基于PLC的温室大棚自动化控制.docx

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基于PLC的温室大棚自动化控制

河北机电职业技术学院

毕业论文

基于PLC的温室大棚自动控制系统

姓名马锡鹏

班级1203班

学号030523120323

专业机电一体化技术

指导教师高健

电气工程系

二○一五年六月

基于PLC的温室大棚自动控制系统

摘要

植物生长讲究适时、适地，也就是对生长环境温度、湿度、光照强度以及土壤条件的需求比较严格，只有给予了植物合适的生长环境，才会有理想的收获，尤其是对人工控制生长环境的大棚植物，大棚内的温湿度和土壤的温湿度监控对植物的生长至关重要。

温湿度监控检测的方法很多，本文主要讲述了三菱FX2N-32MR系列可编程控制器（PLC）为主要的控制元件的系统，实现对温室大棚温度和湿度进行实时监测和显示。

PLC与其他的控制器相比具有较高的抗干扰的能力和高的可靠性，并且对环境的适应性好。

关键词：

温室大棚，PLC，温湿控制

第一章系统概述

1.1课题研究的背景和意义

温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、化工、农业等各类工作中广泛需要对温度、湿度的检测与控制。

本设计是基于三菱FX2N-32MR系列PLC为主要控制元件进行设计的，可编程控制器（PLC）是综合了计算机技术、自动控制技术的一种新型的、通用的自动控制装置。

它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便，易于编程及适应恶劣环境下应用等一系列优点，近年来的工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控制三大支柱之一。

