毕业设计（论文）开题报告

题目名称：基于PLC的蔬菜温室自动控制系统的设计

学    院：       机械工程学院                

专业年级：       机械设计制造及其自动化11级 

姓    名：                               

班级学号：                       

指导教师：                             

二〇##  年  三  月  二十五  日

基于PLC的蔬菜温室自动控制系统的设计

一、课题研究的目的意义及国内外研究概况

1.1课题的背景及意义：

随着社会的日益发展，人们的生活水平逐渐提高，同时也对环境造成了一定程度上的破坏。温室环境控制是一项综合性工程，它是当代农业生物学、环境工程、自动控制、计算机网络、管理科学等多种技术的综合应用，旨在为作物创造最佳生长条件，避免外界四季变化和恶劣气候的影响，已达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高农作物质量、产量、产值等目的。

研究开发并推广使用性能优越、运行可靠的温室智能控制系统将是温室生产走向产业化和有效农业化的必由之路，而温室内环境因子（温度、湿度、光照度、CO₂浓度等）的综合自动控制是实现温室种植植物高产、优质、高效的关键^[1]。

1.2国外的发展现状

国外温室控制研究起步相对较早，可追溯到20世纪40年代，早在1949年，美国加利福尼亚州的植物实验室创建了世界上第一个完全由人工控制环境条件的人工气候室，并在此基础上开展了包括农作物在内的多种植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础性研究。

目前，在温室控制技术方面，美国、荷兰、以色列和日本等国较为先进，可以根据温室作物的要求和特点，对温室内光照、温度、湿度、CO₂等诸多因子进行自动控制。在综合控制成本和效益、环境参数优化、节能节水技术及温室配套设备的研制等方面均取得了长足的进步，并带动了温室配套产业的发展。总之，遥测技术、网络技术、控制局域网等已逐渐应用于温室的管理与控制中，发达国家的温室控制技术正向高度自动化、智能化方向发展^[3]。

1.3国内的发展现状

相比国外而言，我国温室控制的研究与开发起步较晚，20世纪70年代，政府开始大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展，缓和了蔬菜季节短缺的矛盾。直至80年代，计算机开始应用于温室的控制与管理领域。在随后的20年间，我国先后从国外引进了一批先进的现代化大中型温室，但效果很不明显，是温室入不敷出。在吸取经验的和教训的基础上，温室的生产与使用企业开始走一条从引进到消化吸收的新路，自主开发型温室逐步发展起来。1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果^[2]。

总之，我国温室环境控制系统应用研究正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性研究应用阶段过渡和发展。

1.4温室控制系统的发展趋势

温室控制系统是设施农业的重要组成部分，具有广阔的应用前景，其发展趋势可概括为以下几点：

（1）温室分布式控制系统

目前开发的温室计算机控制系统主要采用了主机——终端模式，该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其它各子系统进行控制管理，灵活性差且投入大，针对时空变异性大、空间布性强、多参数相互影响的实际温室系统而言，很难实现高投入高产出的目标。分布式控制系统是温室控制系统的发展方向，其采用服务器——客户模式，系统中的每一个子处理器处理所采集的数据并进行实时控制，而由主处理器存储、显示并管理子处理器传送来的数据，主处理器可以向每个子处理器发送控制设定值和其它控制参数，同时每个子处理器又可以独立工作。系统表现出来的适应性好、可靠性高、扩展性强等特点，可使温室达到更好的控制效果，从而产生较好的经济效益^[6]。

（2）网络通信技术的发展

进入21世纪以来，全球性的网络化、信息化进程加快，并成为发展速度最快、最具活力的高科技领域，将网络通信技术应用于温室的生产与管理系统之中必将成为一种趋势。可靠、开放、高效的信息网络为温室种植者提供各种有用信息。此外，利用网络技术可实现对温室的远程控制和管理。随着计算机技术、控制技术、信息技术和网络技术的不断发展，对温室环境的控制将沿着综合性、多因子、开放式、多层次的复杂网络化的发展方向。现代智能温室测控系统与Internet相连，实现控制网络和信息网络的无缝结合，是现代化温室集群发展的要求，也是集约化可控设施农业发展的方向。

