基于PLC的樱桃种植系统设计

第2章系统总体设计方案2.1.系统需求分析功能需求：实时监测：系统能够实时监测大棚内的温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度等环境参数，并能够以可视化的方式显示给用户，实现数据记录与存储。系统能够记录历史数据，并提供数据存储功能，以便后续的数据分析和决策。报警功能：系统能够设定预设阈值，并在环境参数超出预设范围时发出警报，以提醒用户注意异常情况。远程控制：系统能够通过上位机远程控制樱桃大棚的灌溉、通风和光照等设备，以实现对种植环境的调节和控制。性能需求：准确性：系统需要具备较高的传感器准确性，能够准确地采集和监测樱桃大棚内的环境参数。实时性：系统需要具备快速响应的能力，能够实时采集和显示环境参数的变化。稳定性：系统需要稳定运行，能够长时间稳定地监测环境参数，并保持系统的可靠性。可扩展性：系统应具备良好的扩展性，能够根据需要添加更多的传感器和功能模块。用户界面需求：用户友好性：系统应具备直观的用户界面，操作简单易懂，用户能够轻松地使用和理解系统功能。可定制性：用户可以根据自己的需求和喜好，定制化显示界面和报警设置等功能。可靠性与安全性需求：数据保护：系统需要具备数据备份和恢复机制，确保数据的安全性和可靠性。系统的稳定性：要求该系统具有较高的稳定性，使其在较长的工作周期内仍能维持良好的工作状态，从而降低了系统失效和停工的次数。2.2系统的可行性分析技术可行性：传感器技术：温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度等环境参数的传感器技术已经非常成熟，并且在农业领域得到广泛应用。PLC控制技术：PLC控制技术在工业自动化中被广泛使用，能够提供稳定可靠的控制功能。经济可行性：投资成本：系统所需的传感器、PLC控制器、数据采集设备和通信设备等硬件设备的投资成本相对较低，并且随着技术的发展，价格逐渐降低。软件开发和系统集成的成本相对较高，但可根据项目规模和需求进行合理控制。经济效益：通过实时监测和控制樱桃大棚内的环境参数，樱桃种植者可以及时调整种植环境，提高樱桃的生长效率和产量，从而带来经济效益。社会和环境可行性：提高生产效率：通过监控系统，樱桃种植者可以更加精确地管理和调整大棚环境，提高生产效率，减少资源浪费。减少化学物质使用：通过精确监测和控制大棚内的环境参数，可以减少对化学物质的过度使用，减轻对环境的负荷，实现可持续种植。2.3系统的设计思想及总体结构基于PLC的樱桃种植系统设计通过对大棚温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度等进行实时的监测和控制的基础上，从而使种植者能够对其进行精准的管理和调控。该仿真系统通过传感器、PLC控制器和上位机监测系统，实现了数据采集、调控和显示的功能。传感器模块主要对樱桃大棚温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照强度等进行实时监测。PLC的控制功能主要是采集各传感器的信息，并按照设定的要求对其进行调整与调整，从而达到准确地控制整个樱桃大棚环境的目的。上位机监测模块利用监测程序对温室中的环境参数数据、控制状态以及警报等进行了实时的展示，并对温室中的环境进行了远程控制。该系统各主要功能模块如图2-1。图2-1系统框图该体系采用了模块化的方式，使各个功能模块彼此独立，便于体系的更新和扩充。整个监测系统主要由三部分组成：数据采集部分、数据传输部分和监测中心。前端的数据采集部分主要是对传感器进行数据采集，并对其进行初始化处理，并将其传送到计算机。其中，信息传送模块主要负责将各传感器所获得的信息，根据所制定的通讯协定，传送至上位机上。