基于PLC（西门子S7-300）的温室大棚控制系统设计———77页

摘要

温室大棚对现在的人们来说，是非常熟悉的一个名词，因为现在我们生活中的很多花卉、蔬菜、水果都是从温室大棚中种植出来的。如何利用自动检测与自动控制系统有效的控制好温室大棚内的各种环境因子，以提高温室大棚环境的控制精度和效果,对我国温室业的发展有着不可估量的重要意义。

本设计采用西门子S7-300系列可编程控制器来实现自动化控制的温室大棚。温度、湿度等环境因子在植物过程中起重要作用，在检测这环境因子的时候考虑到精度,反应速度，方便设备连接等问题，将采用温度传感器,湿度传感器对环境各项指标进行检测,传感器将检测的结果送入PLC中，由PLC将其与设定值进行比较，再发出相应的指令驱动电机﹑卷帘等设备运行或停止来调节室内的温度、湿度，从而达到智能化，自动化控制的目的。

关键词：蔬菜大棚;PLC；温湿度控制;

Abstract

Greenhouse for the people now is a very familiar noun, because now we live in a lot of flowers, vegetables， fruit which from greenhouse shelter of planting out. How to use automatic detection and automatic control system of effective control of greenhouse trellis inside， in order to improve the environmental factor trellis environment control precision of the greenhouse effect and has become the greenhouse industry research in China at present.

This design USES the Siemens s7-300 PLC to realize the automation control greenhouse trellis. Temperature， humidity environment factors in the process of plants plays an important role in detecting the environmental factor， when considering the accuracy， the reaction speed， convenient device connected by such issues， will the temperature sensor，humidity sensors detect the indicators of environment， the sensor will test results by PLC sent PLC compare it with setting， then sends out the corresponding order-driven heating element，， the fan， ventilation window， filling light equipment， sunshade shade equipment operation or stop to adjust indoor temperature， light， humidity, so as to achieve the purpose of intelligent， automation control。 Discuss PLC control system application in plants greenhouse canopy，

Keywords： Vegetables greenhouse；PLC system;Temperature and humidity control

目录

1 绪论

1。1概述

1.2研究背景

国外状况

1。2.2国内状况

1.3研究意义

1。4我国温室存在的主要问题

1.5温室环境控制技术的发展趋势

2 研究方案的设计

2.1温室大棚内重要参数的调节与控制

2.1。1温度的调节与控制

2。1。2湿度的调节与控制

2。1。3温度、湿度之间的耦合

2。1.4光照的调节与控制

2.1。5二氧化碳含量的调节与控制

2。2温室环境的特点

2.3温室的控制对象

2。3.1温度

2。3。2湿度

2。3。3光照强度

2.3.4二氧化碳

2。3。5土壤含水量

3 PLC概述

3。1 PLC简介

3.1.1 PLC的产生和定义

3。1.2 PLC的发展现状

3。1.3 PLC的发展趋势

3.1。4 PLC的分类

3。1。5 PLC的特点

3.1。6 PLC的应用

3.2 PLC的组成和工作原理

3.2.1 PLC的组成

3.2.2 PLC的工作原理

3。3 PLC控制系统设计的基本原则、主要内容及步骤

3。3。1 PLC控制系统设计的基本原则

3.3。2 PLC控制系统设计的主要内容

3.3.3 PLC控制系统设计的步骤

4 控制系统的总体设计方案

4。1系统的设计任务

4。2系统的控制方案

4.3系统的工作原理

5 控制系统的硬件设计

5。1电气控制系统设计

5。1。1系统主电路设计

5.1。2系统控制电路设计

5。2 PLC硬件电路的设计

5。2。1 PLC型号选择

5。2.2 PLC I/O地址分配

5。2。3硬件接线图设计

5。3 PLC的硬件配置

5.3。1传感器

5.3.2 S7-300各个模块

6 控制系统的软件设计

6。1 PLC程序设计的方法

6.2编程软件STEP7概述

6。3控制系统的程序设计

6.3。1程序的设计思路

6。3。2控制程序流程图

6.3.3控制程序设计及分析

6.4 STEP7软件介绍

7 结论

参考文献

致谢

1 绪论

1.1概述

传统温室是指具有防寒、加温和透光等设施，供冬季或极寒地区培育喜温植物或作物的房间。而智能温室也称作自动化温室，是指配备了由计算机控制的可移动天窗、遮阳系统、保温系统、升温系统、湿帘窗/风扇降温系统、喷滴灌系统或滴灌系统、移动苗床等自动化设施，基于农业温室环境的高科技智能温室。智能温室的控制一般由信号采集系统、中心计算机、控制系统三大部分组成.本文主要讨论关于智能温室控制系统这一部分。

