摘 要

温室技术具有合理利用农业资源、保护生态环境、提高农产品产量及在国际市场竞争力等优势，已成为当前国际前沿性研究领域。如何利用自动控制系统有效地提高温室环境控制水平和现代化管理程度，是温室技术研究的重要课题之一。随着过程控制技术、通讯技术、自动检测技术及计算机技术的发展，将工业上较为成熟的、先进的控制方法和管理手段引入到农业的生产设施中，实施有效的温室环境控制，已成为现阶段温室技术的主要研究方向。

本文论述了温室环境的控制原理，分析了温度、湿度对温室内作物的影响，并在此基础上提出了智能化温室环境控制系统的总体方案，设计了系统的主电路图，随之基于PLC可编程控制器的控制系统，通过西门子S7-1200 PLC编程软件进行程序编写，使用组态进行了仿真，最终达到满足温室控制的要求。

关键词：温室；可编程控制器；组态

目录

1 绪论........................................................ 5

1.1选题的背景................................................... 5

1.2国内外研究现状........................................... 6

1.2.1国外温室环境监控装置发展状况........... 6

1.2.2国内温室环境监控装置发展状况........... 8

1.2.3温室环境控制系统的发展趋势............... 9

1.3研究目的....................................................... 9

1.4本章小结..................................................... 10

2 总体设计.............................................. 11

2.1 温室系统特点分析..................................... 11

2.2温室系统控制理论分析............................. 11

2.2 系统的控制方案设计................................ 14

2.3 总体结构设计............................................ 14

3 系统硬件设计...................................... 16

3.1 硬件选型.................................................... 16

3.1.1 PLC的选型............................................. 16

3.1.2 CPU的选型............................................. 17

3.1.3 传感器的选型........................................ 17

3.2 主电路设计................................................ 18

3.3 CPU接口电路设计..................................... 19

3.4 模拟量电路设计........................................ 19

4 系统软件设计...................................... 21

4.1 系统I/O分配表........................................ 21

4.2 系统控制流程分析设计............................ 21

4.3 梯形图编程软件介绍................................ 22

4.4 PLC程序分析............................................. 23

4.4.1 主程序梯形图分析................................ 23

4.4.2 运行控制子程序梯形图分析................ 24

4.4.3 模拟量运行子程序梯形图分析.............. 26

5 系统的组态设计................................. 29

5.1 组态画面简介............................................. 29

5.2 组态功能仿真............................................. 31

5.3 功能测试结果............................................. 34

6 结  语.................................................. 35

参考文献.................................................. 37

致  谢...................................................... 38

2 总体设计

2.1 温室系统特点分析

通过处理单元来控制的温室环境，相对比较复杂，具有以下几个特点：

1、系统的非线性。作为一个温室，其内部的多个环境因子相互影响，处于一个热平衡状态，但许多因素随机变化较大，不确定性较大，这就增加了我们对其精确建模的难度。

2.2温室系统控制理论分析

2.1 PID控制器结构框图

本次实验PID控制器在四旋翼的应用原理是：假设一个初始值通过运算器获得当前姿态角数据与初始值进行加和处理，通过不断地调整PID参数，经过多次反馈，增强四旋翼无人机姿态角的稳定性，从而使四旋翼无人机平稳飞行。PID算法的表达式如下：

                 (2-1)

表 3-1 字符说明

字符	字符定义
	系统控制输出
	比例增益
	积分增益
	微分增益
	误差=设定值-反馈值
	目前时间
	积分变量（数值从0到目前时间）

3 系统硬件设计

3.1 硬件选型

3.1.1 PLC的选型

当前市面上的PLC以德国的西门子公司和日本的三菱公司为主流，常见的PLC型号有西门子的S7系列以及三菱的FX系列[3]。两款PLC的性能、外部端口数和编程语言都有着很大的不同，但是其基本的设计结构都是遵循计算机的结构来设计的，其工作方式都是通过按钮、传感器、外部模块给定特定的电信号经过PLC来实现相关执行单元的动作[4]。在评估了网上有关于蔬菜大棚温湿度环境控制系统的相关文献后，最终确定了以下两种PLC的选择方案：

