基于PLC的温室大棚控制＿毕业论文.doc

20142014 届届 分 类 号 tp 单位代码 10452 毕业论文 设计 基于基于 plcplc 的温室大棚控制的温室大棚控制 2014 年 04 月 09 日 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 摘 要 温室已成为当今时代反季节作物培育的主要场所 随着科技的发展 温室技术已 日臻成熟 同时 温室技术合理利用农业资源 保护生态环境 提高农产品产量及在 国际市场竞争力的这一特性 深受广大反季节作物培育者的喜爱 如何能使温室实现 全自动化控制 减少人力的参与 已成为温室技术的重要研究课题之一 随着过程控 制技术 自动检测技术 通信技术的发展 将工业上较为成熟的 先进的控制方法和 管理手段引入到农业的生产设施中 实施有效的温室环境控制 已成为现阶段温室技 术的主要研究方向 本文介绍了温室工作环境的控制原理 讨论了在温室控制中引入 plc 技术构成分 布式控制系统的方法 详细介绍了系统的特点 组成 硬件设计 实时动态监控系统 及通信问题 分布式的控制结构 使各子系统相对独立 管理与控制功能分开 易于实 现群控化管理 提高了系统的可靠性 且易于扩展 关键词 温室大棚 plc 集散控制 智能控制 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 abstractabstract greenhouse has become the main place in today s era anti season crop cultivation with the development of science and technology the greenhouse becomes more and more mature at the same time greenhouse utilizing agricultural resources protecting the environment improving agricultural production and the characteristics of the competitiveness in the international market was deeply loved by the majority of anti season crop breeders how to make the greenhouse fully automated control and reduce human involvement has become an important research topic in greenhouse technology with the development of the process control technology automatic detection technology and the communication technology advanced control methods and management tools introduced in the industry to agriculture production facilities the implementation of effective control of the greenhouse environment greenhouse technology has become a main research direction of present greenhouse technology this paper introduces the control principle of greenhouse environment discusses the introduction of plc technology in the greenhouse control system of distributed control system detailed introduces the system composition characteristics hardware design real time dynamic monitoring system and communication problems distributed control structure make each subsystem are relatively independent and separate management and control function easy to implement management the group control improve the reliability of the system and easy to extend keykey words words greenhouse plc distributed control intelligent