【《基于S7-1200PLC的农业大棚控制系统设计》14000字（论文）】

基于S7-1200PLC的农业大棚控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u325461.1研究课题概述 272821.1.1课题简述 2308701.1.2研究的意义和目的 3961.2国内外现状 3110241.2.1国内现状 3247751.2.2国外现状 4272641.3本文的主要研究内容和任务 4102761.3.1研究内容 431931.3.2本文的任务 4160402整体控制系统的设计 696702.1控制任务 6260812.2系统控制方案 6148163控制系统的硬件简介与使用 8253163.1PLC简介和工作原理 848683.1.1PLC简介 8293223.1.2PLC工作原理 8286603.2PLC的选用 983743.3PLC控制系统的设计步骤 10237113.3.1基本设计原则 1089043.4触摸屏的简介与选用 11300323.4.1触摸屏的简介 1157963.4.2触摸屏的选用屏的选用 1241134控制系统软件设计 13212414.1程序设计方法 13262124.2控制系统程序设计 1568244.2.1设计思路 15270094.2.2控制流程 15216264.2.3I/O分配 17321794.2.4控制系统程序设计 20126864.3S7-1200WINCC的交互界面的设计 32321514.4实验结果分析 37164175.总结与展望 3811328总结 385533展望 381引言随着人民生活水平的不断提高，瓜果蔬菜越来越受到市场的青睐。为了满足市场要求。采用农业大棚种植反季瓜果蔬菜得到了广泛的应用。但是，我国传统大棚种植的规模小，很多是一家一户零、小、散、乱的生产模式，并且很多是简单的日光温室，大多采用手动控制，自动化程度非常低，需要大量的劳动力，提高了大棚种植成本，降低了农民大棚种植的积极性。温度，湿度，光照强度，二氧化碳浓度是影响农业生产的重要因素，随着现代科学技术在农业生产中的应用，这四个关键环境参数越来越受到人们的重视[1-4]。温室大棚作为农业现代化的主要部分之一，对其实现智能化的控制与监控能够使农产品的生产环境达到最适值，从而可提高农产品的生产质量和数量，提高经济效益。PLC具有很强的抗干扰能力、并且能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程和执行机构[5]。触摸屏是现代社会中主要的人机交流设备，可实现远程控制、实时监控等功能，将PLC作为下位机，触摸屏作为上位机，可降低成本，易实现温室大棚的智能化控制。1.1研究课题概述1.1.1课题简述智能农业大棚是现代化农业的生产方式。温室又被称为“暖房”，最开始是被运用于观赏植物的培育。温室大棚可以透光，调节温度，控制内部的湿度以及二氧化碳浓度等，同时受外界环境的影响较小，可以在不适宜植物生长的季节为植物提供适宜的生长环境并提高产能。温室大棚是一种室内的培育场所，包含了完整的控制系统——温度控制系统，辅助光照控制系统，湿度控制系统以及二氧化碳浓度控制系统[6]。在现代农业中，智能农业大棚通过电脑自动控制温室大棚的光照强度，湿度，温度和二氧化碳浓度等设备，随时为植物提供所需要生长的最佳环境，从而促进植物的生长发育，有限地缩短生长周期，提高产能。1.1.2研究的意义和目的由于农业生产规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，规模也越来越大。传统农业中大部分操作都是由人工进行的，对于数量较多或者面积较大的农业大棚就显现出很大的局限性[7]。减少人工成本，提高自动化程度是打破大棚种植局限性的重点方向，设计一套由PLC为控制核心的智能农业大棚控制系统能有效解决传统农业大棚局限性的问题。智能农业大棚是一种室内的培育场所，包含了完整的控制系统——辅助光照控制系统，湿度控制系统，温度控制系统以及二氧化碳浓度控制系统。在现代农业中，智能农业大棚通过PLC或者计算机自动控制温室大棚的温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度等设备，随时为植物提供所需要生长的最佳环境，从而促进植物的生长发育，有限地缩短生长周期，提高产能[8]。1.2国内外现状1.2.1国内现状我国温室大棚的发展起步较晚，从上世纪60年代才出现了结构简单的塑料大棚，70年代后期，新型环保日光温室大棚才开始普及。