基于PLC的温室控制系统设计和实现电气自动化专业.doc

摘 要 温室是植物栽培生产中必不可少的设施之一，可以用来改变植物的生长环境，避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响，为植物的生长创造适宜的良好条件。随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活密切相关，已经越来越受到世界各国的关注与重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。本文介绍一种基于PLC（Programmable Logic Controller）的温室控制系统，该系统实现了对室内各环境变量的实时监测和调节，大大降低了操作人员的劳动强度，同时提高了作物的质量与产量。其主要内容包括： 1) 研究花卉温室控制系统方案设计。 2) 电气控制电路设计。 3) 基于PLC的电气控制系统设计。 4) 利用西门子编程软件设计PLC程序。 5) 利用WinCC flexible组态软件设计人机交互界面。 6) 系统调试与测试。 关键词：温室；PLC；WinCC flexible；人机交互界面 Abstract Greenhouse is one of the essential plant cultivation and production facilities, can be used to change the environment for the growth of plants, avoid outside the four seasons change the bad weather and the adverse effects on crop growth and for plant growth and create good conditions for appropriate.With the development of agricultural modernization, the Facilities Horticulture project has become more and more concerned with the wide range of subjects, high technology content, and people's life.This also for the development of Chinese large-scale modernized greenhouse provides an excellent opportunity and have a huge role.This paper introduces a kind of greenhouse control system based on PLC (Programmable Logic Controller), which realizes the real-time monitoring and adjustment of the indoor environment variables, which greatly reduces the labor intensity and improves the quality and yield of the crops.Its main contents include： 1) The flowers greenhouse control system design. 2) Electrical control circuit design. 3) Electrical control system design based on PLC. 4) Using the software of Siemens PLC programming to design program. 5) Using the software of WinCC flexible to design HMI configuration. 6) The system debugging and testing. Key words: Greenhouse; PLC; WinCC flexible; HMI 目 录 第一章 绪论 1 1.1 课题背景及意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 论文内容结构 2 1.4 本章小结 2 第二章 系统总体结构设计 3 2.1 温室的工艺要求及设施构成 3 2.1.1 温室的工艺 3 2.1.2 温室的设施构成 3 2.2 系统设计思路 4 2.2.1 系统具备的功能 4 2.2.2 控制模式 5 2.3 控制系统方案 6 2.3.1 硬件模块 6 2.3.2 软件模块 7 2.4 本章小结 7 第三章 硬件模块设计 8 3.1 硬件系统结构 8 3.2 硬件电气原理图 8 3.2.1 系统主电路图 8 3.2.2 系统控制电路图 10 3.3 硬件部分选型 11 3.3.1 控制器件的选型 11 3.3.2 传感器的选型 11 3.4 本章小结 12 第四章 PLC软件设计 13 4.1 控制程序结构 13 4.2 PLC变量表 19 4.3 主程序块Main（OB1） 23 4.4 手动控制函数（FC1） 26 4.5 自动控制函数（FC2） 27 4.6 循环中断Cyclic interrupt（OB30） 32 4.7 本章小结 32 第五章 人机界面 33 5.1 界面组态 33 5.2 组态界面介绍 33 5.2.1 开始界面 34 5.2.2 参数数值显示界面 34 