【《基于PLC的农业温室环境监测系统设计》12000字（论文）】

页1绪论1.1选题的背景及意义温室环境的智能控制是一项综合性高的工程，它代里面囊括了农业生物学、环境工程、自动化控制、网络通信技术、管理学、统计学等多种技术的综合应用，其目的是能够人为创造一个理想的生态环境，可以控制在这个环境中的作物其生长变化，以达到控制其产期、产量、质量、产值等目的。现阶段还需对温室环境控系统进行开发，开发出性能优越、操作简单、成本低、运行稳定的系统，是温室型生产迈向产业化和大众化首要目标。在温室的生产过程中，需要能够自动化的控制系统，可以实时采集和控制温室场景中环境因子（光照、温度、CO2、湿度等），是令作物达到三高（高产、高质、高效）的关键。在一些发达的家，早在上世纪70年，荷兰的温室农业就与计算机接轨，实现了对环的境自动化控制，领先世界水平，荷兰的连栋玻璃温室控制技术，还在美国、加拿大、日本等先进国家生根发芽，经过各国的发展，以现在的温室技术，就可以实现互联网远程监控。我国的设施农业发展到现在，仍有一些问题。一方面因地理环境、作物种类、建造成本的因素，导致我国在温室产业存在技术更新缓慢、设施结构不合理、管理体系落后、劳动生产率低、普及率低等缺点，使得商品化温室不受普通农户喜爱，其温室产品则更多的流向大农企、军队、科研单位，很少被个体及一般农民采用，现农村大部分地区使用简易材料建造的薄膜温室，在我国温室总量里，仍占有一半的地位。因此，研究开发出适合国情、具有独立知识产权、安装和操作简单、高效率、低成本的智能温室控制系统显得尤为重要。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状在荷兰的早期历史文献中记载了，早在18世纪中期，人们用栎木建造温室，用来种植水果，还将这些温室水果运往巴黎、伦敦等附近国家出售。直至20世纪初期，出现了玻璃温室，以玻璃温室为模型的温室得到发展。到了20世纪中期，玻璃温室衍生出人工日光温室和新型的连栋玻璃温室，因其结构简单、坚固、耐用、透光好等优点，发展的至今仍为主流类型。20世纪末期，以连栋玻璃温室为基础，研发了智能玻璃温室系统，该温室系统是以计算机为核心的环境控制系统，这使得荷兰在智能玻璃温室种植方面，位于领先者，商业化生产后，荷兰的智能温室环境控制系统核心，也逐渐出现在各国的温室大棚中。18世纪，在美国的早期历史记载中，其最早的温室是一间菠萝温室园，只是贵族建来招待客人的。直到19世纪初期，才开始进行推广改进，也由贵族私有走向大众，出现了以煤炉作为热源的温室，和使用地热和太阳保暖的地下温室，如今有些地方还在使用这种传统温室。19世纪后，美国进入第二次工业革命，发展重工业，在西部和东北部的温室产业发展迅速，开始出现了钢结构的温室，在当时就已经占地8千平方米。20世纪后，美国发明了计算机，便开始将计算机于温室相结合，在计算机温室控制和管理得到巨大的进步，其在综合环境控制技术上，有则一定的世界地位。关于日本温室的发展历史，自19世纪中期末开始，便大力发展温室产业，其日光温室就达三十万亩左右。