control 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 目 录 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 研究背景 1 1 2 研究目的及意义 1 1 3 课题研究的主要内容 2 1 4 控制系统设计的初步方案 2 1 5 系统设计的总体方案 3 2 2 控制系统的硬件设施控制系统的硬件设施 4 4 2 1 传感器系统设计 4 2 2 电气控制系统的设计 6 2 3 系统主电路设计 7 2 4 系统控制电路设计 9 3plc3plc 控制系统的软件设计控制系统的软件设计 1010 3 1 控制系统的程序设计 10 3 2plc i o 地址设置 12 3 3 控制程序设计及分析 13 3 4 编程软件实现 18 4 4 模糊控制算法在温室控制系统中的应用模糊控制算法在温室控制系统中的应用 1919 4 1 引言 19 4 2 模糊控制系统概述 19 4 3 多变量模糊控制器的设计 20 4 4 输入量采样及模糊量化算法程序设计 21 5 5 总结与展望总结与展望 2323 5 1 总结 23 5 2 进一步研究方向 23 参参 考考 文文 献献 2424 致致 谢谢 2525 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 1 1 绪论 1 1研究背景 随着科技水平的迅速发展 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 在实际的农业种植中 温室环境与生物 的生长 发育 能量交换等有着密切的关系 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 作为实现温室生产管理自动化 科学化 的基本保证 环境测控可通过对监测数据的分析 并结合作物生长发育规律 从而控 制环境条件 使作物达到优质 高产 高效的栽培目的 在实际上生产生活中 温室 大棚在现代化农业生产中发挥着巨大的作用 我国现代温室技术起步较晚 目前的栽 培设施中 有国家标准的装配式温室大棚仅占设施栽培面积的少部分 大多数的农村 仍采用自行建造的大小棚 只能起到一定的保温作用 根本谈不上对温光水气养分等 环境条件的调控 抗自然环境的能力极差 即使那些数量不多的装配式温室大棚也缺 乏配套的调控设备和仪器 仅仅依靠经验和单因子定性调控 所以 我国设施栽培的 智能化程度非常低 西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早 80年代 随着 微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降 以及对温室控制要求的提高 以微机 为核心的温室综合环境控制系统 在欧美得到了长足的发展 并迈入了网络化 智能 化阶段 目前 国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度 并形成了一 定的标准 1 2研究目的及意义 改革开放以来 我国的农业生产取得了可喜的成绩 但同时 我国农业发展中存 在的问题也越来越凸现出来 如果这些问题得不到解决 将成为严重制约我国农业可 持续发展的瓶颈 首先是我国人口众多 其次是资源短缺 第三是我国农产品成本高 科技含量低 无法形成产业规模 要解决这些问题 根本在于实现我国农业从传统农 业向以优质 高效 高产为目的的现代化农业转化 农业环境综合控制作为农作物优 质 高效 高产的手段 是农业现代化的重要标志 随着社会经济的发展 以温室为 代表的设施农业将成为现代农业的发展主要方向之一 成为21世纪最有活力的农业新 产业 日光温室发展到今天 已由生产各种反季节蔬菜的生产设施 发展为日光温室 园艺设施 进而发展为设施农业 已成为种植业 养殖业和水产业全面发展的新兴产 业 据统计 全国节能日光温室面积到2002年底已到达760万亩 随着我国现代温室 产业的快速发展 在温室产业的运营中暴露出了一些问题 1 现代温室管理和种植的 人才缺乏 温室种植技术落后 造成了现代温室的功能和优势不能充分发挥 2 能 源消耗大 以现代温室为代表的设施农业生产企业效益低下 导致温室产业出现了滑 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 2 坡的现象 3 不同地域的气候环境制约了进口大型温室适用性 温室不能周年运行 4 计算机控制水平低 目前国内温室计算机控制系统与国际选进技术存在很大差距 商用控制系统不能满足高效节能有效控制温室机构运行的要求 1 3课题研究的主要内容 本论文研究的是基于plc控制技术和mcgs组态技术的温室大棚设计 从整体上分 析和研究了控制系统的电路设计 硬件设计 软件设计 控制对象的模型建立 控制 算法的选择和参数的整定 组态方案的设计 完成了温室大棚智能控制系统设计 1 4 控制系统设计的初步方案 1 4 11 4 1 温度的控制温度的控制 与其他环境因子比较 温度是设施栽培中相对容易调节的环境因子 室内温度的 调节和控制包括保温 