蔬菜大棚温湿度控制系统的PLC程序设计毕业设计.doc

LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计题 目 蔬菜大棚温湿度控制系统的PLC程序设计65兰州理工大学毕业设计毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为 。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日摘 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。使用step7及wincc flexible实现上下位连调，详细的介绍系统的特点，组成，硬件设计及软件设计等问题。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, Use the step7 and wincc flexible to achieve the upper and lower sandhi detailed introduces the characteristics of the system, the composition, the hardware design and software design.Keywords: Vegetables greenhouse；PLC system；Temperature and humidity control目录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 课题背景及研究意义11.2国内外温室控制技术发展概况21.3 选题的目的和意义3第二章 系统的整体设计方案42.1系统的设计任务42.2 控制系统核心部件的选择42.2.1 通讯方式简介42.2.2 温室控制系统硬件配置52.3控制方案62.4.系统工作原理7第三章 硬件系统的研究与设计83.1 PLC的选型83.1.1 I/O地址分配93.1.2 接线图113.2 传感器的选型123.2.1温度传感器123.2.3 空气湿度传感器143.3 电磁阀的选型143.4低压控制器件选型153.5主回路及控制回路的设计213.5.1 系统主电路设计213.5.2 控制回路设计223.6 就地控制箱设计24第四章、软件系统的研究与设计254.1 STEP7软件编程简介254.1.1 软件简介254.1.2软件运行274.1.3 主要功能块简介284.2系统流程图294.2.1 主程序流程图294.2.2 温度子程序294.2.3 湿度子程序304.2.4 故障报警子程序32第五章 控制系统监控界面设计345.1 上位软件345.2 通讯连接345.3 人机界面35结 论37致谢38参考文献39外文翻译40附录一：程序梯形图59第一章 绪 论1.1 课题背景及研究意义中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。当前农业温室大棚大多是中、 小规模， 要在大棚内引人自 动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，结合郊区农户的需要， 设计了一套低成本的温湿度自动控制系统。该系统采用传感器技术和PLC相结合，由上位机和下位机( 都用单片机实现) 构成，采用MPI网络进行通讯，实现温室大棚自动化控制。中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。1.2国内外温室控制技术发展概况温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:（1）手动控制。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。（2）自动控制。这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。（3）智能化控制。这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。1.3 选题的目的和意义大棚是蔬菜栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类作物对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。