方案一：采用三菱公司的FX5-32ERPLC来完成本次蔬菜大棚温湿度环境控制系统的设计。这是三菱公司最经典的一款基础PLC，它的功能较为全面，梯形图编辑较为见简单，由于这款PLC出现的较早，网上可查阅的资料也较多对于本次设计也很有帮助，但是在设计中由于这款PLC比较初级在编程时很多模块的调用没有那么方便，在仿真时还需要下载外部的软件才能实现梯形图的仿真和组态的设计，较为麻烦。

方案二：采用西门子公司的S7-1200PLC来完成本次蔬菜大棚温湿度环境控制系统的设计。这一款PLC是近几年西门子公司开发的一款新型PLC，对比于方案一中的S7-200PLC这一款PLC在系统的运行速率和控制方式上有了极大的提升，它的响应能力、设备的安全性都是十分的不错的，在实际的开发过程中它可以随意的操作整个系统控制流程进行，强大的通信能力和内部I/O的分配大大节省了开发人员工作量。这款PLC的稳定性也时十分的强大，在后期系统的维护上也不会过于麻烦。在面对工业组态软件上它的适配性也十分的好。同时S7-1200的价格不高，性价比也合适。

西门子PLC S7系列是西门子公司推出的一款高性能、高可靠性的可编程逻辑控制器（PLC）。作为西门子工业自动化产品中的一部分，S7系列PLC广泛应用于工业控制领域，包括制造业、能源领域、交通运输等。S7系列PLC采用了先进的多核处理器技术，具有高速运算和响应能力，能够处理复杂的控制任务。其支持多种通信接口，包括以太网、PROFINET、PROFIBUS等，可以与其他设备实现高效的数据交换。采用模块化设计，支持多种扩展模块，可以根据用户需求灵活扩展IO、通信等功能，也具有较高的抗干扰能力和可靠性，适用于工业环境中的恶劣条件。采用TIA（Totally Integrated Automation）Portal工程软件作为编程工具，具有直观的界面和丰富的功能，方便工程师进行编程和调试。选择PLC S作为控制核心，该型号具有较强的可扩展行，其核心程序内存有100KB其内部数据存储空间则有4MB之多，这在PLC中内存属于较大的一款型号，可以应对多种设计设计，以及控制要求，不怕内存空间不足，其输入输出符合我们的设计需求，以及点位足够，并且本机还自带了两组模拟量输入，该款PLC其核心的处理能力强，且可以通过自带软件的仿真进行程序的仿真调试，完成仿系统仿真，方便后期的调试与运用，其PLC主要作为控制核心，该PLC具有输入输出以及自带的模拟量输入口，结合经济考虑本产品符合了我们的控制需求以及设计需求

综上，本次选用方案二中的S7-1200来完成本次系统的设计。

3.1.2 CPU的选型

在选用完合适的PLC后，需要根据本次蔬菜大棚温湿度环境控制系统的I/O端口数量来进行CPU的选型。S7-1200PLC的CPU型号主要有以下五种，这五种型号的CPU在I/O端口数量、模拟量拓展、脉冲输出等参数上都是不同的所以需要根据本次设计系统的实际I/O点情况来进行CPU的选型。这样不仅可以节约成本，也可以减少外部模块的使用，简化电路。S7-1200五种CPU的型号对比表如表3.1所示。

表3.1 S7-1200CPU模块型号对比表

CPU型号	CPU1211C	CPU1212C	CPU1214C	CPU1215C	CPU1217C
本机数字量I/O口	6入/4出	8入/6出	14入/10出	14入/10出	14入/10出
本机模拟量I/O口	2入	2入	2入	2入/2出	2入/2出
工作储存器	50KB/1MB	75KB/1MB	100KB/4MB	125KB/4MB	150KB/4MB
扩展模块	无	2	8	8	8
高速计数器点数	3点	5点	6点	同前	同前
脉冲输出	6	8	14	14	14
外形尺寸	90*100*75	90*100*75	110*100*75	130*100*75	150*100*75

而在本次设计的系统中，由于设计到外部环境中多个传感器检测的模拟量数据，所以需要选用一个可以实现模拟量拓展模块较多的PLC，其中较为小型的CPU1211C以及1212C就不考虑了。而本次主要是实现蔬菜大棚内部温湿度的调控，所需要的I/O端口数量较少，所以选用CPU1214C是较为合适的。