80年代是日光温室规模发展期。规模从农家院落逐渐发展到大田。到80年代末期，全国已推广第一代普通型日光温室两万公顷左右。近几年，温室大棚才已国内逐渐得到广泛应用。我国智能温室大棚的起步和发展也都很晚，70年代才开始出现装置有数据统计和计算的温室大棚系统[9-10]。我国的温室大棚面积世界第一，然而生产管理和运作水平比较低下[11]。1.2.2国外现状荷兰早在1974年就研发并生产出了以计算机为核心的温室环境控制系统，并践行新型部件的商业化生产。此后，荷兰的监控中心核心广泛的出现在了本国及世界各国的种植大棚中。到目前为止，荷兰已经建设了1万公顷基于这种核心的温室大棚。如今，他们的产品不仅能够监控单个温室大棚，还有可以进行联网监控，进行网络化管理。在韩国，政府从1992年就开始重视设施园艺的发展，将其作为重点事业进行推进，仅到1992年年底，装配有环境监控系统的现代化设施就己经占据了10%的种植面积。到80年代，微型计算机的发展取得了丰硕的成果，同时其价格也获得了大幅度的降低。在欧美国家，随着温室建设对环境要求的提髙，以微型计算机为核心的温室环境监控系统得到了快速的发展[12]。1.3本文的主要研究内容和任务1.3.1研究内容 本文主要研究的是PLC智能控制系统在农业生产中的应用；主要包括控制程序设计和交互界面设计。设计一个智能农业大棚系统确保农业大棚不受四季更替，气候变化等各种恶劣环境的影响，改变植物现有的生长环境，提供一个适宜生长发育的环境。正常情况下，植物的生长发育一般会受到光照强度、温度度、湿度、二氧化碳浓度等的影响；本次研究通过PLC的控制，进行实时的监控，并根据变化情况对环境中的光照强度、温度、湿度、二氧化碳浓度进行实时的调节，从而为植物提供一个良好的生长发育环境[13]。1.3.2本文的任务本文阐述了传统农业大棚产量低下的缺点，分析出产量低下的最重要的原因是自动化程度低，人力成本高，针对这几点设计一个智能农业大棚控制系统来改善传统农业大棚的生产方式，达到提高产量节省人力的目的。本文主要讲述通过PLC设计程序流程对实际情况中农业大棚内环境参数：光照强度，温度，湿度和二氧化碳浓度（影响农作物产量的主要参数）的监测和控制，使环境因素实时数据保持在设置范围内。选定合适的触摸屏并通过使用WINCC软件设计的交互界面，将S7-1200PLC和触摸屏连接，完成智能农业大棚控制系统，在本文阐述了PLC程序的设计思路和WINCC组态人机交互界面的仿真展示。通过不断地调试智能农业大棚控制系统，主要的工作流程图如图1.1所示。图1.1工作流程图2整体控制系统的设计2.1控制任务智能农业大棚控制系统通过调控影响农作物生长的环境参数以达到提高产量的目的，智能农业大棚控制系统的主要控制的对象有：光照强度、温度、湿度、二氧化碳浓度[14]。通过使用温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器分别对农业大棚中的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度进行实时数据采集，传感器把获取的实时数据传送到PLC内部存储器中，设计PLC程序把获取的数据与预设的数值进行比较，输出比较结果，根据比较不同结果控制相应的执行机构。农业大棚中的执行机构工作会改变农业大棚的实时环境参数，从而达到控制环境参数在适宜范围内，农作物产量提高的目的。2.2系统控制方案一个完整的智能农业大棚控制系统需要建立一套完整的智能控制系统来对环境参数进行调节。考虑到实际应用中的实际情况，同时为了保证在生产中的安全和稳定，该智能控制系统预设了手动模式，自动模式和紧急关闭按钮，根据需要可以自由地切换，在自动模式下，通过装备各种传感器对大棚内的环境参数变化进行实时的数据获取采集，然后传送到PLC存储器中保存，通过PLC程序流程将实时监控数据与预设参数进行对比，根据差异结果对遮阳帘、补光灯、加热装置、水泵、二氧化碳产生装置、通风系统执行机构进行调节，使农业大棚内的光照强度、温度、湿度、二氧化碳浓度维持在最适宜农作物生长的范围之内。本次研究通过PLC的控制实现农业大棚的智能调节，并通过WINCC组态软件进行交互交互界面的设计，完成PLC与交互页面的连接，实现智能农业大棚的监测和控制。在手动模式下能通过输入I口按钮对执行机构遮阳帘、补光灯、加热装置、水泵、二氧化碳产生装置和通风系统进行手动控制。为保证安全生产，在任何模式下，当出现紧急情况是，可以按下紧急制动按钮，一键断电。控制系统方案如图2.1所示。