毕业作品

设计题目：基于PLC温室大棚控制系统设计 选题类型： 产品设计 学生姓名： 麻 瑜 学 号： 201604013314 专 业： 机电一体化技术 班 级： 16机电高职3班 指导教师： 唐晨光 2018年 12 月目录一、选题的依据2二、 产品设计思路3三、产品构成41、PLC的选择及选型42、触摸屏的选择43、传感器参数的选择6四、产品实现（重点）61、电路设计62、PLC 的I/O 分配表73、PLC I/O接线图84、昆仑通态摸屏的页面设置105、控制系统工作原理106、控制系统程序设计13五、产品调试及优化分析181、手动模式与自动模式的调试182、急停开关的调试183、PLC及触摸屏调试18六、 产品设计总结18七、参考文献19八、致谢（单独一页）19一、选题的依据温室大棚是发展农业生产的重要组成部分，温室大棚不仅可以改善作物的生长条件，为作物提供适合生长环境，使作物的种植可以有效的摆脱温湿度、气候、土壤环境等制约因素的影响，实现作物的正常种植，能让我们即使在寒冷的季节也能吃到一年四季反季节作物及蔬菜，满足我们日常生活消费需求，具有重要的研究意义。经过查阅资料了解到，当前我国温室大棚，普遍使用的人工操作管理；根据个人管理经验对大棚内的作物生长情况，进行对作物生长环境进行人工调节；但是这种方式很不理想，不但浪费了大量的人力物力，而且不能对温室大棚的作物大规模，规范化，标准化进行有效的控制，其控制范围小，效果不明显；而对比国外温室控制技术的已应用广泛，经验技术十分成熟。国外的温室控制技术能够自动化有效监控温室里环境作物具体信息情况，对温室里的机器设备参数可以实现有效的调试监控，具有准确的控制，促进作物正常生长; 据了解，现在国外的温室控制系统的产品价格比较昂贵，且汉语化功能不太完整，针对这些产品对于我国农户都使用及操作的要求还是比较高的，就目前情况，这些国外产品还不适宜在我国温室大棚领域大范围推广。考虑到这些综合因素，结合自己所学专业知识和现有条件，设计一款基于PLC温室大棚控制系统，旨在弥补我国在温室监控领域的不足之处，实现温室大棚现代化，自动化，标准化，生产管理，推进我国农业发展的进程。2、 产品设计思路1理清楚温室大棚控制系统的组成部分，并且要分析控制系统的要求；从而才能确定控制系统的设计方案。选择三菱2N系列PLC控制器作为控制系统的核心部分，和触摸屏相连接组成控制部分；根据控制系统的要求要有5台电机和LED灯实现温室大棚的输出。2.设计温室大棚主电路和控制电路3.要选择合适的元器件和参数，主要是三菱PLC、昆仑触摸屏、传感器、主令电器的型号上的选择；和连接电路用的导线。4.设置元器件参数，主要对传感器设定参数5.设计昆仑触摸屏的显示画面，设计PLC梯形图，并编写在PLC控制程序里。三、产品构成本控制系统由三菱FX2N-48MR、昆仑通态触摸屏、遮阳帘、通风机、暖风机、冷风机、增湿器、除湿器、温度传感器、湿度传感器、光照传感器，CO2化碳传感器组成基于PLC温室大棚的控制系统，PLC 控制程序主要包括 FX2N-48MR和FX2N-4AD 模块的初始化设定。传感器主要是采集的存储器和数据量之间的转换，将温室内环境物理量转换为 PLC 能够处理的数据量 ，如温度、湿度光照、二氧化碳浓度和等，然后再把数据量转换为物理量，并通过昆仑通态触摸屏进行实时显示观察。根据传感器实时检测采集过来的具体数据的情况来看，本控制系统能够根据作物生长的环境变量，对温室大棚进行实时动态的控制。1、PLC的选择及选型根据温室大棚控制系统设计要求，选择FX2N-48MR系列PLC,共有48个点数，24个输入点，24个输出点，工作电源为24VDC，输入电流为24VDC 5mA，主机电源为220V AC，该系列PLC符合控制系统的设计要求，能高速处理并且可扩展需要的特殊功能模块，模拟控制，具有功能完善，编程简单；用途比较广泛。图1.三菱FX2N-48MR A/D 模拟特殊输入模块的选择。 在本控制系统中，用到了检测的数据的四种传感器， 所以选择了三菱FX2N-4AD功能模块。有CH1CH4 四个模拟量输入通道，其工作电压供电为DC 24V，工作方式是把输入的模拟信号转化为数字信号，传送给PLC进行数据处理。