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溫室大棚溫度 PLC 控制系統(tǒng)設計 摘 要 溫室 是用來栽培植物的設施 它能改變植物的生長環(huán)境 避免外界 四季變化和惡劣氣候對作物生長的不利影響 為植物生長創(chuàng)造適宜的條 件 隨著科學技術的迅速發(fā)展 農業(yè)應用技術越來越受到重視 特別是 溫室大棚已經成為高效農業(yè)的一個重要組成部分 如何利用科學技術有 效地控制溫室內的各種環(huán)境因數 以提高溫室大棚環(huán)境的控制效果 已 成為目前我國溫室業(yè)研究的重點課題之一 這對我國溫室產業(yè)的發(fā)展有 著不可估量的重要意義 本文主要介紹了基于西門子公司 S7 200 系列的可編程控制器 PLC 和 MCGS 組態(tài)軟件的溫室大棚溫度 PLC 控制系統(tǒng)設計方案 該研究中 將采用溫度傳感器 光照傳感器 CO2 濃度傳感器對溫室中 各項環(huán)境指標進行檢測 并將測量值送入 PLC 中 由 PLC 將其與設定 值進行比較 再發(fā)出相應的指令驅動執(zhí)行設備來調節(jié)溫室內的環(huán)境參數 從而實現溫室的智能化 自動化控制 在此基礎上 采用 MCGS 組態(tài)軟 件完成了控制系統(tǒng)的組態(tài)設計 實現了動態(tài)演示 過程監(jiān)測 數據記錄 曲線顯示等功能 從而實現了控制系統(tǒng)操作的人性化和過程的可視化 為溫室大棚的發(fā)展提供了新的方向 關鍵詞 溫室 環(huán)境 控制 可編程控制器 組態(tài) 目 錄 摘 要 2 第一章 緒論 1 1 1 課題概述 1 1 2 國內外研究現狀 2 1 3 研究內容 4 第二章 PLC 概述 6 2 1 PLC 簡介 6 2 2 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本原則及步驟 10 第三章 控制系統(tǒng)的總體設計方案 13 3 1 系統(tǒng)的設計任務 13 3 2 系統(tǒng)的控制方案 13 3 3 系統(tǒng)的工作原理 14 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設計 15 4 1 電氣控制系統(tǒng)設計 15 4 2 PLC 硬件電路的設計 19 4 3 PLC 的硬件配置 21 第五章 控制系統(tǒng)的軟件設計 26 5 1 PLC 程序設計的方法 26 5 2 編程軟件 STEP 7 Micro WIN 概述 26 5 3 控制系統(tǒng)的程序設計 27 5 4 控制程序的仿真與調試 34 第六章 組態(tài)畫面的設計方案 36 6 1 組態(tài)軟件概述 36 6 2 溫室大棚控制系統(tǒng)的組態(tài)設計 38 結論 45 致謝 47 參考文獻 48 0 第一章 緒論 1 1 課題概述 1 1 1 課題簡介 溫室又稱暖房 是用來栽培植物的設施 溫室的作用是用來改變植物的生長環(huán) 境 避免外界四季變化和惡劣氣候對作物生長的不利影響 為植物生長創(chuàng)造適宜的條 件 溫室環(huán)境指的是作物在地面上的生長空間 它是由光照 溫度 濕度 二氧化 碳濃度等因素構成的 溫室控制主要是通過控制溫室內的溫度 濕度 通風與光照 使得它可以在冬季或其他不適宜植物露地生長的季節(jié)栽培植物 從而達到對農作物 調節(jié)產期 促進生長發(fā)育 防治病蟲害及提高產量的目的 現代化溫室中具有控制 溫濕度 光照等條件的設備 并采用電腦進行自動控制 以此創(chuàng)造植物生長所需的 最佳環(huán)境條件 1 1 2 研究目的及意義 我國的設施園藝絕大部分用于蔬菜生產 80 年代以來 溫室 大棚蔬菜的種植 面積連年增加 目前的栽培設施中 有國家標準的裝配式鋼管塑料大棚和玻璃溫室 僅占設施栽培面積的少部分 大多數的農村仍然采用自行建造的簡單低廉的竹木大 小棚 只能起到一定的保溫作用 根本談不上對溫光水氣養(yǎng)分等環(huán)境條件的調控 抗自然環(huán)境的能力極差 即使那些數量不多的裝配式塑料大棚和玻璃溫室也缺乏配 套的調控設備和儀器 僅僅依靠經驗和單因子定性調控 所以 我國設施栽培的智 能化程度非常低 除此之外 我國設施農業(yè)目前還存在著諸如土地利用率低 盲目 引進溫室 設施結構不合理 能源浪費嚴重 運營管理費用高 管理技術水平低 勞動生產率低及單位面積產量低等諸多問題 中國農業(yè)想要發(fā)展 就必須走現代化農業(yè)這條道路 隨著國民經濟的迅速發(fā)展 農業(yè)的研究和應用技術越來越受到重視 特別是溫室大棚已經成為高效農業(yè)的一個 重要組成部分 現代化農業(yè)生產中的重要一環(huán)就是對農業(yè)生產環(huán)境的一些重要參數 進行檢測和控制 在實際的農業(yè)種植中 溫室環(huán)境與生物的生長 發(fā)育 能量交換 等有著密切的關系 作為實現溫室生產管理自動化 科學化的基本保證 環(huán)境測控 1 可通過對監(jiān)測數據的分析 并結合作物生長發(fā)育規(guī)律 從而控制環(huán)境條件 使作物 達到優(yōu)質 高產 高效的栽培目的 實際上生產生活中 以蔬菜大棚為代表的現代 農業(yè)設施在現代化農業(yè)生產中發(fā)揮著巨大的作用 目前 雖然國外的溫室設施己經發(fā)展到比較完備的程度 并形成了一定的標準 但是價格非常昂貴 缺乏與我國氣候特點相適應的測控軟件 而當今國內大多數對 大棚溫度 濕度 二氧化碳含量的檢測與控制都采用人工管理 這樣不可避免的有 測控精度低 勞動強度大及由于測控不及時等弊端 容易造成不可彌補的損失 結 果不但大大增加了成本 浪費了人力資源 而且很難達到預期的效果 因此 為了 實現高效農業(yè)生產的科學化并提高農業(yè)研究的準確性 推動我國農業(yè)的發(fā)展 必須 大力發(fā)展農業(yè)設施與相應的農業(yè)工程 科學合理地調節(jié)大棚內溫度 濕度以及二氧 化碳的含量 使大棚內形成有利于蔬菜 水果生長的環(huán)境 現階段隨著蔬菜大棚的迅速增多 人們對其性能要求也越來越高 特別是為了 提高生產效率 對大棚的自動化程度要求也越來越高 隨著社會的進步和科學的發(fā) 展 我國設施農業(yè)將向著地域化 節(jié)能化 專業(yè)化發(fā)展 向著高科技 自動化 機 械化 規(guī)?