图2.1控制系统方案图3控制系统的硬件简介与使用3.1PLC简介和工作原理3.1.1PLC简介PLC（ProgrammableLogicController）是一种可编程序控制器，它的发展基础是继电接触器控制，刚开始主要是为了完成逻辑控制。随着科学技术的发展，在实现逻辑控制的基础上，PLC还增加了通信功能以及复杂数据处理等功能。PLC主要组成成分有电源、CPU、输入/输出单元、存储器（EPROM、RAM）、通信接口和I/O接口[15]。早期的可编程逻辑控制器只有逻辑控制的功能，所以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断地发展，这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制、时序控制、模拟控制、多机通信等各类功能，名称也改为可编程控制器(ProgrammableController)，但是由于它的简写PC与个人电脑(PersonalComputer)的简写相冲突，加上习惯的原因，人们还是经常使用可编程逻辑控制器这一称呼，并仍使用PLC这一缩写[16]。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能完善、适用性强等特点，适用于温室大棚这种错综复杂的控制系统[17]。3.1.2PLC工作原理PLC的工作方式顺序运行，周期循环。PLC在运行的时候，CPU依照编辑好的控制程序根据上到下进行扫描读写，并周期循环；在每一个周期结束都会对输入的数据进行更新，然后进行下一个循环[18]。输入采样、程序执行和输出刷新是PLC一个运行周期必须经历的三个阶段。输入采样阶段的时候，把所有输入锁存器的数据和状态读入，并存储于寄存器中，完成输入采样后，其状态关闭，进入下一阶段。完成输入采样后，PLC会先后顺序执行每一个梯形图，根据指令要求，把输入和输出状态存储到寄存器，这就是程序执行阶段。当完成所有程序的运行后，输出寄存器根据程序执行阶段写入的实时输出状态进行刷新，同时输出到相应的执行机构，这就是输出刷新阶段[19]。PLC循环扫描工作过程如下图3.1所示。图3.1PLC简化工作过程图3.2PLC的选用在设计PLC智能控制系统时，首先需要先确认系统设计方案，根据方案要求进行下一步PLC的选型。对于PLC的选用，最重要的是确定我们所需要的功能，根据功能选用合适生产厂家的PLC以及对应的具体型号。如果我们设计的系统方案含有远程I/O系统和分布式系统需要的，我们同时需要考虑PLC的通讯。智能农业大棚控制系统是一个错综复杂的控制系统，需要要选择一种抗干扰能力比较强，可靠性比较高，较强的功能和适应性的控制方案，PLC本身就具备了这些优点，因此是非常适合智能农业大棚控制系统的应用。本控制系统需要通过使用温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器分别对智能农业大棚中的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度进行实时的监控，传感器把获取的数据传送到PLC内部，PLC把获取的数据与预设的数值进行比较，根据比较结果控制相应的执行机构。西门子PLC是德系品牌，因为对德系产品工匠精神和品质的认可，相较日系三菱PLC和欧姆龙PLC这款日系品牌其市场份额占有率较大。西门子的售后服务和资料获取方面相比日系PLC比较完善，而且其相关的全部教程和相应的全部资料都可以在其官网获取中文版本。西门子，还有其内部特有的PPI，MPI，PROFIBUS协议，三菱PLC和欧姆龙PLC除了支持以太通讯外，主要支持的是Modbus协议[20]。相比较编程语言和习惯方式，西门子PLC把大部分机构指令高度集成，相对比较容易理解。相比之下西门子PLC的成本相对价格会更高，根据一般观点西门子PLC的使用寿命更长，相对的性价比更高；技术支持方面更加完善。因此在一些大型设备、重要控制应用以及高要求应用上，西门子PLC的使用范围更广。在如今的工业控制领域中，占据主要市场份额的以日本品牌三菱PLC和德国品牌的西门子PLC。三菱PLC的开发难度上相比西门子PLC的开发难度高很多，而西门子PLC支持单一局部调试，在设计程序和调试上会更加方便。根据三菱PLC和西门子PLC的编程思路，通过比较两者的指令表达，模拟量的输入和输出，功能性和灵活性，本智能控制系统选用了西门子PLC。在市面上西门子PLC的型号也比较多，在选用具体的型号时，根据之前主要学习的PLC控制知识，同时结合目前学校实验室可以提供的PLC控制硬件支持，本智能控制系统选用了西门子S7-1200PLC。3.3PLC控制系统的设计步骤3.3.1基本设计原则

