基于PLC的溫室大棚自動化控制

1、河北機電職業(yè)技術學院畢業(yè)論文河北機電職業(yè)技術學院畢 業(yè) 論 文基于PLC的溫室大棚自動控制系統(tǒng) 姓 名 馬錫鵬 班 級 1203班 學 號 030523120323 專 業(yè) 機電一體化技術 指導教師 高健 電 氣 工 程 系二一五年六月基于PLC的溫室大棚自動控制系統(tǒng)摘 要植物生長講究適時、適地，也就是對生長環(huán)境溫度、濕度、光照強度以及土壤條件的需求比較嚴格，只有給予了植物合適的生長環(huán)境，才會有理想的收獲，尤其是對人工控制生長環(huán)境的大棚植物，大棚內的溫濕度和土壤的溫濕度監(jiān)控對植物的生長至關重要。溫濕度監(jiān)控檢測的方法很多，本文主要講述了三菱FX2N-32MR系列可編程控制器（PLC）為主要的控制

2、元件的系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫室大棚溫度和濕度進行實時監(jiān)測和顯示。PLC與其他的控制器相比具有較高的抗干擾的能力和高的可靠性，并且對環(huán)境的適應性好。 關鍵詞：溫室大棚，PLC，溫濕控制目 錄第一章 系統(tǒng)概述11.1 課題研究的背景和意義11.2溫室大棚的結構11.3溫室大棚的電氣控制要求2第二章 系統(tǒng)硬件設計42.1 PLC的選用42.2 主回路的電路設計52.3 溫濕度傳感器的選用102. 4 加熱及加濕系統(tǒng)的設計15第三章 系統(tǒng)程序設計173.1 溫室大棚系統(tǒng)的I/O分配表173.2 PLC接線圖183.3 程序設計18結束語23致 謝24參考文獻25附 錄26附錄A 系統(tǒng)總電路總圖附錄B 系統(tǒng)程序

3、26附錄B 系統(tǒng)程序27 iii河北機電職業(yè)技術學院畢業(yè)論文第一章 系統(tǒng)概述1.1 課題研究的背景和意義溫度、濕度和人類的生產(chǎn)、生活有著密切的關系，同時也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)，例如機械、電子、化工、農業(yè)等各類工作中廣泛需要對溫度、濕度的檢測與控制。本設計是基于三菱FX2N-32MR系列PLC為主要控制元件進行設計的，可編程控制器(PLC)是綜合了計算機技術、自動控制技術的一種新型的、通用的自動控制裝置。它具有功能強、可靠性高、使用靈活方便，易于編程及適應惡劣環(huán)境下應用等一系列優(yōu)點，近年來的工業(yè)自動化、機電一體化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術等方面應用越來越廣，成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。PLC

4、的最終目標是用于實踐，提高生產(chǎn)力。如今，應用PLC已經(jīng)成為世界潮流，PLC將在我國得到更全面的推廣運用。本文主要介紹了對溫室大棚的溫濕度進行檢測和顯示的設計方法。1.2溫室大棚的結構1 本次課題中的實物結構圖如下圖1-1所示圖1-1溫室大棚的實物圖2.溫度傳感器、濕度傳感器、儀表溫度、濕度是植物生長最重要的條件，保證植物正常生長需的適宜溫度、濕度，達到最高的產(chǎn)量。在植物生長的過程中，儀表對大棚內的溫度、濕度進行監(jiān)控、設定、調節(jié)。3.電機在整套系統(tǒng)中，用了五臺電機，在系統(tǒng)中起到很重要的作用。為大風電機、風冷電機、風門電機、噴灌電機、加熱風機。 （1）大風電機它在整個植物生長過程中時刻不停的工作，

