潍坊科技学院
本科毕业设计(论文)
题目温室大棚智能通风系统设计
院（系）机械工程学院
专业机械设计制造及其自动化
学号 201110470112 学生姓名李勋辉
指导教师张学梦
起讫日期 2015.1—2015.6 设计地点潍坊科技学院
摘要
温室是现代农业发展发展的设施之一，温室大棚智能控制是实现管理自动化，智能化的基本保证。
随着科技的快速进步，发展现代农业，科技兴农是今后农业发展的主要趋向。
因而，促使现代农业迅猛发展，尤其是温室大棚的蓬勃成长起来，建设的规模也随之方兴未艾。
但同时方方面面也随之而来，比如如何有效对大棚进行管理，对温度湿度进行调节，给植物成长创造良好的室内环境。
由于受到地域，自然条件以及气温变化等诸多原因，对温室大棚进行正确设计建设就显得十分重要了。
对于通风系统的设计而言，关键在于能否实现实用廉价，方便菜农及时调控室内温度，在合适的时间有恰当的温湿度与之相配合，这样以便给植物创造一个良好生长环境。
同时节省了许多体力劳动和精力，实现大棚快速通风，以利于增加居民收入，改善生活水平。
关键词：温室大棚；温湿度；智能控制；电动机
Abstract
Greenhouse is one of the facilities for the development of modern agriculture development, greenhouse intelligent control is to realize the management automation, the basic guarantee of intelligence. With the rapid progress of science and technology, develop modern agriculture and scientific technology is the main trend in the development of agriculture in the future. Therefore, prompted the rapid development of modern agriculture, especially the vigorous growth of greenhouses, the scale of construction is beginning. All aspects but at the same time also followed, such as how to effectively manage the greenhouses, to adjust the temperature humidity, create a good indoor environment for plants to grow. Due to geographical, natural conditions and the temperature changes, and many other reasons, to correct greenhouses design construction is very important. For the design of the ventilation system, the key lies in the realization of practical cheap, convenient and vegetable farmers timely regulate indoor temperature, at the right time with the right temperature and humidity and cooperate, so for plant growth and create a good environment. Saves a lot of manual labor and energy at the same time, realizing the rapid and ventilated greenhouse, increasing household income, benefit to improve living standards.
Key words: Greenhouses; Temperature and humidity; Intelligent control; Motor
目录
1 前言 (1)
1.1 研究的目的及意义 (2)
1.2 国内外智能通风技术的研究现状 (2)
1.2.1 国外的研究现状 (2)
1.2.2 国内的研究现状 (3)
1.3 温室智能通风技术的发展趋势 (3)
1.4 研究的主要内容与技术路线 (4)
2 系统总体设计及主要元器件的选取 (7)
2.1 系统设计的原则 (7)
2.2 系统的总体功能 (7)
2.3 系统设计的整体思想 (8)
2.4 主要元器件的选取 (8)
2.4.1 温度传感器 (8)