智能温室控制系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效的农业设施，其是以传统的日照温室为基础，配以计算机自控技术，智能传感技术等高尖端技术发展起来的新型农业基础设施。自上世纪90年代，我国农业工程技术研究人员在吸收了发达国家的高科技温室技术上，加以针对我国农业环境，传统日照式温室的温度、湿度、日照时长及二氧化碳浓度研发出了适应我国农业环境的智能温室控制系统.

1.2研究背景

1.2。1国外状况

世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业，温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控,从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。

美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高.环境控制计算机主要用来对温室环境(气象环境和栽培环境）进行监测和控制。以花卉温室为例，温室内监控项目包括：室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通窗状况、泵的工作状况、二氧化碳浓度、EC调节池和回流管数值、pH调节池和回流管数值；室外监控项目包括：大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等.温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。

以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。目前，荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平，拥有玻璃温室1。2万多平方米，占世界1/4以上,有85％的温室用户使用计算机控制温室环境。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线,可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询,并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成温室灌溉和气候的控制和管理。

此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样,给人以身临其境之感.

1。2.2国内状况

我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，80年代开始应用于温室控制与管理领域.20世纪90年代初期,中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所,研制开发了温室控制与管理系统，并开发了基于Windows操作系统的控制软 件；90年代中后期,江苏理工大学毛罕平等人研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、二氧化碳、施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果.在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究温室设施的计算机控制与管理技术。“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业(设施农业）研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究的力度，其中“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了“智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”的专题。

20世纪90年代末，河北职业技术师范学院的闫忠文研制了作物大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。中科院合肥智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境-DET系列软件”和智能温室自动控制系统，能够有效地提高作物产量、缩短生长期、减少人工操作的盲目性。北京农业大学研制成功“WJG-1"温室环境监控计算机管理系统，采用了分布式控制系统。河南省农科院自动化控制中心研制了“GCS—I型智能化温室自动控制系统”，采用上位机加PLC的集散式控制方法，软件采用智能化模糊算法.中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗温室计算机分布式控制系统”，实现了计算机分布式控制。

1。3研究意义

温室大棚近年来在农业生产上占的比重越来越大，而相对来说，温室大棚的控制系统也随着科技的进步不断的发展进步、提升。目前常见的是自动化控制系统，正在向智能控制系统方向发展。

温室大棚智能控制系统是其管理的智能化系统，因为21世纪互联网和传感器的快速发展和普及而逐渐应用到蔬菜大棚上.主要监测参数和指标是:棚内的温度、含湿量、光照强度、二氧化碳含量、土壤的温度和含湿量等。一方面我们需要先向计算机内输入植物生长过程中的最适合生长的环境参数,另一方面在温室大棚各处合理地安排检测设备和传感设备，通过实时监测相应参数指标，并实时传递给计算机系统,系统通过比对，检测到不适宜条件，发出指令指挥棚内的自动系统进行施肥、升温、加水等正确操作，保持棚内环境，保证系统正常运行，使植物在最适宜情况下生长.智能控制系统将信息技术与计算机结合起来,在农业上加以应用，实现了农业发展的变革,也是未来农业发展的具体方向。

智能控制系统在应用上有很大的方便和优势.首先是，智能控制系统控制的精准性和及时性。它的基本功能是对环境的检测,加上一些传感器和智能机器的应用，加强了人们对于作物生长环境的深层了解，实现了科学精准的控制，而且可以根据传感器数据给出相应的反馈和操作,反应及时，给植物营造出最适应的生长环境，温室大棚能够种植出高质量、高产量的绿色蔬菜.其次是，可实现远程控制。目前比较常用的是浙江大学研发的托普物联网技术，这种系统可以再距离较远时通过电脑控制棚内的操作，一方面减少了操作人员的工作量，提高了工作效率，另一方面，可以使得操作人员无论在任何地方都能监察整个大棚的状况，实现了科技的有利性。