；?產業(yè)化的工廠型農業(yè)發(fā)展 為社會提供更加豐富的無污染 安全 優(yōu)質的綠色健康食品 所以 進行溫室大棚溫度 PLC 控制系統(tǒng)的研究設計具有重要 的現實意義 本課題通過對 PLC 可編程控制器 組態(tài)軟件 傳感器 數據采集系統(tǒng) 的學習與研究 完成了利用西門子 PLC 與 PC 機構組成溫室大棚溫度監(jiān)控系統(tǒng) 1 2 國內外研究現狀 1 2 1 國內研究現狀 我國現代溫室技術起步較晚 80 年代以來 政府大力發(fā)展以塑料大棚 節(jié)能日 光溫室為主的設施農業(yè) 促進了農村經濟的發(fā)展和緩和了蔬菜季節(jié)性短缺矛盾 其 中能充分利用太陽光熱資源 節(jié)約燃煤 減少環(huán)境污染的日光溫室為我國所特有 1997 年我國日光溫室面積已超過近 16 7 萬公頃 由農業(yè)部聯合有關部門試驗推廣的 新一代節(jié)能型日光溫室 每年每畝可節(jié)約燃煤約 20 噸 隨后 以單層薄膜或雙層沖氣 薄膜 PC 板 玻璃為覆蓋材料的大型現代化連棟溫室 以其土地利用率高 環(huán)境控 制自動化程度高和便于機械化操作等優(yōu)點 自 1995 年以來 便呈現出迅猛的發(fā)展之 勢 目前全國共有大型溫室面積 200 公頃 其中自日本 荷蘭 以色列 美國等國 家引進的溫室面積達 140 公頃 最初 我國的現代溫室技術主要從國外引進 然而 2 近幾年從國外引進的溫室大部分經營虧損 目前已處于停產狀態(tài)或僅僅利用其玻璃 的外殼 隨著溫室面積的不斷增加 溫室建造的國產化問題越來越引起人們的重視 目前 現代化大型溫室的骨架和覆蓋材料國產化已經基本不成問題 但其內部的配 套設施和計算機管理系統(tǒng)等現代化管理方法與先進國家相比還有較大的差距 是今 后要著力解決的問題 在溫室環(huán)境自動監(jiān)控中 各環(huán)境參數分別由各自的閉環(huán)系統(tǒng) 控制 但由于這些受控參數常常相互影響 如光照增加 室溫相應增加 溫度的升 高 又造成溫室相對濕度降低 同時各系統(tǒng)間并不完全獨立 回路間相互耦合時可 能導致系統(tǒng)不穩(wěn)而失控 這里可采用模糊控制方法 可較好地解決環(huán)境參數之間的 相互影響 另外 以前在監(jiān)控系統(tǒng)的研制開發(fā)中 主要針對環(huán)境 而很少考慮農業(yè) 生產過程中的生物因素 沒有農業(yè)專家的合作參與 很難對系統(tǒng)正確定位 其適應 性也差 所以 將農業(yè)學科與工程學科結合起來 對果蔬生長的環(huán)境參數進行優(yōu)化 設計 對于開發(fā)經濟有效的溫室監(jiān)控軟件系統(tǒng)是非常重要的 近年來我國的溫室控制取得了長足的進步 首先在溫室群控制方面 進行了初 步的探索和理論研究 其次在溫室控制中引入了人工智能和先進的控制算法 如專 家系統(tǒng) 遺傳算法 模糊控制等理論和控制策略 當前溫室控制系統(tǒng)研究熱點己由 簡單的 DDC 直接數字控制 發(fā)展到分布式控制系統(tǒng) 如 DCS 分布式控制 FCS 柔 性控制 等網絡化的控制系統(tǒng) 目前 在相關行業(yè)己經有網絡化測量和控制方面的研 究 實現網絡化 分布式數據采集系統(tǒng)取代傳統(tǒng)孤立的 信息閉塞的系統(tǒng) 甚至跨 越以太網或 Internet 進行數據采集 實施遠程控制 雖然國內溫室規(guī)模有限 還沒有 形成規(guī)模經濟 另外構建的費用也較高 但從長遠來看 溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布式和網 絡化將是一種必然的趨勢 現代溫室中常見的能自動控制的調控機構有 頂部通風窗 側面通風窗 外遮 陽簾幕 內遮陽簾幕 軸流通風機 降溫濕簾 人工補光燈 二氧化碳施肥器 加 熱設備 噴霧系統(tǒng)及熏蒸設備 控制器綜合調節(jié)各個機構 使系統(tǒng)在運行中節(jié)約能 源的同時保證室內氣候滿足植物生長需求 使用的控制器可以有很多選擇 如單片 機 工控機 PLC 通用 PC 機等 1 2 2 國外研究現狀 西方發(fā)達國家在現代溫室測控技術上起步比較早 1949 年 借助于工程技術的 發(fā)展 美國建成了第一個植物人工氣候室 開展了植物對自然環(huán)境的適應性和抗御 能力的基礎及應用研究 20 世紀 60 年代 生產型的高級溫室開始應用于農業(yè)生產 3 奧地利首先建成了番茄生產工廠 70 年代后荷蘭 日本 美國 英國 以色列等國 家的溫室園藝迅猛發(fā)展 溫室設施廣泛應用于園藝作物生產 畜牧業(yè)和水產養(yǎng)殖業(yè) 隨著計算機技術的進步和智能控制理論的發(fā)展 近百年來 溫室大棚作為設施農業(yè) 的重要組成部分 其自動控制和管理技術不斷得以提高 在世界各地都得到了長足 的發(fā)展 特別是二十世紀 70 年代電子技術的迅猛發(fā)展和微型計算機的出現 更使溫 室大棚環(huán)境控制技術產生了革命性的變化 80 年代 隨著微型計算機日新月異的進 步和價格大幅度下降 以及對溫室控制要求的提高 以微機為核心的溫室綜合環(huán)境 控制系統(tǒng) 在歐美得到了長足的發(fā)展 并邁入了網絡化 智能化階段 目前 國外現代化溫室的內部設施己經發(fā)展到比較完備的程度 并形成了一定 的標準 溫室內的各環(huán)境因子大多由計算機集中控制 檢測傳感器也較為齊全 如 溫室內外的溫度 濕度 光照度 二氧化碳濃度 營養(yǎng)液濃度等 由傳感器的檢測 基本上可以實現對各個執(zhí)行機構的自動控制 如無級調節(jié)的天窗通風系統(tǒng) 