2.4.2 湿度传感器 (8)
2.4.3 电动机的选取 (8)
3.1 电动机简介 (10)
3.1.1 三相异步电动机的基本结构 (10)
3.1.2电动机的分类 (10)
3.1.3 电动机不能起动及转速缓慢的原因 (11)
3.2 PLC的概述 (12)
3.3 PLC的基本结构 (13)
3.4 PLC的发展趋势 (14)
4 通风口结构的设计 (16)
4.1 开口设计要求 (16)
4.2 开窗系统 (17)
4.3 驱动系统 (17)
5 控制系统结构设计 (19)
5.1 电动机运行控制电路 (19)
5.2 PLC控制三相异步电动机正反转的梯形图 (20)
结论 (22)
谢辞 (23)
参考文献 (24)
1 前言
科技兴农是未来农业发展的必然趋势，从而促使了现代温室大棚的发展，同时，随着社会的进步，科技的日新月异，科技成果在各个领域的应用，自动化，智能化，是实现现代农业管理的必然选择。
因此，针对这种实际情况，设计温室大棚的智能控制系统，具有广泛现实意义与应用前景。
本设计是对于温室大棚智能通风系统设计，对于温室大棚，环境，尤其是温度，作为植物生长的关键因素，在很多时候，准确及时获得重要的有效信息是十分关键的。
直接影响植物的生长。
因此，调控好大棚室内的温度和湿度等外在环境状况，是大棚管理的根本所在。
随着大棚规模化的发展，传统的粗放型方式已难以适应现代农业的要求。
虽在大棚内装置检测器、通风、灌溉等设备，但大部分操作还得人工才能完成。
主要操作仍由人工来完成，操作人员劳动强度大，而且也很难达到对温度的有效控制。
在这样的背景下，设计温室温度及通风控制，尝试解决大棚内温度与通风的关系，实现室内气温自由流动的情况，降低劳动强度。
在设计中运用到温湿度传感器、控制系统、卷帘机等设备来完成设计，通过对传感器[1]测量结果与要求值比较，通过控制系统来调节室内的温度，从而使控制参数达到所需要求，同时不定时保持室内的气温温度。
随着现代农业技术的不断完善，人们对气温控制系统的要求越来越严格。
因此，今后现代农业的发展趋势就是要实现自动化，高精度，智能化。
1.1 研究的目的及意义
本课题的目的是根据传感器尤其是温度和湿度传感器的相关知识，根据温度测量与温度控制的相关理论知识及特性，调节温度、湿度等外在环境影响因素，从而给予农作物创造最佳的生长环境。
其中，温度是最重要的环境因数。
设计温室大棚的温度检测[2]及通风控制系统，从智能化运行的角度出发，分析讨论其产生故障的可能原因。
从控制系统的设计和通风口的设计入手，讨论如何使得系统的性能最大化，通过从温湿度传感器的选取，各种控制元器件的选取，设计能使气流自由流动的通风口，调节大棚室内的气温。
温室大棚的设计，受到地域环境等各个外在环境条件的影响，通风口位置的确定，电动机控制系统机构位置的确定都是设计的关键，根据大棚的建设规模大小，向阳程度，设计通风口的大小的位置。
控制部分通过对传感器采集数据的处理，转化为信号，由智能控制器做出判断，把信号转化为驱动力，驱动控制机构运行，控制通风口的张合，根据室内气温需要，适时调控室内气温，创造植物生长的外在环境，实现气流的随意流动。
智能通风系统的设计，节省了劳动强度，增加了居民收入，真正实现了现代农业的发展要求，科技应用于农业的程度越来越深，最终实现科技兴农。
1.2 国内外智能通风技术的研究现状
1.2.1 国外的研究现状
国外对通风系统的研究比较早，发展也相应的比较快，尤其在建筑通风方面，由简单的室内气温调节到对整个空气环境要求的综合改善。
刚发展之初，通风系统的设计很宽松，随着能源危机的爆发，一些公共建筑要求更合理，更实用的通风，以便改善室内的空气品质，从此以后开始重新修改风量标准，以便更好改善建筑的通风效果。
此后无论高层建筑还是一些底层住宅建筑，都采用机械通风设施，当前在美国，欧洲的一些国家建筑中大量采用
机械通风来改善空气环境的品质要求。
同时，随着材料技术的不断进步，对建筑规范的要求不断提高，节能技术应不断完善。
在通风的同时，维护建筑结构的性能也越来越好。
1.2.2 国内的研究现状
从上世纪50年代，我国对通风技术的研究是在国外技术的基础上发展起来的，取得主要成就有:（1）利用计算机分析复杂的通风系统，为更多领域内通风系统提供有效方法；（2）对通风口通风阻力进行了深入的研究的数字测定；（3）循环通风系统的影响，推动污染源控制技术和空气净化装置的发展；（4）研制出高效节能风机；（5）通风系统网络的节能技术不断完善；（6）计算机管理通风系统以及对风流调控技术不断成熟应用于各种通风。
1.3 温室智能通风技术的发展趋势
随之科技的日新月异，科技兴农将成为未来农业发展的主攻方向，温室大棚技术也将会朝着以下四个方面发展：
（1）智能控制。
温室系统由控制系统统一控制，实现智能控制的要求，要实现智能化，因而对不确定因素的影响，外在环境的变化，都应有极强的应变能力，实现高性能，全方位控制，效率高等一系列要求都会在未来的智能控制中很好实现。
（2）容易操作。