该系统可自动控制浇水、降温。根据需要，通过按键将温度信息输入wincc flexible，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。本文将使用PLC与上位机结合对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制温室大棚温度、湿度等的控制系统。目的是通过这次毕业设计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。第二章 系统的整体设计方案2.1系统的设计任务植物温室大棚的作用是改变植物的生长因子，从而避免四季的气候变化和恶劣气候对植物生长的不良影响，为植物提供一个良好的生长环境，在温室大棚中，一般利用一些采光性较好和钢铁，还有遮阳性的材料作为主要结构材料。它可以培养不适应在该季节下生长的植物，对农作物的生长因子进行调节，促进植物的生长发育，防止病虫害，以达到增加产量的目的。温室中的温度，光照，湿度，CO2浓度，土壤酸碱度等因素对植物的生长起着重要作用，本设计主要研究温室控制的主要对象是温度，湿度，应用温度传感器，湿度传感器对各环境因子进行检测。温度的调节主要通过卷帘的动作进行解决，湿度则由水泵电机的灌溉系统进行补偿，网络监控设备选用普通PC，现场装备了控制箱作为现场监控装置。被控对象为10个蔬菜大棚的温湿度控制，每个大棚内有一个15Kw水泵电机和10Kw的卷帘电机（水泵电机与卷帘电机可以实现就地控制，也可以实现远程计算机控制）。温度控制精度为：0.5，土壤湿度控制精度为：5%。可以加入空气湿度控制，其精度为：3%RH（需要加入喷雾控制）。尝试构建该系统的分布式控制结构,保证各子系统的相对独立性,使系统具有可靠性高，拓展性强的特点。2.2 控制系统核心部件的选择2.2.1 通讯方式简介MPI网络是是基于MPI（Multiplant Interface）多点接口协议的通信网络，当通信速率要求不高、通信数据量不大时一种简单经济的通信方式。MPI通信主要的优点是CPU可以同时与多个设备建立通信联系，即编程器/上位机、HMI设备和其他的PLC可以连接在一起并同时运行。每个控制点是同级的，对每个大棚的PLC赋予不同的地址，都由上位机来控制。相对于其它总线网络结构，它更简单、更经济。由于西门子PLC S7-200/300/400 CPU上的RS485接口不 仅是编程接口，同时也是一个MPI的通信接口，所以在没有额外硬件投资的状况下，可以实现PG/OP、全局数据通信以及少量数据交换的S7通信等通信功能，其网络节点通常包括S7 PLC、TP/OP、PG/PC、ET200S以及RS485中继器等网络元器件。MPI网络最多可以连接32个节点。MPI网络的通信速率为19.2Kbit/s-12Mbit/s，通常默认设置为187.5Kbit/s，只有能够设置 为PROFIBUS 接口的MPI 网络才支持最大的12Mbit/s 的通信速率。普通PC 需要通过MPI/PROFIBUS通信卡（如CP5512/CP5611/CP5613等）联入MPI网络，其中CP5611和CP5613用于台式电脑，后者带网络诊断功能，但价格相对较高。2.2.2 温室控制系统硬件配置在工业自动控制系统中，单片机控制与PLC控制是最常用的自动控制系统，但与单片机相比，PLC具有极高的可靠性、灵活性、编程相对简单、扩展模块丰富等等优点，能够广泛应用到实际生产中。由德国SIEMENS系列产品产品具有功能强大，可靠灵活，实用性强等特点。从系统的整体性出发，考虑到经济性、适用性、功能性等各方面原因，我们选用西门子公司的产品，以最优的性能/价格比进行系统配置。本系统可以实现各个子系统的单独调用，通过通讯网络由总控制室统一管理，便于实现多路控制。S7-300系列的PLC是一种中等PLC系统，其功能非常强大，针对中小型自控应用，是面向生产制造领域的最佳系统解决方案。1）功能强，性能价格比高2）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强3）可靠性高，抗干扰能力强4）系统的设计、安装、调试工作量少5）编程方法简单梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。6）维修工作量少，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。