加温和降温3种 1 保温 为了提高大棚的保温能力 常采用各种保温覆盖 具体方法就是增加 保温覆盖的层数 采用隔热性能好的保温覆盖材料 以提高设施的气密性 2 加温 我国传统的单屋面温室 大多采用炉灶煤火加温 近年来也有采用锅 炉水暖加温或地热水暖加温的 大型连栋温室和花卉温室 则多采用集中供暖方式的 水暖加温 也有部分采用热水或蒸汽转换成热风的采暖方式 3 降温 保护设施内降温最简单的途径是通风 但在温度过高 依靠自然通风 不能满足作物生育要求时 必须进行人工降温 降温包括遮光降温法 屋面流水降温 法 蒸发冷却法及强制通风法 遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距40cm处张 挂遮光幕 对温室降温很有效 1 4 21 4 2 湿度的控制湿度的控制 土壤湿度要与空气相对湿度协调一致才能达到温室湿度的有效控制 湿度调控范 围一般在60 rh 80 rh 精度为士5 湿度的调控影响温度 要求湿度与温度的调控 需按按一定的程序进行 常用的湿度调节方式是加湿和去湿 1 加湿 一般常用的方法是水喷雾法和蒸汽加湿 水喷雾法采用双位或多位控 制来实现 蒸汽加湿则采用电极加湿器或浇蒸加湿器实现 2 去湿 在温室中去湿常用以下三种方式 加热控制法 吸附法 化学除湿器 排湿换气 在湿度的调节系统中 温室内的加湿和去湿则由温室内的调节部件完成 这些部件有天窗 侧窗 湿帘 风机等 1 4 31 4 3 温度 湿度之间的耦合温度 湿度之间的耦合 温度与湿度之间有一定的耦合关系 对一个因子的控制常会带来另一个因子的变 化 在冬季温室环境控制中 默认为温度控制优先的原则 在温度条件满足后 再来 满足湿度条件 如温度过低 湿度过大的情况下 以加温为主导 只有当温度上升到 一定值后 才能通风降湿 另一方面 温度提高本身可以使相对湿度降低 在夏季降 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 3 温加湿的过程中 采用以湿度优先的原则 当湿度过小时 开启蒸发降温加湿装置 而当温度过高需要启动蒸发降温执行机构时 必须先检测室内的相对湿度 只有湿度 低于某一设定范围时 才能启动蒸发装置 1 4 41 4 4 二氧化碳浓度调节二氧化碳浓度调节 大气中二氧化碳平均浓度一般为0 03 变幅较小 在冬春设施蔬菜生产中 为 了保温 设施经常处于密闭状态 缺少内外气体交换 二氧化碳浓度变幅较大 中午 设施内由于光合作用 二氧化碳浓度下降 接近甚至低于补偿点 二氧化碳处于亏缺 状态应当及时的补充二氧化碳 补充二氧化碳的方法很多 常用的主要有三种 1 燃烧法 2 化学反应法 目前在我国的设施栽培中运用较多 3 施用 颗粒有机生物气肥法 1 5系统设计的总体方案 1 5 11 5 1 温室控制系统温室控制系统 温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器 湿度传感器 二氧化碳传感器 等采集和观测的温室内外的温度 湿度 二氧化碳浓度等环境参数信息 通过控制设 备对温室保温被 通风窗 喷滴灌等驱动 执行机构的控制 对温室环境气候和灌溉 施肥进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要 为作物生长发育提供最合事宜的 生态环境 以大幅度提高作物的产量和品质 总体结构示意图如图1所示 图1 温室控制系统总体结构示意图 1 5 21 5 2 控制原则控制原则 1 以时间为基准的变温管理 根据一天中时间的变化实行变温管理 根据作物生 长的需要将一天分成四个时间段 四个时间段中根据不同的控温要求对温室进行控制 一天中四个时间段中的分段方法用户可以灵活的更改 而且四个时间段中的温度设定 用户也可以设定修改 2 以种植的作物为基准的变控管理 可能每个阶段用户种植的作物不同 所 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 4 需的环境参数也不同 每个阶段的各个参数都可以依据作物所需的生长环境进行灵活 的设定 1 5 31 5 3 控制方案控制方案 本系统采用自动与手动互相切换控制两种方式来实现对温室的控制 提高设备运 行的可靠性 在运行的时候可以通过按钮对这两种控制方式进行切换 1 手动控制模式 手动控制简单可靠 有继电器 接触器 按钮 限位开关等 电器元件组成 2 自动控制模式 通过传感器对环境因子进行监测 并对其设定上限和下限值 当检测到某一值超过设定值 便发出信号自动对驱动设备进行开启和关闭 从而使温室 环境因子控制在设定的范围内 可以大大节约劳动力降低劳动者的劳动强度 2 控制系统的硬件设施 2 1传感器系统设计 传感器系统的主要功能是将传感器采样得到的模拟信号转换成温室现场控制器所 需要的信号 温室环境参数的检测中 传感器位于作物需要检测的位置 一般通过双 绞线将检测的信号传输到温室控制器内 考虑到传输距离的问题 本文设计中将系统 的输出电流都控制在0 10ma 从而减小传输过程中的干扰 保证采样值的准确性与可 靠性 1 温度传感器 本系统采用比较方便的ad590温度传感器 