当前，对温室技术还处于低级阶段，大多数操作都需要人工来实现，再加上农民自身对技术没有很好掌握，因此对技术的越来越容易为设计目标，使实用性更强，不管是技术人员还是农民，都能很好对温室大棚进行有效管理，真正实现科技兴农的总目标，增加居民收入。
（3）节能环保。
科技的进步，材料技术的不断完善，使得通风系统的设计更加节能高效，以最小的投入取得最大的经济效益。
（4）实用性强。
温室的内外在环境都很复杂，因而未来大棚的设计必将以实用性为主要的趋势，设计研发可靠，性能好的温室智能控制系统具有深远意义，也极具现代农业发展得实用价值。
1.4 研究的主要内容与技术路线
1.4.1研究的主要内容
（1）控制系统设计
对于大棚要实现智能通风，首先需要检测[3]棚内温度的高低和湿度的大小及其他信息，通过传感器得到数据结果，PLC控制系统通过分析及处理数据，将根据所需要求传至智能控制系统，控制通风口的开合度，通风口的开合程度由PLC控制器控制它的大小。
这一整套自动化，智能化系统设计，实现室内温度、通风口大小的调节与生物成长所需的外在环境良性互动。
控制系统的流程图如下:
图1.1 控制系统流程图
（2）通风口设计
通风口的设计一般布置于大棚顶部，大小设计在30cm左右，由PLC自动控制的电动机正反转来决定风口的开合。
由传感器检测到的温湿度数据，经对所需环境的分析处理，智能控制器利用驱动执行机构的动作，实现通风口精确定位的功能。
通过温湿度传感器数值的收集，智能控制器分析处理后，由控制部分来实现通风，驱动执行机构完成通风口的张合工作，根据室内气温的需要，适时调节气流的大小流动。
智能控制系统接受不同的传感器检测结果，自动的调节风口的开度，以利于植物生长所需的外在环境，最终实现效益的最大化。
通风口设计图:
图1.2 通风口设计图
1.4.2 技术路线
图1.3 PLC控制技术路线
2 系统总体设计及主要元器件的选取
对于任何一个系统自身而言，要实现整体功能的最大化，必须以系统设计的完整性，全面性，灵活性为前提的。
而要实现设计的各个方面要求，对元器件的选取要求也要相应的提升，主要元器件性能，质量好坏，对于数据，信号的处理能力等都直接影响到系统整体的功能实现。
因此，要实现系统控制的最大化，选用优良的元器件至关重要，下面对总体设计和主要器件的选择作说明。
2.1 系统设计的原则
实现温室控制的智能化，自动化，必须以实现设计好原则为依据，在系统设计中，按照实用性强，不复杂，容易操作，花费不高的原则设计，最终的目的就是要实现整体功能的最大化，效益的最大化，真正实现科技兴农的总体要求。
2.2 系统的总体功能
（1）检测温室环境：由检测[4]到的各种参数，适时对采集的数据进行分析处理，这一切收集过程全部由传感器来工作实现，最后将分析的信号信息传至驱动系统，驱动执行机构完成工作。
（2）数据存储：由PLC对温湿度传感器数据的处理和保存，实现储存功能，并将数据定时输送到电动机，根据室内所需温度驱动执行机构完成工作。
（3）控制通风：这需要各个器件的良性互动才能实现整体性能，由电动机的正反转拉动绳索，控制通风口的张合。
2.3 系统设计的整体思想
对于一个系统而言，硬软件的作用都不容小视，要实现各个既定的功能，完善的硬软件设施是关键。
除了有硬件做保证以外，还得有设计完整的软件相互支持，尤其是在科技日新月异的今天更是如此。
有好多硬件要完成的工作，只要软件来代替，就会变得十分容易。
有些很复杂的需要硬件完成的任务，只需软件变成，就会轻而易举完成工作。
在使用软件的前提，就是对硬件有一个大体的掌握，一定要知道它的组成，信号的相互转化，数据的处理与传送，最终实现PLC控制电机的正反转来实现通风口的开合程度。
本系统[5]设计就是对智能控制器的设计，将温湿度传送过来的数据加工处理，在原先设定的限值内，实现大棚室内与室外的良性互动。
2.4 主要元器件的选取
2.4.1 温度传感器
对温度传感器时，要求灵敏度高，实用可靠，价廉，能将检测到的温度参数转化为信号，通过信号进而控制通风口的张合程度，同时要使温度设置在特定的范围内。
2.4.2 湿度传感器
湿度传感器可以分为空气湿度和土壤湿度。
根据大棚最湿度要求，设置控制点，将检测到的湿度数值及时传送到PLC控制器。
2.4.3 电动机的选取
电动机铭牌一般安装于电动机机座上，标有该机的性能指标[6]和技术数据。
图2.1 电动机
表2.1
3电动机及PLC简介
3.1 电动机简介
电动机是把电能转化为机械能的一种设备。
它是利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。
电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机。
电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向和磁感线方向有关。
电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。
3.1.1 三相异步电动机的基本结构