5.2.3 控制模式界面 35 5.2.4 参数设置界面 35 5.2.5 执行机构状态及手动控制界面 36 5.2.6 实时曲线显示界面1 36 5.2.7 实时曲线显示界面2 37 5.2.8 报警界面 37 5.3 本章小结 37 第六章 系统调试 38 6.1 通讯设置 38 6.2 下载步骤 39 6.2.1 组态画面的下载 39 6.2.2 PLC程序下载 40 6.3 调试说明 40 6.4 本章小结 45 第七章 总结 46 7.1 主要工作 46 7.2 设计的创新点 46 7.3 存在的问题与改进建议 46 致 谢 48 参考文献 49 附 录 51 III 第一章 绪论 1.1 课题背景及意义 在人们的日常生活中，鲜花是一种必不可少的消耗品，随着人们生活水平的不断提高，人们对鲜花的需求量越来越大，同时对鲜花的种类、数量以及质量的要求越来越高，而市场有时还需要提供反季节花卉的日常需求。对于传统的种植方式来说，已经无法满足目前社会对鲜花的需求，我们需要对花卉的生长进行更加精确的控制，因此，智能温室的管理与控制系统对于花卉种植来说是至关重要的。 本文旨在设计出可以满足花卉正常生长条件的温室控制系统，从而在最大程度上减轻相关工作人员的劳动强度，同时提高花卉的生产率以及品质，实现花卉的工业化生产。从而促进了我国以全自动化控制且智能化管理的商品花卉工业化生产方式来取代目前落后的花卉生产方式，加快推动了我国农业现代化的发展进程。 1.2 国内外研究现状 温室系统起源于美国，1949年美国由于工程技术的快速发展，建造了第一个植物人工气候室[1]。在1974年，荷兰首次研制出计算机控制系统CECS，从而实现了施肥、温室供水和环境自动化控制[2]。目前，英国的温室采用计算机管理，主要控制各种环境变量。日本利用网络技术来实现对种植数量大且地点比较分散的农场实现远距离监控与管理[3]。 从20世纪70年代起，我国的农业工程技术人员开始学习借鉴国际上设施农业发展的先进经验，致力于温室系统的研究与开发工作。1995年建立的潍坊职业学院潍禾示范农场，是中国与以色列合作建立的第一批商业示范农场[4]。90年代中后期起，我国高校开始研制自己的控制系统。近年来我国温室控制系统发展很快，已经出现了设计生产日光温室的公司。但是这些公司的控制系统一般选用单片机，由单片机设计的人机交互界面很不友好，非专业人员操作困难，这就导致了自动控制模式大多数时间处于闲置状态。同时，单片机设计的控制系统难以完成对大范围、地点分散的农场的监控与管理。而采用可编程控制器（Programmable Logic Controller）作为控制器则能有效的改变这一现状，因为PLC具有使用灵活、通用性强、可靠性高、抗干扰能力强、维护简单等优点[5]，完全可以实现对大范围农场的实时监控与管理。采用PLC实时监测与控制的分布式系统已成为当前发达国家一致的发展方向。 PLC作为温室控制系统的核心控制器，担负着向上位机触摸屏传送监测数据及对执行机构下达命令的任务。而将PLC作为温室系统的核心控制器，可以极大程度上的简化控制系统，PLC的发展也将对温室系统的发展起到至关重要的作用。 1.3 论文内容结构 本文采用西门子系列PLC S7-1200作为核心控制器，结合西门子smart 700IE触摸屏，设计了一套基于PLC的温室控制系统。本文主要工作如下： 第一章，绪论部分扼要地介绍了课题的研究背景与意义，以及目前国内外对于智能温室系统研究的进展。 第二章，系统总体结构设计部分对温室控制系统的设计要求以及其所具备的功能和硬件组成进行了具体的研究与分析。 第三章，系统硬件模块设计部分结合电气原理图分析了系统的主电路和控制电路，并介绍了执行机构的功能以及控制器与传感器的选型。 第四章，PLC软件设计部分对温室控制系统的软件程序部分进行了详细的分析，给出了系统的控制流程图和变量表，并结合梯形图对程序做了简要分析。 第五章，人机界面部分主要介绍了触摸屏的组态画面，及各个画面所具备的功能。 第六章，在S7-1200试验台上分别完成PLC程序及触摸屏程序的调试工作，最后进行了系统联调。 第七章，总结全文，介绍了本次设计的主要工作，以及控制系统的特色与创新，总结了本次设计存在的一些不足，并给出了相应的建议。 1.4 本章小结 本章主要介绍了本课题的研究背景及其意义，重点介绍了国内外温室系统的研究与发展趋势，结合国内外温室系统的发展状况，分析了本次毕业设计的重要意义，并对本文结构做了简要介绍。 第二章 系统总体结构设计 2.1 温室的工艺要求及设施构成 温室的作用是创造出一个适宜植物生长的环境，尤其是在不适合该农作物生长的地区或季节，其作用更加明显。不同的农作物其生长环境各不相同，相应的，对温室的工艺要求及硬件设施构成也不尽相同。因此，需要先确定一个对象，进而确定温室的工艺及设施构成。 2.1.1 温室的工艺 本次毕业设计主要研究的是花卉温室控制系统，在工艺方面对温室内的温度、光照强度、土壤湿度、空气湿度、CO2浓度等有相应的要求，通过控制系统对这些环境变量进行实时监控，从而建立一个适合花卉生长的最佳环境。本文中以大叶花烛作为植物样本，查阅相关资料，总结得出该植物生长的最佳环境，制定温室内的各项工艺要求，构建出一套智能温室控制系统。 大叶花烛为喜阴植物，最佳生长温度为14-35℃，土壤湿度为12-25%，空气湿度为70-85%，光照强度为15000Lux以下，二氧化碳浓度为150-1000ppm[6]。 2.1.2 温室的设施构成 花卉温室控制系统包含触摸屏、控制器PLC、执行机构以及传感器等装置。触摸屏是人机交互设备，用于实时显示数据，便于操作人员监测，同时在紧急情况下可以实现对温室系统的手动控制功能。控制器部分接收传感器的输出信号，并根据已定的PLC程序，进行相应的