温度传感器ad590是电 流输出型温度传感器 以电流输出量作为温度指示 其电流温度灵敏度为1 a k 它 的输出电流精确地正比于绝对温度 可以作为精确测温元件 ad590的输出电流 i 273 t ua t为摄氏温度 因此测得电压u01 273 t ua 10k 273 t 10 2v 但由于ad590的增益有偏差 电阻也有误差 因此应对电路进行调整 调整 的方法为 把ad590放于冰水混合物中 调整电位器r1 使u01 2 732v 或者在室温 25 c 的条件下通过调节电位器r2 使电压u02 2 73v 调整电位器r3 使 u0 1 25v 这种调整的方法 可以保证在0 或25 附近有较高精度 具体的测量电 路如图2所示 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 5 图2 温度测量电路 2 湿度传感器 电容式湿度传感器的动态范围大 动态响应快 几乎没有零漂 结构简单 适应性强 电容式湿敏元件 具有最突出的优点是长期稳定性极强 通过 严格的工艺制作 制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度 基于以上原因 本 设计选用电容式湿度传感器hs1101 将hs1101接入555定时器组成的振荡器电路中 输出一定频率的方波信号 这种方法具有结构简单 使用方便 因此被广泛使用 具 体的测量电路如图3所示 图3 湿度测量电路 3 二氧化碳传感器 在二氧化碳浓度测量上采用响应速度快 测量精度高 技术 成熟的红外二氧化碳气体传感器6004 并配合了一系列有效的补偿措施 为了增加系 统的通用性 灵活性 本系统硬 软件都采用了模块化结构 根据应用场合不同而选 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 6 用不同的配置 该系统可广泛地应用于诸如温室大棚 蔬菜储藏以及其它农业生产和 科研领域 并且由于系统的灵活性和模块化 可以方便地满足其它场合的需要 2 2 电气控制系统的设计 主控系统由可编程控制器与输入输出设备及驱动 执行机构组成 主控系统结构 如图4所示 输 入 接 口 cpu 输 出 接 口 电源 存储器 图4 主控系统结构 2 2 12 2 1 plcplc 的选择 安装及相应要求的选择 安装及相应要求 1 plc具有控制能力强 操作灵活方便 可靠性高 适宜长期连续工作的特点 非常适合高效温室的控制 s7系列可编程控制器包括s7 200系列 s7 300系列和s7 400系列 其功能强大 分别应用于小型 中型和大型自动化系统 本控制系统采用 德国西门子s7 200 plc s7 200系列plc是西门子公司生产的一种小型整体式结构可 编程序控制器 s7 200系列plc广泛应用于集散自动化系统 使用范围覆盖机床 机 械 电力设施 民用设施 环境保护设备等自动化控制领域 既可用于继电器简单控 制的更新换代 又可实现复杂的自动化控制 因此s7 200系列具有极高的性能 价格 比 s7 200系列的plc有cpu221 cpu222 cpu224 cpu224xp cpu226 cpu226xm等6 种不同型号 其中cpu226集成24输入 16输出共40个数字量i o 点 可连接7个扩展模 块 最大扩展至248路数字量i o 点或35路模拟量i o 点 具有13k字节程序和数据存 储空间 6个独立的30khz高速计数器 2路独立的20khz高速脉冲输出 具有pid控制 器 2个rs485通讯 编程口 具有ppi通讯协议 mpi通讯协议和自由方式通讯能力 此控制系统的i o点数为14输入9输出 在既能实现该系统控制要求 又能满足以后发 展的前提下 选用的s7 200系列的 cpu226 2 plc系统的安装方式分为集中式 远程i o式以及多台plc联网的分布式 集中式不需要设置驱动远程i o硬件 系统反应快 成本低 远程i o式适用于大 型系统 系统的装置分布范围很广 远程i o可以分散安装在现场装置附近 连线短 但需要增设驱动器和远程i o电源 多台plc联网的分布式适用于多台设备分别独立控 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 7 制 又要相互联系的场合 可以选用小型plc 但必须附加通讯模块 3 相应功能要求 一般小型 低档 plc具有逻辑运算 定时 计数等功能 对于只需要开关量控 制的设备都可以满足 对于以开关量控制为主 带少量模拟量控制的系统 可选用能带a d和d a转换单 元 具有加减算术运算数据传送功能的增强型低档plc 对于控制较复杂 要求实现pid运算 闭环控制 通信互联网等功能 可视控制 规模大小及复杂程度 可选用中档或高档plc 但是中 高档plc价格较贵 一般用于 大规模过程控制和集散控制系统等场合 4 响应速度要求 plc是为工业自动化设计的通用控制器 不同档次plc的响应速度一般都能满足其 应用范围内的需要 如果要跨范围使用plc 或者某些功能活信号有特殊的速度要求 时 则应该慎重考虑plc的响应速度 可选具有高速i o处理功能的plc 或选用具有 