3.1.3 传感器的选型

本次设计需要对蔬菜大棚中的温度、湿度、二氧化碳浓度这三项参数进行采集，需要需要在外部放置这三种传感器并且对其进行选型。

温度传感器：目前市面上常见的温度传感器都是通过热敏电阻或者是IC温度传感器这两种，而IC温度传感器的采集精度较大，而且抗干扰性较好、相应速度较快、性能也较为稳定，在了解了相关传感器的型号后，最终选用了PH-QW大气温度传感器来检测蔬菜大棚中的温度参数变化。

湿度传感器：本次设计选用的湿度传感器是PH-QS湿度传感器，该传感器的结构和上述选用的温度传感器结构相同，其内部的感应部件均放在传感器的头部，这也使得它的感湿特性较为敏感，运用在本次设计中也是较为合适的。

二氧化碳传感器：本次二氧化碳传感器选用的型号为SH-VT250，这是一款专门放置在蔬菜大棚中的二氧化碳传感器，它的进气口装了防水防尘的透气膜，避免了蔬菜大棚中那些湿润水汽的高燃，同时它的精度也十分的不错，价格也不贵。

3.2 主电路设计

本次设计的系统主电路如图3.1所示。由于本次设计的外部执行器件较少只有风扇和日照灯所以本次设计的系统主电路较为简单。在电源的供应上系统采用了欧姆龙公司生产的S8VK-C24024电源模块为PLC和外部执行模块提供24V直流输出，这些外部的执行器件是由QF11-QF17等刀开关控制的，PLC会自动控制中间继电器对其进行控制，也可以手动按下实现线路的连接和中断。除此之外，系统中还放置了加温器、减温器、加湿器、减湿器来实时的对蔬菜大棚中的温湿度参数进行控制。系统中放置了熔断器QU11-QU17来防止电路过热造成电源和执行器件的损坏。

图4.4 运行控制子程序梯形图（二）

本次设计中会对蔬菜大棚内的相关环境参数进行监控和设定，当检测的参数操作了设定参数的高位或者低位时，系统就会进行对应的报警。以二氧化碳浓度参数为例，如图4.5所示，当环境内的二氧化碳浓度高于设定的高位时，系统会进行二氧化碳浓度高报警Q0.6置位进行报警，当环境内的二氧化碳浓度低于设定的低位时，系统会进行二氧化碳浓度低报警Q0.7置位进行报警。温湿度参数也是同理。

图4.6 运行控制子程序梯形图（四）

4.4.3 模拟量运行子程序梯形图分析

在本次设计中，需要对系统的功能进行测试，所以在系统工作前需要将温湿度的当前参数设置进去，在面板中可以设置温湿度检测点的上限值，然后输入对应的模拟量数据，通过%FC61模块即可把模拟量数据转换成数值量数据输出。如图4.7所示。

图5.1仿真主画面

图5.2 参数设定画面

图5.3 手动操作画面

图5.4 系统趋势画面

5.2 组态功能仿真

图5.5 手动功能测试

图5.6 自动功能测试（一）

图5.6 自动功能测试（二）

图5.7 自动功能测试（三）

图5.8 自动功能测试（四）

图5.9 自动功能测试（五）

图5.10 趋势图功能测试

5.3 功能测试结果

6 结  语

本次论文我通过对国内外的温室发展状况做了分析，结合国内现有的状况，深刻的认识到研究出适合我国气候特点的温室控制系统的重要性。结合温室环境的特点，分析温室内各个环境变量之间的联系，确定了以PLC为下位机，组态为上位机的温室监控方案，辅以远程模块实现异地管理功能。本系统中的人机界面交互友好，对操作人员的专业知识要求不高，可以广泛推广使用。基于PLC的温室监控系统具有一般PLC共有的可靠性和稳定性，能够在复杂的环境下完成我们要求完成的任务，加以远程模块的辅助，我们操作人员可以在非现场对温室系统进行监测和操作，具体方式可以通过网页操作和移动端APP操作。本文主要研究方面集中在如下几点：