7）体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器。8)与时俱变，能实现网络通讯PLC可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理。并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。9）提升产品技术含量，增加产品形象！10）对未来机械升级很方便高效率的组态和编程，基于世界标准的STEP 7 更高的可用性 ，基于强大的集成的诊断功能，高效的处理速度可极大的缩短设备的循环时间，节省空间，模块化设计 ，没有槽位规则。基于以上优点本设计采用S7-300系列的PLC。本系统选用SIMATIC S7-300 系列PLC作为现场控制设备，因为该系列PLC具有较高的性价比，且具有强大的网络通信功能。同时配置了空气温度传感器土壤湿度传感器用于检测温室内环境变量；装备了水泵卷帘等设备，用于改变温室内各环境变量的数值；网络监控设备选用普通PC，现场装备了控制箱作为现场监控装置。2.3控制方案植物的生长是在一定环境中进行的 ,在生长过程中受到环境中各种因素的影响 ,其中对植物生长影响最大的是温度、湿度和光照度。环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大 ,对植物生长极为不利。现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对植物的生长进行合理的控制 ,而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。因此 ,本系统就是利用PLC作为控制器，采用传感器对温室温度、温度等环境因素进行巡回测量，并将结果送到PLC中，由PLC对结果进行处理，然后调控各设备对环境因子进行补偿。现场可采用现场控制箱控制，PC通过MPI网络实现远程监控。其硬件连接方式如下：图2.1硬件连接方式示意图2.4.系统工作原理系统由温度传感器，湿度传感器，PLC系统，加温设备，加湿设备，通风设备等几个部份组成。系统的工作过程如图所示：温湿度设定值PLC系统温、湿度传感器湿度控制装置（水泵、电磁阀）温度控制装置（卷帘）图2.2 系统的工作过程该温室控制系统是利用PLC模块将湿度传感器，温度传感器采集的有关参数转换成数字信号，并且把采集的参数与已设定的值进行比较，再经过PLC的比较后，给出相应的的控制信号对执行机构进行控制。在此系统中还可以通过串口的形式与PC机相连，从而实现实时数据的管理与存储，以后植物生长的研究带来宝贵资料。传感器把生物有关的环境因子（湿度，温度）参数转换成为电信号，其中温度传感器的输出电压对应一个温度，并且具有测量精度高，测量范围广，构造简单，价格低廉等特点，可以把-10100的温度转换成05V的电压，在湿度传感器测量中可以将相对湿度0%100%的相对湿度转换成05V的电压信号。温室控制执行机构包括卷帘水泵、电磁阀等。系统开始工作时，PLC通过温度传感器，湿度传感器来检测温室内的温度，湿度与设计值相比较，如果温度，湿度超出设定值上下限值，PLC就会输出指令，控制动作相应的执行设备。相反，如果测量值在设定值范围内则发出指令停止相应的设备。第三章 硬件系统的研究与设计3.1 PLC的选型 系统选用西门子公司的S7-300 PLC实现集中监控。根据系统控制要求并考虑留有一定的裕量，PLC由电源模块PS307CPU模块CPU313c-2DPI/O模块（1块模拟量输入SM 331)组成，具体硬件配置如下： 1.电源模块PS307：输入电压为220V AC，输出电压为24V DC，输出电流为5A，向其他PLC模块供电。PLC内部的电源可分为：内部开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供DC24V稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。 外部可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源故障时内部重要数据不致丢失。西门子PLC有多种24-VDC 电源模块可用于S7-300 PLC 和传感器/执行器。本次设计中考虑到带负载能力等电源选择5 A 电源模块6ES7 307-1EA00-0AA0即可，其属性如下：输出电流为5 A输出电压为24 VDC；短路和断路保护与单相交流电源连接（额定输入电压120/230 VAC，50/60 Hz）安全隔离符合EN 60 950可用作负载电源 2.CPU模块CPU是PLC的核心部分。