快速响应模块和中断输入模块的plc等 2 2 22 2 2 执行设施及执行设施及电气控制设计电气控制设计 1 执行机构 温室的执行机构可分为两大类 一类是正反转运行电机 如开窗 拉幕等 这些 电机需要正转 反转和停止 必须有限位开关 另一类是开关控制设备 如风机 水 泵等 本设计中包括的环境调控系统有 外遮阳幕系统 保温被系统 钠灯补光系统 前后窗自然通风系统 湿帘水泵系统 环流风机系统 热水采暖系统 喷灌系统 喷 灌系统是一个相对独立的系统 是温室自动控制系统的一个重要组成部分 从安全角 度考虑设计为灌溉提醒从而实现自动喷灌 为了保证执行机构的安全 各执行部件的限位开关的常闭接点都连接在电机电路 中 用常开接点作为下位机的输入信号 达到双保险的目的 2 电气控制设计 图5 温室控制子系统组成 2 3系统主电路设计 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 8 接触器位于主回路中 以实现三相电机的启动 停止与换向以及单相电机的启动 停止 图6 电气主回路 系统硬件主电路如图6所示 其中天窗电机 侧窗电机 遮阳幕电机除功率有所 不同之外 都配有限位开关 需通过电机正转 反转和停止来完成响应结构的开启与 闭合 因此它们的工作主电路相似 环流电机 热风机 湿帘风机 微雾加湿器 补 光灯则属于开 关设备 qk为刀开关 用于控制整个主电路的启停 qfo为总分断器 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 9 qf1 qf8为分断路器 fu1为熔断器 分别对主线路与各个分线路实施短路和过载保 护 fr1 fr8为热继电器 对电机起端详和过载保护的作用 km1 km13为交流接触 器的主触头 用其实现电机的正反转 停止以及风机等开 关设备的起停控制 2 4系统控制电路设计 1 电气控制柜设计 电气控制柜是由多个开关设备和相应的控制 测量 信号等元件 以及所有内部 的电气和机械连接部件构成的一个组合体 控制柜上配有手动 自动的切换开关 手 动功能用于系统中部分设备出现故障或设备维护检修时使用 正常情况下 切换至自 动状态 由plc实施控制 其中按钮部分用于手动控制下控制各执行机构的运行状态 而指示灯部分则显示各执行机构的实际运行状态 2 正反转设备控制电路 天窗 前侧窗 后侧窗和外遮阳这些执行机构均属于正反转设备 其控制电路相 似 现以天窗为例 做以下介绍 图7 天窗控制电路原理图 天窗控制电路原理图如图7所示 k1为手动 自动的切换开关 在手动状态下 sb1 sb2分别为开窗 关窗按钮 sb3为天窗停止按钮 按下按钮sb1 交流接触器 km1的线圈得电 指示灯l1亮 同时km1的常开触点闭合 起自锁作用 此时电机正转 天窗打开 当天窗开启到最大位置后触碰天窗限位开关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sb2 天窗关闭 到关闭的最大位置后 电机停转 按下按钮sb3 km1或km2的线圈失电 天窗停止动作 用于急停操作 接 触器km1 km2的互锁可防止两个接触器同时得电吸合 在自动状态下 由plc控制器 实现控制 中间接触器km15的线圈得电时 其常开触点闭合 天窗开启 中间接触器 km16的线圈得电时 其常开触点闭合 天窗闭合 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 10 3 开 关设备设备控制电路 热风机 环流风机 湿帘风机 湿帘水泵 微雾加湿器均属于开 关设备 其控 制电路相似 现以热风机为例 做以下介绍 图 8 热风机控制电路原理图 热风机控制电路原理图如图8所示 k1为手动 自动的切换开关 在手动状态下 sb13为启动按钮 sb14为停止按钮 按下按钮sb13 交流接触器km9的线圈得电 指 示灯l9亮 同时km9的常开触点闭合 起自锁作用 此时热电机运转 按下按钮 sb14 km9的线圈失电 热电机停止工作 在自动状态下 由plc控制器实现控制 中 间接触器km23得电时 其常开触点闭合 热风机运行 3plc 控制系统的软件设计 3 1控制系统的程序设计 3 1 13 1 1 程序设计思路程序设计思路 plc部分用梯形图编辑主控程序 设计为 手动 自动 两种工作方式 根据 从单片机送来的实测参数与预先设定值进行自动控制 驱动执行机构 当plc处于 离线 工作方式时 主要通过eprom内存储的程序进行输出控制 控 制策略比较简单 下位机软件在gx developer7 0环境下开发 而plc本身又有多种程 序设计语言 如梯形图语言 指令语句表语言 功能表语言等 其中梯形图语言沿袭 传统的电气符号控制图 但简化了符号 编程容易且直观 根据设计要求 本系统涉 及的电气设备中 保温被在早晨打开 夜间收拢 室内环流风机定时打开和关闭 使用 湿帘时禁用 湿帘风机与湿帘水泵为同时控制 前后开窗互锁 根据传感器采集的存储在plc指定数据寄存器中的温度 湿度 光照强度 co2浓 度值以及根据生产经验设置的各参数的上下限 决定各执行机构的输出状态 由于各 环境参数之间的祸合关系 