濕簾與 風扇配套的降溫系統(tǒng) 由熱水鍋爐或熱風機組成的加溫系統(tǒng) 可定時噴灌或滴灌的 灌溉系統(tǒng) 二氧化碳施肥系統(tǒng) 以及適用于溫室作業(yè)的農業(yè)機械等 計算機對這些 系統(tǒng)的控制己經不是簡單的 獨立的 靜態(tài)的直接數字控制 而是基于環(huán)境模型上 的監(jiān)督控制 以及基于專家系統(tǒng)上的人工智能控制 一些國家在實現自動化的基礎 上正在向著完全自動化 無人化的方向發(fā)展 1 3 研究內容 可編程控制器 PLC 是集計算機技術 自動控制技術和通信技術為一體的新型 自動控制裝置 其性能優(yōu)越 已被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域 并已成為工業(yè) 自動化的三大支柱 PLC 工業(yè)機器人 CAD CAM 之一 PLC 的應用已成為一個世 界潮流 在不久的將來 PLC 技術在我國將得到更全面的推廣和應用 本論文研究的是 PLC 技術在溫室控制系統(tǒng)上的應用 從整體上分析和研究了控 制系統(tǒng)的電路設計 硬件設計 軟件設計 控制對象數學模型的建立 控制算法的 選擇和參數的整定 人機界面的設計等 本次研究內容為溫室大棚溫度 PLC 控制系統(tǒng)設計 溫室大棚的作用是改變植物 的生長因子 從而避免四季的氣候變化和惡劣氣候對植物生長的不良影響 為植物 提供一個良好的生長環(huán)境 在植物的生長過程中 溫室中的溫度 光照 濕度 CO2 濃度 土壤酸堿度等環(huán)境參數對植物的生長起著重要作用 本次研究采用可編 4 程控制器 PLC 作為控制核心 通過傳感器檢測溫室中的環(huán)境參數 經變送轉換為標 準電流信號 4 20mA 后送入 S7 200 的模擬量輸入模塊 EM235 PLC 通過分析處 理 輸出開關量 通過驅動電路控制通風扇 遮陽簾 風機等多種執(zhí)行機構 5 第二章 PLC 概述 2 1 PLC簡介 2 1 1 PLC的產生和應用 1969 年美國數字設備公司成功研制世界第一臺可編程序控制器 PDP 14 并在 GM 公司的汽車自動裝配線上首次使用并獲得成功 1971 年日本從美國引進這項技 術 很快研制出第一臺可編程序控制器 DSC 18 1973 年西歐國家也研制出他們的第 一臺可編程控制器 我國從 1974 年開始研制 1977 年開始工業(yè)推廣應用 進入 20 世紀 70 年代 隨著電子技術的發(fā)展 尤其是 PLC 采用通訊微處理器之后 這種控制 器功能得到更進一步增強 進入 20 世紀 80 年代 隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路 等微電子技術的迅猛發(fā)展 以 16 位和少數 32 位微處理器構成的微機化 PLC 使 PLC 的功能更加強大 工作速度快 體積減小 可靠性提高 成本下降 編程和故 障檢測更為靈活 方便 目前 PLC 在國內外已廣泛應用于鋼鐵 石油 化工 電 力 建材 機械制造 汽車 輕紡 交通運輸 環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè) 2 1 2 PLC的組成和工作原理 一 PLC 的組成 PLC 從組成形式上一般分為整體式和模塊式兩種 但在邏輯結構上基本上相同 整體式 PLC 一般由 CPU 板 I O 板 顯示面板 內存和電源等組成 模塊式 PLC 一 般由 CPU 模塊 I O 模塊 內存模塊 電源模塊 底板或機架等組成 無論哪種結 構類型的 PLC 都屬于總線式的開放結構 其 I O 能力可根據用戶需要進行擴展與 組合 1 CPU CPU 是 PLC 的核心 主要由運算器 控制器 寄存器及實現它們之間聯系的地 址總線 數據總線及控制總線構成 此外 CPU 單元還包括外圍芯片 總線接口及有 關電路 它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據 用掃描的方 式采集由現場輸入裝置送來的狀態(tài)或數據 并存入規(guī)定的寄存器中 同時 診斷電 源和 PLC 內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等 CPU 主要用于存儲程序 及數據 是 PLC 不可缺少的組成單元 在很大程度上決定了 PLC 的整體性能 CPU 6 速度和內存容量是 PLC 的重要參數 它們決定著 PLC 的工作速度 I O 數量及軟件 容量等 因此限制著控制規(guī)模 2 I O 模塊 輸入模塊和輸出模塊通常稱為 I O 模塊或 I O 單元 PLC 的對外功能主要是通過 各種 I O 接口模塊與外界聯系來實現的 輸入模塊和輸出模塊是 PLC 與現場 I O 裝 置或設備之間的連接部件 起著 PLC 與外部設備之間傳遞信息的作用 I O 模塊集 成了 PLC 的 I O 電路 其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài) 輸出點反映輸出鎖存器狀 態(tài) 輸入模塊將電信號變換成數字信號進入 PLC 系統(tǒng) 輸出模塊相反 I O 分為開 關量輸入 Digital Input DI 開關量輸出 Digital Output DO 模擬量輸入 Analog Input AI 模擬量輸出 Analog Output AO 等模塊 開關量模塊按電壓水平分有 220VAC 110VAC 24VDC 等規(guī)格 按隔離方式分 有繼電器輸出 晶閘管輸出和晶體管輸出等類型 模擬量模塊按信號類型分有電流 型 4 20mA 0 20mA 電壓型 0 10V 0 5V 10 10V 等規(guī)格 按精度分有 12 位 14 位 16 位等規(guī)格 3 存儲器 存儲器是具有記憶功能的半導體電路 分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器 系統(tǒng) 程序存儲器用以存放系統(tǒng)程序 包括管理程序 監(jiān)控程序以及對用戶程序做編譯處 