三相异步电动机的结构[7]，由定子，转子和其它附件组成。
定子，也称为静止部分，由定子铁心，定子绕组和机座组成。
定子铁心的作用是电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。
定子铁心的槽型由三种:分别为半闭口型槽，半开口型槽和开口型槽。
定子绕组的作用是它是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。
内部的构造以对称排列的结构，绕组相同连接组成，各个绕组线圈按一定规律分别布置于定子各槽内。
定子绕组的主要绝缘项目有三种;对地绝缘，相间绝缘，匝间绝缘。
机座的作用是固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护，散热等作用。
而转子，也称为旋转部分，主要由三相异步电动机的转子铁心，转子绕组组成，转子铁心的作用是作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组，转子绕组的作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。
三相异步电动机的其它附件有端盖，轴承，轴承端盖及风扇。
3.1.2电动机的分类
1.按工作电源分类
可分为直流电动机和交流电动机，其中交流电动机可以分为单相电动机和三相电动机。
2.按结构以及工作原理分类
按结构[8]及原理可以分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。
其中同步电动机可以分为永磁同步电动机，磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。
异步电动机可以分为感应电动机和交流换向器电动机。
感应电动机可以分为三相异步电动机等。
3.按起动与运行方式分类
电动机可分为电容起动式单相异步电动机，电容运转式单相异步电动机，电容起动运转式单相异步电动机和分项式单相异步电动机。
4.按转子的结构分类
可以分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。
5.按防护型分类
可分为开启式，封闭式，网罩式，防滴式和防溅式。
3.1.3 电动机不能起动及转速缓慢的原因
不能正常启动的原因有定子或者转子绕组断路，定子绕组接地，定子绕组接线错误，电源未接通，熔丝熔断，转子铜条松动，老式起动开关缺油，轴承损坏，过电流继电器调的太小，原因很多，应该根据实际情况及症状作详细分析，仔细检查，不能搞强行多次起动。
在电动机负载运行时转速缓慢的原因有电源电压过低，线圈或者线圈组有接反处，绕线式转子一相断路，绕线式转子[9]电动机起动变阻器接触不良，电刷与滑环接触不良。
有时也会出现电动机声音不正常的现象，主要的原因有转子风叶碰壳，轴承缺油，定子与转子相擦，转子擦绝缘纸，电动机内有杂质。
对于电动机运转时出现的振动过大的问题，主要的原因有转子不平衡，带轮不平衡或者轴伸弯曲，电动机与负载线不对齐，电动机安装不妥，负载突然过重等原因，处理的方法有校正平衡，检查并校正，检查安装情况以及底脚螺丝，减轻负载，检查调整机组的轴线。
如果出现电动机外壳带电的情况，可能出现的原因有接地不
良或者接地电阻太大，电动机绕组受潮，绝缘损坏，引线碰壳，应该处理的方法有按规定接好底线，排除接地不良的故障，进行烘干处理，修补绝缘，重接地线。
3.2 PLC的概述
PLC,又称为可编程逻辑控制器，它是一种采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或者模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器（Programmable Controller)隶属于计算机行列，它是为了工业控制应用而设计生产制造的。
早期被人们称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller),简称为PLC，重点用于取代继电器[10]进行逻辑控制。
由于科学技术的发展，其功能远远跨出了逻辑控制的领域。
因此，现在我们就把这种设备称为可编逻辑控制器，开始简称做PC。
但因为不能把它与个人计算机(Personal Computer)的简称相一致，因此就叫它PLC。
20世纪60年代，美国著名的数字设备公司（DEC)成功设计出世界上第一台可编程序控制器，也就是PLC,还在通用标准装配流水线上使用，结果实现了生产速度的提升。
这种新型的工业控制装置以其简明易懂、理解操作容易、应用广泛灵活、体积较小、可行性较高、使用寿命较长等一系列优点，迅速被美国其他领域推广应用。
到70年代，它就在纺织、造纸、食品、矿产等轻重工业上应用了，而且效果非常好。
而且这种最新的工业控制装置的涌现，其他的国家同样热烈欢迎。