与通用微机CPU一样，CPU在PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。其功能：（1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器；（2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；（3）诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误；（4）在PC进入运行状态后：a） 执行用户程序产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路）b） 进行数据处理分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务c） 更新输出状态输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等）本次设计大棚温湿度控制系统中输入输出IO点数由紧凑型PLC支持足以，并且由方案论证中可知PLC选择的是西门子公司的S7-300系列，考虑到价格、存储、通信方式等，CPU型号选择为313C-2DP型，带集成数字量输入/输出和一个MPI接口和一个DP接口的紧凑型CPU，带有与过程相关的功能，可以完成具有特殊功能的任务和连接单独的I/O设备，32kBRAM，24VDC电源，内置16DI/16DO。3. I/O模块PLC系统的输入信号包括各个大棚的温度及湿度信号电机启动停止信号自动手动转换开关信号现场远程转换开关信号。温湿度模拟量信号用模拟量输入模块SM 331来扩展。由输入点数以及考虑到10%-20%的冗余，扩展模块选择为模拟量输入模块 SM 331; AI 8 x 16 位；(6ES7 331-7NF10-0AB0)，其属性为： 4 个通道组中的8 点输入 测量值精度 = 15 位 + 符号（独立于积分时间） 每个通道组的可选测量方法： 电压 电流 用户定义的测量范围设置和每个通道组的过滤/刷新率 可编程诊断 可编程诊断中断 带限制值监视功能的2 个通道 超限时的可编程中断 与背板总线接口电气隔离 通道间的允许CMV：最大50 VDC3.1.1 I/O地址分配由系统设计需要输入信号有启动、停止、温度传感器、空气湿度传感器、土壤湿度传感器等；输出信号被控对象有卷帘电机、水泵电机、电磁阀、报警装置等，其I/O地址分配表如下：表3-1 I/O分配表输入信号类型名称符号端子分配备注 数字量输入信号转换开关SA1I0.0就地远程转换开关就地转换开关SA1I0.1就地远程转换开关远程按钮SB1I0.2总启动按钮按钮SB2I0.3总停止按钮按钮SB3I0.4急停按钮行程开关SQ1I0.5卷帘上限位开关行程开关SQ2I0.6卷帘下限位开关 模拟量输入信号传感器L1PIW256温度传感器1传感器L2PIW257土壤湿度传感器1传感器L4PIW259空气湿度传感器1传感器L5PIW260温度传感器2传感器L6PIW261土壤湿度传感器2传感器L7PIW262空气湿度传感器2输出信号类型名称符号端子分配备注 数字量输出信号继电器K1Q0.0卷帘电机正转继电器K2Q0.1卷帘电机反转继电器K3Q0.2水泵电机启动继电器K4Q0.3电磁阀启动指示灯HL1Q0.4卷帘正转指示灯指示灯HL2Q0.5卷帘反转指示灯指示灯HL3Q0.6水泵启动指示灯指示灯HL4Q0.7电磁阀启动指示灯指示灯HL5Q1.0卷帘报警指示灯指示灯HL6Q1.1水泵报警指示灯指示灯HL7Q1.2电磁阀报警指示灯3.1.2 接线图（1）由PLC地址分配列表可以得到CPU接线方式，其接线图如图所示：图3.1 CPU模块接线图 PLC主体模块接线如图三所示。PLC的输出触点负载能力偏低，如果直接带动电机等负载，输出触点容易损坏，故采用中间继电器作为中间元件，间接控制电机的启停及正反转。由中间继电器触点控制交流接触器，交流接触器作为控制元件来控制电机启停和正反转。