控制系统的出现就是为了满足工艺流程的控制需求，以提高被调节产品的效率和产能。PLC是一款有大量的数字量及模拟量的控制装置[21]，PLC控制系统是一种根据预设要求或期望规律在无人的情况下完全自动化调节的控制系统。在进行PLC控制系统设计的时候，需要考虑的方面比较多，下面列了在设计PLC控制系统的几点原则。1.最大程度满足要求选用的PLC要充分发挥其功能，满足我们的工艺和控制需求；同时我们需要考虑我们面对的对象，最大程度地灵活和简便。确保控制系统的稳定性、可靠性和安全性我们设计的控制系统，需要有很强的抗干扰能力，极大程度地维持其稳定性，在运行过程中有效地保护使用者。在长期使用中都能确保其的安全可靠以及整个系统的稳定。较低的成本和较高的经济收益设计的控制系统大部分都是用于工业生产，成本往往是需要考虑的一个参数。因此，在设计系统的时候我们需要对比多种不同的PLC，以选择性价比最高的产品，以达到最大的经济效益。适应以后的升级改进工业技术会随着社会技术的创新而不断升级改进，控制系统各项性能指标也会随着社会技术的创新而提高优化。因此，我们所设计控制系统时候需预留一定的输入输出模块和相应的内存空间，以满足后期升级改进的需求。3.3.2设计步骤进行PLC控制系统设计的时候，需要进行工艺分析，确定合适的PLC，确定和分配I/O点，完成程序的编写，设计操作台和电器布置图，完成施工现场的接线和调试[22]。3.4触摸屏的简介与选用3.4.1触摸屏的简介触摸屏又被称为触摸面板，操作面板和控制面板是一种可以接收输入输出信号的显示控制装置。触摸屏是目前人机交互比较灵活、简便的一种方式。设备可视化是自动化控制系统必须配置的标准之一，西门子PLC的HMI（人机界面）集成了WINCC软件和面板这两大部分[23]。控制面板可用于调节，监控连接PLC各执行机构的操作面板。SIMATICHMIComfortPanel是高级的人机界面设备，触摸屏可以根据需求选择不同的显示尺寸和屏幕安装方式（横向和竖向安装），生产过程中大多数机器都可以安装触摸屏。在PLC控制系统上一般会使用微型面板，微型面板的使用方便简单，种类丰富。在人机界面中触摸屏和操作员面板是其最重要的组成部分。西门子品牌的触摸屏种类有很多，包括文本面板，按键面板，微型面板和多功能面板等等，根据不同的操作需求选择不同种类的控制面板。3.4.2触摸屏的选用屏的选用在丰富的触摸屏类型中，每一种触摸屏的主要特点不相同，按键面板的主要特点是简单，稳定，一般运用于只需要开关控制的控制系统；但是其面板不支持触摸，不能灵活设置监控界面，同时其后续开发性能较低。移动面板其主要特点是移动方便，不需要固定在控制箱上，一般运用于需要随时各方位调试的控制系统；但是其成本相对较高。精简面板的特点是稳定，性价比高，支持后续扩展开发。根据我们实际应用的需要，在选用触摸屏的时候，我们首先需要考虑我们所选用的触摸屏有没有可移动的需求，本控制系统没有移动调试的需求，因此选用固定式的触摸屏即可满足需求。然后结合控制系统的I/O点数量，本控制系统的操作面板的屏幕尺寸需要9寸以上该自控系统选用SIMATICHMI（KTP900Basic）作为系统的人机界面。该面板适合应用在较为复杂的工业环境中，采用预装装配设计，能够直接安装在现场，为现场的安装调试工作节约了很多的时间与成本。西门子KTP900触摸屏的通讯能力非常强大，它集成了以太网口，能够同时连接多台控制器，可与控制器的数据进行实时交换。现场操作人员可以直接通过西门子KTP900触摸对系统反馈的情况进行了解，通过触摸屏能够直接为系统的一些参数赋值[24]。结合本智能控制系统的特点和要求，在西门子非常丰富的面板型号中，本智能控制系统选用了操作直观方便的精简系列面板SIMATICKTP900BasicPN面板。该面板不仅具有完整的相关功能，还具有较高的可开发性，另外，其防护等级较高，可适用于恶劣的环境。4控制系统软件设计4.1程序设计方法西门子S7-1200PLC的设计方法有经验设计方法，顺序控制设计方法，逻辑设计方法等[25]。经验设计法可编程控制器是在继电器的基础上发展起来的控制器，因此其编程方式也保留了几点接触器的编程方法—典型梯形图电路设计方法。在继电接触器的编程基础上，结合实际工艺需求和PLC的工作原理进行程序的设计。经验设计法，一般使用梯形图编程方法，通常运用于设计记忆，互锁，简单控制电路。