2、触摸屏的选择考虑到设计要求，触摸屏选择型号为昆仑通态TPC7062KX触摸屏，其产品尺寸7英寸彩色显示屏，分辨率800x480,供电电源24V，额定功率5w,工作温度0-45，储存湿度5%-60%其抗干扰性为工业三级标准，符合设计要求。图2.昆仑通态TPC7062KX触摸屏在硬件方面，包括执行单元和环境参数检测单元，传感器回馈的信息通过传递给PLC，PLC由内部程序判断信息从而又输出给执行设备，通过这样的方式构成一个闭环控制系统。硬件中的各机械设备通过导线连接后接收PLC 的输出信号，输出信号输出给交流接触器，使用接触器来控制电机，被控制的电机设备运行工作，作为调节大棚温湿度的主要途径,在调节过程中传感器会根据实时检测到的数据参、数值带回 PLC，PLC 将带回值反馈处理后送触摸屏显示执行机构主要有遮阳帘、通风机、冷风机，暖风机，除湿器，加湿器灌溉等装置。遮阳帘主要保证温室内作物能够在良好的光照条件下进行有效的光合作用，实现正反转工作，促进作物正常生长。冷风机是对温室内出现过高温度的控制：当温度高于作物正常生长温度的限定值时，则打开冷风机，通过制冷的作用来对温室大棚进行降温处理；当温室在正常的温度范围值时，关闭冷风机。暖风机加热装置主要实现提高温室温度的控制：当温室内温度低于作物正常生长的温度限定值后，暖风机装置会工作，增加室内的温度；当达到作物生长温度限定值以上时，关闭暖风机装置。加湿器和除湿器装置主要实现作物的浇水灌溉功能，通过湿度传感器检测土壤是否水分充足，过量。若没有达到农作物正常生长的土壤湿度限定值，则启动加湿器补水进行灌溉；若高于湿度限定值，则停止灌溉，打开除湿器装置。图3.基于PLC温室大棚控制系统总体框架结构图3、传感器参数的选择主要使用温度、湿度、光照、二氧化碳传感器四种传感器来实现对温室大棚内部环境量的数据采集工作。(1)温度传感器，工作电压是DC 524V，输出信号为 420mA 电流信号，其量程是50400。(2)湿度传感器，工作电压是DC 524V，输出信号为 420mA 电流信号，其量程是 0%100%。(3)光照传感器，工作电压是DC 524V，输出信号为 420mA 电流信号，其量程是 020wLux。(4)二氧化碳传感器，工作电压是DC 524V，输出信号为 420mA 电流信号，其量程是 05000ppm。四、产品实现（重点）1、电路设计根据控制系统设计要求，设计主电路和控制电路接线图，在主电路设计中， 电源的配置上，采用单相 220V和三相380V 供电， 以供给不同的用电设备。主电路如下图所示，空气开关QF1QF7起到保护所有用电设备。 有六台电机M1M6、LED指示灯、FR1FR6热继电器，起到过载保护作用。图4.主电路图(1)、暖风机控制电路根据设计需要，冷风机控制电路设置有手动/自动的切换开关SA1-1SA1-2。在手动模式下SA1-1，交流接触器KM1的线圈得电，此时暖风机M1运转。在自动模式下SA1-2，由PLC控制器实现控制，交流接触器KM1的线圈得电，其冷风机运行。其冷风机、加湿器、除湿器、通风机也是相同原理的操作运行方式。(2)、遮阳帘开帘、关帘；正反转控制：遮阳帘开帘、关帘；需要实现正反转控制，遮阳帘电机正反转工作何时开启或关闭由系统硬件、功能算法和PLC程序决定。控制系统设有自动手动切换旋钮开关SA1，将其旋到自动位置时由PLC程序进行自动控制，旋到手动时由人工按钮手动控制，如：开启按钮SB9，交流接触器KM6工作，遮阳帘电机开始正转运行，遮阳帘开帘，达到最大限度时，行程开关SQ7动作，遮阳帘电机停止，遮阳帘开帘到位；按下按钮开关SB10，交流接触器KM7工作，遮阳帘电机开始反转运行，遮阳帘关帘，达到最大限度时，行程开关SQ6动作，遮阳帘电机停止，遮阳帘关帘到位。2、PLC 的I/O 分配表 根据设计要求，PLC的输入端接口及各个输出端的分配情况如下图所示：图5.I/O 分配表3、PLC I/O接线图 PLC的外部硬件接线。是通过扩展电缆和RS-422线与FX2N-4AD、 触昆仑通态摸屏链接，I/O接线图如下图所示：图6.I/O 分配表4、昆仑通态摸屏的页面设置在MCGS组态环境软件新建仿真文本，建立符合设计要求的控制系统，通过触摸屏动手操作，昆仑通态触摸屏对温室大棚控制系统进行控制，控制系统主要是通过从温室大棚内现场环境的利用传感器集中的监测环境，从而通过监测传感器，把各种环境数据变量能够实时的传送到控制室的PLC 中，让 PLC可以根据预先确定好的设定值，结合输入环境变量因素，对相应的控制装置实时控制操作，实现对整个温室大棚内环境调节，为作物生长的提供了良好生长环境。