猪舍温湿环境智能控制系统

猪舍温湿环境智能控制系统
第一章概述
智能温室也称作自动化温室，是指配备了由计算机控制的可移动天窗、遮阳系统、保温、湿窗帘/风扇降温系统、喷滴灌系统或滴灌系统、移动苗床等自动化设施，基于农业温室环境的高科技“智能”温室。

智能温室的控制一般由信号采集系统、中心计算机、控制系统三大部分组成。

猪舍温湿环境智能控制系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段发展起来的。

自上世纪90年代以来，我国农业工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，对温室温度、湿度、C02浓度和光照等环境因子控制技术的研究，研制开发了我国自己的猪舍温湿环境智能控制系统。

第二章系统总体设计
2.1温室环境特点
温室气候环境作为计算机控制系统的控制对象，有以下特点：
1、非线性。

温室部的气候处于热平衡混沌状态。

大量随机的、不确定性因素使得对其精确建模比较困难。

2、分布参数。

由于温室面积比较大，造成温室部各个物理量的分布是不均匀的。

比如温度，温室部各点温度都不一样，四周一般都比中间的低，项部和底部也有一定差别，其值的大小依赖于空间位置和气流的方向等各种因素，在温室中的气候分布是缓慢变化的。

3、时变。

作物在生长周期的不同阶段，其光合作用能力、吸热散热能力等均有所差别。

因而，温室系统是一个参数随着时间变化的动态系统。

4、时延。

对于外界所施加的作用，温室系统并不立即响应，而是经过一段时间的延迟才有反应。

比如，在温室加热系统中，对系统加热升温，热量传到温
室的各个部分需要经过很长一段时间的延迟，温度才会有所提高。

5、多变量藕合系统。

温室系统是一个多输入多输出系统，系统各变量之间并不是互相独立，各个子系统的控制回路彼此祸合在一起。

对系统任一目标的控制，都会影响其它目标的变化。

综上所述，温室环境系统是个复杂的大系统，建立精确的控制模型很难实现。

由于作物对环境各气候因子的要求并不是特别的精确，而是一个模糊区间，比如作物对温度的要求，只要温度在某一时间段在某一区间，该作物就能很好地生长，因此，也没有必要将各种参数进行精确控制。

2.2系统总体设计思路
2.2.1 系统分析
本系统可以模拟基本的生态环境因子—温度、光照、水分、CO2等，以适应不同的生物生长繁育的需要，它由相关的智能控制单元组成，按照事先设定的程序，精确测量温室气候和土壤参数，并启动或关闭不用的电动外围设备，程序所需的参数通过传感器采集所得。

2.2.2系统的特点
1、预测性：通过对气候参数的分析，可以预测控制设备的运行情况，提高设备的利用率，降低能耗。

2、强大的扩展功能：通过控制不同的外围设备，可以控制环境及灌溉、施肥等。

3、完善的资料处理功能：通过中央控制软件，可以不间断的记录各种传感器的信息以及各种控制设备的动作记录等。

4、远程监控功能：即工作人员不在现场，也可以通过远程监控系统对温室的设备的参数进行监控和控制。

2.2.3 系统的工作原理
本系统是利用PLC把传感器采集的有关参数转化为数字信号，并把这些数据暂存起来，与给定值进行比较，经一定的控制算法后，给出相应的控制信号进行控制。

系统还可以经过串行通信接口将数据传送至上位机，从未完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能，闭关可以对数据进行显示、编辑、存储及打印输出。

传感器将温度、湿度等转化为电压信号。

经过运算放大器组成的信号处理电路换成压平转化器（V/F）需要的电压信号。

系统工作时，PLC 通过传感器来测量温室的相应数据并于设定值比较，如果温室的环境超过了设定的围上下限值，PLC就输出指令，控制接通相应的设备。

当温室环境条件在设定围，PLC就输出指令，切断设备电源。

如图2-1所示。

图2-1 系统的工作原理图
2.3系统总体设计方案
2.3.1 系统的组成
猪舍温湿环境智能控制系统主要由自动控制系统、通风系统、遮阳系统、供热系统、自动喷灌系统等五个部分组成，如图2-2所示
图2-2猪舍温湿环境智能控制系统组成
2.3.2 系统的硬件接线图
本系统由上位机PC机，PLC可编程控制其，各类传感器，PLC扩展模块，驱动及执行部分等组成。

因为在设计中用到电感性负载，因此电路中设计了电容和电阻串联对电动机进行保护，当电机启动或断开电源的时候由于电动机会突然断电或试点，线圈会产生很大的感应电流。

会对电路中的电机产生大的危害。

系统具体硬件接线图如图2.3.2所示。

图2.2.2 猪舍温湿环境智能控制系统硬件接线图
2.3.3 PLC的选择标准
1.PLC机型的选择：
（1）PLC在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在生产、调试、应用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳定、可靠性高，但是考虑到稳定性、可维护性等因素，采用PLC比单片机具有较高的性价比。

