profibus现场总线的蔬菜大棚环境监控系统
研究基于PROFIBUS现场总线的蔬菜大棚环境监控系统，首先由传感器和变送器完成对环境因素信息的采集和传送，再由变送器完成数据的转换，将转换的信息传送到S7-300可编程控制器，最后由PID 控制来判断相应的设备是否需要动作，在设备动作前后，蔬菜大棚中环境因素的变化都通过上位机PC的WINCC组态画面显示，从而实现对蔬菜大棚环境的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度进行检测和控制。本设计通过自动检测和自动控制系统对温室大棚内的各环境因素起到有效的控制来提高温室大棚环境条件的控制精度和效果，不仅为将来工业自动化在温室中运用奠定了基础，而且对我国温室的发展有着非常重要的意义。
关键词 蔬菜大棚，PLC，PID，变送器
目录
1 绪论 1
1.1 本课题的意义及研究背景 1
1.2 国内外温室发展概况 1
2 总体设计方案 2
2.1 总体结构设计 2
2.2 控制子系统设计 2
2.3 数据采集 3
2.3.1 变送器的选择 3
2.3.2 数字量与模拟量的相互转换 5
2.3.3 变送器与PLC的连接 5
2.4 数据处理和显示 6
3 PROFIBUS-DP现场总线运用 7
3.1 对PROFIBUS现场总线的综述 7
3.2 PROFIBUS-DP现场总线 7
4 S7-300PLC 8
4.1 S7-300PLC的概述 8
4.2 S7-300硬件配置 8
4.3 系统硬件组态 9
5 WinCC的运用 12
5.1 WinCC的概述 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
5.2 WinCC与S7-300PLC的连接 13
5.3 WinCC图形编辑及设置 16
5.3.2 设备的手动控制与状态 17
5.3.3 环境参数实时曲线 18
5.3.4 环境参数数据整定 19
5.4 本章小结 20
6 FB41的调用 20
6.1 PID控制 20
6.1.1 PID的概述 20
6.1.2 PID的控制算法 21
6.2 PID调控总体思想 22
6.2.1 变频器 23
6.2.2 信号变化 24
6.3 FB41的概述 26
6.3.1 FB41运用 27
6.4 本章小结 29
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 绪论
随着农业的发展，温室的结构和功能更加先进，结构越来越科学，内部设施更加完善。温室可以被认为是一个受不同的气候变量影响的封闭系统，它可以通过调节来保证托管作物的最佳发展。本文研究的是智能化温室，根据其栽培生产的特性，设计基于PROFIBUS现场总线思想的蔬菜大棚环境监控系统，能够很好的满足现今条件下温室环境控制的需求。
1.1 本课题的意义及研究背景
从古至今农业在我国一直有着举足轻重的地位，随着社会的进步和人们的生活水平的提高，人们对农作物的生命周期、品种都有了更高的要求，像四季能吃到绿色蔬菜或者买到想要的不同品种鲜花。随着反季节蔬菜的需求量的增长,温室大棚的数量要求也就随之增加。温室大棚为反季节蔬菜供应适合的环境,在反季节蔬菜的生长中温湿度掌控是非常重要技术指标[1]。怎样提供适合的温湿度环境,是实现产业化的关键环节。生产的原始传统的方式是在温室内悬挂温度计，根据人工检测手动操作的值，调节温室的温度和湿度，是基于人工经验来判断是否需要浇水，这类靠人工来实现温室大棚温湿度掌控的农作形式,已经满足不了农业的产业化和规模化的生产要求。温室环境的现状，对农业经济的运营商和实际需求的特定参考，根据温度和湿度的不同植物生长期的不同要求，有必要开发一种经济性价比高并且适于我国特点的全自动温室大棚系统。
1.2 国内外温室发展概况
美国加州的Farhort植物实验室建造于1949年，是世界上首个百分百由人工来控制环境条件的温室，并且在其之上对有农作物在内的多种植物开展了其对环境的适应性与抵抗能力的基本研究。1953年，当时第一大的人工日光温室由荷兰建成[1]。1965年左右，计算机不断更新改善，许多温室发展领先的国家渐渐开始使用微型计算机来监控温室，并对其使用于农业生产方面进行了多种尝试[2]。80年代，数字式单元组合仪表被大部分温室使用，模拟式仪表被逐渐遗忘。现今，荷兰、美国等国家可以根据温室中植物的需要与特性，自动调控温室内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等因素。部分温室发展领先的国家使用人工补光，全程由计算机监控和机器自动完成播种、护理、收取等多项先进科技建造了当今世上最为先进的全封闭式植物工厂。