监控中心主要是对所收集到的数据展开实时的监测，在对所收集的数据进行分析和处理之后，如果出现了一些不正常的情况，就会采取一些相应的对策。第3章系统硬件控制设计3.1方案设计3.1.1方案的确定方案一：单片机单片机是一种小型集成电路，通常需要较少的外围设备，可以通过编程实现控制逻辑。相对来说，硬件设计相对简单，可以满足较小规模的控制需求。方案二：PLCPLC是一种专用控制设备，通常配备多个输入输出接口，可连接各种传感器和执行器。它的硬件设计较为复杂，需要考虑输入输出接口、通信接口和电路保护等方面。与PLC进行比较，单片机在稳定性和抗干扰方面都不如PLC。此外，单片机采用的是汇编语言，与PLC采用的梯形图或状态转换图进行比较，单片机较为复杂，不容易为一般电力工作者所了解。故选用PLC。3.1.2设计思路 因为在PLC内不能进行数据对比，所以在PLC外进行了数据对比，然后将对比好的信号输入到PLC中，由PLC依据这些信号来对响应点进行启动和停止。最终，可编程控制器按照所需的数据来启动和停止温度和湿度调节装置。可编程控制器按设定的指令启动和停止温湿调节装置。比如，在进入温度较高、湿度较大的情况下，可通过可编程控制器开启前后窗，后窗风机，降低湿度装置，置冷器，报警灯等。并将湿帘风机的水泵，供热泵，报警装置全部关掉。60秒后，返回测量温度和湿度。图3-1温湿度信号处理图采用了PLC进行控制，系统的稳定性和抗干扰能力都有了保障，控制思路清晰明了。3.2PLC主控制电路设计3.2.1PLC介绍PLC（可编程逻辑控制器）是一种数字计算机，用于控制工业过程和自动化设备。PLC通常具有多个输入和输出接口，可以读取传感器信号并控制执行器设备。PLC具备可编程的控制逻辑，通过编写程序来实现特定的功能和任务。3.2.2PLC机型选择的基本原则系统需求：明确系统的需求和功能要求，包括输入输出点数、通信接口、特殊功能模块等。可靠性和稳定性：根据系统的运行环境和要求，选择具有高可靠性和稳定性的PLC品牌和型号。扩展性：考虑系统的未来扩展和升级需求，选择支持模块化设计和扩展接口的PLC。编程和使用便捷性：考虑PLC的编程软件、调试工具和操作界面的友好程度，以提高开发和操作效率。成本效益：根据系统预算和性能要求，选择适合的PLC机型，平衡性能和成本之间的关系3.2.3PLC容量的选择确定输入输出点数：根据系统需要，确定所需的数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出点数。考虑特殊功能模块：根据系统需求，判断是否需要特殊功能模块，如通信模块、计数模块、高速脉冲模块等。考虑通信接口：根据系统要求，选择适合的通信接口，如以太网、串口、CAN总线等。考虑编程和操作需求：根据系统开发人员的编程经验和操作习惯，选择支持的编程软件和操作界面。总结需求：综合考虑输入输出点数、特殊功能模块、通信接口和编程操作需求，总结出PLC的具体要求。3.2.4PLC的选型根据控制的需要和PLC的选用要求和原则，本设计选用的是西门子S7-200系列的型号的可编程控制器。该可编程控制器的I/O端口为64，其输入端口和输各为32。因为S7-200系列具有以下特征：最大限度地涵盖标准特征，程序执行速度更快，通讯功能得到全面的补充；这款产品适用于全球范围内各种类型的电力供应，并能根据用户的具体需求，为您的工业自动化系统带来极大的弹性和可控性。针对许多实用的专用特性，研制出多种专用特性的专用模组，可满足各种需求的模拟I/O、高速计数。位置可调至16个轴线，可进行突发式输出，也可用于J、K两种类型的热电偶或PT感应器。每个S7-200主机最多可以配备8种专用模组。通过CC-Link、ProfibusDp、DeviceNet等全球最受欢迎的开放网络，或使用传感级网络来满足你的通讯需求。