PLC的最终目标是用于实践，提高生产力。

如今，应用PLC已经成为世界潮流，PLC将在我国得到更全面的推广运用。

本文主要介绍了对温室大棚的温湿度进行检测和显示的设计方法。

1.2温室大棚的结构

1．本次课题中的实物结构图如下图1-1所示

图1-1温室大棚的实物图

2.温度传感器、湿度传感器、仪表

温度、湿度是植物生长最重要的条件，保证植物正常生长需的适宜温度、湿度，达到最高的产量。

在植物生长的过程中，仪表对大棚内的温度、湿度进行监控、设定、调节。

3.电机

在整套系统中，用了五台电机，在系统中起到很重要的作用。

为大风电机、风冷电机、风门电机、喷灌电机、加热风机。

（1）大风电机

它在整个植物生长过程中时刻不停的工作，主要作用是将大棚内的空气形成对流，为每一个植物提供适宜的温度和湿度。

（2）风冷电机

风冷电机主要作用是当温度过高时进行散热降温的作用，来保证植物的正常温度下生长。

（3）风门电机

风门电机主要作用是为植物提供新鲜的空气，来控制大棚内的适宜的温度和湿度。

（4）加湿电机

加湿电机是为植物正常生长提供适宜湿度的关键部分，提高植物成活率。

（5）加热风机

在植物生长的过程中，对大棚内的空气进行加热，达到植物所需的温度，大棚中使用圆翼型热镀锌散热器进行加热的。

1.3温室大棚的电气控制要求

1．对大棚内的温度与湿度进行监控、调节

不同的植物生长所需的最适温度也不同，如：

蒜黄生长所需的最适温度图1-2

植物

生长周期

温度（度）

蒜黄

20天

20～25

图1-2蒜黄最适生长温度

系统中通过一个温度传感器来控制温度，同时对温度进行调节。

湿度传感器在系统中控制大棚内的湿度，通过湿度传感器设定的值与当前大棚内的值进行比较，来控制风门电机的开启来使箱内的湿度达到设定值。

2.在此系统中可实现手动、自动两种控制要求。

（1）在系统中可手动控制

可以手动控制加湿电机、风门电机的启动和停止。

（2）自动控制

温室大棚的流程是，在在拨种完成后，按下启动按钮打开大风电机（在此通过变频器来控制大风电机的转速），为了不要让大风电机一直处于最好速度运行，通过变频器来调速。

当刚开始启动大风电机时以最高速度来运行，使大棚内的湿度和温度快速搅拌均匀，来达到我们设定的温度和湿度。

当温度和湿度到达设定值时，大风电机以低速运行，在后面每三个小时换气中大风电机以中速运行。

在按下启动按钮后，加湿电机启动，加热风机进行加热。

当湿度湿度达到预设值时，加湿电机停转，当湿度大于预设值时，加湿电机停转，启动风门电机通风散湿，使湿度达到预设值。

当温度达到预设值时，加热风机停转，当温度超过预设值时，加热风机停转，启动风冷电机散热，使温度达到预设值。

为了给大棚内的植物植物提供新鲜的空气，风门电机每三个小时启动一次，进行通风。

（3）线路简单，工作稳定可靠。

（4）当在改变工艺流程时，便于线路的改造。

（5）便于检修与调试。

第二章系统硬件设计

2.1PLC的选用

1．PLC控制的优点

可编程控制器作为一种通用的自动控制设备，它在控制系统中具有一些独特的优点：

（1）可靠性高。

PLC平均无故障时间可达几十万小时，也就是说一台PLC连续运行30多年不出故障，可靠性非常好。

（2）更改线路容易。

PLC只需要对内部梯形图更改，对外部接线更改要求不多。

所以，它更改线路就比普通电气线路容易很多。

（3）对环境要求低。

它对湿度、温度要求不高，抗震抗冲击性能好，对电源电压要求也不高。

（4）与其他装配连接方便。

可编程控制器与其他装配的连接基本上是直接的。

（5）抗干扰能力强。

很强的抗电磁干扰能力。

2.PLC的选型

随着PLC制造技术的不断发展，PLC产品的种类、型号越来越多，他们的功能、价格、使用条件各不相同。

由于本次课题的控制任务中对PLC功能的要求不是很高，又因为价格便宜，调试和故障查找非常方便，而且与同类产品相比它质量好、运行稳定、可扩展性强、抗干扰能力强、售后服务优良。

因此本课题采用三菱公司生产的PLC。

FX2N型PLC是日本三菱公司生产的一种小型的PLC，但是其许多功能能达到大、中型PLC的水平，而价格却比大、中型的PLC低很多，因此它一经推出就受到了广泛的关注。

特别是FX2N系列PLC，在本系统中共用到了14个输入，9个输出，其中四个输出传给变频器，两个输入给温度传感器，两个输入给湿度传感器。

输入输出如下表2-1所示:

表2-1PLC输入输出点数

输入

输出

手动/自动按钮：

SA

大风电机运行：

KM1

大风电机启动：

SB1

加湿电机运行：

KM2

开始启动按钮：

SB2

风门电机运行：

KM3

加湿电机启动：

SB3

加热风机运行：

KM4

风门电机启动：

SB4

风冷电机运行：

KM5

风冷电机启动：

SB5

温度指示灯：

HL1

加热风机加热：

SB6

湿度指示灯：

HL2

暂停按钮：

SB7

暂停警铃：

HA1

停止按钮：

SB10

变频器异常警铃：

HA2

温度传感器输出：

T1～T2

湿度传感器输出：

T3～T4

变频器异常输入：

AC

由于在本温室大棚电气控制系统中输入输出不需要太多，综合性价比的考虑，我选择了三菱PX2N-32MR型的PLC。

3.三菱FX2N-32MR的参数

型号：

FX2N-32MR

电源：

AC85-264V

频率：

50/60HZ

功率：

21W

输入点数：

16

输出点数：

16

2.2主回路的电路设计2长的过程中时刻不停的工作，主要是将大棚内的空气形成对流。

为植物提供适宜的温度和湿度。

由于在植物生长的过程中我们需要对电机的速度进行调节，在此通过变频器来控制大风电机的速度，为了不让大风电机一直处于最高速运行状态，通过变频器来改变，当刚开始启动大风电机时以最高速来运行，转速为1120转/min，使大棚内的温度、湿度快速搅拌均匀，达到我们设定的温度和湿度，当温度和湿度达到预设值时，大风电机低速运行，转速为280/min。

