhì)上是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。如下圖 所示： 圖 PLC控制系統(tǒng)示意圖 PLC 的工作原理 PLC 的工作原理可用 16 個(gè)字來概括：循環(huán)掃描、順序執(zhí)行、集中輸入、HL按鈕選擇開關(guān)限位開關(guān)電源輸入模塊C P U儲存器電源部分編程計(jì)算機(jī)塊模出輸接觸器電磁閥指示燈電源A C 22 0/ D C 24山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 13 集中輸出。PLC 的控制部分的設(shè)計(jì)可以參考以下的基本原則及步驟。 要充分的發(fā)揮 PLC 功能，最大限度的滿足被控對象的設(shè)計(jì)要求，是設(shè)計(jì)原則中最重要的一條原則。 PLC 控制系統(tǒng)基本原則之二就是保證 PLC 能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。 適當(dāng)?shù)目紤] PLC 控制系統(tǒng)以后的系統(tǒng)改進(jìn)和技術(shù)完善，所以在 PLC 選型上，其 I/O 點(diǎn)數(shù)要留有 25%左右的裕量，以適應(yīng)以后的系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)。然后進(jìn)行 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)功能的具體分析，從而得出 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 15 形式，輸入 /輸出信號的種類及數(shù)量，控制系統(tǒng)的規(guī)模和布局。 I／ O 設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐 、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與 PLC 有關(guān)的輸入 /輸出設(shè)備，以確定 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)。 I/O 點(diǎn)并設(shè)計(jì) PLC 外圍硬件線路 分配 I/O 點(diǎn)：畫出 PLC 的 I/O 點(diǎn)與輸入 /輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表； PLC 外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入 PLC 的控制電路等 ； 由 PLC 的 I/O 連接圖和 PLC 外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。 設(shè)計(jì)控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查。 山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 17 硬件電路設(shè)計(jì) 型號的選擇 I/O 點(diǎn)數(shù) 根據(jù)溫室大棚控制系統(tǒng)的控制要求，可以確定全部的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，從而可以確定 PLC 有關(guān)的輸入輸出設(shè)備，進(jìn)而可以確定 PLC 的 I/O點(diǎn)數(shù)，本控制系統(tǒng)所需的 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)為 14 個(gè)數(shù)字量輸入， 3 個(gè)模擬量輸入， 10 個(gè)數(shù)字量輸出。其功能非常強(qiáng)大，按其功能又分為小型、中型、大型 PLC。 由以上分析得此系統(tǒng)所需 I/O 點(diǎn)數(shù) 為 14 輸入、 10 輸出。CPU224 的 I/O 點(diǎn)數(shù)雖然也為 14 輸入、 10 輸出，但是不能留出 I/O 點(diǎn)數(shù)裕量，不方便以后的升級改造，所以選擇擁有 I/O 點(diǎn)數(shù)為 24 輸入、 16 輸出的CPU226，以方便以后系統(tǒng)的升級優(yōu)化。 傳感器的選型 根據(jù)溫室溫度控制的 要求 ，本文的溫度傳感器采用芬蘭維薩拉公司型號為 HMD40 的產(chǎn)品，該款傳感器 不僅 測量精度高，易于安裝、響應(yīng)速度快，對環(huán)境要求較低 ， 還具可靠性好、良好的長期穩(wěn)定性、滯后小、不宜受灰塵、化學(xué)氣體等環(huán)境因素的影響等特點(diǎn)。%℃ 2． 工作電壓： 10～ 28V DC； 3． 輸出信號： 4～ 20mA。 光照度傳感器 可以 采用北京易盛泰和科技有限公司產(chǎn)品型號 Poi88c 光照度傳感器。 ： O200Klx、 O20Klx、 0— 2020lx 可選 ： 24VDC／ 12VDC ： 420mA， 010V 可選 山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 19 ： 177。 C02 傳感器選用弗加羅公司生產(chǎn)TGS4160 二氧化碳傳感器，該傳感器 為 固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件。 其外觀如下圖 所示： 圖 TGS4160 二氧化碳傳感器實(shí)物圖 TGS4160 傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下： ： 30050,000ppm CO2濃度有高靈敏度 TGS4160 對濕度依賴性極低，長壽命 ： 10～ +50℃ 模擬量輸入模塊 EM235 EM235 的簡介 傳感器采集信息后，將信息轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號 ， PLC 硬件設(shè)計(jì)則需要模擬量輸入模塊，將電壓或電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量再輸入 PLC山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 20 中進(jìn)行處理。 模擬量輸入模塊 EM235 可以直接將被測主回路交流電流轉(zhuǎn)化成按線性比例 輸出 420mA 直流電流的標(biāo)準(zhǔn)信號，連續(xù)輸送到接收裝置。下表 說明如何通過 DIP 開關(guān)設(shè)置 EM235 模塊的輸入量程的范圍。V ON OFF OFF OFF ON ON 0500mV 125181。V ON OFF OFF OFF OFF ON 05V ON OFF OFF OFF OFF ON 020mA 5181。 SW6 決定模擬量輸入的單雙極性，當(dāng) SW6 為 ON 時(shí)，模擬量輸入為單極性，當(dāng) SW6為 OFF 時(shí)，模擬量輸入為雙極性。該標(biāo)中， ON 是閉合， OFF 是斷開， EM235 只在電源接通時(shí)讀取開關(guān)設(shè)置。 EM235 的使用說明 山東科技大學(xué) 泰山科技學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 21 校準(zhǔn)輸入時(shí)，其步驟如下 。 （ 2）接通 CPU 和模塊電源，使其通電穩(wěn)定 15 分鐘。 （ 4）讀取適當(dāng)?shù)妮斎胪ǖ涝?CPU 中的測量值。 （ 6）將一個(gè)滿刻度值信號接到輸入