从发展前景上里说，温室大棚采用智能控制系统是未来农业发展的趋势和方向，它会将人们从繁杂的工作中解放出来，利用科技的手段得到最完美的效果，还会帮助降低成本,是农业走向高质量、高效率、高收益的道路。

1.4我国温室存在的主要问题

1）科技含量和总体发展水平较低。我国设施栽培起步晚、基础差，没有将其作为整体工程问题研究。从设施装备到栽培技术的生产管理不配套，生产不规范,难以形成大规模商品生产。

2)我国现有的温室控制系统仍以控制一个温室为主，没有基于温室群的控制系统。这样降低了生产管理的效率。

3)温室测控系统的通信仍然采用有线方式。我国温室测控系统的通信主要有485总线以及CAN总线等有线方式.这些有线通信方式不仅使得温室内的信号线和动力线错综复杂，而且导致系统的可靠性降低，安装维护工作量变大,同时也不利于农业机器人等移动设备的作业，难以达到温室生产的“工厂化农业”水平。

4）缺少基于农业专家知识的上位机管理系统.我国目前的温室控制系统中，一些上位机只限于存储采集的历史数据,没有根据农业专家知识的实时控制管理系统.

5)设施水平低，抵御自然灾害的能力差。我国目前部分温室的建筑材料主要是钢材和玻璃。但没有形成国家统一的标准和工厂系列的产品，且应用率仅占设施栽培面积的10％,而绝大部分由农民自行建造的塑料日光温室也只能起到一定的保温作用，根本不能实现对温度、湿度、光照等环境因子的调控。

6)机械化水平低，调控能力差，作业主要依靠人力。生产管理主要靠经验和单因子定性调控。

1.5温室环境控制技术的发展趋势

1。智能化：随着计算机技术、传感技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测为主，逐步转向以知识处理和应用为主.因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。因此近几年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在温室栽培中得到了不同程度的发展和应用。

2.网络化:目前，网络技术己成为当前世界最有活力、发展最快的高科技领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。因此,设施农业产业化程度的提高成为可能。我国幅员辽阔，气候复杂，劳动者整体素质低,利用网络进行在线和离线服务，可以对不同区域进行监测、比较，不仅给管理带来很大的方便，而且可以提高劳动生产率。

3。分布式：分布式系统通常可分为上、下两层。上层主要用作系统管理，其它各种功能如测量与控制任务等,主要由下层完成。下层由许多各自独立的功能单元组成,每个单元只完成一部分工作。面向对象的分布式系统，每一个功能单元针对一个对象、每一根进线、每一根出线、每个传感器、接触器等都可作为对象。

4.综合环境调控:所谓综合环境调节，就是以实现作物的增产稳产为目标，把影响作物生长的多种环境参数，如光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等，都保持在适宜作物生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置，既省时又节能，还能使劳动者愉快地从事生产劳动。

5。变动的坏境控制系统：当前，主要使用精确的计算机坏境控制程序根据设定值对温室中的环境进行调控，但研究发现，这并不能使温室内的作物达到最佳产量。如作物的生长和发育并不取决于某一时刻某个特定温度，而主要取决于在一个时间段中的平均温度水平。这导致控制系统向“自由设置”系统的方向发展，如综合温度控制系统的研制，在该系统中并不设置一个固定的温度值，温室中的温度在最高和最低温度范围内可进行变动,以求在一个较长的时间段内达到理想的平均温度。这样计算机可以根据室外的气候，在使用最低能耗、最佳的利用温室中现有设备的情况下自由进行调节。可变动的环境控制系统目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、二氧化碳浓度等方面的研究，在温室作物产量上已表现出比较满意的效果.

6。蓝牙技术：蓝牙技术是近年发展起来的新型低成本、短距离的无线网络传输技术.运用这种技术把温室环境自动检测与控制系统中的各个电子检测装置和执行机构无线地连接起来，以达到便捷地对温室环境参数进行自动检测，灵活地对温室环境参数进行自动控制的目的。便携式环境参数采集器内部装有温度、湿度、光照等各种传感器，并嵌入了蓝牙芯片，因此，这种参数采集器具有无线通信功能，可以便捷地放置在温室内的不同位置。控制器同样嵌入了蓝牙芯片，它一方面与便携式环境参数采集器无线连接，另一方面通过RS-485通信总线与温室内的计算机控制装置相连接.

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