5、主要作用是將大棚內的空氣形成對流，為每一個植物提供適宜的溫度和濕度。（2）風冷電機風冷電機主要作用是當溫度過高時進行散熱降溫的作用，來保證植物的正常溫度下生長。（3）風門電機風門電機主要作用是為植物提供新鮮的空氣，來控制大棚內的適宜的溫度和濕度。（4）加濕電機加濕電機是為植物正常生長提供適宜濕度的關鍵部分，提高植物成活率。（5）加熱風機在植物生長的過程中，對大棚內的空氣進行加熱，達到植物所需的溫度，大棚中使用圓翼型熱鍍鋅散熱器進行加熱的。1.3溫室大棚的電氣控制要求1對大棚內的溫度與濕度進行監(jiān)控、調節(jié)不同的植物生長所需的最適溫度也不同，如：蒜黃生長所需的最適溫度圖1-2植 物生長周期溫 度（度

6、）蒜 黃20天2025圖1-2蒜黃最適生長溫度系統(tǒng)中通過一個溫度傳感器來控制溫度，同時對溫度進行調節(jié)。濕度傳感器在系統(tǒng)中控制大棚內的濕度，通過濕度傳感器設定的值與當前大棚內的值進行比較，來控制風門電機的開啟來使箱內的濕度達到設定值。2.在此系統(tǒng)中可實現(xiàn)手動、自動兩種控制要求。（1）在系統(tǒng)中可手動控制可以手動控制加濕電機、風門電機的啟動和停止。（2）自動控制溫室大棚的流程是，在在撥種完成后，按下啟動按鈕打開大風電機（在此通過變頻器來控制大風電機的轉速），為了不要讓大風電機一直處于最好速度運行，通過變頻器來調速。當剛開始啟動大風電機時以最高速度來運行，使大棚內的濕度和溫度快速攪拌均勻，來達到我們設

7、定的溫度和濕度。當溫度和濕度到達設定值時，大風電機以低速運行，在后面每三個小時換氣中大風電機以中速運行。在按下啟動按鈕后，加濕電機啟動，加熱風機進行加熱。當濕度濕度達到預設值時，加濕電機停轉，當濕度大于預設值時，加濕電機停轉，啟動風門電機通風散濕，使?jié)穸冗_到預設值。當溫度達到預設值時，加熱風機停轉，當溫度超過預設值時，加熱風機停轉，啟動風冷電機散熱，使溫度達到預設值。為了給大棚內的植物植物提供新鮮的空氣，風門電機每三個小時啟動一次，進行通風。（3）線路簡單，工作穩(wěn)定可靠。（4）當在改變工藝流程時，便于線路的改造。（5）便于檢修與調試。第二章 系統(tǒng)硬件設計2.1 PLC的選用1PLC控制的優(yōu)點可

8、編程控制器作為一種通用的自動控制設備，它在控制系統(tǒng)中具有一些獨特的優(yōu)點：（1）可靠性高。PLC平均無故障時間可達幾十萬小時，也就是說一臺PLC連續(xù)運行30多年不出故障，可靠性非常好。（2）更改線路容易。PLC只需要對內部梯形圖更改，對外部接線更改要求不多。所以，它更改線路就比普通電氣線路容易很多。（3）對環(huán)境要求低。它對濕度、溫度要求不高，抗震抗沖擊性能好，對電源電壓要求也不高。（4）與其他裝配連接方便。可編程控制器與其他裝配的連接基本上是直接的。（5）抗干擾能力強。很強的抗電磁干擾能力。2.PLC的選型隨著PLC制造技術的不斷發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類、型號越來越多，他們的功能、價格、使用條件各

9、不相同。由于本次課題的控制任務中對PLC功能的要求不是很高，又因為價格便宜，調試和故障查找非常方便，而且與同類產(chǎn)品相比它質量好、運行穩(wěn)定、可擴展性強、抗干擾能力強、售后服務優(yōu)良。因此本課題采用三菱公司生產(chǎn)的PLC。FX2N型PLC是日本三菱公司生產(chǎn)的一種小型的PLC，但是其許多功能能達到大、中型PLC的水平，而價格卻比大、中型的PLC低很多，因此它一經(jīng)推出就受到了廣泛的關注。特別是FX2N系列PLC，在本系統(tǒng)中共用到了14個輸入，9個輸出，其中四個輸出傳給變頻器，兩個輸入給溫度傳感器，兩個輸入給濕度傳感器。輸入輸出如下表2-1所示:表2-1PLC輸入輸出點數(shù)輸入輸出手動/自動按鈕：SA大風電機