（3）专家系统的应用于控制算法的发展

专家系统是人工智能应用研究的一个重要分支，现已广泛应用于科研、工业、军事等众多领域，它作为一种知识的载体，可以捕捉和保存宝贵的工程知识，其所表现出来的可靠性、客观性、永久性及其易于传播和复制等特性，是人类专家所不能及的，因此在处理与解决某些领域问题时具有不可取代的重要作用。目前将专家系统以用于温室环境控制已得到了研究者的重视。与此同时，将作物生长模型与专家系统相结合的研究也得以发展。在控制算法方面，研究者已逐步将神经网络、遗传算法及模糊推理等智能控制算法运用到温室环境的控制中，来提高系统的自动化、智能化水平。然而这些温室的控制水平、精度及节能高效等方面还有待于进一步提高，合理有效的提供农作物生长所需的环境因子，从而使企业获得良好的经济和社会效益，这无疑是推动温室应用自动化的强大动力。因此，专家系统、控制算法的进一步完善以及在温室控制系统中更为广泛的应用将是温室技术的发展趋势之一^[7]。

（4）温室规模的扩大

随着温室技术的发展，温室规模呈扩大趋势。目前农业技术先进的国家，大面积的温室已经相当普遍。21世纪我国将重点发展大型连栋温室，以提高温室农业的总体水平和规模效益。无疑，大型化现代温室在提高土地利用率和机械化作业水平、降低生产成本及产业化声场等反面均凸显其优势。

二、课题研究的主要内容

2.1主要内容：

主要研究内容：  

（1）了解、分析温室环境因子（温度、湿度、光照度、CO₂浓度）对蔬菜的影响。

（2）分析、设计温室实时检测系统、控制系统。

（3）确定输入输出以及其点数，I/O分配，对PLC的类型进行恰当的选择。

（4）编写及验证程序是否满足设计要求。

（5）组态软件界面的设计。

主要设计内容

（1）系统总体方案设计。

（2）PLC控制程序设计。

（3) 组态软件界面方案的设计。

2.2温室自动控制系统总体方案

作物的生长发育除了决定于自身的遗传特性之外，环境因子也是一个重要方面。温室是用来改造植物的生长环境，避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响，为植物创造适宜的生长条件。

温室技术经过长久的发展，已有长足进步，各种各样的控制方案层出不穷，现仅已如下两种方案进行比较：

方案一：例如汪永斌，吕昂等研制的温室群全数字式温度和湿度综合控制系统。该系统以51单片机为控制器，并作为下位机，每个温室内有一个独立的温湿度控制子系统，该子系统以点偏激89C51为核心。可以实现温湿度的自动控制，且在一百天内无需人工干预。每个控制子系统通过RS-485接口与PC机相连。上位机使用计算机，通过VB编写程序，用户直接在计算机上输入温室度参数，即可与下位机一起实现温湿度的自动化控制。

传统的输入模块由温湿度传感器、专用放大器和ADC组成，由于它们处理的是模拟信号，容易受干扰和温度影响，造成精度和可靠性不高，多个传感器放大器和多根信号传输线导致系统安装和维修难度增大，故障率增高。此系统采用温湿度一体化传感器（LTM8901），直接输出数字量，无需信号放大电路和ADC，避免了模拟器件的温漂对温湿度测量带来的影响。

目前，在中低档温室控制中仍存在一些问题，电磁干扰对反应温湿度变化的模拟信号的影响未彻底排除；系统安装和维修难度大，故障率高。

方案二：例如用西门子S7-200系列的PLC作为下位机，S7-200系列的PLC是一种小型PLC，其功能非常强大，许多功能可以达到大、中型PLC水平，而价格却和小型PLC一样；普通PC机为上位机构成温室控制系统。采集的室内信号有温度、光照、湿度、CO2浓度等。输出信号控制的机构有：开窗电机、遮阳电机、通风电机、加热阀门、压水泵等。