因为其没有统一的标准和步骤，因此在进行程序设计时经验设计法具有很强的试探性和随意性。不同的设计者会有不同的思路，其最终的设计结果大不相同。通常情况下，使用经验设计法都需要经过反反复复的修改和调试，才能获得一个与预期较为符合的控制程序。使用经验设计法的设计者可以简便，迅速得到结果，在调试和修改上相对比较简单，明了。但是使用经验设计法对设计者有一定的要求，需要其有比较丰富的设计经验，能够在调试中迅速找到错误并修改。顺序控制设计方法依照工艺预设的流程，结合外部输入，按照PLC内部的时间顺序和状态自动按顺序运行。在顺序功能图设计方法中，系统以步为核心，每一步都会结合转换条件运行，顺序控制设计法的基本思路如下图4.1所示：图4.1顺序控制设计法的基本思路顺序控制设计法的本质就是使用输入量I控制代表程序中各步的位地址（例如存储器位M），再用他们控制输出量Q，即由输入变量I通过控制电路转换成变量M作用于输出电路，进而获得输出量Q。输入变量I和输出变量Q相应的信号关系图如下图4.2所示：图4.2PLC信号关系图在一些有顺序要求的控制系统中，一般会使用顺序控制设计方法，如：红绿灯控制，钻床控制，自动化生产线上物料运输控制等等。在使用顺序控制方法的时候，设计者首先需要根据需求画出该工艺的顺序流程图，然后根据顺序流程图上的每一步确定梯形图设计的步。顺序功能图是描述控制系统控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。顺序功能图以步、有向连线、动作、转换条件和转换组成。在进行程序设计时，顺序控制设计方法有很强的规律性，对于初学者更加简单易学，同时克服了经验设计法的随意性，一定程度上提高了设计效率。逻辑设计方法逻辑设计方法是指通过使用逻辑控制指令对控制程序进行设计的方法；其主要以布尔代数为基础，根据工艺过程各元件执行的功能，获得逻辑公式。通过多个逻辑块完成不同的功能，组合成一个完成的结构，使用逻辑设计方法会增设不同的功能块和中间变量。相对来说其运行效率较低，但是结构化编程的结构相对简单。逻辑设计方法一般使用于控制比较单一的控制系统，如一些需要急停电路的控制。本智能控制系统还处于研发阶段，没有普遍的规律可以遵循，对程序的设计还具有很大的试探性。本系统在程序设计方面，主要使用了起保停电路，以及程序之间的互锁电路。结合工艺流程和系统设计的特点，本智能控制系统采用了典型的梯形图设计方法—经验设计方法，使用梯形图编程语言，程序逻辑和结构更加清晰。4.2控制系统程序设计4.2.1设计思路本智能农业大棚控制系统根据实际生产的需要，设置了自动控制模式和手动控制模式两种，用户可以根据需求进行灵活的切换。为保证系统的可靠性可安全性，在设计该智能控制系统的时候，增加了紧急关闭开关。根据农作物的生长需要确定温度，光照强度，湿度，二氧化碳浓度这四个环境参数变量。在自动模式下，通过使用温度传感器、光照强度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器分别对智能农业大棚中的温度、光照强度、湿度、二氧化碳浓度进行实时的数据获取，传感器把获取的数据传送到PLC内部，PLC把获取的数据与预设的数值进行比较，根据比较结果控制相应的执行机构。当智能农业大棚内的温度升高的时候，通过打开通风系统使内部空气和外部空气进行对流降低温度，当内部的光强过低时，遮阳帘会被打开，如遮阳帘打开后光照强度仍然不足时，会自动控制补光灯的开启，增加内部的光强。当湿度过高时，通过打开通风系统将大棚内的湿度高的空气抽出，以降低大棚的空气湿度。当二氧化碳浓度过低时，通过二氧化碳产生装置实时补充二氧化碳。本控制系统作者以种植番茄所需要的参数为例子进行设计智能农业大棚，智能农业大棚不仅仅只适用于番茄的种植，此智能大棚控制适用于其他农作物，只要把最适宜其生长发育的温度、光照强度、湿度、二氧化碳浓度值确定并设置到PLC内就可以了。正常情况下，番茄最适宜的温度是20~25℃，最适宜的光照强度是30000~50000lx，最适宜的土壤湿度是60~80%，最适宜的二氧化碳浓度是300-1000uL/L[26]。4.2.2控制流程1.光照强度监测控制流程智能农业大棚控制系统光照强度监测控制流程如图4.3。图4.3光照强度监测控制流程图温度控制流程智能农业大棚控制系统温度监测控制流程如图4.4。图4.4温度监测控制流程图湿度控制流程智能农业大棚控制系统湿度监测控制流程如图4.5。图4.5湿度监测控制流程图二氧化碳浓度监测控制流程智能农业大棚控制系统二氧化碳浓度监测控制流程如图4.6。