在后面每三个小时的换气中，大风电机以中速运行，转速为700/min。

（1）变频器的选择

变频器功率的选择取决于电机功率的大小，所以选用变频器的容量要大于等于4KW，本系统中选择了FR-E540-4K三菱变频器。

下图为三菱FR-E540-4K变频器端子接线图。

图2-1FR-E540-4K变频器接线端子图

在本系统所用到的端子为：

1）L1、L2、L3：

连接工频电源，为电源输入端。

2）U、V、W：

变频器输出，接三相鼠笼电机。

3）STF：

正转启动，STF信号ON时便正转，处于OFF时停止。

4）RH、RM、RL：

信号组合，用来选择多段速度。

5）SP：

信号公共输入端子。

6）RUN：

变频器运行输出端子。

7）SE：

集电极开路输出公共端，RUN、FU的公共端子。

8）ABC:

为异常输出端，当出现异常时变频器停止工作。

（2）控制端子

图2-2变频器的控制端子

SD为公共端，STF控制电机正转，STR控制电机反转，RL为大风电机以280n/min运行，RM为大风电机以700n/min运行，RH为大风电机以1120n/min运行。

（3）参数设置

由于使用的是普通的三相电机，所以对其内部的参数设置比较简单，大多数是默认值，只需对以下参数进行设置：

Pr.4→40设置高速频率为40HZ

Pr.5→25设置中速频率为25HZ

Pr.6→10设置低速频率为10HZ

Pr.7→1设置加速时间为2S

Pr.8→1设置减速时间为2S

Pr.9→5电子过流保护

Pr.71→0设置适用电机为合适标准电机的热特性

Pr.79→2操作模式选择

Pr.83→380电机额定电压

Pr.84→50电机额定频率

AC端为变频器异常输出端

根据系统需要，M为大风电机，电机功率为4KW，额定电流为8A。

QF2保护整个主回路的作用，起到过流、过载保护。

在此选用10A的空气开关。

接触器KM1的型号为CJ20-10A，当KM1线圈得电时，KM1主触头闭合，驱动大风电机运行。

电路图如右图2-3所示：

图2-3大风电机主回路电路

2.风门电机主回路设计

风门控制系统的主要作用是为植物生长提供新鲜空气。

当植物光合作用的过程中不断吸入二氧化碳，排出氧气。

为了植物能健康生长，所以间隔一段时间通风，使新鲜空气进入。

M3为风门电机，电机功率为1.1KW，电机的额定电流为2.5A，供电电压为交流380V。

在此系统中通过KM3来控制风门电机，交流接触器KM3的型号为CJT1-5A，QF4在此起到短路保护整个主回路的作用。

右图2-4为风门电机的主回路

图2-4风门电机主回路电路

3.风冷电机主回路设计

根据系统需要，M4为冷风机的电机，风冷电机的功率为1.5KW，额定电流为3A。

在整个植物生长的过程中，植物的呼吸可使温度升高，温度超过最高温度时风冷电机运转。

交流接触器KM4的型号为CJT1-5A，当KM4线圈得电时，KM4主触头闭合，驱动风冷电机运行。

右图2-5为风冷电机的主回路。

图2-5风冷电机主回路电路

4.加热风机主回路设计

根据系统需要，在整个的植物生长程中温度是非常重要的因素，本系统中采用的是燃油热风机加热系统，风机采用FZL型轴流风机，风流大、风压高、噪音小，交流接触器KM5的型号为CJT1-5A，当KM5线圈得电时，KM5主触头闭合，驱动风冷电机运行。