70年代初日本就从通用公司引入了该种技术和设备，经过创新后成功生产了他们的第一台PLC设备；同一时间，欧洲的发达国家也成功生产出了他们的PLC设备；我国也不甘落后从20世纪70年代中期开始研发，几年后就用到了工业控制上。
可编程控制器的发展得到了我国政府工商业部门的极大关注，在当时的机械部门的直接引领下，在20世纪90年代初成立了PLC[11]发展行业协会，这个协会在机械电子工业部和机械电子企业之间架起了一座长长的桥梁，为政府和企业作出各自的决策
提供了重要依据。
同时PLC标准化工作也得到了机械电子工业部和很多企业极大的重视，在1993年成立的PLC标准化技术委员会，为我国PLC行业迈向世界市场提供了坚强的后盾。
3.3 PLC的基本结构
以下介绍PLC各重要成分及其功能。
1.硬件组成
（1）中央处理单元（CPU）
可编程控制器的CPU经常采用通用微型的处理器。
与一般的计算机同样，中央处理器是该设备的控制核心，它的功能来自于预先设定好的设备的系统程序，并指挥着设备进行高效安全的工作。
中央处理器的处理能力对于PLC的处理能力与速度有很大影响，若中央处理器位数越高，那么它的运算速度也会越快。
（2）存储器
PLC所使用的物理存储器与一般计算机的存储器几乎相同。
有RAM、ROM和可电擦除可编程只读存储器等。
（3）输入寄存器
输入寄存器的寻址方式是按位寻址，每一个位只对应着一个开关量。
中央处理器可以读出它的数值，但不能进行写，也不能进行修改。
（4）输出寄存器
此设备的每一个位都指示了PLC设备在第二个时间段的所输出的内容，但刚开始执行程序的时候寄存器的内容，指示的是上一个时间段真实输出的内容。
当本程序被执行完后，寄存器的内容才对下一个段的输出有影响。
（5）输入输出电路（I/O电路）
输入电路（I）：对受控方面进行检验测试、采集、转发和输入。
输出电路（O）：接收设备输出那部分信号，对受控方面进行实时操控。
（6）其他接口单元
其它接口单元用于提供PLC与其它设备（如编程器、可编程终端、打印机和条码读入机）和模块进行连接通信的物理条件。
2.软件组成
（1）系统软件
设备生产商把它镶嵌在设备之内，用于操控设备的运行。
它包括系统的管理程序（操控设备的工作）、客户指令翻译程序（把PLC梯形图语言一步一步译为所需要的机器语言指令）和标配程序单元与系统调用（有很多独立的模块构成，各模块功能、性能都不尽相同，有些专门负责输入输出处理，有些则是负责特殊运算等。
）。
（2）用户程序
由用户自己编写输入，达到为用户服务的目的。
3.4 PLC的发展趋势
从目前的局势来看，PLC朝智能化、细微化、个性化和开放性方向发展的趋势似乎不可阻挡。
长时间以来，可编程控制器都处在工业控制自动化这个领域的主要位置，可以为很多种要求自动化控制的机械电子设备提供较为理想的控制方案。
同期，PLC与已牢固占据一定市场份额的DCS和PC产品形成了鼎足之势。
但是，PLC的发展也受到了其他机电产业的冲击，而PC造成的影响最为严重。
现在，全球有300多家可编程控制器生产厂商，可生产多达300多种产品。
而国内的PLC市场仍然充斥着大量外国产品，如西门子、三菱、的产品。
即使经过了多年的发展，国内设备生产商也只有三十多家，而且各自都没有形成大的生产力，也没有联合形成产业集群效应，更没有国际名牌，这就是说我国的PLC行业远没有达到产业化的程度。
但是，在应用方面，我国却是非常活跃。
据有关专家统计，2010年国内市场销量为40万套，约70亿人民币。
预计到2015年会达到60万套，约100亿人民币。
虽然08年以后全球经济有所失调，但PLC市场却即将回暖，并将开始微量增长。
目前，在设备的过程控制领域最有前途的发展方向之一便是ether net 接口技术的发展，可编程控制器当然也没有例外。
现在，很多设备生产厂商
都提供ether net接口技术。
我们能够认为，可编程控制器的控制技术将会向更加开放更加智能型系统转移，甚至是在PC占主导地位的某些工业控制领域。
20世纪末以来，PLC的发展方向始终面向工业控制。
尤其在进入21世纪以后，PLC的发展将更加适合于工业控制。
在技术上，运算速度较快、存储容量较大、更加智能化的产品纷纷出现；在产品规模上，出现了极大型和细微型两个极端；在与其他产品的配套性上，变得更加丰富多样，其特点适应了各种工业场合的需要；在设计生产制造上，全球的技术分工更加明确。
现阶段PLC产品大多配置32位和64位微型处理器以及高级智能CPU，有的PLC还装备多个微型处理器，可进行多种渠道的同步处理。
同时，由于制造了很多含微型处理器的智能化模板，让最新生产的PLC[12]设备具备了许多全新的功能，如逻辑控制、过程控制、联网通信等。
现阶段PLC还增加了很多通讯接口，而且配置有完整的通讯网络。
而且计算机网络技术越是飞速向前发展，PLC就越会成为实施自动化控制和连接国际通用网络的关键成分，这样它就会在无论是工业还是非工业的控制领域发挥愈来愈关键的作用。
目前虽然我国在这方面的投入与其他国家相比不算多，但是随着我国改革开放和现代化技术的深入发展，PLC的应用将会越来越广泛。