到了20世纪中期，发展设施农业同时，使得温室的结构得到升级，出现了大型连栋金属结构的温室。70年代，政府发对温室产业投入了大量资金，向农户提供资助，加快了设施农业的发展，开始引进大量外国技术，建设自己的智能植物工厂。从外国的温室发展可了解到，从70年代中期开始，计算机的出现，使得温室技术在传统的人工向自动化转变，其计算机控制技术对温室的适用，使温室控制变得简单，技术也在快速发展。先进国家在计算机控制方面有着得天独厚的条件，对于温室控制方面也水到渠成，相继采用计算机对温室环境进行监控。直至现在，国外在温室控制技术方面，已实现根据需求对自然环境中因子（光照、温度、CO2、湿度）进行自动调控，设备及技术研究制造均取得进步，带动了温室产业的发展，使其向高度自动化、智能化、综合化、简单化、小成本化方向发展。1.2.2国内研究现状世界中对温室的运用，中国起源最早。早在几千年前就有文字记载，秦始皇时代，曾在骊山（现陕西西安市）坑谷中种植瓜果，到了宋朝，出现了一种薄膜温室的雏形，涂有油的帛布被外界阳光照射后，由于不透气和不容易散射，能够实现保温的功能。直到20世纪的30年代，北方的农民使用塑料薄膜构建温室大棚，可以在冬季种植蔬菜，其原理是通过太阳的光照和覆盖保温秸秆来保温种植，原始又简单的大棚，其目的是保护作物不被冻死，所以无法保证作物产量。直到20世纪70年代末，农业开始迈向智能化的发展，我国逐渐地开始重视设施农业的和建设，从美国、荷兰、以色列、日本等国家引进技术和设备，从中汲取经验，结合自身发展自己的温室控制技术。从90年代开始，在设施农业大方向上，其技术也基本成熟，正逐步向高度自动化、智能化、网络化、经济化发展，技术水平有了大幅度提高，也开始着手设计适合中国国情的温室大棚控制系统。自中国进入21世纪后，国家综合实力日益强大，在科技和技术方面提升巨大。温室环境控制技术也因其经济收益大，受到人们的关注，得到了飞速的发展，但由于新技术难以普及，单片机嵌入式开发的温室系统，操作难度大，要有一定专业知识，使得普通人使用困难，所以这种基于单片机温室系统，推广难，还会造成资源的浪费。单片机集成化高的PLC，就很好的解决这种问题，其模块化的设备和编程，对非专业人员非常友好，只要简单的培训即可使用。1.3本文的研究内容本文对温室系统进行研究，设计一种小成本的现代化中小型温室系统，核心控制器为PLC，能够对温室中的环境因子进行监控。经过整理，其主要内容有如下几个方面：（1）初期研究，收集与研究内容相关的文献和资料，了解国内外的温室发展情况和研究成果，根据我国的国情结合自身的条件，明确温室系统设计与控制要求，提出整体设计方案。（2）中期研究，对温室系统中的设备选型及硬件电路设计。（3）系统编程和软件设计，完成能够实现温室控制系统功能的程序设计，建立人机界面，实现人机监控功能。（4）系统仿真，对温室系统进行仿真和校对，使其满足温室系统的功能和设计的要求。（5）整理成果，对研究成果进行归纳总结。1.4本章小结本章主要介绍和了解温室，对温室国内外发展状况进行分析，根据国内外温室情况结合自身的条件，有针对的进行设计，在研究内容中制定了温室的研究与设计方向。