图7.昆仑通态摸屏的仿真页面图在触摸屏显示页面上有 X0X22，共19个开关，分别控制电机加热、降温加湿滴灌、除湿、减少CO2浓度、遮阳帘正反转开关帘；手动、自动切换模式各有一个指示灯，每一台电机都有一个指示灯，遮阳帘有两个指示灯，主要用于显示工作状态；其中，温度、湿度、光照强度、CO2 浓度分别有4 个模拟值输入显示页面。自动控制设置如图所示通过昆仑触摸屏实现对控制系统功能控制，本控制系统有：急停按钮1个、手动控制模式按钮1个、自动控制模式按钮1个、暖风机启动按钮及限位开关各1个、冷风机启动按钮及限位开关各1个、加湿器启动按钮及限位开关各1个、除湿器启动按钮及限位开关各1个、通风机启动按钮及限位开关各1个、遮阳帘关帘启动按钮及限位开关各1个、遮阳帘开帘及限位开关各1个。5、控制系统工作原理系统开始运行工作时，首先要对大棚内的各种环境变量进行检测工作，如温度、湿度，光照、二氧化碳等环境变量。通过传感器把从大棚内收集到的环境信息，用信号传传输到FX2N-4AD模块和PLC中，和系统预先设定值进行比较，先对温度进行检测判断，当检测到的温湿度过高或者过低时，则打开运行相应的执行机构设备，然后对温湿度度进行控制，保持温室大棚温湿度达到平衡状态。对温度的控制通过控制有暖风机、冷风机，给室内加温，降温进行室内温度的调节。对湿度的控制通过控制有加湿器，除湿器，给温室大棚的作物进行灌溉，除湿，保持室内湿度稳定。当室内的光照条件不达标，则需要开启遮阳帘，让作物吸收光照，进行光合作用，促进作物生长。当外界光照强度过高，超出作物的能接受的限定值，则需要关闭遮阳帘，对作物进行遮阳防晒处理。同时，如检测到温室大棚的二氧化碳的浓度过高时，则需进行通风处理，打开通风机，进行排气作用。使棚内二氧化碳浓度值保持在可接受范围值内。这些措施是通过传感器检测到的环境变量信息传入到PLC控制系统中，根据传感器检测到到环境数据，方便做出判断，进行有效的系统控制。本控制系统设有手动、自动两种工作模式，手动模式运用于一些突发情况。如检测机器是否故障；自动工作模式下，PLC运行时，将传感器对温室温度、光照、二氧化碳浓度等环境因素进行检测的测量值与温室控制系统的设定值进行比较，如果温度的检测量高于设定值，PLC就会发出相应的指令控制冷风机的开启，降低温室的温度；如果测量值低于设定值，则打开热风机，对温室进行加温；当温室的湿度高于设定值时，系统打开除湿器除湿。当温室的湿度低于设定值时，控制系统打开加湿器进行灌溉；当温室的光照强度低于设定值时，系统打开遮阳帘进行补光；当温室的光照高于设定值时，系统关闭遮阳帘。当温室的二氧化碳浓度高于设定值，系统开启通风机使温室通风降低二氧化碳浓度。图8.温室大棚操作流程图温室大棚内的不同作物对于自然环境的要求也不尽相同，本设计为研究方便，取一其范围内值，作为参考模拟。对大棚温室内的温度取值25，湿度取值50%RH，本系统取光照强度为2000lx , 二氧化碳浓度单位为100ppm。1.温度检测(温度传感器)，针对温度的调节和控制。当温室内被测温度值小于设定值(25)，择手动或者自动模式开启暖风机增温。当温室内被测温度值大于设定值(25)，开启冷风机达到降温效果。2. 湿度的检测(湿度传感器)，根据农作物生长需要，土壤湿度必须与室内的湿度要保持在一定范围内才有利于农作物生长。当温室内被测湿度值大于设定值(50%RH),选择手动或者自动模式开启除湿器除湿；当温室内被测湿度值小于设定值(50%RH)，选择手动或者自动模式开启加湿器加湿；3. 光照的检测(光照传感器)，光照对农作物的生长影响十分大，为农作物提供光合反应生成有机物，使农作物体内的组织器官能够有效生长。当温室内被测光照值大于设定值(1000LX)，选择手动或者自动模式关闭遮阳帘；当温室内被测光照值小于设定值(1000LX)，选择手动或者自动模式开启遮阳帘；4. 二氧化碳的检测(CO2传感器)，当温室内被测二氧化碳浓度值大于设定值(100ppm)，选择手动或者自动模式开启降温，开启通风机，它的作用就是使大棚内的降低二氧化碳浓度以满足农作物生长要求的，6、控制系统程序设计程序编程设计，使用三菱公司的GX Works2软件进行编程设计。 