理的解釋編譯程序 由只讀存儲器 ROM 組成 廠家使用的 內容不可更改 斷電 不消失 用戶存儲器 分為用戶程序存儲區(qū)和工作數據存儲區(qū) 由隨機存取存儲器 RAM 組成 用戶使用的 斷電內容消失 常用高效的鋰電池作為后備電源 壽 命一般為 3 5 年 4 編程器 編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入 編輯 調試和監(jiān)視的 編程器一般 分為簡易型和智能型兩類 簡易型只能聯機編程 且往往需要將梯形圖轉化為機器 語言助記符后才能送入 而智能型編程器 又稱圖形編程器 不但可以連機編程 而且還可以脫機編程 操作方便且功能強大 4 電源 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源 同時 有的還為輸入電 路提供 24V 的工作電源 電源輸入類型有 交流電源 220VAC 或 110VAC 直 流電源 常用的為 24VDC 7 圖 2 1 PLC 基本結構圖 二 可編程控制器的工作原理 PLC 的工作方式是循環(huán)掃描的方式 每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工 作周期 CPU 從第一條指令開始 按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結束 然后返回第一條指令開始新的一輪掃描 PLC 就是這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃 描的 PLC 工作的全過程可用圖 2 2 所示的運行框圖來表示 8 圖 2 2 可編程控制器運行框圖 2 1 3 PLC的分類及特點 PLC 分類方法有多種 按規(guī)模 即 I O 點數 可分為大 中 小型 按結構可 分為整體式和組合式 在實際應用中通常都按 I O 點數來分類 I O 點數表明 PLC 的 I O 端子數 一般來說 點數多的 PLC 功能較強 一 小型 PLC 小型 PLC 的 I O 點數一般在 256 點以下 其特點是體積小 結構緊湊 整個 硬件融為一體 除了開關量 I O 以外 還可以連接模擬量 I O 以及其他各種特殊功 能模塊 它能執(zhí)行包括邏輯運算 計時 計數 算術 運算數據處理和傳送通訊聯 網以及各種應用指令 9 二 中型 PLC 中型 PLC 采用模塊化結構 其 I O 點數一般在 256 1024 點之間 I O 的處 理方式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方式外 還能采用直接處理方式即在掃描 用戶程序的過程中直接讀輸入刷新輸出 它能聯接各種特殊功能模塊 通訊聯網功 能更強 指令系統(tǒng)更豐富 內存容量更大 掃描速度更快 三 大型 PLC 一般 I O 點數在 1024 點以上的稱為大型 PLC 大型 PLC 的軟硬件功能極強 具有極強的自診斷功能 通訊聯網功能強 有各種通訊聯網的模塊可以構成三級通 訊網實現工廠生產管理自動化 2 2 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本原則及步驟 理解 PLC 的基本工作原理和指令系統(tǒng)后 就可以把 PLC 應用到實際的工程項目 中 無論是用 PLC 組成集散控制系統(tǒng) 還是獨立控制系統(tǒng) PLC 控制部分的設計都 可以參考如下所述的基本原則及步驟 2 2 1 PLC控制系統(tǒng)設計的基本原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現被控對象 生產設備或生產過程 的工藝要求 以提高生產效率和產品質量 而在實際設計過程中 設計原則往往會涉及很多方面 其中最基本的設計原則可以歸納為 4 點 一 最大限度地滿足控制要求 充分發(fā)揮 PLC 功能 最大限度地滿足被控對象的控制要求 是設計中最重要的 一條原則 設計人員要深入現場進行調查研究 收集資料 同時要注意和現場工程 管理和技術人員及操作人員緊密配合 共同解決重點問題和疑難問題 二 保證系統(tǒng)的安全可靠 保證 PLC 控制系統(tǒng)能夠長期安全 可靠 穩(wěn)定運行 是設計控制系統(tǒng)的重要原 則 三 力求簡單 經濟 使用與維修方便 在滿足控制要求的前提下 一方面要注意不斷地擴大工程的效益 另一方面也 要注意不斷地降低工程的成本 不宜盲目追求自動化和高指標 四 適應發(fā)展的需要 適當考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要 在選擇 PLC 的型號 I O 點數和 存儲器容量等內容時 應留有適當的余量 以利于系統(tǒng)的調整和擴充 10 2 2 2 PLC控制系統(tǒng)設計的步驟 設計 PLC 應用系統(tǒng)時 首先是進行 PLC 應用系統(tǒng)的功能設計 即根據被控對象 的功能和工藝要求 明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件 然后是進行 PLC 應用系統(tǒng)的功能分析 即通過分析系統(tǒng)功能 提出 PLC 控制系統(tǒng)的結構形式 控制 信號的種類 數量 系統(tǒng)的規(guī)模 布局 最后根據系統(tǒng)分析的結果 具體確定 PLC 的機型和系統(tǒng)的具體配置 PLC 控制系統(tǒng)設計可以按以下步驟進行 一 分析被控對象并提出控制要求 制定控制方案 詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點 了解被控對象機 電 液之間的配 合 提出被控對象對 PLC 控制系統(tǒng)的控制要求 確定控制方案 擬定設計任務書 二 確定 I O 設備 根據系統(tǒng)的控制要求 確定系統(tǒng)所需的全部輸入設備 如 按紐 位置開關 轉換開關及各種傳感器等 和輸出設備 如 接觸器 電磁閥 信號指示燈及其它 執(zhí)行器等 