2总体设计和研究2.1研究路线本论文对温室系统进行研究，利用PLC作为控制器进行智能温室控制系统的设计与开发。主要技术路线如下：图2-1设计路线图2.2温室设计要求经过调查了解，要设计一种的经济性温室系统,满足中小农户温室种植需求，能够根据温室作物不同的生长条件，同进行环境控制，其控制核心是PLC，可在理想条件下可以实现温度、湿度、CO2浓度、喷灌、滴灌、光照度、等因子进行调控操作，实现调节光照量、灌溉增加土壤湿度、增减空气湿度、控制室内温度、调控室内CO2浓度等温室环境参数，还能自动和手动控制，超限报警显示，从而满足温室作物的生长要求，建立最适宜的生长环境条件，同时可以通过人工干预改变环境，调制出不同作物适宜的生长条件。如图2-2温室控制简易示意图所示。

图2-2温室控制简易示意图2.3温室特点及控制措施种植培育花卉、瓜果、蔬菜、景观等作物，是我国温室种植中主要项目，是不可缺少的一环，带动着我国经济发展，也满足我国国民物质和精神上需求。要使作物的健康生长，必须考虑作物自身遗传特性，找到其生长规律，还要了解作物所处的生长环境，通过调控光照、温度、湿度、CO2等因子，使作物健康生长显著，避免露天培育中的四季变化、恶劣气候、虫病灾的影响，造成的作物减产甚至绝收，温室大棚是一个独立性强的密闭环境，通过各类电子设备调控环境因子，使之持续保持在适宜水平，可有效改变作物的生长周期，产量与质量。（1）温度作物随着四季的交替而生长收获，温度是四季变化主要特征之一，因此作物与温度之间有密不可分的联系，在其光合作用和呼吸作用中起关键作用，为了规范不同作物有适宜生长范围，科学家提出了“三基点”即作物的生长中的温度下限，温度上限和适宜温度，让作物保持在适宜温度中，才能使得作物长得好，产出率最高。自然中温度的变化无非是冷热变化，应用在温室中就是加温和降温，加温的加温方式多样，用到的设备也是种类繁多，采暖方式也介质的不同不同，其中分为热水、热风和电热，其中热水采暖是以水为介质来采暖，主要设备为热水锅炉、散热片等，热风采暖的设备主要为暖风机和暖风炉，可以通过加热空气介质，调节室内温度，电热采暖的设备有保温灯、电热管和压缩机空调，对电能一定的要求。如何选择适合自己的加温方式，需要对自身的条件选择，温室大棚的降温，一般情况有三种方式，即通风、遮阳和蒸发，其中通风降温分为风机通风和自然通风，风机通风，其原理是用负压通风将温室的热量带到外界，自然通风则是打开通风窗口，适用于外界温度低于大棚内部温度，遮阳降温是遮挡多余的太阳辐射，太阳照射过程会产生大量的热量，从而影响温室内的温度，水分蒸发降温需要带湿帘水泵或喷雾设备，但这种降温方式会产生大量的湿度，因此在控制过程中，还需要考虑温度和湿度之间的相互影响。（2）湿度水是生命之源，是生物不可缺少的一部分，自然界大部分的动植物含水量为60%到90%，对于植物来说需要水分来进行生长和代谢，特别是光合作用、呼吸作用、蒸腾作用等，在自然环境中，水分来源主要为空气湿度和土壤湿度，作物的根系依赖着土壤中的湿度，茎秆叶子依赖着空气中的湿度，植物生长过程对水的需求也会因生长阶段而不同。温室大棚是一个独立性强的密闭环境，里面的空气湿度与外界的湿度相差大，降湿则是温室系统优先考虑的，一般的温室都会使用通风的方式，因蒸腾作用产生的多余湿气就会随着通风排出外界，温室中的灌溉过程会增加空气湿度，所以不用考虑加湿的需求，关于除湿排湿，在温室中除了用湿器降湿还可以用风机降湿，前者成本较高，后者经济，但于温度有耦合的情况，需要依照自身的情况使用。（3）光照强度大部分植物都是需要光合作用来进行生理作用，其主要来源是阳光，光照能够为植物提供光合作用所需要辐射能量，还能调整植物生理过程，是一种必需品。充足的光照能使植物转化和储存有机物，其转化的速度跟光照的强度、波长、时间相关，一但达到临界值，转化的速度就会保持不变，如果低于需求，就会影响生长，需要人工补光。在温室中对太阳辐射控制一般分为两种，即遮光操作和补光操作，遮光操作需要控制电机带动遮阳网，拦截和过滤太阳辐射，避免温室中作物长时间处于强光下，还可以避免温室高温或降低温度，补光操作是当然光不足的情况下，利用LED电灯模拟太阳光的人工光源，延长作物的光照时间。（4）CO2浓度农作物的生长过程中还需要一些气体参与其中，这种气体就是CO2。它的速浓度会直接对作物的光合作用的效率、产量和品质产生影响，它还是作物的“粮食”，这种“粮食”如果不足时，就会使农作物生长率显著下降，对产量有一定的限制，但如果这种“粮食”吃多了，使作物变得懒惰，关闭叶面气孔，无法进行光合作用，就会对生长有影响，经过研究，CO2为1000ppm-1500ppm，即体积分数1-1.5‰时，是最适合农作物生长的，但对不同的作物CO2需求也是不同的，例如番茄、菠菜为1000ppm，而黄瓜为1500ppmREF_Ref20870\w\h[21]。