相对其他国家，中国温室设计开发开始较晚。1970年后，政府开始发展设施农业，农业经济得到发展，不同季节蔬菜供应的问题得到缓解。此时，计算机开始被使用在农业上，但还只在数据统计与计算分析方面。近十年后，温室监控方面才开始使用计算机。上个世纪末期，我国引进了部分温室发展领先国家的现代化温室。但是，国内温室引进存在许多问题，不符合我国国情，管理落后等。在过去的问题和失败的激励下，国内温室走出了一条不同的道路，学习从领先国家引进的温室，开始研究设计属于自己国家的温室。从上世纪90年代到现今，国内很多大学、研究所等在温室研究与自主开发技术方面都有了不同的成果，国内温室逐步走上正轨。总而言之，我国温室控制系统的使用与研发正处于过渡阶段。
2 总体设计方案
2.1 总体结构设计
为了设计的方便，研究基于PROFIBUS现场总线的蔬菜大棚环境监控系统，
使用主从站同时控制多个蔬菜大棚，以控制三个大棚为例，如图2.1。
图2.1 监控系统框图
2.2 控制子系统设计
如图2.2蔬菜大棚室内的各因素传感器对因素进行监测，将检测的结果传输给PLC系统，PLC系统对室内和室外的各相同因素进行比较，驱动执行部分做出必要的动作。
图2.2 控制单元子系统组成图
温度控制
植物生长的温度需要控制在一个范围以内，虽然植物在最适宜温度时候生长的很快，但是往往会由于消耗太多的有机物，会出现长得细长现象。控制系统要将植物生长的温度控制略低于植物最适宜温度。主要靠加热箱和风机对温度进行控制。温度太低时，PLC系统打开加热箱来升高温度，避免植物受冻。当温度太高时，就打开天窗和风机实现降温。如果检测的温度在适宜，就保持现状。
湿度控制
空气的湿度太大会造成病虫害，但是要保证空气湿度低的同时要有充足的水分有土壤供给植物。湿度的控制主要靠喷淋的开关。湿度太低时，PLC系统就打开喷淋系统，增高蔬菜大棚中湿度量，给植物增补水份，减少作物生长受到干燥的影响。当湿度太高时，就关闭喷淋系统，减少湿度。如果检测的湿度适宜，将保持现状。
工作电源
DC12或DC24V,电流<30mA
工作面积
10～20平方米，安装在空气流通处
3.2 PROFIBUS-DP现场总线
1 绪论 1
1.1 本课题的意义及研究背景 1
1.2 国内外温室发展概况 1
2 总体设计方案 2
2.1 总体结构设计 2
2.2 控制子系统设计 2
2.3 数据采集 3
2.3.1 变送器的选择 3
2.3.2 数字量与模拟量的相互转换 5
2.3.3 变送器与PLC的连接 5
2.4 数据处理和显示 6
3 PROFIBUS-DP现场总线运用 7
3.1 对PROFIBUS现场总线的综述 7
3.2 PROFIBUS-DP现场总线 7
4 S7-300PLC 8
4.1 S7-300PLC的概述 8
4.2 S7-300硬件配置 8
4.3 系统硬件组态 9
5 WinCC的运用 12
5.1 WinCC的概述 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
5.2 WinCC与S7-300PLC的连接 13
5.3 WinCC图形编辑及设置 16
5.3.2 设备的手动控制与状态 17
5.3.3 环境参数实时曲线 18
5.3.4 环境参数数据整定 19
5.4 本章小结 20
6 FB41的调用 20
6.1 PID控制 20
6.1.1 PID的概述 20
6.1.2 PID的控制算法 21
6.2 PID调控总体思想 22
6.2.1 变频器 23
6.2.2 信号变化 24
6.3 FB41的概述 26
6.3.1 FB41运用 27
6.4 本章小结 29
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 绪论
