兰州理工大学毕业设计
第一章 绪 论
1.1 课题背景及研究意义
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，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。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。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。当前农业温室大棚大多是中、 小规模， 要在大棚内引人自 动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，结合郊区农户的需要， 设计了一套低成本的温湿度自动控制系统。该系统采用传感器技术和PLC相结合，由上位机和下位机( 都用单片机实现) 构成，采用MPI网络进行通讯，实现温室大棚自动化控制。
目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。
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1.2国内外温室控制技术发展概况
温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。
从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:
（1）手动控制。
这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。
（2）自动控制。
这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。
（3）智能化控制。
这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。
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1.3 选题的目的和意义
大棚是蔬菜栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类作物对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。该系统可自动控制浇水、降温。根据需要，通过按键将温度信息输入wincc flexible，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。本文将使用PLC与上位机结合对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制温室大棚温度、湿度等的控制系统。目的是通过这次毕业设计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。
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第二章 系统的整体设计方案
2.1系统的设计任务
植物温室大棚的作用是改变植物的生长因子，从而避免四季的气候变化和恶劣气候对植物生长的不良影响，为植物提供一个良好的生长环境，在温室大棚中，一般利用一些采光性较好和钢铁，还有遮阳性的材料作为主要结构材料。它可以培养不适应在该季节下生长的植物，对农作物的生长因子进行调节，促进植物的生长发育，防止病虫害，以达到增加产量的目的。温室中的温度，光照，湿度，CO2浓度，土壤酸碱度等因素对植物的生长起着重要作用，本设计主要研究温室控制的主要对象是温度，湿度，应用温度传感器，湿度传感器对各环境因子进行检测。温度的调节主要通过卷帘的动作进行解决，湿度则由水泵电机的灌溉系统进行补偿，网络监控设备选用普通PC，现场装备了控制箱作为现场监控装置。
被控对象为10个蔬菜大棚的温湿度控制，每个大棚内有一个15Kw水泵电机和10Kw的卷帘电机（水泵电机与卷帘电机可以实现就地控制，也可以实现远程计算机控制）。温度控制精度为：±0.5℃，土壤湿度控制精度为：±5%。可以加入空气湿度控制，其精度为：3%RH（需要加入喷雾控制）。 尝试构建该系统的分布式控制结构,保证各子系统的相对独立性,使系统具有可靠性高，拓展性强的特点。
2.2 控制系统核心部件的选择
2.2.1 通讯方式简介
MPI网络是是基于MPI（Multiplant Interface）多点接口协议的通信网络，当通信速率要求不高、通信数据量不大时一种简单经济的通信方式。MPI通信主要的优点是CPU可以同时与多个设备建立通信联系，即编程器/上位机、HMI设备和其他的PLC可以连接在一起并同时运行。每个控制点是同级的，对每个大棚的PLC赋予不同的地址，都由上位机来控制。相对于其它总线网络结构，它更简单、更经济。由于西门子PLC S7-200/300/400 CPU上的RS485接口不 仅是编程接口，同时也是一个MPI的通信接口，所以在没有额外硬件投资的状况下，可以实现PG/OP、全局数据通信以及少量数据交换的S7通信等通信功能，其网络节点通常包括S7 PLC、TP/OP、PG/PC、ET200S以及RS485中继器等网络元器件。MPI网络最多可以连接32个节点。
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MPI网络的通信速率为19.2Kbit/s-12Mbit/s，通常默认设置为187.5Kbit/s，只有能够设置 为PROFIBUS 接口的MPI 网络才支持最大的12Mbit/s 的通信速率。。普通PC 需要通过MPI/PROFIBUS通信卡（如CP5512/CP5611/CP5613等）联入MPI网络，其中CP5611和CP5613用于台式电脑，后者带网络诊断功能，但价格相对较高。
2.2.2 温室控制系统硬件配置
在工业自动控制系统中，单片机控制与PLC控制是最常用的自动控制系统，但与单片机相比，PLC具有极高的可靠性、灵活性、编程相对简单、扩展模块丰富等等优点，能够广泛应用到实际生产中。由德国SIEMENS系列产品产品具有功能强大，可靠灵活，实用性强等特点。从系统的整体性出发，考虑到经济性、适用性、功能性等各方面原因，我们选用西门子公司的产品，以最优的性能/价格比进行系统配置。本系统可以实现各个子系统的单独调用，通过通讯网络由总控制室统一管理，便于实现多路控制。
S7-300系列的PLC是一种中等PLC系统，其功能非常强大，针对中小型自控应用，是面向生产制造领域的最佳系统解决方案。
1）功能强，性能价格比高
2）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 3）可靠性高，抗干扰能力强
4）系统的设计、安装、调试工作量少 5）编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
6）维修工作量少，维修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。 7）体积小，能耗低
对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器。 8)与时俱变，能实现网络通讯
PLC可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理。并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。
9）提升产品技术含量，增加产品形象！ 10）对未来机械升级很方便
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