（2）温、湿度传感器与PLC扩展模块SM331的接口电路图3.2 模拟量模块接线3.2 传感器的选型本系统设计了对与作物生长发育有关的环境温度、土壤湿度等参数进行采集的功能，实现温室大棚内各种参数的数据采集任务，传感器负责对温室环境因子的采集，将采集信转换为0-5伏的电压信号，送入PLC，供PLC使用，而使用的各类传感器，分别介绍如下：3.2.1温度传感器温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场超过了其它的传感器。温度传感器主要四种类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟量输出和数字量输出两种类型。在温度传感器的选择上余地比较大，在此选用PH-QW 大气温度传感器,PH-QW大气温度传感器采用光刻铂电阻作为感应部件，感应部件位于杆头部，外有一层滤膜保护膜可配专用的防辐射罩，保护传感器免受太阳辐射和雨淋。技术指标：测量范围：-50+100分 辨 率：0.1准 确 度：0.2供电电源：2.5V（标配）、5V、12V、24V输出形式：a: 0-5VDC; b: 420mA; c: RS232/RS485网络通讯 特点：精度高、低漂移、响应速度快、体积小、安装方便、性能稳定、使用寿命长、抗干扰能力强土壤湿度传感器湿度传感器分为空气湿度传感器和土壤湿度传感器两种。温室的湿度如果能控制在一定范围内，则可以大大降低双霉病、炭霉病及疫害病的发病率。土壤湿度度能够适当的控制在植物生长范围内的话，可以提高植物的生长，防止植物根部腐烂，节约用水等。水分是决定土壤介电常数的主要因素，测量土壤的介电常数，能直接稳定地反应各种土壤的真实水分含量，与 土壤本身的机理无关，是目前国际上最流行的土壤水分测量方发法。在此选用 PH-TS 土壤湿度传感器 ，PH-TS土壤湿度传感器是一款高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器。性能指标测量参数：土壤容积含水量单 位：%（m3/m3）量 程：0100%（m3/m3）精 度：050%（m3/m3）范围内为2%（m3/m3）分 辨 率：0.1%（m3/m3 ）测量区域：90%的影响在围绕中央探针的直径3cm、长为6cm的圆柱体内稳定时间：通电后约1秒响应时间：响应在1秒内进入稳态过程工作电压：电流输出为12V24V DC,电压输出为5V DC工作电流：5070mA，典型值50 mA输出形式：a: 0-5VDC; b: 020mA; c: RS232/RS485网络通讯密封材料：ABS工程塑料探针材料：不锈钢或铜电缆长度：标准长度5m遥测距离：小于1000米3.2.3 空气湿度传感器空气湿度传感器选用PH-QS大气湿度传感器，可用来测量空气湿度，感应部件采用高分子薄膜湿敏电容，位于杆头部，这种具有感湿特性的电介质其介电常数随相对湿度而变化。技术参数测量范围：0100%RH输出范围：0100%RH 05VDC分 辨 率：0.1%RH准 确 度：3%RH（T0） 5%（T0）稳 定 性：1%RH/年供电电源：DC5V、DC12V、DC24V可选输出形式：1、电流：4-20mA 2、电压: 0-5VDC； 3、RS232/RS485网络通讯； 4、TTL电平：频率和脉宽两种。工作环境：温度-4050 湿度100%RH稳 定 性：1%RH/年产品重量：传感器140g，带变送器550g负载能力：电流型输出阻抗250 电压型输出阻抗1K产品功耗：6mW（电压型）3.3 电磁阀的选型电磁阀是用来控制液体的方向的自动化基础元件，属于执行器；通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。电磁阀常与空气过滤器 ，回信器连接叫气动三联件。本系统的电磁阀主要用于农业用水，可以选用电磁阀DP-10，下表为DP-10的介绍：表3-2 电磁阀DP-10型号DP-10适用流体空气、蒸汽、水、其它非危害性流体适用压力0.051.0Pa（0.510Kgf/cmG）最低动作压差0.05MPa(0.5Kgf/cmG)最高温度180电压规格AC100/200V结线方法选择形50/60HzAC110/220V结线方法选择形50/60HzAC120/240V结线方法选择形50/60Hz动作方式通电开动形连接方式JIS Rc(PT)螺丝材料阀箱青铜活塞不锈钢阀体氯化乙烯树脂公称直径1050A3.4低压控制器件选型一、按钮 LA 25系列控制按钮采用积木式结构、插接式连接，可以自由组合常开、常闭触头的对数，。LA25系列控制按钮是目前国内规格品种最齐的一种控制按钮系列。 本系统需三种不同按钮：启动、停止和急停按钮。