在温室中添加CO2的方法有高压瓶装CO2、干冰等，因为成本高和控制较为困难，而高压瓶装CO2则是一种经济简单的制取方法，还有一种方法是通过化学反应操作制取CO2，这两种都可以使用继电器控制CO2的浓度，当CO2浓度高于上限时，就要控制风机打开或者打开窗口进行通风来调节。2.4方案设计温室控制系统方框图如图2-2所示。这个温室系统采用的PLC控制核心是西门子S7-1200，通过使用计算机与PLC控制器相连接，然后连接组态的人机监控界面显示屏，在其界面中可以通过选择功能项目，看到实时运行状态、历史曲线、历史报警，还可以可切换手动自动操作等。其方案主要的设计如下几个方面：（1）启动和停止的按钮的设置，用于启动和停止整个温室系统。（2）设置温室系统的自动/手动模式，这两种操作模式，可以根据自身的需求切换自动或者手动操作模式。（3）启动手动模式时，这时锁死自动模式，温室系统不能自动运行，要手动启动自动模式才能解除，在这个模式下可以单独启动和停止温室中的相应设备。（4）启动自动模式时，这时与手动模式的互锁启动，无法使用手动模式的功能，在这个模式下温室系统，会根据设定好的参数和程序自动运行。（5）设置温室系统的传感器，用来收集温室环境的信息和参数，如温湿度传感器、土壤湿度传感器、CO2传感器、光照度传感器等。（6）PLC输出和手动控制方面，需要设置继电器和接触器，用来控制设备的运行和停止。（7）设置温室系统运行指示灯、状态灯、超限报警灯和设备报警灯。（8）有些温室功能的实现，需要电机设备具备正反转功能，设置正反转到位的传感开关和状态灯，运用在窗口和遮阳网幕打开关闭到位方面。PLCPLC上位机启动停止按钮手动自动选择手动控制窗开关到位遮阳开关到位故障反馈加热继电器加湿器继电器开窗继电器关窗继电器开遮阳继电器关遮阳继电器接触器加热器接触器加湿器接触器开关窗电机接触器接触器开关遮阳网电机接触器排风继电器循环风继电器接触器负压电机接触器循环电机生物灯继电器CO2继电器生物灯CO2补充灌溉继电器滴灌阀自动运行指示故障指示灯各参数报警高指示灯，报警低指示灯温度传感.湿度传感光照传感CO2传感土壤传感模拟量输入图2-1控制系统方框图2.5本章小结本章主要对温室控制系统的总体设计和研究，对研究路线的规划，分析其整体结构和控制功能，其主要目的是实现温室控制系统的功能，为后续的的硬件设计和软件设计制定好方向。3硬件设计3.1温室设备的选型3.1.1PLC控制器如图3-1S7-1200控制器，该系统使用的S7-1200控制器，是是西门子公司S7-200的升级替代产品，经过了解s7-200型号控制器，在国外基本上已经停止生产，该系列PLC控制器由于价格便宜，在中7-1200也会逐渐取代S7-200。s7-200型号控制器在发展中国家市场还是占有很大的市场份额，但随着社会的发展作为新一代的控制器，其西门子系列S7-1200型号的控制器，具有操作简单、灵活扩展性、通信完善、抗干扰强、结构紧凑、网络通信，功能多等特点，可完成简单和复杂逻辑控制、人机HMI和网络通信等任务，应用范围广。由于该控制器配套的编程软件，其具有编程、组态、仿真等一体化功能，使得S7-1200在软件编程方面，超过大部分的PLC控制器。图3-1S7-1200控制器经过对温室系统中使用接口的分析，得出该系统在满足本课题温室功能的条件下，其数字量输入输出口为24路与25路，模拟量输入输出口为5路与0路，应选择小型PLC控制器。因此选择S7-1200PLC为该系统的控制中心，其中型号为S7-1214DC/DC/DC的数字输入和输出，分别是14路和10路，由于需求大于供给，还要外加SM1221DI16和SM1222DQ16的扩展模块，这两个模块的数字输入和输出都为16路，即总共数字输入和输出分别为30路和26路，即可满足使用的条件。因为系统中使用了传感器，需要使用模拟量输入，这里选择1块EM1231AI8，8路模拟量输入，满足使用需要。在实际装配中，则需要根据自身需求，进行添加和修改。3.1.2HMI触摸屏在温室系统中，需要能够监控系统的操作面板，根据要求选择昆仑通态公司生产的屏幕，其TPC7062TX型的屏，是一款高性能人机界面触摸屏，有着7寸大小的屏幕和800×480的分辨率，在硬件方面内置高性能的处理器和128M的内存，在软件方面内置MCGS的图控软件，还是嵌入式的，可满足日常监控需求。如图4-1示所。图3-2昆仑通态TPC7062TX型触摸屏