温度传感器：镍铬热电偶（K型热电偶），可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽，并且线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格也便宜。

湿度传感器：Honeywell公司的集成湿度传感器HIH3610，该传感器采用热固，聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路。

光照传感器：采用西门子QLS60光照度传感器，性能指标如下：

型号：QLS60

工作电压：AC 24V、DC 13.5-35V

输出信号：DC 0-10V、DC 4-20mA、0-1000W/m²

功率消耗：2.5VA

时间常数：2s

CO2浓度传感器：本系统采用MG811型CO2气体传感器；主要特点为对CO2有良好的敏感性和选择性；对温湿度依赖性低；长期稳定性和可再现性高。

此系统的特点是PLC编程简单、灵活、PC机存储空间大、通讯方便，具有相当高的性价比。

可见无论PLC还是单片机都可以作为控制核心，相比较而言，PLC是经过十几年实际应用过程中检验过的控制器，抗干扰能力强，易于设备扩展，便于维护，开发周期短。对于工控领域以及自身所学知识及设计要求，本次设计选择方案二,以PLC为控制核心。

在老师的带领，参观了吉林市富硒农产品草莓基地，本设计将以其为参考进行改造设计。由于其大都采用的人工控制，耗费人工劳动力，且安全性能低，所以本次设计将着重设计自动控制部分。

如图2.1所示为富硒农产品草莓基地整体轮廓图，由图很明显的看出整体布局为向光狭长型，相对竖长型布局有较均匀的受光面积，其温室大棚的遮阳网为人工手动控制。

图2.1 富硒农产品草莓基地

图2.2 灌溉系统

图2.2示为草莓基地的灌溉系统，采用人工手动滴灌灌溉，滴灌已引起堵塞，同时水的均匀性不易控制。所以本设计将采用喷灌系统。

图2.3 光照系统

图2.3示为草莓基地的光照系统，采用人工手动日光灯。日光灯相对成本较低，但人工控制不容易控制光照的时间。

综上所述，人工控制采用设备简单，很大程度上节省了成本，适用于对环境因素要求较低作物；但在控制精度方面有很大缺陷。本设计将在整体布局基础上，以可编程控制器PLC作为控制核心，控制系统在严格的工业环境下能够长期、稳定地运行。系统组件的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准进行改造。

系统组成分别为信号采集输入，主要包括对温度、湿度、CO2浓度、光照度等传感器信号进行采集。信号转换与显示处理和输出及控制部分。

图2.4 温室自动控制系统方案

图2.4所示为控制系统方案图，中央控制室与各现场控制站之间采用工业以太网通信方式，主干网通信速率为100Mbps，各连接站点通信速率为10/100Mbps自适应，通信介质可采用光纤或其他。

2.3温室自动控制系统总体结构方案

上位机：本设计中使用组态王软件实现系统上位机软件的搭建，根据控制系统的要求，该系统主要包括温室控制工程主界面、温室参数实时曲线、温室历史参数曲线、数据浏览等；所以一般PC机及可满足要求。组态软件能支持OPC标准，同时具备OPC Server和OPC Client功能，可以快速、可靠地与众多不同生产商制造的硬件设备实现可靠的通讯。

通讯方式：使用S7-200系列PLC上的PPI编程口，标准485线连接到计算机串口上。

PLC：本设计采用S7-200系列的PLC，S7-200系列PLC是一种小型PLC系统，其功能非常强大，许多功能可以达到大、中型PLC水平，而价格却和小型PLC的一样。

系统组成示意图如图2.5所示，利用PLC作为控制器，采用传感器对环境因进行巡回测量，并将结果送到PLC当中，由PLC对结果进行处理，然后调控各设备对环境因子进行补偿。