S7-200系列是一种很有能力的PLC，它可扩展至256I/O点，该设计选择64个I/O点，还可以添加一些特别的功能模块或扩展板。通讯和资料连结的选择让S7-200在一些重大的用途上是相当完善的，例如体积，通讯和特殊的特性模组。具有定位和脉冲输出的功能，一台PLC可以同时输出2100kHz的脉冲，PLC具有7条特别的位置命令，其中包括了零返回、绝对位置读出、绝对或相对驱动和特别的脉冲输出控制。3.2.5IO表表3-1IO表输入地址输入功能外部编号I0.0手动/自动切换SB1I0.1总启动SB2I0.2总停止SA1-1I0.3遮阳帘开限位SA1-2I0.4遮阳帘关限位SQ1I0.5遮阳帘开帘SQ2I0.6遮阳帘关帘SQ3I0.7通风扇正转SQ4I1.0通风扇反转SQ5I1.1热风机启停SQ6I1.2冷风机启停SQ6I1.3加热器启停SQ6I1.4补光灯启停SQ6I1.5CO2添加器启停SQ6表3-2PLC数字量输出分配表输出地址输出功能外部编号Q0.0通风扇正转KA1Q0.1通风扇反转KA2Q0.2遮阳帘开帘KA3Q0.3遮阳帘关帘KA4Q0.4热风机KA5Q0.5冷风机KA6Q0.6加热器KA7Q0.7补光灯KA8Q1.0CO2添加器KA9Q1.1启动指示灯HL1表3-3PLC模拟量量输入分配表输出地址输出功能AIW0温湿度传感器AIW2光照度传感器AIW4CO2浓度传感器AIW6土壤湿度传感器3.2.6电路设计系统的硬件电路主要包含如下模块：PLC模块、以控制器模块、传感器模块以及各种接口模块等。系统的原理图如图3-2所示。图3-2PLC硬件连接图

3.3传感器节点设计3.3.1温湿度传感器温度传感器按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。系统采用了性价比比较高的且可以直接输出数字信号的DS18B20温湿度传感器。DS18B20传感器的主要特点和设计要点如下：数字输出：DS18B20传感器采用1-Wire总线协议，以数字形式输出温度数据。这使得它与PLC或其他数字接口设备集成较为方便。高精度：DS18B20具有较高的温度测量精度，通常在±0.5°C范围内。这使得它适用于对温度精度要求较高的应用。多个传感器支持：DS18B20传感器可以通过1-Wire总线连接多个传感器，从而实现对多个位置或区域的温度测量。供电要求：DS18B20传感器可以通过1-Wire总线直接供电，也可以通过外部供电源供电。这样可以根据实际需求选择适合的供电方式。封装形式：DS18B20传感器通常采用TO-92封装，这种小型封装适合于在小空间中安装和布线。在设计中使用DS18B20传感器时，需要注意以下几个方面：电路设计：根据DS18B20的特性和1-Wire总线协议要求，设计合适的电路来支持传感器的通信和供电。传感器布线：合理布置DS18B20传感器的布线，确保信号稳定和可靠。可使用合适的电缆或线缆来连接传感器和PLC或其他控制设备。编程和通信：了解DS18B20传感器的通信协议和数据解析方式，并根据PLC或其他设备的要求编写相应的代码或配置参数，以实现数据的准确读取和处理。与PLC的接口电路如图3-3所示。图3-3温湿度传感器接口3.3.2土壤湿度传感器在选用土壤湿度感测器时，最好选用既可插入到土壤中，又可在任何时候检测到土壤水分的整体变化。但是事实上，目前市面上的水分感应器是相对稀少的，并且由于它的准确度越高，其价格也就越高，所以它的成本也就越高。由于对测量的准确性有一定的需求，同时又受经费的制约，经过多次的比较，最终确定了IH3605是一款性能价格相对较高的湿敏元件；它不仅具有很高的性能价格比，而且具有很好的功能，使整个电路得到了很大的简化。该传感器具有以下特性：接触方式：IH3605是一种湿度传感器，通常不直接用于土壤接触。供电和通信：IH3605传感器通常需要外部供电，因此在设计中需要考虑供电方式。