表3-3昆仑通态TPC7062TX型触摸屏主要参数型号TPC7062TX液晶屏7寸液晶屏.分辨率800×480.LED背光显示高度200d/m2输入电压DC24（士20%）V额定功率5w处理器ARM9，400MHZ内存/系统内存128MDDR2/128MFLASH组态软件MCGS嵌入版串行接口Com1（RS232），com2（RS485）USB接口1主1从存储温度-10℃-60℃工作温度0℃-45℃工作湿度5%-90%面板尺寸154.8×87.8（mm）3.1.3光照度传感器在温室系统需要获取光照度，才能对作物进行补光的遮光操作，在这里选用高灵敏度壁挂式光照度传感器，外壳有IP65级防水可防雷击适用场景广。如图3-5所示图3-4光照度传感器表3-5光照度传感器主要参数型号光照度传感器0—65535直流供电12-24VDC耗电≤1015W（@12VDC,2°C光照强度精度士5%（25°C）光照强度0-65535Lux输出信号4mA—20mA工作压力范围0.9-1.1atm光照度传感器的模拟量接线方法，棕色线接电源正（12-24VDC），黑色线接电源负，黄（灰）色线接电压/电流输出正，蓝色线接电压/电流输出正3.1.4温湿度传感器根据温室控制系统的设计要求，设计选用壁挂式温湿度传感器，其具有安装方便、灵敏度高、IP65级水、功耗低等优点，在拟量输出选用方面，这里采用4-20MA，将采集到的温湿度数据A/D进行转换传递给PLC。如图3-5所示。图3-5温湿度传感器表3-6温湿度传感器主要参数参数名称参数内容直流供电12V-24VDC最大功耗0.4W输出信号4-20mA输出响应时间≤15S（1m/s风速）温度长期稳定型≤0.1°C/year湿度长期稳定性≤1%/y温度范围（模拟量型）-45°C~115°C湿度范围0-100%RH温度分辨率0.1°C温湿度传感器的模拟量接线方法，棕色线接电源正（12-24VDC），黑色线接电源负，黄（灰）色线接湿度采集（电压/电流输出正），蓝色线接温度采集（电压/电流输出正）3.1.5土壤湿度传感器根据温室中对土壤湿度的要求，这里需要使用土壤湿度传感器进行测量，本设计控制系统选用的是4-20MA土壤湿度传感器，可以针对不同土质进行测量，测量精度高，性能可靠。如图3-5所示。图3-7土壤湿度传感器表3-8土壤温湿度传感器主要参数参数名称参数内容供电电源12-24VDC输出信号RS485/4-20mA/0-5V/0-10V安装方式插入被测的介质响应时间<1s水分测量范围0~100%水分测量精度土4%温度测量范围-40°C~80°C温度测量精度士0.5°C防护等级IP68图3-9土壤温湿度传感器接线图3.1.6CO2传感器根据温室环境中CO2浓度的要求，本设计使用壁挂式4-20MACO2传感器。使用了新型红外检定技术，其反映灵敏、精度高、寿命长。如图3-10所示。图3-10CO2传感器表3-11CO2传感器参数通用参数参数内容测量范围2000ppm/输出方式4-20mA波特率2400/4800/9600波特率≤0.15W（@12VDC,25°C）压力范围0.9-1.1atm响应时间-般小于15秒运行温度-30-50°C（-20-40°C持续）外形尺寸110*85*44mm3世由由源1224VDC温湿度传感器的模拟量接线方法，棕色线接电源正（12-24VDC），黑色线接电源负，黄（灰）色线接湿度采集（电压/电流输出正），蓝色线接温度采集（电压/电流输出正）3.1.7加热设备根据温室设计要求，这里采用的是便携易操作的暖风机，这种采暖方式较为简单、舒适、均匀、加热迅速、流通快、使用范围广。由于各类温室面积大小不同，对暖风机的选型有一定要求，需要根据热量的需求选择适合的设备。如图3-12所示，参数如表3-13所示。图3-12工业暖风机表3-13工业暖风机参数通用参数参数内容功率30w/2500w/5000w电源380V~50Hz使用空间60m2/风量388m'/h3.1.9遮光设备遮光设备由遮阳防嗮网和拉幕电机组成，其中遮阳防嗮网可选择不同透光率的型号，如图3-16遮阳防嗮网与图3-17拉幕电机所示。图3-16遮阳防嗮网图3-17拉幕电机 表3-18拉幕电机参数产品名称拉幕电机电机功率0.37KW输出转速5.2r/min转速比例538.46输出扭矩238n/M使用系数4.2f电源380w3.1.8补光设备据调查在植物光合作用中，最有效的可见光谱是红蓝光，其波长为450~750mm左右,红蓝光的比例最好在5~9:1，充足的补光能使作物的生长速度高于正常的2倍，因此选用全光谱植物生长补光LED灯。如图3-14所示图3-14LED大棚补光灯表3-15LED大棚补光灯参数产品名称LED大棚补光灯材料高品质航空铝材+PC透明罩光源SMD5730功率30W/50W/100W使用距离1m/1.5m/3最佳照射范围6m2/9-16m2/16-20m2尺寸Φ355*160MM电源恒流动电源电压AC176265V3.1.10通风设备根据本次设计要求和控制系统应用特点，本次控制系统选择负压风机和内循环风机作为通风设备。如图3-19图3-20所示图3-19负压风机图3-20内循环风机表3-21负压风机参数通用参数参数内容规格型号400型/500型/600型/800型/900型/1000型/1100型/1220机身尺寸40x40cm~122x122cm电机功率180w~1100w机器风量2500m2/~34000m2/H适用面积40m2~150m2电压380v表3-22内循环风机通用参数参数内容规格型号8寸/10寸/12寸/14寸/16寸/20寸/24寸转速1400r/min电机功率110w~700w机器风量1300m2/~8520m2/H噪音65dB电压220v3.1.11灌溉设备这里考虑到在温室建设中水源需求，采用可以抽取地下水高扬程潜水泵，也可以根据需求选择抽水泵。如图3-16所示。图3-23高扬程潜水泵表3-24高扬程潜水泵参数型号100QJD2-68/12-0.9KW功率900W扬程68-74m流量2-4m3/h口径18.7kg10cm*103cm3.1.12加湿设备在本温室系统中，所用到加湿方法为湿帘+负压风机。其设备为湿帘、水泵、风扇和附件，原理是外界干燥的空气经过湿帘，吸收湿帘了的水分，使得空气湿度增加，由于水的蒸发，带走了大量热量，从而达到加湿降温的目的。