图4.6二氧化碳浓度监测控制流程图4.2.3I/O分配表4.1I/O口分配表名称地址数据类型总开关%I0.0Bool紧急关闭按钮%I0.1Bool自动模式开关%I0.2Bool手动模式开关%I0.3Bool手动打开遮阳帘开关%I0.4Bool手动关闭遮阳帘开关%I0.5Bool手动打开加热装置开关%I0.6Bool手动打开二氧化碳发生器开关%I0.7Bool手动打开水泵开关%I1.0Bool手动打开通风系统开关%I1.1Bool手动打开补光灯开关%I1.2Bool启动指示灯%Q0.0Bool自动模式%Q0.1Bool手动模式%Q0.2Bool遮阳帘正转%Q0.3Bool补光灯打开%Q0.4Bool加热装置打开%Q0.5Bool通风系统开%Q0.6Bool二氧化碳发生器开%Q0.7Bool水泵打开%Q1.0Bool遮阳帘反转%Q1.1Bool适宜的光照强度%M0.1Bool适宜的温度%M0.2Bool适宜的二氧化碳浓度%M0.3Bool适宜的湿度%M0.4Bool光照不足%M0.5Bool光照过强%M0.6Bool温度过低%M0.7Bool温度过高%M1.0Bool二氧化碳浓度过低%M1.1Bool二氧化碳浓度过高%M1.2Bool湿度过低%M1.3Bool湿度过高%M1.4Bool周期振荡1%M2.0Bool周期振荡2%M2.1Bool实时光照强度%MD10Real实时温度%MD20Real实时二氧化碳浓度%MD30Real实时湿度%MD40Real最低光照强度%MD50Real最低温度%MD60Real最低二氧化碳浓度%MD70Real最低湿度%MD80Real最高二氧化碳浓度%MD130Real最高光照强度%MD150Real最高温度%MD1160Real最高湿度%MD180Real4.2.4控制系统程序设计1.启动程序图4.2电源启动程序图如图4.2电源启动程序图所示，总开关电源启动程序本质上时一个起保停程序，在总开关设计一个起保停程序最大的好处是能够在智能农业大棚工作是能保持稳定，在程序中另加入了%I0.1的常通触点，%I0.1为紧急关闭按钮，当%I0.1为1时，%Q0.0启动指示灯为0，电路断开，达到紧急一键断电的功能，智能农业大棚系统停止工作。模式选择图4.3模式选择程序图如图4.3模式选择程序图所示，启动电源，启动指示灯亮起后，Q0.0为1，智能农业大棚启动，当用户选择开启自动模式或者手动模式时，这里设计将设为自动模式和手动模式互锁的状态。当I0.3手动模式开关为0时，自动模式Q0.1才能为1，当I0.2自动模式开关为0时，手动模式才能Q0.2才能为1。获取数据图4.4获取实时光照强度数据程序图如图4.4获取实时光照强度数据程序图所示，在自动模式下，对传感器的数据采集，采集的实时光照强度数据存储在MD10中，通过IN_RANGE与预先设置好的MD50最低光照强度，MD150最高光照强度进行比较，判断MD10是否处于MD50最低光照强度--MD150最高光照强度之间，如果是发输出信号M0.1适宜的光照强度。图4.5获取实时温度数据程序图如图4.5获取实时温度数据程序图所示，采集的实时温度数据存储在MD20中，通过IN_RANGE与预先设置好的MD60最低温度，MD160最高温度进行比较，判断MD20是否处于MD60最低温度--MD150最高温度之间，如果是发输出信号M0.2适宜的温度。图4.6获取实时二氧化碳浓度数据程序图如图4.6获取二氧化碳浓度数据程序图所示，采集的实时二氧化碳浓度数据存储在MD30中，通过IN_RANGE与预先设置好的MD70最低二氧化碳浓度，MD130最高二氧化碳浓度进行比较，判断MD30是否处于MD70最低二氧化碳浓度--MD130最高二氧化碳你浓度之间，如果是发输出信号M0.3适宜的二氧化碳浓度。图4.7获取实时湿度数据程序图如图4.7获取湿度数据程序图所示，采集的实时湿度数据存储在MD40中，通过IN_RANGE与预先设置好的MD80最低湿度，MD180最高湿度进行比较，判断MD40是否处于MD80最低湿度--MD180最高湿度之间，如果是发输出信号M0.4适宜的湿度。比较数据图4.8比较光照强度，湿度程序图图4.9比较二氧化碳浓度，湿度程序图如图4.8比较光照，温度程序图所示，在自动模式下，将MD10实时光照强度与MD50最低光照强度、MD150最高光照强度进行数据对比，如MD10实时光照强度数据小于MD50最低光照强度数据，输出信号M0.5光照强度不足，如MD10实时光照强度数据大于MD150最高光照强度数据，输出信号M0.6光照强度过强。