特点，编程使用方便，程序修改比较便捷。(1)、A/D初始程序编程设计在使用FX2n-4AD的A/D模拟器进行模拟量转换读取，要对它进行初始化程序编程设计，选择接口参数，其初始化程序如程下图所示(2)、手动/自动控制程序设计在控制系统中，设计有手动及自动控制功能，可以按照工作需要选择启动的方式。手动模式控制，控制执行机构，按钮采用点动启动的方式，自动模式根据设备设置好的参数，自动执行，工作。其程序设计如下图所示：(3)、对于温度的程序控制根据设计用到的传感器量程和A/D 功能模块转化关系，对温度设置区间限定值为25。当温度传感器检测到室内温度低于限定值25时， 输出继电器Y0动作， KM1线圈得电闭合，暖风机电机M1启动，向室内提供热量，温度； 当检测温度高于上限设定值25时， 输出继电器Y1动作，KM2线圈得电闭合， 冷风机电机M2启动，对室内进行降温工作。其程序设计如下图所示：(4)、对于湿度程序控制根据设计用到的传感器量程和A/D 功能模块转化关系，对湿度设置区间限定值为50%RH。当检测湿度低于限定值50%RH时， 输出继电器Y2动作， KM3线圈得电闭合，加湿器电机M3进行滴灌工作，向掌握和土壤补充水分。 当检测湿度高于限定值50%RH时，输出继电器Y3动作， KM4线圈得电闭合，除湿器电机M4进行工作，降低室内湿度。其程序设计如下图所示：(5)、CO2浓度控制程序设计根据设计用到的CO2传感器量程和A/D 功能模块转化关系，对CO2浓度设置区间限定值为100ppm。当检测CO2浓度高于限定值100ppm时，输出继电器Y4动作， KM5线圈得电闭合，通风机M5进行通风处理，降低室内CO2浓度，保持作物正常生长；其程序设计如下图所示：(6)、光照强度控制程序设计根据设计用到的光照传感器量程和A/D 功能模块转化关系，对光照强度设置区间限定值为2000LX。当检测光照强度高于限定值2000LX时，输出继电器Y5动作， KM6线圈得电闭合，遮阳帘电机M6反转关帘遮光，当检测光照强度低于限定值2000LX。时， 输出继电器Y6动作， KM7线圈得电闭合，遮阳帘电机M6正转开帘补光，。其程序设计如下图所示：五、产品调试及优化分析1、手动模式与自动模式的调试在控制系统调试过程中，根据控制系统工作需要，选择控制模式，在机器调试过程中如果发现机器发生故障或存在问题，单一手动操作不能满足整个系统的控制的工作要求，需要重新设计PLC程序梯形控制图，加入自动/手动转换开关SA1，实现手动与自动的切换，进行对设备调试，使控制系统使用便捷灵活，并且符合任务设计要求。2、急停开关的调试在完成手动模式与自动模式的调试之后，如控制系统依然出现问题，在机器出现故障及事故问题，控制系统不能马上停止工作，应该重新设计控制电路图以及梯形图，添加紧急按钮SB3后再进行调试，在控制系统系统运行过程中按下SB3，控制系统实现紧急停止工作。3、 PLC及触摸屏调试首先是PLC外部的连接，不同于电压的负载要分发布连接到不同的接线端口上，PLC上的几个公共端要分别接到相应的电压上。调试每一个工作模块，使部分元件先工作起来，后把每一个元件连接在一起来使整个元件工作，之后把设计程序下载到PLC中，进行调试实现设计任务要求。其次是触摸屏的调试，使用昆仑通态MCGS嵌入版7.7触摸屏软件模拟组态调试画面。打开文本工程项目，进入运行环境，选择模拟调试，下载成功，准备调试，模拟调试成功打开，进行模拟调试或者连机运行，连机运行时要进行查看该PLC通讯参数设置。得知PLC的具体设置参数情况后，就可以与PLC通讯连接。 在连接时，要选择正确的通讯线，在设备窗口中，父设备的参数设置要与PLC的参数保持一致。在进行通讯测试时，我们可以根据控制系统返回值做出相应的判断。在触摸屏上进行操作控制。6、 产品设计总结在控制系统设计的过程中，首先要分析基于PLC温室大棚控制系统发展现状，分析得出有一些方面需要改进，如控制系统里添加一些能够更好的展示其功能的东西，使温室控制系统的性能更加的完善。在设计过程中，我是按照设计方案进行构思设计，然后进行对设备及材料的选择，最后才选用模拟调试选择编写PLC梯形图程序，用功能指令来进行模拟调试，其控制系统所展示的功能能实现。如今，在国内市场中，农业发展的步伐越来越快，而对于温室控制系统自动化技