某一环控设备的启闭会对多个环境因子产生影响 如打开 湿帘水泵不仅使温室内的湿度增大 还使温室内的温度降低 当温室内的co2浓度较低 需通风换气时 也使温室内的温度降低 需要增温增湿时 采用打开供热水泵的方法 一方面温度增加了 但同时湿度也降低了 给温度方面的控制带来了负面影响 针对 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 11 这些情况 我们采取了以下相应的措施 l 根据时间的不同 昼夜 环境因子的重 要性不同 设置不同的优先级 首先考虑优先级高的环境因子的要求 比如我们在此 采用3级优先级 即温度 湿度 光照强度 co2浓度 2 温度 湿度采用联合控制策 略 策略如表1 3 考虑意外情况的影响 如湿度低于湿度下限时 采用报警输出的 方式 由人工操作喷灌机给作物喷灌 空气湿度高低反应土壤水分的多少 温湿度 光照强度 co2浓度的控制策略如下 光照强度 光强上限时 打开遮阳幕 光照强度浓度上限或者co2浓度 浓度下限时 开窗通风换气 表1 温湿度联合控制策略 湿度温度前后窗后窗风机湿帘水泵 风机遮阳幕供热泵报警 高开开关关 卷起 关 中开关关关关 高 低关关关关开 高关关开关关 中关关关关关 中 低关关关关开 高关关开开 放开 关喷灌提醒 中开关关关关喷灌提醒 低 低关关关关开喷灌提醒 3 1 23 1 2 控制系统控制系统流程图流程图 1 温室大棚的温度控制流程图 如图9 开始 温度检测 测量值 设定值 y 保持室内温度 结束 测量值 设定值 y 打开升温设备 n 打开降温设备 n 图9 温室大棚的温度控制流程图 2 光照控制流程图 如图10 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 12 开始 光照强度检测 测量值 设定值 y 保持室内光照强度 结束 测量值 设定值 y 保持室内co2浓度 结束 打开co2添加设备 n 图11 co2浓度控制流程图 3 2plc i o地址设置 表 2 输入端口分配表 序号输入口信号名称备注符号 i0 0 手动 自动切换旋钮 sb1 i0 1 总启动按钮 sb2 i0 2 总停止按钮 sb3 i0 3 遮阳帘开限位限位开关 sq1 i0 4 遮阳帘关限位限位开关 sq2 i0 5 遮阳帘开帘单刀双掷开关 sb4 i0 6 遮阳帘关帘单刀双掷开关 sb4 i0 7 通风扇正转单刀双掷开关 sb5 i1 0 通风扇反转单刀双掷开关 sb5 i1 1 热风机启停旋钮 sb6 i1 2 冷风机启停旋钮 sb7 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12i1 3 加热器启停旋钮 sb8 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 13 i1 4 补光灯启停旋钮 sb913 14i1 5 co2添加器启停旋钮 sb10 aiw0 温度传感器 aiw2 光照度传感器 15 16 17aiw4 co2 浓度传感器 表3 输出端口分配表 序号输出口控制信号备注符号 q0 0 通风扇正转接触器 km1 q0 1 通风扇反转接触器 km2 q0 2 遮阳帘开帘接触器 km3 q0 3 遮阳帘关帘接触器 km4 q0 4 热风机接触器 km5 q0 5 冷风机接触器 km6 q0 6 加热器接触器 km7 q0 7 补光灯接触器 km8 q1 0 co2 添加器接触器 km9 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 q1 1 启动指示灯接触器 km10 3 33 3控制程序设计及分析控制程序设计及分析 1 自动 手动切换 见图12 图 12 自动 手动切换 i0 0为自动 手动切换 i0 1为总启动 当i0 1 1时 q1 1得电 启动灯亮 i0 2为总停止 当i0 0 1 i0 1 1时 中间继电器m0 0得电 系统的运行方式为自动 模式 当i0 0 0 i0 1 1时 中间继电器m0 1得电 系统的运行方式为手动模式 2 温度控制 图 13 自动情况下的温度控制 当中间继电器m0 0得电时 系统的运行方式为自动模式 见图13 在自动情况下 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 14 温度传感器将测得的模拟量通过模拟量输入模块em235送入plc中 通过整数比较指令 将温度传感器检测到的测量值aiw0与设定值 25度 进行比较 当aiw0 25时 中间 继电器m0 2得电 启动降温设备 当aiw020时 中间继 电器m2 0得电 启动补光设备 当aiw2 20时 中间继电器m2 1得电 启动补光设备 图 21 手动情况下光照控制 当中间继电器m0 1得电时 系统的运行方式为手动模式 见图21 可通过控制相 应的按钮 遮阳帘开帘i0 5 遮阳帘关帘i0 6 补光灯i1 4 进行温室大棚光照强 度的手动控制 图 22 遮阳帘开帘 在温室大棚的光照控制过程中 自动模式下 当光照传感器测量的光照强度低于 设定的光照值时 中间继电器m2 1得电 