随着农业的发展，温室的结构和功能更加先进，结构越来越科学，内部设施更加完善。温室可以被认为是一个受不同的气候变量影响的封闭系统，它可以通过调节来保证托管作物的最佳发展。本文研究的是智能化温室，根据其栽培生产的特性，设计基于PROFIBUS现场总线思想的蔬菜大棚环境监控系统，能够很好的满足现今条件下温室环境控制的需求。
1.1 本课题的意义及研究背景
从古至今农业在我国一直有着举足轻重的地位，随着社会的进步和人们的生活水平的提高，人们对农作物的生命周期、品种都有了更高的要求，像四季能吃到绿色蔬菜或者买到想要的不同品种鲜花。随着反季节蔬菜的需求量的增长,温室大棚的数量要求也就随之增加。温室大棚为反季节蔬菜供应适合的环境,在反季节蔬菜的生长中温湿度掌控是非常重要技术指标[1]。怎样提供适合的温湿度环境,是实现产业化的关键环节。生产的原始传统的方式是在温室内悬挂温度计，根据人工检测手动操作的值，调节温室的温度和湿度，是基于人工经验来判断是否需要浇水，这类靠人工来实现温室大棚温湿度掌控的农作形式,已经满足不了农业的产业化和规模化的生产要求。温室环境的现状，对农业经济的运营商和实际需求的特定参考，根据温度和湿度的不同植物生长期的不同要求，有必要开发一种经济性价比高并且适于我国特点的全自动温室大棚系统。
1.2 国内外温室发展概况
美国加州的Farhort植物实验室建造于1949年，是世界上首个百分百由人工来控制环境条件的温室，并且在其之上对有农作物在内的多种植物开展了其对环境的适应性与抵抗能力的基本研究。1953年，当时第一大的人工日光温室由荷兰建成[1]。1965年左右，计算机不断更新改善，许多温室发展领先的国家渐渐开始使用微型计算机来监控温室，并对其使用于农业生产方面进行了多种尝试[2]。80年代，数字式单元组合仪表被大部分温室使用，模拟式仪表被逐渐遗忘。现今，荷兰、美国等国家可以根据温室中植物的需要与特性，自动调控温室内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等因素。部分温室发展领先的国家使用人工补光，全程由计算机监控和机器自动完成播种、护理、收取等多项先进科技建造了当今世上最为先进的全封闭式植物工厂。
相对其他国家，中国温室设计开发开始较晚。1970年后，政府开始发展设施农业，农业经济得到发展，不同季节蔬菜供应的问题得到缓解。此时，计算机开始被使用在农业上，但还只在数据统计与计算分析方面。近十年后，温室监控方面才开始使用计算机。上个世纪末期，我国引进了部分温室发展领先国家的现代化温室。但是，国内温室引进存在许多问题，不符合我国国情，管理落后等。在过去的问题和失败的激励下，国内温室走出了一条不同的道路，学习从领先国家引进的温室，开始研究设计属于自己国家的温室。从上世纪90年代到现今，国内很多大学、研究所等在温室研究与自主开发技术方面都有了不同的成果，国内温室逐步走上正轨。总而言之，我国温室控制系统的使用与研发正处于过渡阶段。
2 总体设计方案
2.1 总体结构设计
为了设计的方便，研究基于PROFIBUS现场总线的蔬菜大棚环境监控系统，
使用主从站同时控制多个蔬菜大棚，以控制三个大棚为例，如图2.1。
图2.1 监控系统框图
2.2 控制子系统设计
如图2.2蔬菜大棚室内的各因素传感器对因素进行监测，将检测的结果传输给PLC系统，PLC系统对室内和室外的各相同因素进行比较，驱动执行部分做出必要的动作。
图2.2 控制单元子系统组成图
温度控制
植物生长的温度需要控制在一个范围以内，虽然植物在最适宜温度时候生长的很快，但是往往会由于消耗太多的有机物，会出现长得细长现象。控制系统要将植物生长的温度控制略低于植物最适宜温度。主要靠加热箱和风机对温度进行控制。温度太低时，PLC系统打开加热箱来升高温度，避免植物受冻。当温度太高时，就打开天窗和风机实现降温。如果检测的温度在适宜，就保持现状。
湿度控制
空气的湿度太大会造成病虫害，但是要保证空气湿度低的同时要有充足的水分有土壤供给植物。湿度的控制主要靠喷淋的开关。湿度太低时，PLC系统就打开喷淋系统，增高蔬菜大棚中湿度量，给植物增补水份，减少作物生长受到干燥的影响。当湿度太高时，就关闭喷淋系统，减少湿度。如果检测的湿度适宜，将保持现状。
工作电源
DC12或DC24V,电流<30mA
工作面积
10～20平方米，安装在空气流通处
3.2 PROFIBUS-DP现场总线
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