如图4.8比较光照，温度程序图所示，在自动模式下，将MD20实时温度与MD60最低温度、MD150温度进行数据对比，如MD20实时温度数据小于MD60最低温度数据，输出信号M0.7温度过低，如MD20实时温度数据大于MD160最高温度数据，输出信号M1.0温度过高。如图4.9比较二氧化碳浓度，湿度程序图所示，在自动模式下，将MD30实时二氧化碳浓度与MD70最低二氧化碳浓度、MD130二氧化碳浓度进行数据对比，如MD30实时二氧化碳浓度数据小于MD70最低二氧化碳浓度数据，输出信号M1.1二氧化碳浓度不足，如MD30实时二氧化碳浓度数据大于MD130最高二氧化碳浓度数据，输出信号M1.2二氧化碳浓度过高。如图4.9比较二氧化碳浓度，湿度程序图所示，在自动模式下，将MD40实时湿度与MD80最低湿度、MD180湿度进行数据对比，如MD40实时湿度数据小于MD80最低湿度数据，输出信号M1.3湿度过低，如MD40实时湿度数据大于MD180最高湿度数据，输出信号M1.4湿度过高。调节光照强度图4.10调节光照强度程序图如图4.10调节光照强度程序图所示，在自动模式下，当M0.5光照不足为1时，Q0.3遮阳帘正传打开为1，遮阳帘打开，如果遇到阴雨天，多云的天气时，打开遮阳帘之后如果光照强度依旧不足的话，当Q0.3为1，M0.5也为1时，Q0.4补光灯转为1。因为遮阳帘的打开需要时间，所以Q0.4补光灯的开启加上了一个TON接通延时，在5S后，Q0.3遮阳帘为1后，M0.5光照不足仍为1时，Q0.4补光灯打开。当M0.6光照过强为一时，Q0.4补光灯为0，补光灯关闭，Q1.1遮阳帘反转为1。调节温度，湿度和二氧化碳浓度图4.11调节温度，二氧化碳浓度，湿度程序图如图4.11调节温度，二氧化碳浓度，湿度程序图所示，在自动模式下，M0.7温度过低为1时，Q0.5加热装置打开为1，加热装置打开，温度升高；M1.1二氧化碳浓度过低为1时，Q0.7二氧化碳发生器为1，二氧化碳发生器打开，二氧化碳浓度升高；M1.3湿度过低为1时，Q1.0水泵打开为1，水泵打开，湿度升高。通风系统的控制图4.12通风系统打开程序图如图4.12通风系统打开程序图所示，在自动模式下，M1.0温度过高或M1.21二氧化碳浓度过高或M1.4湿度过高为1时，都会将Q0.6通风系统置1，通风系统打开，达到快速降温，降低二氧化碳浓度，降低湿度的作用。由于通风系统的打开条件不止一个，就会出现Q0.6通风系统和Q0.5加热装置同时为1的时候，这时候就等待MD40实时湿度和MD30实时二氧化碳浓度调整到适宜范围后等MD20实时温度数据缓慢升至适宜范围。手动控制图4.13手动控制遮阳帘程序图如图4.13手动控制遮阳帘程序图所示，在手动模式下，设计Q0.3遮阳帘正转和Q1.1遮阳帘反转互锁，当I0.4手动打开遮阳帘开关为1时，I0.5关闭遮阳帘开关为0时，电路接通，Q0.3遮阳帘正转打开为1，遮阳帘正转；当I0.5关闭遮阳帘开关为1时，I0.4打开遮阳帘开关为0时，电路接通，Q1.1遮阳帘反转为1，遮阳帘关闭。图4.14手动控制执行器件程序图如图4.14手动控制执行器件程序图，在手动模式下，手动控制I0.6打开加热装置开关为1，Q0.5加热装置打开为1，加热装置打开；手动控制I0.7手动打开二氧化碳发生器开关为1，Q0.7二氧化碳发生器为1，二氧化碳发生器打开；手动控制I1.0手动打开水泵开关为1，Q1.0水泵打开为1，水泵打开；手动控制I1.1手动打开通风系统开关为1，Q0.6通风系统开为1，通风系统打开；手动控制I1.2手动打开补光灯开关为1，Q0.4补光灯开关为1，补光灯打开。模拟参数变化图4.15模拟周期振荡程序图如图4.15模拟周期振荡程序图所示，在自动模式下，需要对智能农业大棚控制系统进行仿真调试，设计一个模拟环境参数变量因执行机构的工作发生实时改变的模拟程序，此程序中包含一个周期振荡电路如4.15所示，此为低电平2s，高电平2s，周期为4s的周期振荡电路，因为ADD，SUB是脉冲触发，为了实现ADD,SUB的持续工作，设计周期振荡电路来模拟环境参数变量的趋势变化。图4.16模拟实时光照强度变化程序图如图4.16模拟实时光照强度变化程序图所示，模拟实时光照强度变化程序图由Q0.3遮阳帘正转打开，Q0.4补光灯开关，Q1.1遮阳帘反转打开，M2.0周期振荡，ADD，SUB构成，当Q0.3遮阳帘正转打开为1时，或者Q0.4补光灯为1时，随着M2.0的周期变化实现ADD的多次工作，MD10实时光照强度持续加2；当Q1.1遮阳帘反转打开为1时，随着M2.0的周期变化实现SUB多次工作，MD10实时光照强度持续减2。