10、運行：KM1大風電機啟動：SB1加濕電機運行：KM2開始啟動按鈕：SB2風門電機運行：KM3加濕電機啟動：SB3加熱風機運行：KM4風門電機啟動：SB4風冷電機運行：KM5風冷電機啟動：SB5溫度指示燈：HL1加熱風機加熱：SB6濕度指示燈：HL2暫停按鈕：SB7暫停警鈴：HA1停止按鈕：SB10變頻器異常警鈴：HA2溫度傳感器輸出：T1T2濕度傳感器輸出：T3T4變頻器異常輸入：AC由于在本溫室大棚電氣控制系統(tǒng)中輸入輸出不需要太多，綜合性價比的考慮，我選擇了三菱PX2N-32MR型的PLC。3.三菱FX2N-32MR的參數(shù)型號：FX2N-32MR電源：AC85-264V頻率：50/60HZ功

11、率：21W輸入點數(shù)：16輸出點數(shù)：162.2 主回路的電路設計2長的過程中時刻不停的工作，主要是將大棚內的空氣形成對流。為植物提供適宜的溫度和濕度。由于在植物生長的過程中我們需要對電機的速度進行調節(jié)，在此通過變頻器來控制大風電機的速度，為了不讓大風電機一直處于最高速運行狀態(tài)，通過變頻器來改變，當剛開始啟動大風電機時以最高速來運行，轉速為1120轉/min，使大棚內的溫度、濕度快速攪拌均勻，達到我們設定的溫度和濕度，當溫度和濕度達到預設值時，大風電機低速運行，轉速為280/min。在后面每三個小時的換氣中，大風電機以中速運行，轉速為700/min。(1)變頻器的選擇變頻器功率的選擇取決于電機功率

12、的大小，所以選用變頻器的容量要大于等于4KW，本系統(tǒng)中選擇了FR-E540-4K三菱變頻器。下圖為三菱FR-E540-4K變頻器端子接線圖。圖2-1FR-E540-4K變頻器接線端子圖在本系統(tǒng)所用到的端子為：1）L1、L2、L3：連接工頻電源，為電源輸入端。2）U、V、W：變頻器輸出，接三相鼠籠電機。3）STF：正轉啟動，STF信號ON時便正轉，處于OFF時停止。4）RH、RM、RL：信號組合，用來選擇多段速度。5）SP：信號公共輸入端子。6）RUN：變頻器運行輸出端子。7）SE：集電極開路輸出公共端，RUN、FU的公共端子。8） ABC:為異常輸出端，當出現(xiàn)異常時變頻器停止工作。（2）控制端

13、子圖2-2 變頻器的控制端子SD為公共端，STF控制電機正轉，STR控制電機反轉，RL為大風電機以280n/min運行，RM為大風電機以700n/min運行，RH為大風電機以1120n/min運行。 (3）參數(shù)設置 由于使用的是普通的三相電機，所以對其內部的參數(shù)設置比較簡單，大多數(shù)是默認值，只需對以下參數(shù)進行設置：Pr.440 設置高速頻率為40HZPr.525 設置中速頻率為25HZPr.610 設置低速頻率為10HZPr.71 設置加速時間為2SPr.81 設置減速時間為2SPr.95 電子過流保護Pr.710 設置適用電機為合適標準電機的熱特性Pr.792 操作模式選擇Pr.83380

14、電機額定電壓Pr.8450 電機額定頻率AC端為變頻器異常輸出端根據(jù)系統(tǒng)需要，M為大風電機，電機功率為4KW，額定電流為8A。QF2保護整個主回路的作用，起到過流、過載保護。在此選用10A的空氣開關。接觸器KM1的型號為CJ20-10A，當KM1線圈得電時，KM1主觸頭閉合，驅動大風電機運行。電路圖如右圖2-3所示： 圖2-3 大風電機主回路電路2.風門電機主回路設計風門控制系統(tǒng)的主要作用是為植物生長提供新鮮空氣。當植物光合作用的過程中不斷吸入二氧化碳，排出氧氣。為了植物能健康生長，所以間隔一段時間通風，使新鮮空氣進入。M3為風門電機，電機功率為1.1KW，電機的額定電流為2.5A，供電電壓為