3.2主电路设计主电路如图3-25所示。使用的是电源是380V的交流电，由 L1、L2、L3和N接入温室设备。在电源的输出位置，设置总断路器QF1，用来通断温室系统设备，起控制电源的作用。总熔断器FU1，在温室系统中起到短路过流保护作用。加热风机M1，用于温室中的保暖与加热，加热风机断路器QF2，过载保护热继电器FR1，可保护热风机运行稳定，接触器KM1是用来控制设备的启停。如3-25主电路图所示，图中M1加热风机、M2加湿器、M3窗电机、M4遮阳网电机、M5负压电机、M6循环风机，其电路的连接原理与M1加热风机相同，不同的是M6循环风机用的是220V的电压，M3窗电机和M4遮阳网电机则加多了一个接触器，使其电机能够正反转，实现收放功能。图3-25主电路图3.3控制电路图控制电路如图3-26所示。PLC控制器的断路器QF8，路熔断器FU2，保护PLC控制器电路，直流电源A1，能够将交流220V变成24V直流电，提供直流电源供给PLC控制器运行与输入和输出电流。下列表3-27，简略介绍了图3-26控制的设备。表3-27控制设备详情启动设备接触器继电器实现过程加热风机KM1KA1PLC通过控制，使继电器线圈得电，继电器的常开触点闭合，接触器线圈得电，接触器常开主触点闭合，启动设备，实现设备功能。加湿器KM2KA2开窗KM3KA3关窗KM4KA4遮阳网开KM5KA5遮阳网关KM6KA6负压风机KM7KA7循环风机KM8KA8太阳灯KA9继电器线圈得电，继电器的常开触点闭合，设备得电运行。CO2补充电磁阀KA1O灌溉水泵KA11图3-26控制电路图