右图2-6为加热风机的主回路。

图2-6加热风机主回路电路

5.加湿电机主回路设计

加湿电机在系统中主要为植物正常生长提供适宜湿度，本系统中采用的是由北京瀚宁空气技术有限公司生产的高压微雾加湿机，加湿主机采用高压陶瓷柱塞泵，压力大硬度强。

接触器KM2的型号为CJ20-10A，当接触器KM2主触头闭合时，加湿电机M2运行。

右图2-7为加湿电机主回路。

图2-7加湿风机主回路电路

6.系统主电路总图

图2-8系统主电路总图

2.3温湿度传感器的选用

1.温度传感器及仪表的选用

温度是温室大棚种植最重要的条件，保证植物正常生长所需的适宜温度，才能获得高生产、高收益。

不同植物生长所需的温度不同，如：

蒜黄生长所需的最适温度为20～25度，我们以下就以蒜黄最适温度来编程。

温度是一种最基本的环境参数，测量温度的关键是温度传感器。

本设计选择了PT100电阻式温度传感器（如下图2-9所示）。

测量范围为-200℃~400℃。

Pt100,就是说它的阻值在0度时为100欧姆，PT100温度传感器，是一种以铂（Pt）作成的电阻式温度传感器。

其外形结构如下图2-9所示。

图2-9PT-100的外形结

（1）PT100温度传感器的主要技术参数如下表2-2:

表2-2Pt100温度传感器的主要技术参数

特性指标

测温范围

-200~400℃

探头长度:

5cm/10cm

15cm/20cm

电阻变化:

0.3851Ω/℃

引线接法

三线式

接线方式:

接线叉

传感器件:

PT（铂）

探头直径:

Φ5mm

引线长度:

一般2米，定制长度（专用引线）

允通电流：

≤5mA

热响应时间：

<30s

供电：

24VDC

输出：

4~20mAD

Pt100温度传感器的优点：

具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点

（2）PT100温度传感器三根芯线的接法：

PT100铂电阻传感器有三根引线,可用A、B、C（或黑、红、黄）来代表三根线,三根线之间有如下规律：

A与B或C之间的阻值常温下在110欧左右,B与C之间为0欧,B与C在内部是直通的,原则上B与C没什么区别。

仪表上接传感器的固定端子有三个：

A线接在仪表上接传感器的一个固定的端子.B和C接在仪表上的另外两个固定端子，B和C线的位置可以互换,但都得接上。

如果中间接有加长线,三条导线的规格和长度要相同。

热电阻的3线和4线接法：

是采用2线、3线、4线，主要由使（选）用的二次仪表来决定。

一般显示仪表提供三线接法，PT100一端出一颗线，另一端出两颗线，都接仪表，仪表内部通过桥抵消导线电阻。

PT100温度传感器采用三线式接法的原因：

PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。

由于其电阻值小，灵敏度高，所以引线的阻值不能忽略不计，采用三线式接法可消除引线线路电阻带来的测量误差，在本次设计中采用三线式接法。

工作原理如下：

PT100引出的三根导线截面积和长度均相同（即r1=r2=r3），测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻（Rpt100）作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根（r1）接到电桥的电源端，其余两根（r2、r3）分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。

三线式接法原理图如图2-11所示。

图2-11三线式接法原理图

当R1X（Rx+r1+r3）=R2X（Rpt100+r2+r1），电桥平衡时，U=0。

（4）温度显示及控制

要知道大棚里面的温度，必须配备有相应温度控制仪表，这里将采用XMOB智能型温度显示器（如下图2-12所示），其可调节上限温度值和下限温度值，当温度大于下限位的时候，相应输出继电器动作，当温度高于上限位的时候，相应输出继电器动作。

图2-12XMOB智能型温度显示器

（5）XMOB主要技术参数

输出类型继电器输出

测量精度±0.5%F.S±1digit

冷端补偿误差≤±2℃

测量数显范围-1999∽9999

工作环境0∽50℃，相度湿度≤85%RH

电源AC220V±10%50HZ/60HZ

功耗≤4VA

（6）热电阻与仪表的接线图

图2-13热电阻与仪表接线图

2.湿度传感器及仪表的选用

在一般的情况下，蒜黄生长期间的相对湿度要求在75％RH~85％RH之间变化的。

测量空气的湿度有很多种方法，其原理是跟据某种物质从其周围的空气中水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量，电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常感器考虑到以下几点：