此外，如果需要将IH3605传感器与PLC或其他控制设备进行通信，需要选择适当的接口和协议来实现数据传输。输出电压是连续的，输出信号很强。数据解析和校准：IH3605传感器输出的湿度数据可能需要进行解析和校准，以获得准确的土壤湿度值。在设计中，需要编写相应的代码或配置参数，对传感器输出的湿度数据进行处理和校准，以获得可靠的土壤湿度测量结果。在适当的范围内，实现了信号的可变性。可以不断的改变。需要注意的是，IH3605是一种湿度传感器，将其用作土壤湿度传感器需要进行一些适应性和校准工作。如果有特定的土壤湿度传感器可选，可能更适合用于土壤湿度测量的传感器，如土壤湿度传感器或水分传感器，它们可以更好地适应土壤环境并提供准确的土壤湿度测量结果。在选择和使用传感器时，请仔细考虑其适应性和性能指标，以满足樱桃种植系统对土壤湿度测量的要求。结构图及引脚定义如图3-4所示。图3-4IH3605的结构图及引脚图3.3.3光照度传感器光照测量范围：了解BH1750FVI模块的光照测量范围，并确保其适合樱桃种植环境下的光照强度测量需求。根据樱桃的生长特性和光照需求，选择适当范围的光照传感器。数字输出接口：BH1750FVI模块是一种数字光照传感器，它通过数字接口（如I2C）输出光照强度数据。在系统设计中，确保PLC或其他控制设备能够与BH1750FVI模块进行通信，并读取光照数据。精度和分辨率：了解BH1750FVI模块的光照测量精度和分辨率，根据系统要求选择适当的模块。樱桃种植过程中，光照强度对植物的生长和发育起着重要作用，因此需要确保传感器的测量结果具有较高的精度和合适的分辨率。供电和电路连接：BH1750FVI模块通常需要外部供电，根据其供电要求设计合适的电路连接。确保传感器正常工作并能够提供准确的光照测量结果。数据解析和处理：了解BH1750FVI模块的数据格式和解析方式，编写相应的代码或配置参数，以实现对光照数据的解析和处理。根据需要，可能需要进行单位转换或其他数据处理操作。传感器布置和保护：根据光照测量的需求和樱桃种植系统的实际情况，合理布置BH1750FVI模块的位置，以确保其能够准确测量光照强度，并避免受到其他因素的干扰。此外，可能需要采取适当的保护措施，以防止传感器受到外部环境的损坏或干扰，它的接口电路如图3-5所示。图3-5光照度传感器接口3.3.4二氧化碳浓度传感器二氧化碳浓度测量范围：了解C20传感器的二氧化碳浓度测量范围，并确保其适合樱桃种植环境下的测量需求。根据樱桃的生长特性和二氧化碳需求，选择适当范围的传感器。传感器原理和技术：了解C20传感器的工作原理和测量技术，以确保其适用于樱桃种植系统中的二氧化碳浓度测量。C20传感器通常基于非分散红外（NDIR）技术，这种技术能够准确测量二氧化碳的浓度。数字输出接口：C20传感器可能具有数字输出接口（如UART或I2C），以便与PLC或其他控制设备进行通信，并传输二氧化碳浓度数据。在系统设计中，确保设备能够与传感器进行数据交互。精度和稳定性：了解C20传感器的测量精度和稳定性，根据系统要求选择适当的模块。二氧化碳浓度对樱桃的生长和发育起着重要作用，因此需要确保传感器的测量结果具有较高的精度和稳定性。供电和电路连接：根据C20传感器的供电要求设计合适的电路连接，并提供稳定的供电。确保传感器正常工作并能够提供准确的二氧化碳浓度测量结果。数据解析和处理：了解C20传感器的数据格式和解析方式，编写相应的代码或配置参数，以实现对二氧化碳浓度数据的解析和处理。根据需要，可能需要进行单位转换或其他数据处理操作。传感器布置和保护：根据二氧化碳浓度测量的需求和樱桃种植系统的实际情况，合理布置C20传感器的位置，以确保其能够准确测量二氧化碳浓度，并避免受到其他因素的干扰。此外，可能需要采取适当的保护措施，以防止传感器受到外部环境的损坏或干扰。接口电路如图3-6所示。图3-6二氧化碳传感器接口