遮阳帘开帘补光 手动模式下 将控制遮阳 帘开关帘的单刀双掷开关拨至 遮阳帘开帘 中间继电器m2 2得电 遮阳帘开帘补 光 见图22 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 17 图 23 遮阳帘关帘 在温室大棚的光照控制过程中 自动模式下 当光照传感器测量的光照强度高于 设定的光照值时 中间继电器m2 0得电 遮阳帘关帘遮光 手动模式下 将控制遮阳 帘开关帘的单刀双掷开关拨至 遮阳帘关帘 中间继电器m2 3得电 遮阳帘关帘遮 光 见图23 图 24 补光灯开启 在温室大棚的光照控制过程中 自动模式下 当光照传感器测量的光照强度低于 设定的光照值时 中间继电器m2 1得电 补光灯开启补光 手动模式下 按下补光灯 的启停按钮 中间继电器m2 4得电 补光灯开启补光 见图24 4 co2浓度控制 图 25 自动情况下的 co2 浓度控制 当中间继电器m0 0得电时 系统的运行方式为自动模式 见图25 在自动情况下 co2浓度传感器将测得的模拟量通过模拟量输入模块em235送入plc中 通过整数比较 指令 将co2浓度传感器检测到的测量值aiw4与设定值 1000 进行比较 当 aiw4 1000时 中间继电器m3 0得电 添加温室中的co2 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 18 图 26 手动情况下的 co2 浓度控制 当中间继电器m0 1得电时 系统的运行方式为手动模式 见图26 可通过控制 co2调节阀i1 5 进行温室大棚co2浓度的手动控制 图 27 co2 调节阀工作 在温室大棚的co2浓度控制过程中 自动模式下 当co2浓度传感器测量的浓度低 于设定的浓度时 中间继电器m3 0得电 打开co2调节阀添加co2 手动模式下 按下 co2添加器的启停按钮 中间继电器m3 1得电 打开co2调节阀添加co2 见图27 3 4 编程软件实现 在本次设计中 利用s7 200仿真软件v3 0汉化版进行控制程序的仿真与调试 该仿真软件可以仿真大量的s7 200指令 除部分指令如顺序控制指令 循环指令 高速计数器指令和通讯指令等尚无法支持外 可支持常用的位触点指令 定时器指令 计数器指令 比较指令 逻辑运算指令和大部分的数学运算指令等 该仿真软件还 提供了数字信号输入开关 两个模拟电位器和led输出显示 仿真软件同时还支持对 td 200文本显示器的仿真 在实验条件尚不具备的情况下 完全可以作为学习s7 200 的一个辅助工具 本部分主要介绍了温室大棚控制系统的软件调试过程 通过仿真与调试检验其是 否符合设计初衷 能否达到相应的指标 控制程序的仿真步骤如下 1 准备工作 仿真软件不提供源程序的编辑功能 因此必须和step7 micro win程序编辑软件 配合使用 即在step7 micro win中编辑好源程序后 然后加载到仿真程序中执行 1 在step7 micro win中编辑好梯形图 2 利用file export命令将梯形图程序导出为扩展名为awl的文件 3 如果程序中需要数据块 需要将数据块导出为txt文件 2 程序仿真 1 打开s7 200仿真软件 选择cpu型号 cpu226 em235 载入程序 2 单击 run 键 绿色运行灯亮 按要求操作输入点 观测输出点的情况 发 现相应的点绿色灯亮 3 模拟仿真结果与控制要求完全一致 程序仿真成功 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 19 图 28 控制程序仿真图 4 模糊控制算法在温室控制系统中的应用 4 1引言 plc与监控计算机联合工作为 在线 工作方式 在线 工作方式充分发挥了计 算机容量大 计算速度快的优点 温室环境是一个非线性 分布参数 时变 大时延 多变量藕合的复杂对象 被控对象的数学模型很难建立 为此 采用模糊控制来解决 4 2模糊控制系统概述 生产规模的不断扩大使得控制过程越来越复杂 经典控制理论和现代控制理论由 于种种原因己不能满足日益复杂的控制要求 在处理过程模型不确定或难以建模等问 题时 pid控制和基于现代控制理论的控制策略就显得无能为力 应用于复杂过程控 制时往往受到限制 因此 先进的控制算法得以研究推广 模糊控制便是其中的一种 1965年 美国加利福尼亚大学l a zadeh教授首先提出了模糊集合的概念 为模糊集 合的运用和模糊数学的发展奠定了基础 模糊科学得以发展 1974年 英国伦敦大学 的教授e h mamdani成功地将模糊控制运用于锅炉与蒸汽发动机上 这一开拓性的工 作标志着模糊控制应用阶段的诞生 并继而得到大规模发展 模糊控制从诞生到现在仅仅经历了几十年的时间 就己在工业 经济 医学 军 事等方面取得了巨大的发展 对象越模糊 这种控制方法就越能反映出比其它控制方 法更多的优越性 例如在纯滞后 难以准确建模 参数漂移大及非线性不确定分布参 数系统中 采用模糊控制往往能取得令人满意的效果 4 2 14 2 1 模糊控制的特点模糊控制的特点 糊控制是一种应用模糊集合理论 统筹考虑控制策略的应用方式 具有如下几个 主要特点 1 