（2）PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块等方面综合考虑。

PLC机型的选择基本原则是再满足功要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性价比。

2.3.3 本系统PLC的选择
1、I/O点数的估计
根据实际情况对I/O点数进行估计，具体点数估计如表2.2.3a所示
表2.2.3a I/O点数的估计
2、输入量与输出量的I/O地址分配
输入量与输出量的I/O地址分配如表2.2.3b所示
表2.2.3b 输入量与输出量的I/O地址分配
3、扩展模块的选择
因为S7-224集成了14输入/10输出，他最多可以有7个扩展模块，有置时钟，有更强的模拟量和高速计数的处理能力。

由于温度、湿度、光照强度、CO2浓度均为模拟量，所以选EM231模块作为模拟量输入模块。

2.4 系统主电路的设计
如图2.4所示：
图2.4 主电路设计图
2.5 控制电路原理图
如图2.5所示：
图2.5 控制电路原理图
第三章猪舍温湿环境智能控制系统设计与仿真
3.1 猪舍温湿环境智能控制系统设计
3.1.1
它的功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可实时监控用户程序的执行状态。

3.1.2 程序设计
按下启动按钮，PLC卡是扫描，温度传感器将温室温度测量值信号送到PLC 中，PLC再将信号值处理，在于设定值进行比较，最后将得到的结果输出，如果比较结果高于设定值，则控制打开通风窗或风机，比较结果等于设定结果等于低于设定值，则打开供热设备。

假设风机，供热设备，传感器出现故障的时候就发出声光报警。

空气湿度传感器将检测的温室是渎职送到PLC中，PLC将检测值与设定值进行比较，如果空气温度高与设定值，则控制打开窗子且打开风机进行去湿，如果测量值等于设定值，则关闭窗子和风机；如果测量值低于主设定值，则发出指令控制打开空气湿度电磁阀，对空气进行喷雾。

土壤湿度传感器检测的值首先送到PLC中，有PLC将其与设定值相比较，如果测量值高与设定值，则由PLC发出控制关闭控制土壤湿度的电磁阀；如果电磁阀发生故障则会发出声光警报。

光照传感器将温室的光照强度测量值送到PLC中，由PLC将其与设定的光照强度进行比较，再将其比较结果送到执行机构中去，对其进行动作，如果测量值高于设定值则控制关闭不光设备，同时拉上遮阳帘；如果则两只等于设定值，则关闭不光设备；如果测量值地与设定值，那么则发出指令打开补光设备，同时打开遮阳帘。

在这个过程中，如果遮阳帘电机，不光设备出现故障则出现声光警报。

图3.1.2a 主控模块流程图
1、温度控制
当系统开始工作时，由温度传感器将温室的温度测量参数传给PLC，再由PLC 将其检测结果与事先设定好的温度进行对比，如果测量值等于设定值则保持原来的温室温度；如果测量值与设定值不等，在判断大于还是小于，当测量值大与设定值，则打开通风帘，当测量值小于设定值时，则打开供热系统。

当测量温度达到设定值时就会关闭供热系统或通风帘。

其工作流程图如图
3.1.2b所示
图3.1.2b 温控子模块流程图
2、湿度控制
系统开始工作，湿度传感器考试对环境湿度进行检测。

土壤湿度传感器，土壤湿度传感器将测量结果送到PLC中心后，PLC将测量值与设定值进行较，如果测量值等于或大与设定值，则关闭喷灌电磁阀；当小于设定值时。

则打开喷灌电磁阀。

其工作流程图如图3.1.2c所示
图3.1.2c 湿控子模块流程图
3、光照控制
系统启动，光照传感开始工作，将温室的光照强度测量值参数传给PLC，由PLC将测量值与设定值进行比较，判断测量值是否等于设定值，如果等于，则保持室光照强度；如果测量值与设定值不等，在判断大于还是小于，当测量值大与设定值，则关闭遮阳帘，当小于设定值时，则打开补光设备。

其工作流程图如图3.1.2d所示
图3.1.2d 光控子模块流程图
4、CO2浓度控制
系统启动，CO2传感开始工作，将温室的CO2浓度测量值参数传给PLC，由PLC将测量值与设定值进行比较，判断测量值是否等于设定值，如果等于，则保持室CO2浓度；如果测量值与设定值不等，在判断大于还是小于，当测量值大与设定值，则打开天窗，当小于设定值时，则打开CO2补气阀。

其工作流程图如图3.1.2e所示。

图3.1.2e CO2浓度控制子模块流程图。