15、交流380V。在此系統(tǒng)中通過KM3來控制風門電機，交流接觸器KM3的型號為CJT1-5A，QF4在此起到短路保護整個主回路的作用。右圖2-4為風門電機的主回路 圖2-4風門電機主回路電路 3.風冷電機主回路設計根據(jù)系統(tǒng)需要，M4為冷風機的電機，風冷電機的功率為1.5KW，額定電流為3A。在整個植物生長的過程中，植物的呼吸可使溫度升高，溫度超過最高溫度時風冷電機運轉。交流接觸器KM4的型號為CJT1-5A，當KM4線圈得電時，KM4主觸頭閉合，驅動風冷電機運行。右圖2-5為風冷電機的主回路。圖2-5風冷電機主回路電路4.加熱風機主回路設計根據(jù)系統(tǒng)需要，在整個的植物生長程中溫度是非常重要的因素，本

16、系統(tǒng)中采用的是燃油熱風機加熱系統(tǒng)，風機采用FZL型軸流風機，風流大、風壓高、噪音小，交流接觸器KM5的型號為CJT1-5A，當KM5線圈得電時，KM5主觸頭閉合，驅動風冷電機運行。右圖2-6為加熱風機的主回路。 圖2-6加熱風機主回路電路5.加濕電機主回路設計加濕電機在系統(tǒng)中主要為植物正常生長提供適宜濕度，本系統(tǒng)中采用的是由北京瀚寧空氣技術有限公司生產(chǎn)的高壓微霧加濕機，加濕主機采用高壓陶瓷柱塞泵，壓力大硬度強。接觸器KM2的型號為CJ20-10A，當接觸器KM2主觸頭閉合時，加濕電機M2運行。右圖2-7為加濕電機主回路。圖2-7加濕風機主回路電路 6.系統(tǒng)主電路總圖圖2-8系統(tǒng)主電路總圖2.3

17、 溫濕度傳感器的選用1.溫度傳感器及儀表的選用 溫度是溫室大棚種植最重要的條件，保證植物正常生長所需的適宜溫度，才能獲得高生產(chǎn)、高收益。不同植物生長所需的溫度不同，如：蒜黃生長所需的最適溫度為2025度，我們以下就以蒜黃最適溫度來編程。溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，測量溫度的關鍵是溫度傳感器。本設計選擇了PT100電阻式溫度傳感器（如下圖2-9所示）。測量范圍為-200400。Pt100,就是說它的阻值在0度時為100歐姆，PT100溫度傳感器，是一種以鉑(Pt)作成的電阻式溫度傳感器。其外形結構如下圖2-9所示。圖 2-9 PT-100的外形結（1）PT100溫度傳感器的主要技術參數(shù)如下表2-

18、2:表2-2 Pt100溫度傳感器的主要技術參數(shù)特性指標測溫范圍-200400探頭長度:5cm/10cm15cm/20cm電阻變化:0.3851/引線接法三線式接線方式:接線叉?zhèn)鞲衅骷?PT（鉑）探頭直徑:5mm引線長度:一般2米，定制長度（專用引線）允通電流：5mA熱響應時間：<30s供電：24VDC輸出：420mADPt100溫度傳感器的優(yōu)點：具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點(2) PT100溫度傳感器三根芯線的接法：PT100鉑電阻傳感器有三根引線,可用A、B、C（或黑、紅、黃）來代表三根線,三根線之間有如下規(guī)律：A與B或C之間的阻值常溫下在110歐左右,B與C之間為0