按各自功能选择不同型号，启动为LA25-20/12，有两对常开触头，为绿色圆形按钮。停止为LA25-02/11，有两对常闭触头，为红色圆形按钮。急停为LA25-11M/21为红色蘑菇状按钮。二、行程开关JLXKl系列行程开关有单轮防护式、双轮防护式、直动防护式和直动滚轮防护式。触头数量为1常开和1常闭。交流接通电流5A。 三、断路器 塑壳式断路器的选用塑壳式断路器常用来作电动机的过载与短路保护，其选择原则是： 1)断路器额定工作电压等于或大于线路额定电压。2)断路器额定电流等于或大于线路计算负荷电流。3)断路器通断能力等于或大于线路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值计算。4)断路器欠压脱扣器额定电压等于线路额定电压。5)断路器分励脱扣器额定电压等于控制电源电压。6)长延时电流整定值等于电动机额定电流。 7)瞬时整定电流：对保护笼型感应电动机的断路器，其瞬时整定电流为(815)倍电动机额定电流；对于保护绕线型电动机的断路器，其瞬时整定电流为(36)倍电动机额定电流。8)6倍长延时电流整定值的可返回时间等于或大于电动机实际起动时间。按起动时负载的轻重，可选用可返回时间为1、3、5、8、15s中的某一档。3VE系列断路器3VE系列断路器是从德国西门子公司引进技术生产的产品。适用于交流50Hx或601-Iz，电压660V及以下，电流20-63A的电路中，作为小容量电动机和线路的过载及短路保护用，并可在正常情况下作为不频繁操作的线路转换或电动机直接起动用。3VE系列断路器主要由操作机构、触头、灭弧装置、热脱扣器、电磁脱扣器、绝缘基座和塑料外壳组成。脱扣器具有温度补偿装置，故在正常工作条件下，其保护特性不受环境温度影响。3VEl、3VE3、3VFA型断路器分别为按钮操作、旋钮操作和手柄操作。断路器可用安装孔板前安装，3VEl、3VE3亦可用底板上设置的标准安装导轨嵌卡安装。根据要求选择3VE4系列断路器。四、熔断器熔断器的选择熔断器选择包括熔断器类型选择和熔体额定电流确定两项内容。1）熔断器类型的选择熔断器类型应根据负载的保护特性和短路电流大小来选择。对于保护照明和电动机的熔断器，一般只考虑它们的过载保护，这时，熔体的熔化系数适当小些。对于大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力来选择。当短路电流较大时，还应采用具有高分断能力的熔断器甚至选用具有限流作用的熔断器。此外，还应根据熔断器所接电路的电压来决定熔断器的额定电压。2）熔体与熔断器额定电流的确定熔体额定电流大小与负载大小、负载性质有关。对于负载平稳、无冲击电流，如一般照明电路、电热电路可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。对于有冲击电流的电动机负载，为达到短路保护目的，又保证电动机正常起动，对笼型感应电动机其熔断器熔体的额定电流为： 单台电动机INP=（1.5 2.5）INM （3-1）式中，INP为熔体额定电流（A）；INM为电动机额定电流（A）。多台电动机共用一个熔断器保护INP =（1.5 2.5）INM max + INM （3-2） 式中，INM max为容量最大一台电动机的额定电流（A）；INM为其余各台电动机额定电流之和（A）。在式（3-1）与式（3-2）中，对于轻载起动及起动时间较短时，式中系数取1.5；重载起动及起动时间较长时，式中系数取2.5。熔断器的额定电流大于或等于熔体额定电流。3)校核熔断器的保护特性对上述选定的熔断器类型及熔体额定电流，还须校核该熔断器的保护特性曲线是否与保护对象的过载特性有良好的配合，使在整个范围内获得可靠的保护。同时，熔断器的极限分断能力应大于或等于所保护电路可能出现的短路电流值，这样才能得到可靠的短路保护。4)熔断器上、下级的配合为满足选择性保护的要求，应注意熔断器上下级之间的配合。一般要求上一级熔断器的熔断时间至少是下一级的3倍，不然将会发生超级动作，扩大停电范围。为此，当上下级选用同一型号的熔断器时，其电流等级以相差2级为宜；若上下级所用的熔断器型号不同，则应根据保护特性上给出的熔断时间来选取。 RLlB系列带断相保护螺旋式熔断器RLlB系列熔断器适用于交流50Hz、电压至380V、电流至100A的电路，作过载、短路及断相保护用。由于熔断器装有微动开关，其常闭触头接于主电路的控制电路中，当主电路过载或短路使熔断器动作，微动开关常闭触头断开，从而切断控制电路电源，进而使主电路断开电源，避免了电机或用电设备的断相运行。