图2.5温室自动控制系统组成示意图

2.4温室自动控制系统原理：

图2.6 温室自动控制工作流程图

温室环境系统是一个复杂的大系统，建立精确的控制模型很难实现。由于蔬菜作物对于环境各气候因子的要求并不是特别精确，而是一个模糊的区间，比如蔬菜对温度的要求，只要温度在某一时间段在某一区间内，该蔬菜作物就能很好的生长，因此，没必要将各种参数进行非常精确的控制。

通过温度传感器、湿度传感器、CO₂浓度测量仪表、光照度传感器等传感器接收各类环境因素信息。通过逻辑运算和判断控制相应的温室设备运作以及调节温室环境。

因为本次设计以草莓基地为基础进行改造，所以初步传感器的选择以草莓的参数为基准进行选择，当作物变换时，再进行相应的调整。

草莓喜温凉气候，草莓根系生长温度5℃-30℃，适温15℃-22℃；根系分布浅、蒸腾量大，对水分要求严格，早春和开花，草莓需要低于土壤最大持水量70%，果实生长和成熟期需求最多，达80%以上，采收之后和抽出匍匐茎和发新不定根，也需土壤含水量不低于70%，秋季是植株积累营养和花芽形成期，土壤水分也不得低于60%；草莓且喜光，但又有将强的耐荫性，光照过弱不利于草莓生长。

温度传感器：根据温室控制的特点，本设计中温度传感器选择AD590集成温度传感器，主要特性参数如下：

（1）AD590的测温范围为-55℃-+150℃。

（2）AD950的电源电压范围为4V-30V，电源电压可在4-6V范围内变化。

（3）可以承受44V正向电压和20V反向电压。

（4）灵敏度：1µA/K。

湿度传感器：因为湿敏原件只能直接暴露于待测环境中，而不能密封。根据温室湿度控制的特点，本系统中湿度传感器选用A1203型湿度传感器，主要特性参数如下：

（1）工作环境温度：-30℃-+80℃。

（2）相对湿度测量范围：0-100%RH。

（3）测湿精度：±4%Rha。

光照度传感器：光照度传感器采用北京易盛泰和科技有限公司产品型号Po188-c光照度传感器，主要特性参数如下：

（1）量程：0-200Klux、0-20Klux、0-2000可选。

（2）供电电压：24VDC/12VDC。

（3）输出信号：20-4mA，10V-0V可选。

（4）精度：±2%。

CO2传感器：CO2传感器选用弗加罗公司生产TGS4160二氧化碳传感器，主要技术参数如下：

（1）测量范围：0-5000ppm。

（2）使用寿命：2000天。

（3）使用温度：-10℃-+50℃。

（4）使用湿度：5-95%RH。

三、课题的关键问题及解决思路

（1）确定控制系统的总体方案，在老师带领下，通过实地考察以及现场调研，所以本次总体方案将分为三个部分：信号采集输入，主要包括对温度、湿度、CO2浓度、光照度等传感器信号进行采集；信号转换与显示处理和输出及控制部分。

（2）确定控制系统的PLC类型，首先通过本课题的相关参数确定PLC的I/O总量，机柜内应提供I/O总量的10%-15%做备用，所以选择西门子PLC的S7-200系列。西门子PLC的S7-200系列价格低，功能强大，作为一个小型PLC有些功能相当于一些大、中型PLC。

四、预期成果

本课题最终以系统的控制方案总体电路设计图一份，控制系统PLC程序设计编程一份，和一份毕业设计说明书一份来完成本次的课题设计。本次设计的基于PLC的蔬菜温室自动控制系统的设计是由电路、PLC控制、组态软件监控三部分组成的，本人会非常重视每一个设计环节，尽我所能来完成本次毕业设计。

五、进度安排

表5.1 进度安排表

 

 

参考文献

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