第4章PLC编程及组态软件设计4.1PLC编程确定控制逻辑：在进行PLC编程之前，首先需要明确系统的控制逻辑和功能要求。根据樱桃种植系统的需求，确定需要监测和控制的参数，例如温湿度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度等。PLC平台选择：根据系统要求和可用的资源，选择适当的PLC平台和型号。常见的PLC平台包括西门子（Siemens）、施耐德（SchneiderElectric）、欧姆龙（Omron）等。确保所选的PLC平台具有足够的输入输出点数、通信接口和编程功能来满足系统的需求。PLC编程语言选择：根据PLC平台支持的编程语言选择适当的编程语言。常见的PLC编程语言包括梯形图（LadderDiagram）、结构化文本（StructuredText）、功能块图（FunctionBlockDiagram）等。在进行PLC编程之前，熟悉所选编程语言的语法和特性是必要的。编写控制逻辑：根据系统需求和功能要求，编写PLC程序实现相应的控制逻辑。使用PLC编程软件，根据所选的编程语言，将系统的输入信号和输出信号连接起来，实现逻辑判断、计算和控制操作。确保编写的程序能够准确地根据输入信号来控制相应的输出设备，实现对樱桃种植环境的监测和调控。调试和测试：完成PLC程序编写后，进行调试和测试。连接PLC与传感器、执行器等设备，模拟实际运行环境，验证PLC程序的正确性和稳定性。通过测试和调试，确保PLC能够准确地读取传感器数据，控制执行器设备，并实现对樱桃种植系统的监测和调控功能。文档记录：编写详细的PLC编程文档，包括控制逻辑说明、输入输出点的映射关系、编程代码和注释等。这样可以方便后续维护和升级工作，确保系统的可维护性。M0～M7是组态王程序初始化专门的特别的中间继电器，功能分别对应着手动开关、返回原点、单步、单周期、自动循环、返回原点启动、自动循环启动、自动循环停止的八项功能，假如其中某个特别的中间继电器接通，则系统自动接入相应的程序。表4-1初始化程序表步序指令步序指令0LDX0113LDX031OUTM014ORM202OUTY2615ANIX153LDIM800016OUTM204OUTM117OUTY305OUTM218LDX156OUTM319OUTM77LDX0220LDX108OUTM421OUTY339OUTY2722LDM2010LDIM800023OUTM804111OUTM524LDM800012OUTM625OUTFNC60M0S20S334.2通信设定在S7-200编程软件里，打开系统块，找到通信端口，进行通讯设定，使用预设的，地址2，波特率9.6kbps。图4-1S7-200通信设定在组态王里面，设备里面找到选择COM1，通讯波特率等使用预设的。图4-2COM1通信设定建立设备连接，选择西门子S7-200PLC的PPI通讯方式，通讯地址设定为2，选择OCM1。图4-3选择PPI通讯第5章控制界面开发设计5.1控制程序流程图 控制程序流程图如图5-1所示。图5-1控制程序流程图5.2定义IO设备IO设备与PLC通过电缆或总线连接，通过输入和输出信号与PLC进行交互。PLC通过读取传感器的数据，判断环境状态，并根据需要控制执行器设备，实现对樱桃种植环境的监测和调控。5.3运行通过组态王制作基于PLC的樱桃种植系统,实现樱桃种植系统的监控和仿真。基于PLC的樱桃种植系统的操作界面如图5-2所示。根据控制要求建立监控画面。图5-2仿真图5.4控制系统的程序调试在进行程序调试时，需要耐心和细致地检查程序的每个部分，并进行逐步测试和调整。同时，合理利用调试工具和技术，如日志输出、断点调试和数据监视，以帮助定位和解决程序中的问题。