3.4PLC输入和输出分配表PLC输入和输出符号表见表3-27，3-28，3-29所示 表3-27PLC数字量输入分配表名称namePLC地址PLCaddress外部编号ExternalNumber启动I0.0SB1停止I0.1SB2手动自动选择I0.2SA1手动加热风机I0.3SA2手动加湿器水泵I0.4SA3手动开窗I0.5SB3手动关窗I0.6SB4手动启动遮阳网I0.7SB5手动收起遮阳网I1.0SB6手动负压排风I1.1SA4手动循环风机I1.2SA5手动太阳灯I1.3SA6手动CO2补充I1.4SA7手动灌溉I1.5SA8窗开到位I1.7SQ1窗关到位I2.0SQ2遮阳网开到位I2.1SQ3遮阳网关到位I2.2SQ4加热故障I2.3FR1加湿故障I2.4FR2窗电机故障I2.5FR3遮阳电机故障I2.6FR4排风风机故障I2.7FR5循环风机故障I3.0FR6

表3-28PLC数字量输出分配表名称namePLC地址PLCaddress外部编号ExternalNumber加热风机Q0.0KA1加湿器Q0.1KA2开窗Q0.2KA3关窗Q0.3KA4启动遮阳网Q0.4KA5收起遮阳网Q0.5KA6启动负压风机Q0.6KA7循环风机启动Q0.7KA8启动太阳灯Q1.0KA9启动CO2补充电磁阀Q1.1KA10启动灌溉水泵Q1.2KA11自动运行Q1.4HL1故障指示灯Q1.5HL2温度高报警指示灯Q1.6HL3温度低报警指示灯Q1.7HL4湿度高报警指示灯Q2.0HL5湿度低报警指示灯Q2.1HL6日照高报警指示灯Q2.2HL7日照低报警指示灯Q2.3HL8CO2高报警指示灯Q2.4HL9CO2低报警指示灯Q2.5HL10土壤湿度高报警Q2.6HL11土壤湿度低报警Q2.7HL12表3-29PLC模拟量量输入分配表名称namePLC地址PLCaddress外部编号ExternalNumber温度传感器AIW0TT1湿度传感器AIW2HT1日照传感器AIW4GT1CO2传感器AIW6CT1土壤湿度传感器AIW8HT23.5PLC输入和输出接线图图3-30PLCS7-1200输出输入接线图

图3-31PLC输入接线图

图3-32PLC输出接线图

图3-33PLC模拟量输入图

3.6本章小结章主要介绍了基于PLC温室环境控制系统的硬件电路设计，及空气温湿度、光照度、土壤水分湿度监测硬件元件选型，主要有PLC、模拟量模块、液晶显示器、空气温湿度传感器、光照的传感器、土壤水分湿度传感器、执行机构等器件的选择。4软件设计4.1程序流程图 控制程序流程图如图4-1所示。图4-1控制程序流程图

4.2程序的编程4.2.1PLC内部使用地址表在程序编程中制定PLC内部使用地址表。如表4-2所示。表4-2PLC内部使用地址表功能描述内部地址功能描述内部地址上位启动M0.0湿度低标志M2.3上位停止M0.1日照高标志M2.4上位机自动选择M0.2日照低标志M2.5手动加热HMIM0.3CO2高标志M2.6手动加湿器HMIM0.4CO2低标志M2.7手动开窗HMIM0.5自动使能条件M3.0手动关窗HMIM0.6开窗使能条件M3.1手动打开遮阳网HMIM0.7手动开窗条件M3.2手动收起遮阳网HMIM1.0关窗使能条件M3.3手动启动排风HMIM1.1手动关窗条件M3.4手动循环风机HMIM1.2开遮阳网使能条件M3.5手动生物灯HMIM1.3手动开遮阳网条件M3.6手动CO2补充HMIM1.4关遮阳网使能条件M3.7手动滴灌HMIM1.5手动关遮阳网条件M4.0温度高标志M2.0温度低标志M2.1湿度高标志M2.2

4.2.2PLC梯形图程序在编辑程序时，将其分为下列模块，可使程序更加清晰明了，如图4-3程序模块图所示。图4-3程序模块图图4-4系统的停启程序图所示，其主要作用是停止和启动系统，也可以作重启使用。图4-4系统的停启程序图如图4-5系统手动/自动切换程序图所示，将其分为三种控制方式，使其相互自锁。第一种是自动模式，能够自动运行，第二种是HMI手动，即人机界面的手动模式，可使用触摸屏进行手动控制，第三种是外部的手动模式，用于现场对设备的启停。