(1)查询相关温室的国内外文献，了解温室在国内外发展的现有状况和未来发展的趋势，总结了我国温室现存的问题。综合以上，分析了温室环境的主要特点，具体研究了温室内几个重要的环境因子对于植物生长状况的影响。我们选择了现有的几种较好的温室解决方案做了对比研究，取长补短，结合项目中我们要实现的功能，确定了大体的系统解决方案。在确定了总体的控制方案后，为了更加贴近互联网，我们最后决定加入远程模块，将系统上线连入因特网，这就形成了最终的基于PLC的远程监控系统的解决方案。

(2)在了解了具体功能要求后，我们构建了系统的总体框架，通过对温室的功能需求作出分析，判断出系统的输入输出量的多少，结合程序的大小，选择出相对较为合适的控制器(西门子S71200PLC)和相对应的扩展模块。针对我们要控制的功能，选择合适的执行设备和监控设备，来确定系统IO点的分配。信息采集所需的传感器，我们做了大量的工作来选择，通过对传感器原理的研究，设计的对应的信息采集电路。执行设备，我们主要考虑这些设备在温室内怎样分布才能最优的去控制环境变量。再具体做出安装方案后，对这些设备进行合理的电气连接。

(3)学习我们所需要用到的西门子可编程控制器S71200，通过对编程环境和编程软件STEP7的了解，以及编程注意事项的学习。在编程过程中要建立起PC与PLC的通信，PLC与远程模块的通信，PLC与上位机组态的通信。总的系统程序包括温室信息的采集，下行执行设备的控制，对信息的处理判断。

(4)学习上位机组态相关知识，确定组态的具体功能需求，并且画出流程图。接着用组态结合项目需求，我们设计了温室监控系统的上位机，拥有较好的人机交互，能够较好的对温室环境起到监控作用，同时也实现了在线修改参数的预设值。除了主监控画面，我们还设计了用户管理界面，用于系统的安全管理。此外，还添加了数据分析画面，包括曲线图、数据查询。手动控制功能，可以在我们需要的时候，关闭控制程序的自动运行，改为人为的手动操作。

(5)了解温度控制算法，比较了传统PID控制、Smtih预估控制、模糊控制三种方式对温度控制的效果，通过分析温室模型最终确定使用模糊算法来控制温度，起到了很好的控制效果。

(6)系统的抗干扰分析，从干扰源出发，针对这些干扰制订抗干扰方案。对采集信息的传感器进行校准，完成后运行整个系统，测试系统的稳定性。

温室的发展是有历史局限性的，随着科技的不断发展，温室系统也会越来越智能化，智能温室还有很大的发展空间。本次论文所做的工作主要为了农业的信息化、现代化、智能化即将的到来做了一次必要的尝试。本系统以组态作为上位机，与下位机PLC相互通信，结合远程模块实现系统上线，可远程化操作。组态作为上位机，我们设置了较好的人机交互界面，极大的降低了操作人员的专业知识要求，使得系统更加的大众化、普及化。PLC作为控制器，拥有着极高的性价比，稳定性较好，同时有着较好的扩展性，适应比较复杂的环境。总的系统采用分布式，不仅仅适用于温室这个领域，同时也适用于其他自动控制方向的应用场合。由于温室内的变量的变化都有滞后性，并且各个变量之间还有可能相互影响，所以不仅仅是对每个变量采取较好的控制方式，还要对整体有一个较好的控制策略。本系统只是针对温度采取了控制良好的模糊控制，其他变量的控制效果还不够完善。所以希望以后对温室内的变量能够做到每项都较好的控制，整体执行设备做到合理调配，来使得温室内的变量之间得到较好的控制。本系统希望以后可以自主开发出一套远程模块设备，包括软件和硬件两者。希望未来系统中可以接入影像监控系统，加入基于WIFI模块的摄像头实现操作人员远程直观的观察作物生长状况。同时结合图像处理技术，通过图像算法对摄像头采集的图片进行处理和判断，给用户准确的数据。这样可以大大减少系统的使用人员，提高生产效率。

参考文献

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[15]方圆. 棉田土壤温湿度信息监控系统设计与研究[D]. 石河子大学, 2020.

致  谢

通过努力，我的设计《基于PLC的温湿度远程控制系统》完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在设计的写作过程中，我的导师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。

写作设计是一次再系统学习的过程，设计的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。在今后的工作中把严密谨慎的优良传统发扬光大。感谢各位老师的批评指导。