感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。

选择集成湿度传宽，有较好的一致性、可重复性，线性度好、湿滞小较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。

（1）湿度传感

图2-14余姚WS-01型号湿度传感器

1）WS-01型号湿度传感器的主要参数：

湿度范围：

10%RH~85%RH湿度迟滞为±1.5%RH，相应时间为5S。

测量精度：

±2％F.S±1.0个字

工作电压：

DC24V

工作环境:

20℃～60℃相湿度≤85%RH

（2）湿度显示及控制：

要控制箱内的湿度，我们必须配备有相应湿度控制仪表，在这选用了CJLC-9007系列智能液晶显示控制仪表（如下图2-15所示），其可调节其湿度，当湿度达到我们设定的湿度下限值时，输出继电器T3动作。

当湿度达到我们设定的湿度上限值时，输出继电器T4动作。

图2-15CJLC-9007系列智能液晶显示控制仪表图2-16

CJLC-9007系列智能液晶显示控制仪表的主要参数：

1）输入双PT100。

2）输出支持多种输出控制方式，输出多种继电器输出：

触点容量AC250V7A（阻性负载）。

3）精度温度测量精度±0.5%F·S±1.0个字。

湿度测量精度±2%F·S±1.0个字。

4）报警继电器输出：

触点容量AC250V7A（阻性负载）。

5）供电交流电：

110~242VAC，50Hz。

6）外型尺寸外型尺寸：

160mm（宽）×80mm（高）×48mm（深）开孔尺寸：

152mm×76mm。

7）工作条件湿度：

10%～85%RH（无凝结）禁止在腐蚀性环境下工作，禁止液体或导电体进入表内，保证通风口处通风良好。

8）保存条件温度：

-20～60℃，避免日光直晒。

（3）湿度传感器与仪表的接线图

图2-16湿度传感器与仪表接线图

2.4加热及加湿系统的设计

1.燃油热风机加热系统

系统选用北京盛芳园有限公司生产的KR80-100型燃油热风机，额定发热量为92880kcal/h,经计算，能满足供热面积600m2左右的温室，其结构示意图如下图2-17所示

图2-17KR80-100型燃油热风机机构示意图

设备由风机、高效换热器、燃烧器及自动控制系统组成。

风机采用FZL型轴流风机，风量大，风压高，噪声低，可采用风管送风，热风传输距离长，采暖区温度更均匀。

换热器采用圆环柱筒型烟、空气夹套式结构，换热器材料全部用不锈钢，换热面积大，排烟温度低，热效率高。

燃烧器采用意大利RIELLO公司的产品，燃烧效率达98％～100％，环保节能设有火焰探测装置，燃烧完全可靠。

2.微雾加湿机

选用北京瀚宁空气技术有限公司的高压微雾加湿机，该产品将精滤的自来水加压至7MPa，在通过高压水管传送到喷嘴，经超微细的喷头雾化后以3～10微米的微雾喷射到整个空间，使温室达到增湿的效果，加湿器主机采用美国进口的高压陶瓷柱塞泵，压力大、硬度强，具有效率高、省电、噪音小等特点，喷头及水雾分配器无动力易损部件，耐磨损，喷雾均匀。