实现仿真模拟实时光照强度变化。图4.17模拟实时二氧化碳浓度变化程序图如图4.17模拟实时二氧化碳浓度变化程序图所示，模拟实时二氧化碳浓度变化程序图由Q0.7二氧化碳发生器，Q0.6通风系统开，，M2.0周期振荡，ADD，SUB构成，当Q0.7二氧化碳发生器为1时，随着M2.0的周期变化实现ADD的多次工作，MD30实时二氧化碳浓度持续加10；当Q0.6通风系统为1时，随着M2.0的周期变化实现SUB多次工作，MD30实时二氧化碳你浓度持续减20。实现仿真模拟实时二氧化碳浓度变化。图4.18模拟实时湿度变化程序图如图4.18模拟实时湿度变化程序图所示，模拟实时湿度变化程序图由Q1.0水泵打开，Q0.6通风系统开，，M2.0周期振荡，ADD，SUB构成，当Q1.0水泵打开为1时，随着M2.0的周期变化实现ADD的多次工作，MD40实时湿度持续加3；当Q0.6通风系统为1时，随着M2.0的周期变化实现SUB多次工作，MD40实时湿度持续减3。实现仿真模拟实时湿度变化。图4.19模拟实时温度变化程序图如图4.18模拟实时温度变化程序图所示，模拟实时温度变化程序图由Q0.5加热装置打开，Q0.6通风系统开，，M2.0周期振荡，ADD，SUB构成，当Q0.5加热装置打开为1时，随着M2.0的周期变化实现ADD的多次工作，MD20实时温度持续加1；当Q0.6通风系统为1时，随着M2.0的周期变化实现SUB多次工作，MD20实时温度持续减1。实现仿真模拟实时湿度变化。4.3S7-1200WINCC的交互界面的设计设计人机界面，可以更加简便地对智能控制系统进行调节，同时方便用户更加直观地监控智能农业大棚内的实时情况。本控制系统我以番茄种植所需要的参数为模型进行设计，但是设计的控制系统可适用于其他农作物，只要把最适宜其生长发育的温度、光照强度、湿度、二氧化碳浓度值确定并设置到PLC内就可以了。正常情况下，番茄最适宜的温度是20~25℃，最适宜的光照强度是30000~50000lx，最适宜的土壤湿度是60~80%，最适宜的二氧化碳浓度是300-1000uL/L。智能农业大棚控制系统封面图4.20交互界面封面如图4.20交互界面封面图所示，在交互界面的封面画面中填入系统名称“智能农业大棚控制系统”，设置两个按钮分别为“上一页”，“下一页”，“下一页”的事件是按下激活“控制页面”画面，达到往下一页跳转的功能。控制页面图4.21交互界面控制页面如图4.21交互界面控制页面所示，控制页面主要集中了输入口和输出口的显示。在控制页面中布置了总开关，自动模式和手动模式选择紧急关闭按钮，手动控制执行机构的手动输入按钮，还有执行机构的工作指示灯。参数设定页面图4.22交互系统控制页面在这个页面可以设定光照强度，温度，湿度，二氧化碳浓度的最高值和最低值。因为本文以种植番茄的农业大棚为例，查找资料得知正常情况下，番茄最适宜的温度是20~25℃，最适宜的光照强度是30000~50000lx，最适宜的土壤湿度是60~80%，最适宜的二氧化碳浓度是300-1000uL/L。故在参数设置页面将适宜的环境参数的最低值和最高值预设好，如图4.22交互系统控制页面所示，为测试智能农业大棚控制系统，本文将实时二氧化碳浓度设为112uL/L,实时湿度设为26%，实时光照设为76500lx，实时温度设为41℃。二氧化碳浓度变化曲线图4.23二氧化碳实时监控曲线如图4.23二氧化碳实时监控曲线所示，当设定实时二氧化碳浓度为112uL/L时，根据预设范围为300-1000uL/L，PLC程序判断结果为二氧化碳的浓度过低，经过PLC程序调整，可以从实时曲线中看出，实时二氧化碳浓度有一个上升的调整趋势并且保持在300~1000uL/L之间，由此智能农业大棚控制系统实现二氧化碳的监控。湿度变化曲线图4.24实时湿度监控曲线如图4.24实时湿度监控曲线所示，当设定实时湿度为26%时，根据预设范围为60%-80%，PLC程序判断结果为大棚内实时湿度过低，经过PLC程序调整，可以从实时曲线中看出，实时湿度有一个上升的调整趋势并且保持在60%~80%之间，由此智能农业大棚控制系统实现湿度的监控。温度变化曲线图4.25实时温度监控曲线如图4.25实时温度监控曲线所示，当设定实时温度为41℃时，根据预设范围为20℃-25℃，PLC程序判断结果为大棚内实时温度过高，经过PLC程序调整，可以从实时曲线中看出，实时温度有一个下降的调整趋势并且保持在20℃~25℃之间，由此智能农业大棚控制系统实现温度的监控。光照强度变化曲线图4.26实时