從而確定與 PLC 有關的輸入 輸出設備 以確定 PLC 的 I O 點數 三 選擇 PLC PLC 選擇包括對 PLC 的機型 容量 I O 模塊 電源等的選擇 四 分配 I O 點并設計 PLC 外圍硬件線路 1 分配 I O 點 畫出 PLC 的 I O 點與輸入 輸出設備的連接圖或對應關系表 2 PLC 外圍硬件線路 畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖 包括主電路和未進入 PLC 的控制電路等 由 PLC 的 I O 連接圖和 PLC 外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖 到此為止 系統(tǒng)的硬件電氣線路已經確定 五 程序設計 1 程序設計 1 控制程序 2 初始化程序 3 檢測 故障診斷和顯 示等程序 4 保護和連鎖程序 2 模擬調試 根據產生現場信號的方式不同 模擬調試有硬件模擬法和軟件模 擬法兩種形式 六 硬件實施 1 設計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖 2 設計系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖 3 根據施工圖紙進行現場接線 并進行詳細檢查 11 七 聯機調試 聯機調試是將通過模擬調試的程序進一步進行在線統(tǒng)調 聯機調試過程應循序 漸進 從 PLC 只連接輸入設備 再連接輸出設備 再接上實際負載等逐步進行調試 如不符合要求 則對硬件和程序作調整 通常只需修改部份程序即可 全部調試完 畢后 交付試運行 經過一段時間運行 如果工作正常 程序不需要修改 應將程 序固化到 EPROM 中 以防程序丟失 八 整理和編寫技術文件 技術文件包括設計說明書 硬件原理圖 安裝接線圖 電氣元件明細表 PLC 程序以及使用說明書等 圖 2 3 PLC 控制系統(tǒng)設計步驟 12 第三章 控制系統(tǒng)的總體設計方案 3 1 系統(tǒng)的設計任務 溫室大棚的作用是調節(jié)植物生長的環(huán)境因素 從而避免四季的氣候變化和惡劣 氣候對植物生長的不良影響 為植物提供一個良好的生長環(huán)境 促進植物的生長發(fā) 育 防止病蟲害 以達到增加產量的目的 溫室中的溫度 光照 濕度 CO 2 濃度 土壤酸堿度等因素對植物的生長起著重要作用 本設計的主要控制對象為溫室中的 溫度 光照和二氧化碳濃度 應用溫度傳感器 光照度傳感器和二氧化碳濃度傳感 器對各環(huán)境因子進行檢測 溫度的調節(jié)主要通過通風窗 加熱器的動作來進行解決 光照度主要通過發(fā)光體和遮陽簾來調節(jié) CO 2 濃度主要通過 CO2 添加器進行補償 本溫室控制系統(tǒng)就是依據室內外裝設的溫度傳感器 光照傳感器 CO 2 傳感器 等采集或觀測的溫室內的溫度 光照強度 CO 2 濃度等環(huán)境參數信息 通過控制設 備對溫室通風窗 加熱器 發(fā)光體 遮陽簾 CO 2 添加器等執(zhí)行機構的控制 對溫 室環(huán)境環(huán)境因素進行調節(jié)控制以達到栽培作物生長發(fā)育的需要 為作物生長發(fā)育提 供最適宜的生態(tài)環(huán)境 以大幅度提高作物的產量和品質 3 2 系統(tǒng)的控制方案 在溫室大棚中 上述控制任務的實現需要有一套完善的硬 軟件溫室系統(tǒng)進行 控制 該溫室大棚控制系統(tǒng)以 PLC 為控制中心 采用傳感器對溫室溫度 光照 二 氧化碳濃度等環(huán)境因素進行測量 并將結果送到 PLC 中 由 PLC 對結果進行處理 然后調控各設備對環(huán)境因子進行補嘗 考慮到實際生產生活中的安全性與可靠性 本控制系統(tǒng)設有手動 自動兩種工 作模式 自動方式是指周期性地進行 PLC 控制的方式 而手動方式則是指在出現應 急情況等一些突發(fā)事件時 通過手動操作控制執(zhí)行器件的工作 自動工作中 如果 被檢測量溫度高于設定值 PLC 就會發(fā)出相應的指令控制開啟通風窗和冷風機 如 果測量值與設定值相等 則關閉通風窗和冷風機 如果測量值低于設定值 則打開 加熱器和熱風機對溫室進行加溫 當溫室的光照低于設定值時 系統(tǒng)打開遮陽簾或 開啟發(fā)光體 當溫室的光照高于設定值時 系統(tǒng)關閉遮陽簾或發(fā)光體 當溫室的二 氧化碳濃度低于設定值 系統(tǒng)開啟二氧化碳添加器 通過溫度 光照和二氧化碳濃 13 度的設定與調節(jié)達到適應不同植物生長的需求 從而廣泛應用到實際中 本設計的 特點是成本低廉 節(jié)約資源 提高產量 實現經濟價值最大化 該溫室控制系統(tǒng)的 總體框圖如下所示 圖 3 1 系統(tǒng)總體框圖 3 3 系統(tǒng)的工作原理 該溫室大棚控制系統(tǒng)由 PLC 系統(tǒng) 傳感器系統(tǒng) 執(zhí)行部件等幾個部分組成 該 溫室控制系統(tǒng)以 PLC 為控制中心 通過溫度傳感器 光照傳感器 二氧化碳濃度傳 感器采集溫室中環(huán)境因子的有關參數 經變送轉換為標準電流信號 4 20mA 后經 由 S7 200 的模擬量輸入模塊 EM235 送入 PLC 控制器 PLC 再通過 PID 控制算法將 采集的參數與已設定的值進行分析處理 輸出開關量 對執(zhí)行機構進行控制 在此 系統(tǒng)中還可以通過串口的形式與 PC 機相連 從而實現實時數據的管理與存儲 為以 后植物生長的研究帶來寶貴資料 14 第四章 控制系統(tǒng)的硬件設計 在掌握了 PLC 的硬件構成 工作原理 指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后 就可以以 PLC 作為主要控制器來構造 PLC 控制系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)的設計主要包括硬件設計 和軟件設計兩部分 本章主要從硬件設計角度進行溫室控制系統(tǒng)的硬件設計方案 本章節(jié)主要介紹了該項目的電氣控制系統(tǒng)設計 PLC 硬件電路及外部配置設計 4 1 電氣控制系統(tǒng)設計 4 1 1 系統(tǒng)主電路設計 圖 4 1 系統(tǒng)主電路圖 系統(tǒng)的主電路如圖所示 其中通風扇電機 遮陽簾電機 遮陽簾風機配有限位 開關 除功率有所不同之外 需通過電機正轉 反轉和停止來完成相應機構的開啟 與閉合 因此它們的工作主電路相似 熱風機 冷風機 加熱器 發(fā)光體 CO2 添 加器則屬于開 關設備 QK 為刀開關 用于控制整個主電路的啟停 FU1 FU7 為熔 斷器 分別對各個分線路實施短路和過載保護 FR1 FR5 為熱繼電器 對電機 加 熱器起過載保護的作用 KM1 KM9 為交流接觸器的主觸頭 用其實現電機的正反 轉 停止以及風機等開 關設備的啟?？