图4-5系统手动/自动切换程序图如图4-6参数设定程序图所示，其为初始参数模块的程序图中简略部分，主要是设定初始的环境参数。图4-6参数设定程序图

下图出自报警标志模块，当温度超限时，输出超限的标志，通过其标志实现自动控制。图4-7温度标志设定程序图下图出自报警标志模块满足温室条件模块，主要作用在自动模式时，超限触发设备启动，使设备自动调节到适宜的环境条件后，才能停止运行。图4-8适宜温度条件程序图下图为报警设定中一段程序，用来实现超限报警和显示。

图4-9超限报警指示程序图如图4-10自动温度调节程序图所示，通过比较设定参数的数值条件进行自动温度调节，这段程序出自自动模式模块。图4-10自动温度调节程序图下图出自HMI手动模块，是人机界面手动控制时的程序。

图4-11手动加热HMI程序图下图出自外部手动模块，是接在现场控制设备运行的输出输入口上，其原理是通过接触器的自锁，实现设备的运行，也是能够通过安装的按钮进行控制。图4-12手动加热HMI程序图

4.3组态设计4.3.1通信设定将编程好的程序，通过通信连接下载到PLC控制设备中，如下图4-3S7-1200通信连接。图4-13S7-1200通信连接4.3.2组态连接根据温室系统设计要求，在博途软件中选择适合的触摸屏，用来模拟实现人机界面监控，创建一个显示屏连接PLC,如下图4-3所示。图4-14连接触摸屏4.3.3组态画面根据设计要求，需要设计人机监控界面，从监控界面中可以获取实时的温室环境参数，可手动对温室环境的参数进行设定，调整适合作物的生长条件，自动模式下可以监控到设备的运行，手动模式下，可以通过触摸屏进行远程控制设备，内置超限报警，当检测的环境参数高于或低于设定值，就会报警和自动运行设备调整，还可以画面切换按钮查看实时曲线图和报警历史。如图4-4画面总图所示，本设计按照设计功能需求，设计下列画面，使画面间可以来回切换。图4-15画面总图如图4-5人机系统界面所示，在其画面上可以控制设备的运行状态，重启整个系统，系统启动时会显示绿色，切换手动和自动，按下手动或自动模式时，会显示相应的绿色标志，下角可以监控设备的报警情况，上面为切换画面功能。图4-16人机系统界面

如图4-6温室监控画面所示，切换自动模式时，可以根据设定的参数进行自动控制，当环境因子超限时，会根据要求自动启动设备，切换手动模式时，可以直接控制设备，设备运行时，按钮会变成绿色。图4-17温室曲线画面如图4-8温室参数设定画面所示，这个画面为参数的设定，可根据需求设定适合的环境参数。图4-18温室参数设定画面

图4-19温室曲线画面图4-20报警历史画面4.4本章小结本章内容主要是对温室控制程序的编写，现实设计的控制功能，完成人机界面的组态实现监控功能。

5结论与展望5.1结论 本设计对温室系统进行研究和设计，在研究过程中对国内外的温室资料进行整理和总结，对国内的温室发展趋势进行思考，并根据国情，设计一款针对中小农户的温室系统，还考虑其经济性和通用性，在设备选型和软件编程上，都选择了比较方便的方案。再经过同学和老师的教导下，结合自身不懈的努力，终于将零零散散的东西组建在一起，使其实现温室系统设计的功能，本文对温室系统研究设计归纳为以下几个方面:收集与研究关于温室系统的文献和资料，学习相关的知识，查阅国内外的温室发展情况和研究成果。在整理温室在我国发展情况中，发现我国在设施农业的建设存在一些不足，还没有将智能温室普及到中小农户，所以设计一款针对中小农户的温室系统，将有利于设施农业的发展。根据室系统设计与控制要求，需要满足对环境因子的控制，还要使系统能够自动运行，在无人看守的情况下，自动维护温室中的生长环境，还有使整个系统运行稳定、可靠，因此采用PLC控制器作为控制核心。在设备的选型方面上，不仅要经济还要耐用，都是选择比较成熟的产品，例如传感器、电机、