五、.热继电器选择热继电器主要用于电动机的过载保护，因此必须了解电动机的工作环境、起动情况、负载性质、工作制及允许的过载能力。应使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之下，并尽可能接近，以便充分发挥电动机的过载能力，同时对电动机短时过载和起动瞬间不受影响。热继电器的选择与所保护电动机的工作制度密切相关，现分述如下： 长期工作或间断长期工作制时： 1)为保证热继电器在电动机起动过程中不产生误动作。选取热继电器在6IN下动作时间的0.50.7可返回时间的热继电器。6IN下动作时间可在热继电器安秒特性上查获。2)热继电器整定电流范围的中间值为电动机的额定电流。使用时，应将热继电器整定电流旋钮调至该额定值，否则起不到保护作用。3)电动机断相保护时热继电器的选择。选用何种热继电器作电动机断相保护是与电动机定子绕组的接线形式直接有关。当电动机定子绕组为Y接时，带断相保护和不带断相保护的三相热继电器接在相线中，在发生三相均匀过载、不均匀过载或发生一相断线时，因流过热继电器的电流即为流过电动机绕组的电流，所以热继电器可以如实反映电动机过载情况，它们均可实现电动机断相保护。当电动机定子绕组接成接时，为实现断相保护，带断相保护和不带断相保护的热继电器接人电动机定子电路的方式便不同。对于不带断相保护的热继电器，若仍接在定子相线中，如在电动机起动前已发生一相断线时，流过热继电器的电流为4.56倍的电动机额定电流，足以使热继电器动作；如电动机运行中且在满载情况下发生一相断线时，此时电流最大的一相绕组中的电流达到2.42.5倍的相电流，而流过热继电器的线电流也达2倍额定电流，仍可使热继电器动作。所以，在上述两种情况下，热继电器接于相线中，对电动机可以起到断相保护作用。然而大多数电动机运行在低于满载情况下发生断线，按前面分析可知，当电动机运行在0.58的额定电流时若发生断线，最严重一相绕组中的相电流可达1.15倍的额定相电流，这对该相绕组来说已处于过载状态，但由于热继电器是接于相线上，故不能使热继电器动作，也就不能实现电动机的断相保护。所以，若使用不带断相的三相热继电器来实现断相保护时，应将三个发热元件分别串接于电动机三相绕组的相电路中，但这种接线方式将带来一些不便。为此，形接线的三相电动机不应选择不带断相保护的三相热继电器，而应选择三相带断相保护的热继电器，并可将其串接于电动机线电路中，由于有差动结构的作用可以实现断相保护。反复短时工作制时： 热继电器用于反复短时工作制的电动机时应首先考虑热继电器的允许操作频率。当电动机起动电流为6 IN、起动时间为1s、电动机满载工作、通电持续率为60时，每小时允许操作次数最高不超过40次。对于正反转密集通断工作的电动机，不宜采用热继电器保护，可选用埋人电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。 3UA5、6系列热继电器3UA5、6系列热继电器适用于交流电压至660V、电流从01A至630A的电路中，用作三相交流电动机的过载保护和断相保护。它是引进德国西门子公司的技术生产的。其热元件的整定电流各号之间重复交叉，便于选用。3UA5、6系列热继电器的三相主双金属片共用一个动作机构，动作指示和电流调节机构位于双金属片的上部，呈立体式结构。除复位按钮和断开试验按钮外还有动作灵活性检查机构。热继电器有一常开、一常闭触头。六、接触器接触器使用广泛，但随使用场合及控制对象不同，接触器的操作条件与工作繁重程度也不同。因此，必须对控制对象的工作情况以及接触器性能有一较全面的了解，才能作出正确的选择，保证接触器可靠运行并充分发挥其技术经济效果。为此，应根据以下原则选用接触器。1）根据主触头接通或分断电路的电流性质来选择直流还是交流接触器。2）根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器。如负载为一般任务则选用AC-3使用类别；负载为重任务时选用AC-4使用类别。3）根据负载的功率和操作情况来确定接触器主触头的电流等级。当接触器的使用类别与所控制负载的工作任务相对应时，一般应使接触器主触头的电流额定值与所控制负载的电流值相当，或稍大一些。若不对应，如用AC-3类的接触器控制AC-3与AC-4混合类负载时，则应降低电流等级使用。4）根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。