19、歐,B與C在內部是直通的,原則上B與C沒什么區(qū)別。儀表上接傳感器的固定端子有三個：A線接在儀表上接傳感器的一個固定的端子.B和C接在儀表上的另外兩個固定端子，B和C線的位置可以互換,但都得接上。如果中間接有加長線,三條導線的規(guī)格和長度要相同。熱電阻的3線和4線接法：是采用2線、3線、4線，主要由使（選）用的二次儀表來決定。一般顯示儀表提供三線接法，PT100一端出一顆線，另一端出兩顆線，都接儀表，儀表內部通過橋抵消導線電阻。PT100溫度傳感器采用三線式接法的原因：PT100溫度傳感器0時電阻值為100，電阻變化率為0.3851/。由于其電阻值小，靈敏度高，所以引線的阻值不能忽略不計，采用三線

20、式接法可消除引線線路電阻帶來的測量誤差，在本次設計中采用三線式接法。工作原理如下：PT100引出的三根導線截面積和長度均相同(即r1=r2=r3)，測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻(Rpt100)作為電橋的一個橋臂電阻，將導線一根(r1)接到電橋的電源端，其余兩根(r2、r3)分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣兩橋臂都引入了相同阻值的引線電阻，電橋處于平衡狀態(tài)，引線線電阻的變化對測量結果沒有任何影響。三線式接法原理圖如圖2-11所示。圖 2-11 三線式接法原理圖當R1 X (Rx + r1 + r3)=R2 X (Rpt100 + r2 + r1)，電橋平衡時，U=0。

21、（4）溫度顯示及控制要知道大棚里面的溫度，必須配備有相應溫度控制儀表，這里將采用XMOB智能型溫度顯示器（如下圖2-12所示），其可調節(jié)上限溫度值和下限溫度值，當溫度大于下限位的時候，相應輸出繼電器動作，當溫度高于上限位的時候，相應輸出繼電器動作。圖2-12 XMOB智能型溫度顯示器（5）XMOB主要技術參數(shù)輸出類型 繼電器輸出測量精度±0.5%F.S±1digit冷端補償誤差±2測量數(shù)顯范圍-19999999工作環(huán)境 050，相度濕度85%RH電源 AC 220V±10% 50HZ/60HZ功耗 4VA(6)熱電阻與儀表的接線圖圖 2-13熱電阻與儀表

22、接線圖2.濕度傳感器及儀表的選用在一般的情況下，蒜黃生長期間的相對濕度要求在75RH 85RH之間變化的。測量空氣的濕度有很多種方法，其原理是跟據(jù)某種物質從其周圍的空氣中水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質的吸水量，電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常感器考慮到以下幾點：感濕性能好、靈敏度高、響應速度快、測量范圍數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。選擇集成濕度傳寬，有較好的一致性、可重復性，線性度好、濕滯小較高的穩(wěn)定性和可靠性，有較強的抗污染能力、使用壽命長。（1）濕度傳感圖 2-14 余姚WS-01型號濕度傳感器1）WS-01型號濕度傳感

23、器的主要參數(shù)： 濕度范圍：10%RH85%RH濕度遲滯為±1.5%RH，相應時間為5S。 測量精度：±2F.S±1.0個字 工作電壓：DC24V 工作環(huán)境: 2060 相濕度85%RH（2）濕度顯示及控制：要控制箱內的濕度，我們必須配備有相應濕度控制儀表， 在這選用了CJLC-9007系列智能液晶顯示控制儀表 （如下圖2-15所示），其可調節(jié)其濕度，當濕度達到我們設定的濕度下限值時，輸出繼電器T3動作。當濕度達到我們設定的濕度上限值時，輸出繼電器T4動作。圖2-15 CJLC-9007系列智能液晶顯示控制儀表圖2-16 CJLC-9007系列智能液晶顯示控制儀表的

24、主要參數(shù)：1）輸入雙PT100 。2）輸出支持多種輸出控制方式，輸出多種繼電器輸出：觸點容量AC250V 7A（阻性負載）。 3）精度溫度測量精度±0.5%F·S±1.0個字。 濕度測量精度±2%F·S±1.0個字。4）報警繼電器輸出：觸點容量AC250V 7A（阻性負載）。 5）供電 交流電： 110242VAC，50Hz 。6）外型尺寸外型尺寸：160mm（寬）×80mm（高）×48mm（深）開孔尺寸：152mm×76mm 。7）工作條件濕度：10%85%RH（無凝結） 禁止在腐蝕性環(huán)境下工作，禁止液