及时记录和处理调试过程中遇到的问题，并进行适当的修改和优化，最终确保控制系统的稳定性和可靠性。保留所有组状态设置并关闭组状态监视器。将PLC软件下载到PLC设备中，让其工作，切换到离线模式，然后插入并运行到成组状态工作界面。图5-3后台数据监控可设置阈值，若与设定值不符，PLC输出控制各系统实现开关灯，加热加湿器，CO2补充，滴灌阀，控制遮阳伞电机正转或者反转等各类操作。点击启动仿真程序开始运行如图5-4。图5-4运行图图5-5开关闭合图5-6开关开启本仿真系统有两种操作模式为手动开启和系统自动开启。点击启动，仿真系统按照系统设定的程序进行运行，保证大棚内的环境处于设定值。可以通过系统外部的手动开关，可单独启动和停止相对应的设备。图5-7二氧化碳传感器二氧化碳在樱桃树的成长中扮演了重要角色。从傍晚开始，植物的光合作用越来越弱，空气中的CO2浓度也越来越高，到了午夜时分更是达到了一个峰值。第二天早上，当系统按照设置好的方法开启遮阳帘时，在阳光的照耀下，樱桃的光合作用会增强，CO2的含量会迅速降低，直到低于设置好的数值为止。早上九点多，空气中的二氧化碳含量已经比外面的空气低了很多，为了保证樱桃的光合作用，按照设定开启了二氧化碳发生器。如图5-7所示，将CO2浓度控制在20左右，CO2浓度较高，不仅能抑制细菌繁殖，还能增加光合效率。图5-8温湿度，土壤湿度传感器针对不同时期的樱桃，按不同的方案实施灵活调控。一般将室温维持在20摄氏度左右，若温度低于20摄氏度启动加热器，保持温度稳定。湿度保持在60%，控制土壤湿度在60%-80%之间，若低于设定湿度，启动加湿器和滴灌阀，保证樱桃处于最佳生长状态。如图5-8所示。图5-9实时曲线实时曲线和历史曲线如图5-9，5-10。图中红色为温度实时曲线，蓝色为光照强度实时曲线，绿色为湿度实时曲线，紫色为CO2浓度实时曲线。但由于是模拟量，曲线最终以直线方式呈现。实时监测，若传感器监测数据异常，报警提示，同时按照设定方案启动相应的控制器保障樱桃处于设定的生长状态。历史曲线方便用户即使记录和管理樱桃的生长状况。图5-10历史曲线图5-11报警画面报警画面如图5-11所示，单机左上方报警，切换到报警画面，点报警画面左侧的测试按钮，测试报警情况，绿色的是报警消失，红色的是报警发生。由此用户可以清晰的知道在哪个时间段，哪个系统出现问题，便于用户及时排查问题产生的原因。第6章总结近年来随着经济发展，大棚类的养殖系统也在不断创新，传统大棚生产模式己经不能解决农产品生产效率低、环境污染严重、产品类型单一等诸多现实问题，基于PLC的农作物种植系统是走向现代化发展的必由之路。集合了现代信息技术、生物技术等一系列高新科技技术，基于PLC的樱桃种植系统最终实现了保障樱桃的水肥，生长状态和环境的要求。根据土壤、温度等，采用不同的方式灌溉措施来确保作物的产量的稳定实时的采集大棚内的温湿度，二氧化碳浓度和光照强度，当湿度超过低于预定的界限时，自动打开灌溉装置，当湿度超过设定界限时，系统打开电机启动风扇调节到适应的环境，同时可以明显降低生产成本、减少对环境的污染。通过对樱桃种植的调研与了解，对基于PLC的樱桃种植模拟系统进行了深入的研究，在本模拟系统的设计中，所进行的研究包括：通过对目前国际上对设施环境监测技术的了解，以及对设施环境监测技术的了解，明确了设施环境对设施环境下设施环境监测技术的影响。在此基础上，对该系统展开了可行性和需求分析，并最终确定了该系统的整体系统方案，并对各个功能模块进行了划分。根据整个控制系统的整体方案，选择了相应的检测设备，并进行了主控计算机的硬件电路的设计。在遇到不利条件时，根据本系统所制定的程序，对其进行调整和控制。并按照设计，利用组态王对该系统进行了仿真。

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