刂?4 1 2 系統(tǒng)控制電路設計 從系統(tǒng)主電路圖中 可以看出執(zhí)行機構系統(tǒng)包括遮陽簾 通風扇 熱風機 冷 風機 加熱器 發(fā)光體和 CO2 添加器等部分 通常 溫室的執(zhí)行機構可分為兩大類 15 一類是正反轉運行電機 如通風扇 遮陽簾等 這些電機需要正轉 反轉和停止 必須有限位開關 另一類是開關控制設備 如風機 水泵等 一 正反轉設備 通風扇 遮陽簾均屬于正反轉設備 其控制電路相似 現以遮陽簾為例 做以 下介紹 1 遮陽簾主電路 其電路中的熔斷器 FU2 起到過電流保護的作用 熱繼電器 FR2 則是電機的過載 保護 主要針對遮陽簾由于外界原因打不開或關閉不了的情況 而 KM3 KM4 在電 路中起到控制電機正轉與反轉的功能 即遮陽簾的拉開與關閉 圖 4 2 遮陽簾主電路圖 2 遮陽簾控制電路 16 圖 4 3 遮陽簾控制電路原理圖 遮陽簾控制電路原理圖如圖 4 3 所示 SB1 為手動 自動的切換開關 SB2 為總啟 動按鈕 SB3 為總停止按鈕 按下總啟動按鈕 SB2 交流接觸器 KM10 的線圈得電 同時 KM10 的常開觸點閉合 起自鎖作用 在手動狀態(tài)下 SB4 為開簾 關簾切換 按鈕 當 SB4 切換至開簾模式 交流接觸器 KM3 的線圈得電 此時電機正轉 遮陽 簾打開 當遮陽簾開啟到最大位置后觸碰到限位開關 SQ1 其常閉觸點斷開 KM3 的線圈失電 電機停止轉動 同理當 SB4 切換至關簾模式 遮陽簾關閉 到關閉的 最大位置后 電機停轉 按下按鈕 SB3 KM10 的線圈失電 遮陽簾停止動作 用于 急停操作 在自動狀態(tài)下 由 PLC 控制器實現控制 中間接觸器 KM3 的線圈得電 時 其常開觸點閉合 遮陽簾開啟 中間接觸器 KM4 的線圈得電時 其常開觸點閉 合 遮陽簾閉合 遮陽簾等正反轉設備何時開啟或閉合由硬件 算法和程序共同決 定 在下面章節(jié)中將著重介紹 二 開 關設備 熱風機 冷風機 加熱器 發(fā)光體 CO2 添加器均屬于開 關設備 其控 制電路相似 現以熱風機為例 做以下介紹 1 熱風機主電路 風機的運轉主要由電機的通斷來實現 可以由一個繼電器來實現風機的控制 在 電路中必須加有短路保護 過流保護 過載保護 而這些可以由熱繼電器 熔斷器 來實現電路中的保護 由以上要求可以設計如下的電路 17 圖 4 4 熱風機主電路圖 熱風機控制電路 圖 4 5 熱風機控制電路圖 熱風機控制電路原理圖如圖 4 5 所示 SB1 為手動 自動的切換開關 按下按鈕 SB2 交流接觸器 KM10 的線圈得電 同時 KM10 的常開觸點閉合 起自鎖作用 在手動狀態(tài)下 SB6 為啟停旋鈕 將旋鈕 SB6 旋至啟動狀態(tài) 此時熱風機運轉 將 旋鈕 SB6 旋至停止狀態(tài) 熱電機停止工作 在自動狀態(tài)下 由 PLC 控制器實現控制 18 中間接觸器 KM5 得電時 其常開觸點閉合 熱風機運行 熱風機等開 關設備的啟 停同樣由硬件 算法和程序共同決定 在下面章節(jié)中將作詳細介紹 4 2 PLC硬件電路的設計 4 2 1 PLC型號選擇 一 PLC 的 I O 點數 根據系統(tǒng)的控制要求 可確定系統(tǒng)所需的全部輸入設備 如 按紐 限位開關 單刀雙擲開關及各種傳感器等 和輸出設備 如 接觸器 電磁閥 信號指示燈及 其它執(zhí)行器等 從而確定與 PLC 有關的輸入 輸出設備 最終確定 PLC 的 I O 點數 為 14 個數字量輸入 10 個數字量輸出 3 個模擬量輸入 二 PLC 的選型 S7 系列可編程控制器包括 S7 200 系列 S7 300 系列和 S7 400 系列 其功能強 大 分別應用于小型 中型和大型自動化系統(tǒng) 本控制系統(tǒng)采用德國西門子 S7 200 PLC S7 200 系列 PLC 是西門子公司生產的一種小型整體式結構可編程序控制器 S7 200 系列 PLC 廣泛應用于集散自動化系統(tǒng) 使用范圍覆蓋機床 機械 電力設施 民用設施 環(huán)境保護設備等自動化控制領域 既可用于繼電器簡單控制的更新換代 又可實現復雜的自動化控制 因此 S7 200 系列具有極高的性能 價格比 S7 200 系列的 PLC 有 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 CPU226XM 等 6 種不同型號 其中 CPU226 集成 24 輸入 16 輸出共 40 個數字量 I O 點 可連接 7 個擴展模塊 最 大擴展至 248 路數字量 I O 點或 35 路模擬量 I O 點 具有 13K 字節(jié)程序和數據存 儲空間 6 個獨立的 30kHz 高速計數器 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出 具有 PID 控制器 2 個 RS485 通訊 編程口 具有 PPI 通訊協議 MPI 通訊協議和自由方式通 訊能力 此控制系統(tǒng)的 I O 點數為 14 輸入 9 輸出 在既能實現該系統(tǒng)控制要求 又 能滿足以后發(fā)展的前提下 選用的 S7 200 系列的 CPU226 4 2 2 PLC I O地址分配 根據系統(tǒng)的控制要求 控制系統(tǒng)的 I O 