一台FCB-3微雾加湿器的加湿量为60～300kg/h，可满足加湿面积在600m2左右的温室需要。

第三章系统程序设计

3.1温室大棚系统的I/O分配表

输入

输出

元件代号

输入继电器

作用

元件代号

输出继电器

作用

SA

X0

手/自动切换

RH

Y0

高速运行

SB1

X1

大风电机启动

RM

Y1

中速运行

SB2

X2

开始启动按钮

RL

Y2

低速运行

SB3

X3

加湿电机启动

STF

Y3

电机正转

SB4

X4

风门电机启动

KM1

Y4

大风电机运行

SB5

X5

风冷电机启动

KM2

Y5

加湿电机运行

SB6

X6

加热风机启动

KM3

Y6

风门电机运行

SB7

X7

暂停按钮

KM4

Y7

风冷电机运行

SB10

X10

停止按钮

KM5

Y10

加热风机运行

T1

X11

温度上限值输入

HL1

Y11

温度指示灯

T2

X12

温度下限值输入

HL2

Y12

湿度指示灯

T3

X13

湿度上限值输入

HA1

Y13

暂停警铃

T4

X14

湿度下限值输入

HA2

Y14

变频器异常警铃

AC

X15

变频器异常输入

3.2PLC接线图

3.3程序设计

1.暂停程序

按下暂停按钮X1一次，延时30分钟后，警铃响，再次按下暂停按钮警铃不响，系统继续工作。

2.手\自动转换程序

手/自动切换，正常运行时X0为OFF，手动是为ON，在正常运行时此段程序不执行。

3.大风电机、加湿电机运行程序

按下大风电机启动按钮，大风电机以40HZ运行，按下开始启动，当湿度低于下限值时，加湿电机和湿度指示灯工作。

当湿度高于上限值时风门电机工作。

4.生长周期20天定时程

按下启动开始按钮后，此段程序执行20天定时程序。

5.大棚内温度、加热风机、风冷电机、大风电机控制程序

大棚内温度值的控制，温度的控制、加热风机的控制、风冷电机的控制、大风电机的转速控制。

同时指示灯工作。

6.大棚内换气程序

当按下按钮X2后，延时三小时。

（此阶段为换气阶段）。

7.系统换气延时程序

三小时延时时间到，风门电机工作换气。

工作五秒钟后停止工作。

再循环延时三小时，风门电机工作换气工作五秒钟。

8.加湿电机手动程序

按下X3（加湿电机手动控制按钮）按钮，加湿电机点动运行。

9.风门电机手动程序

按下X4（风门电机手动控制按钮）按钮，风门电机运行。

10.风冷电机手动控制程序

按下X5（风冷电机手动控制按钮）按钮，风冷电机运行。

11.加热风机加热手动控制程序

按下X6（加热风机加热手动控制按钮）按钮，加热风机工作。

12.变频器异常工作程序

当X15动作时，变频器出现异常输出，此时异常报警工作。

结束语

即将毕业，意味着校园生活即将结束，为了学生时代画上个圆满的句号，步入人生另一个阶段。

在这期间我将自己的全部精力用于这次论文的写作中，本论文是在经过一个多月的时间完成的，我参考了许多的资料，包括网上的、书本上的。

在设计过程中遇到了很多的困难，多次求助了蒋老师和同学，在他们的帮助下，结合自己所掌握的专业知识，加上自己的努力，总算交出了还算满意的答卷。

这次设备安装调试的成功让我更加热爱本专业。

在PLC、文本程序编辑的过程中，是我体会到在实际应用中考虑问题要更加紧密。

在设备安装调试过程中解决问题的经验，为以后工作的实战打下了坚实基础。

致谢

在这次的论文设计中，我遇到了很多自己不懂的地方，我的指导老师高健给了我很大的帮助，耐心对我讲解，在讲解的过程中还传授了新知识，对我以后的工作有很大的帮助。

高老师在看我论文的时候，发现不足之处，均用红笔标出来，并督促我抓紧时间修改，把技师鉴定的其他项目利用课余时间也多看看，感谢高老师对我的辅导。

另外，在本次论文撰写的过程中，我还得到了身边同学的热情帮助，让我感受到了学习的氛围，感谢他们在百忙之中抽出时间来帮助我，才使我的论文能够顺利的完成，真的很感谢他们。

参考文献

【1】王国海.《可编程序控制器及其应用》.中国劳动社会保障出版社.2007

【2】程世刚.《现代温室环境控制》.2010

【3】《三菱变频器FR-E500使用手册》.三菱电机株式会社.2012

【4】余姚市长江温度仪表.CJLC-9007温湿度控制使用说明书.2012

【5】殷洪义.《可编程序控制器选择设计与维护》.2013

附录

附录A系统总电路总图

附录B系统程序