25、體或導電體進入表內，保證通風口處通風良好。8）保存條件溫度：-2060，避免日光直曬 。（3）濕度傳感器與儀表的接線圖圖 2-16濕度傳感器與儀表接線圖2. 4 加熱及加濕系統(tǒng)的設計1. 燃油熱風機加熱系統(tǒng)系統(tǒng)選用北京盛芳園有限公司生產(chǎn)的KR80-100型燃油熱風機，額定發(fā)熱量為92880kcal/h,經(jīng)計算，能滿足供熱面積600m2左右的溫室，其結構示意圖如下圖2-17所示圖2-17 KR80-100型燃油熱風機機構示意圖 設備由風機、高效換熱器、燃燒器及自動控制系統(tǒng)組成。風機采用FZL型軸流風機，風量大，風壓高，噪聲低，可采用風管送風，熱風傳輸距離長，采暖區(qū)溫度更均勻。換熱器采用圓環(huán)柱筒型

26、煙、空氣夾套式結構，換熱器材料全部用不銹鋼，換熱面積大，排煙溫度低，熱效率高。燃燒器采用意大利RIELLO公司的產(chǎn)品，燃燒效率達98100，環(huán)保節(jié)能設有火焰探測裝置，燃燒完全可靠。2. 微霧加濕機選用北京瀚寧空氣技術有限公司的高壓微霧加濕機，該產(chǎn)品將精濾的自來水加壓至7MPa，在通過高壓水管傳送到噴嘴，經(jīng)超微細的噴頭霧化后以310微米的微霧噴射到整個空間，使溫室達到增濕的效果，加濕器主機采用美國進口的高壓陶瓷柱塞泵，壓力大、硬度強，具有效率高、省電、噪音小等特點，噴頭及水霧分配器無動力易損部件，耐磨損，噴霧均勻。一臺FCB-3微霧加濕器的加濕量為60300kg/h，可滿足加濕面積在600m2左

27、右的溫室需要。第三章 系統(tǒng)程序設計3.1 溫室大棚系統(tǒng)的I/O分配表輸入輸出元件代號輸入繼電器作用元件代號輸出繼電器作用SAX0手/自動切換RHY0高速運行SB1X1大風電機啟動RMY1中速運行SB2X2開始啟動按鈕RLY2低速運行SB3X3加濕電機啟動STFY3電機正轉SB4X4風門電機啟動KM1Y4大風電機運行SB5X5風冷電機啟動KM2Y5加濕電機運行SB6X6加熱風機啟動KM3Y6風門電機運行SB7X7暫停按鈕KM4Y7風冷電機運行SB10X10停止按鈕KM5Y10加熱風機運行T1X11溫度上限值輸入HL1Y11溫度指示燈T2X12溫度下限值輸入HL2Y12濕度指示燈T3X13濕度上限

28、值輸入HA1Y13暫停警鈴T4X14濕度下限值輸入HA2Y14變頻器異常 警鈴ACX15變頻器異常輸入3.2 PLC接線圖3.3 程序設計1.暫停程序按下暫停按鈕X1一次，延時30分鐘后，警鈴響，再次按下暫停按鈕警鈴不響，系統(tǒng)繼續(xù)工作。2.手自動轉換程序手/自動切換，正常運行時X0為OFF，手動是為ON，在正常運行時此段程序不執(zhí)行。3.大風電機、加濕電機運行程序按下大風電機啟動按鈕，大風電機以40HZ運行，按下開始啟動，當濕度低于下限值時，加濕電機和濕度指示燈工作。當濕度高于上限值時風門電機工作。4.生長周期20天定時程按下啟動開始按鈕后，此段程序執(zhí)行20天定時程序。5.大棚內溫度、加熱風機、風冷電機、大風電機控制程序大棚內溫度值的控制，溫度的控制、加熱風機的控制、風冷電機的控制、大風電機的轉速控制。同時指示燈工作。6.大棚內換氣程序當按下按鈕X2后，延時三小時。（此階段為換氣階段