地址如下表分配 表 4 1 輸入端口分配表 序 輸入 信號名稱 備注 符號 19 號 口 I0 0 手動 自動切換 旋鈕 SB1 I0 1 總啟動 按鈕 SB2 I0 2 總停止 按鈕 SB3 I0 3 遮陽簾開限位 限位開關 SQ1 I0 4 遮陽簾關限位 限位開關 SQ2 I0 5 遮陽簾開簾 單刀雙擲開關 SB4 I0 6 遮陽簾關簾 單刀雙擲開關 SB4 I0 7 通風扇正轉 單刀雙擲開關 SB5 I1 0 通風扇反轉 單刀雙擲開關 SB5 I1 1 熱風機啟停 旋鈕 SB6 I1 2 冷風機啟停 旋鈕 SB7 I1 3 加熱器啟停 旋鈕 SB8 I1 4 補光燈啟停 旋鈕 SB9 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 I1 5 CO2 添加器啟停 旋鈕 SB10 AIW 0 溫度傳感器 AIW 2 光照度傳感器 15 16 17 AIW 4 CO2 濃度傳感器 表 4 2 輸出端口分配表 序 號 輸出 口 控制信號 備注 符號 Q0 0 通風扇正轉 接觸器 KM1 Q0 1 通風扇反轉 接觸器 KM2 Q0 2 遮陽簾開簾 接觸器 KM3 Q0 3 遮陽簾關簾 接觸器 KM4 Q0 4 熱風機 接觸器 KM5 01 02 03 04 05 06 Q0 5 冷風機 接觸器 KM6 20 Q0 6 加熱器 接觸器 KM7 Q0 7 補光燈 接觸器 KM8 Q1 0 CO2 添加器 接觸器 KM9 07 08 09 10 Q1 1 啟動指示燈 接觸器 KM1 0 4 2 3 硬件接線圖設計 本次設計選用 S7 200 系列的 CPU226 硬件接線圖如圖 4 6 所示 圖 4 6 硬件接線圖 4 3 PLC的硬件配置 4 3 1 傳感器 一 溫度傳感器 根據溫室溫度控制的特點 本文的溫度傳感器可采用芬蘭維薩拉公司型號為 HMD40 的產品 該款傳感器具有測量精度高 易于安裝 響應速度快 對環(huán)境要求 較低等特點 其外觀如圖 4 7 所示 21 圖 4 7 HMD40 型溫 濕度傳感變送器實物圖 該傳感器的主要性能指標如下 1 溫度檢測范圍 10 60 測量精度 0 3 2 濕度檢測范圍 0 100 RH 測量精度 1 5 RH 3 工作電壓 10 28V DC 4 輸出信號 4 20mA 二 光照傳感器 光控用于控制遮陽幕的啟閉 使作物得到合理的光照度并實現以下目的 免除 作物超過光飽合點 提高光合作用 實現對長日照作物 中日照作物和短日照作物 的光照控制 光照度傳感器采用北京易盛泰和科技有限公司產品型號 Poi88 c 光照度傳感器 該傳感器采用先進的電路模塊技術開發(fā)變送器 用于實現對環(huán)境光照度的測量 輸 出標準的電壓及電流信號 體積小 安裝方便 線性度好 傳輸距離長 抗干擾能 力強 可廣泛用于環(huán)境 養(yǎng)殖 建筑 樓字等的光照度測量 量程可調 1 量程 O 200K1UX O 20K10X 0 2000 可選 2 供電電壓 24VDC 12VDC 3 輸出信號 20 4mA 10V OV 可選 4 精度 2 三 CO2 濃度傳感器 二氧化碳控制實時監(jiān)測 C02 的含量 當 C02 的含量低于一定值時打開 C02 儲氣 罐或 C02 發(fā)生器以增施氣肥 22 C02 傳感器選用弗加羅公司生產 TGS4160 二氧化碳傳感器 該傳感器是固態(tài)電 化學型氣體敏感元件 這種二氧化碳傳感器除具有體積小 壽命長 選擇性 和穩(wěn)定性好等特點外 同時還具有耐高濕低溫的特性 可廣泛用于自動通風換 氣系統(tǒng)或是 C02 氣體的長期監(jiān)測等應用場合 TGS4160 傳感器的主要技術參數如下 1 測量范圍 0 5000ppm 2 使用壽命 2000 天 3 內部熱敏電阻 補償用 100k Q 5 4 使用溫度 一 10 50 5 使用濕度 5 95 RH 4 3 2 EM235模擬量輸入 輸出模塊 在控制系統(tǒng)中 傳感器將檢測到的溫度轉換成標準電壓或電流信號 系統(tǒng)需要 配置模擬量輸入模塊 將電壓或電流信號轉換成數字信號再送入 PLC 中進行處理 在這里我們選擇西門子的 EM235 模擬量輸入 輸出模塊 一 EM235 模擬量輸入 輸出模塊簡介 EM 235 模塊是組合強功率精密線性電流互感器 意法半導體 ST 單片集成變 送器 ASIC 芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊 它可以直接將被測主回路 交流電流轉換成按線性比例輸出的 DC4 20mA 通過 250 電阻轉換 DC 1 5V 或 通過 500 電阻轉換 DC2 10V 標準信號 連續(xù)輸送到接收裝置 EM235 模塊具 有 4 路模擬量輸入 1 路模擬量輸出 EM235 需要直流 24V 的工作電源 它利用 DIP 開關設置輸入信號的量程 表 4 3 所示為如何用 DIP 開關設置 EM 235 模塊 通過開 關 1 6 可選擇模擬量輸入范圍 DIP 開關 SW6 決定模擬量輸入的單雙極性 當 SW6 為 ON 時 模擬量輸入為單極性輸入 SW6 為 OFF 時 模擬量輸入為雙極性輸 入 SW4 和 SW5 決定輸入模擬量的增益選擇 而 SW1 SW2 SW3 共同決定了模 擬量的衰減選擇 所有的輸入設置成相同的模擬量輸入范圍 表中 ON 為接通 OFF 為斷開 表 4 3 EM 235 選擇模擬量輸入范圍和分辨率的開關表 單極性 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 滿量程輸入 分辨率 23 ON OFF OFF ON OFF ON 0 到 50mV 12 5 V OFF ON OFF ON OFF ON 0 到 100mV 25 V ON OFF OFF OFF ON ON 0 到 500mV 125uA OFF ON OFF OFF ON ON 0 到 1V 250 V ON OFF OFF OFF OFF ON 0 到 5V 1 25mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0 