5）根据控制电路的电压等级来选择接触器线圈的额定电压等级。 3TB系列空气电磁式交流接触器该系列接触器是从德国西门子公司引进专有制造技术而生产的产品，适用于交流50Hz或60Hz，其中3TB403TB44额定工作电流为932A，额定绝缘电压至660V；3TB463TB58型额定工作电流为80630A，额定绝缘电压为750-1000V。主要供远距离接通和分断电路用，并适用于频繁地起动和控制交流电动机。3TB系列交流接触器为E形铁心、双断点触头的直动式运动结构。辅助触头有一常开、一常闭或二常开、二常闭。它们可直接装于接触器整体结构之中，也有做成辅助触头组件附于接触器整体两旁。接触器动作机构灵活，手动检查方便，结构设计紧凑。接线端处都有端子盖覆罩，可确保使用安全。接触器外形尺寸小巧，安装面积小，其安装方式可由螺钉紧固，也可借接触器底部的弹簧滑块扣装在35mm宽的卡轨上，或扣装在75mm宽的卡轨上。主触头、辅助触头均为桥式双断点结构，因而具有高寿命的使用性能及良好的接触可靠性。灭弧室均呈封闭型，并由阻燃型材料阻挡电弧向外喷溅，以保证人身及邻近电器的安全。磁系统是通用的，电磁铁工作可靠、损耗小、无噪声、机械强度高，线圈的接头处标有电压规格标志，接线方便。七、中间继电器JZll、JZl4、JZl5系列中间继电器JZll系列、JZl4系列、JZl5系列中间继电器，适用于交直流控制线路，作为信号传递用，以增加信号的大小及数量，弥补主触头数量或容量的不足。其磁系统为螺管直动式，线圈和铁心位于中央，左右两边各带四对触头，触头为桥式双断点。静触头底下设有永久性磁钢，以助灭弧。交、直流继电器的基本结构相同，仅线圈和铁心结构有区别，交流铁心开槽并设有短路环。根据需要选择JZ144-62J型中间继电器。八、转换开关LW5系列万能转换开关本系列转换开关适用于直流、交流50Hz、电压500V及以下的电路，作主电路或电气测量仪表的转换开关及配电设备的遥控开关；也可作为伺服电动机及容量5.5kW及以下三相交流电动机的起动、换向或变速开关。该系列转换开关按接触装置的档数有116和18、21、24、27、30等21种，其中16档及以下为单列转换开关；18档及以上为三列转换开关。按防护形式有开启式和防护式两种。按手柄类型有旋钮、普通、机床和枪形四种。按手柄操作方式分为自复式和定位式两种。表3-3 低压器件选型表名称符号型号数量PLCCPUS7-313C-2DP1转换开关SALW5-15D3181按钮(启动)SBLA25-20/124按钮（停止）SBLA25-02/113按钮（急停）SBLA25-11M/211信号灯(绿)HLXB2BVB3LC3信号灯(红)HLXB2BVB4LC2接触器KM3TB 47170A3中间继电器KJZ14-62J3熔断器FURL1B1002热继电器FR3UA52低压断路器QF3VE41行程开关SQJLXK12隔离开关QSHH15-12533.5主回路及控制回路的设计 一台PLC控制两个大棚，每个大棚内有一个15Kw水泵电机和10Kw的卷帘电机。卷帘电机需要实现正反转控制。3.5.1 系统主电路设计（1）卷帘需要卷起和打开，利用电机的正反转来完成此项工作。在电机工作过程中，如果卷帘卡会使电机负载过大，因而在电路中应加入热继电器FR1来保护电机。同样在电机运行时电路电流可能会增加，当增加到一定值时也会烧坏电机，在电路中可以加入熔断器来实现电机的过流保护。要实现电机的正反转只要把其中的两相线路交换即可现在电机的正转和反转，在设计中采用两个接触器通断来实现电机的正反转，其中接触器通断控制由PLC来完。由以上要求可以设计出卷帘主电路如图所示：图3.3 卷帘主电路（2)水泵的运转主要由电机的通断实现，可以由一个接触器来实现水泵的控制，在电路中必须加有短路保护、过流保护、过载保护，而这些可以由热继电器、熔断器来实现电路中的保护。由以上要求可以设计如下的电路：图3.4 水泵主电路3.5.2 控制回路设计1）正反转设备控制电路卷帘属于正反转设备，其控制电路如下图所示图3.5 卷帘控制回路卷帘控制电路原理图如图七所示，SB1为总启动按钮，SA1为就地/远程的切换开关。在就地手动状态下，SB4、SB6分别为卷帘打开、卷起按钮，SB5为卷帘停止按钮。SB3为卷帘急停按钮。按下按钮SB4，交流接触器KM1的线圈得电，指示灯HL1亮，同时KM1的常开触点闭合，起自锁作用，此时电机正转，卷帘打开，当卷帘开启到最大位置后触碰卷帘限位开关SQ1，其常闭触点断开，KM1的线圈失电，电机停止转动；同理当按下按钮SB