模糊控制是以人对被控对象的控制经验为依据而设计的控制器 不需要被 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 20 控对象精确的数学模型 特别适合被控对象具有多输入多输出的强耦合性 参数时变 性 严重非线性与不确定性的复杂系统或过程的控制 2 模糊控制中的知识表示 控制规则和合成推理是基于专家知识或熟练操作 人员的成功经验 并可以通过学习不断更新 是一种易于控制 易于掌握的较理想非 线性控制器 也是一种语言控制器 3 模糊控制系统的构造和控制规则易于用软件实现 4 模糊控制抗干扰能力强 响应速度快 并对系统参数的变化有较强的鲁棒 性 模糊控制和pid控制作比较 模糊控制较之后者不仅对被控对象参数变化适应能 力强 而且在对象模型结构发生较大改变的情况下 也能获得较好的控制效果 4 2 24 2 2 模糊控制器的组成模糊控制器的组成 图29 模糊控制器的基本结构 图29为模糊控制器的基本结构框图 如图29可知 其主要由四部分组成 1 模糊化 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出 因此 这 一部分实际上是模糊控制器的输入接口 其主要作用是将真实的输入量利用量化因子 进行尺度变换 用论域中的元素来表示输入量 然后将此论域元素转换到模糊集合中 作为模糊推理的输入 2 知识库 由数据库和模糊控制规则库两部分组成 数据库主要存放所有输 入输出语言变量模糊子集的隶属度矢量值 在模糊关系方程求解的过程中 为模糊推 理提供数据 模糊控制规则库是基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验而建立 的 它是仿照人的直觉推理的一种语言表示形式 用来存放全部模糊控制规则 在推 理时提供控制规则 3 模糊推理 在模糊控制器中 根据输入的模糊量 由模糊规则中所定义的 蕴含关系 经过合成运算来得到模糊输出量 考虑到推理时间的长短 通常采用运算 较简单的推理方法 4 反模糊化 模糊推理得到的仍然是一个模糊向量 不能直接用来做控制量 通过反模糊化变换 可变成表示在论域范围内的清晰量 然后再按比例因子经尺度变 换成实际的控制量 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 21 4 3多变量模糊控制器的设计 模糊控制技术的核心在于模糊控制器的设计 在本系统中 着力分析设计控制温 度 湿度这两个物理量的模糊控制器 通过对被控对象的分析 按照拟定的控制方案 采用 两输入多输出 模糊控制器 其总体结构如图30所示 图30 多变量模糊控制器的总体结构图 4 3 14 3 1 输入输出变量的确定输入输出变量的确定 输入模糊量为 er 温度误差 eh 湿度误差 输出控制变量均为开关量 只有开 关 1 0 两种状态 其包括 u1 天窗 u2 前侧窗 u3 后侧窗 u4 外遮阳 u5 环流风机 u6 微雾加湿器 u7 热风机 4 3 24 3 2 模糊语言值的选取模糊语言值的选取 工程上对于模糊语言变量的取值一般是5个或7个元素的词集 还有更多级别档数 的划分 增加分级档数 可提高稳态精度 但同时也将扩大模糊关系矩阵r的维数 增加控制表的容量 这对提高控制稳定性和快速性是不利的 综合实验研究的需要 既考虑到控制规则的灵活细致 又兼顾简单易行 决定采用 nb ns ze ps pb 5 个元素的词集 4 4输入量采样及模糊量化算法程序设计 模拟量的输入数据是有符号整数 占2个字节 16bit 所以地址必须从偶数字 节开始 例如 aiw0 aiw2等 plc的cpu内部用数值表示外部的模拟量信号 两者之 间有一定的数学关系 在s7 200的cpu内部 0 20ma对应的数值范围是0 32000 则 对于4 20ma的信号 对应的内部数值为6400 32000 而温度 湿度的传感变送单元 分别取 10 60 0 100 rh线性对应4 20ma 因此需经过温度 湿度值 电流信号 内部数值的两次转化 现以温度为例 因为4 20ma线性对应 10 60 可得如下 曲线方程 1 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 22 1 10 60 10 4204 y x 其中 y表示温度 x表示电流 而4 20ma的信号对应的内部数值为6400 32000 得如下曲线方程 2 2 6400320006400 4204 z x 其中 z表示aiw值 x表示电流 得 1 2 1070 640025600 y z 10 60 对应的内部aiw值可通过式 3 8 计算获得 例如18 对应的aiw值即为 16640 现给出输入量采样与er eh计算的程序 模拟量输入映像区中的aiw0 aiw2分别为温度和湿度的测量值 将其存放于存储 单元vw0 vw2中 作为后续运算的准备 临沂大学 2014 届本科毕业论文 设计 23 以种植蝴蝶兰为例 温度设定值t0 18 湿度设定值h0 70 rh 通过上述计 算方法得各自对应的内部数值分别为16640 24320 将其分别存放于存储单元 vw4 vw6中 然后