到 20mA 5 A OFF ON OFF OFF OFF ON 0 到 10V 2 5mV 根據溫室控制系統(tǒng)中的控制模塊 經由傳感器測得的溫度 光照度 CO2 的測 量值均為單極性 選擇 0 到 10V 的量程 故設置 DIP 開關為 010001 二 EM235 模擬量輸入輸出模塊的使用 EM235 模擬量輸入輸出混合模塊輸入信號整定的步驟 1 在模塊脫離電源的條件下 通過 DIP 開關選擇需要的輸入范圍 2 接通 CPU 及模塊電源 并使模塊穩(wěn)定 15 分鐘 3 用一個電壓源或電流源 給模塊輸入一個零值信號 4 調節(jié)偏置電位器 使模擬量輸入寄存器的讀數為零或所需要的數值 5 將一個滿刻度的信號加到模塊輸入端 調節(jié)增益電位器 直到讀數為 32000 或所需要的數值 經上述調整后 若輸入最大值為 0 10V 的模擬量信號 則對應的數字量結果 應為 32000 或所需數字 其關系如圖所示 圖 4 8 EM235 轉換曲線 三 EM235 模塊模擬量 I O 接線示意圖 如圖所示為 EM235 模塊模擬量 I O 接線示意圖 24V DC 電源正極接入模塊左 下方 L 端子 負極接入 M 端子 EM235 模塊的上部端子排為標注 A B C D 的 24 四路模擬量輸入接口 可分別接入標準電壓 電流信號 為電壓輸入時 如 A 口所 示 電壓信號正極接入 A 端 負極接入 A 端 RA 端懸空 為電流輸入時 如 B 口 所示 須將 RB 與 B 短接 然后與電流信號輸出端相連 電流信號輸入端則接入 B 借口 若 4 個接口未能全部使用 如 C 口所示 未用的接口要將 C 與 C 端用短路 子短接 以免受到外部干擾 下部端子為一路模擬量輸出端的 3 個接線端子 MO VO IO 其中 MO 為數字接地接口 VO 為電壓輸輸出接口 IO 為電流輸出 接口 若為電壓負載 則將負載接入 MO VO 接口 若為電流負載則接入 MO IO 接口 圖 4 5 EM235 接線圖 25 第五章 控制系統(tǒng)的軟件設計 PLC 控制系統(tǒng)的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分 本章節(jié)在硬件設計 的基礎上 詳細介紹本項目的軟件設計 主要包括軟件設計的基本步驟 方法 編 程軟件 STEP7 Micro WIN 的介紹以及本項目的程序設計 5 1 PLC程序設計的方法 PLC 程序設計常用的方法主要有經驗設計法 電路轉換梯形圖法 邏輯設計法 順序控制設計法等 一 經驗設計法 即根據前人總結的典型控制電路程序 再按照設計中被對象 的具體要求 把典型程序進行重新組合 而且需要反復調試和修改 得到現在系統(tǒng) 所需要的梯形圖 有時僅僅這些還不能滿足要求 還需要增加中間環(huán)節(jié) 才能得出 符合要求的系統(tǒng) 這種方法沒有一定的規(guī)律可遵循 設計所用的時間和設計質量與 設計者的經驗有很大的關系 故稱為經驗設計法 二 繼電器控制電路轉換為梯形圖法 用 PLC 的外部硬件接線和梯形圖軟件來 實現繼電器控制系統(tǒng)的功能 三 順序控制設計法 根據功能流程圖 以步為核心 從起始步開始一步一步 地設計下去 直至完成 此法的關鍵是畫出功能流程圖 四 邏輯設計法 通過中間量把輸入和輸出聯系起來 實際上就找到輸出和輸 入的關系 完成設計任務 本次設計采用的就是經驗設計法 5 2 編程軟件 STEP 7 Micro WIN概述 STEP7 Micro WIN32 編程軟件是基于 Windows 的應用軟件 由西門子公司專 為 S7 200 系列可編程控制器設計開發(fā) 它功能強大 既可用于開發(fā)用戶程序 又可 以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài) 編程軟件的具體功能如下 1 可以用梯形圖 語句表和功能塊圖編程 26 2 可以進行符號編程 通過符號表分配符號和絕對地址 即對編程元件定義符 號名稱 增加程序的可讀性 并可打印輸出 3 支持三角函數 開方 對數運算功能 4 具有易于使用的組態(tài)向導 5 可用于 CPU 硬件配置 6 可以將 STEP 7 Micro WIN 正在處理的程序與所連接的 PLC 中的程序進行比 較 5 3 控制系統(tǒng)的程序設計 5 3 1 程序的設計思路 本控制系統(tǒng)設有手動 自動兩種工作模式 自動模式為正常運行狀態(tài) 手動模 式用于應對一些突發(fā)情況 在自動工作模式下 PLC 運行時 將傳感器對溫室溫度 光照 二氧化碳濃度等環(huán)境因素進行檢測的測量值與溫室控制系統(tǒng)的設定值進行比 較 如果溫度的檢測量高于設定值 PLC 就會發(fā)出相應的指令控制冷風機的開啟和 通風扇正轉 將溫室中的空氣排向外界 如果測量值低于設定值 則打開加熱器 和熱風機 對溫室進行加溫 并使通風扇反轉 將外界的空氣引入溫室 當溫室 的光照低于設定值時 系統(tǒng)打開遮陽簾和補光燈 當溫室的光照高于設定值時 系 統(tǒng)關閉遮陽簾 當溫室的二氧化碳濃度低于設定值 系統(tǒng)開啟二氧化碳調節(jié)閥 如 果溫室中的測量值與設定值相等 則關閉關閉相應設備 保持溫室中的環(huán)境參數 5 3 2 控制程序流程圖 1 溫度控制流程圖 溫室大棚的溫度控制流程圖如圖 5 1 所示 27 圖 5 1 溫度控制流程圖 二 光照控制流程圖 溫室大棚的光照控制流程圖如圖 5 2 所示 圖 5 2 光照控制流程圖 2 CO 2 濃度控制流程圖 溫室大棚的 CO2濃度控制流程圖如圖 5 3 所示 28 圖 5 3 CO2 濃度控制流程圖 5 3 3 控制程序設計及分析 一 自動 手動切換 I0 0 為自動 手動切換 I0 1 為總啟動 當 I0 1 1 時 Q1 1 得電 啟動燈亮 I0 2 為總停止 當 I0 0 1 I0 1 1 時 中間繼電器 M0 0 得電 系統(tǒng)的運行方式為自 動模式 當 I0 0 0 I0 1 1 時 中間繼電器 M0 1 得電 系統(tǒng)的運行方式為手動模式 二 溫度控制 29 當中間繼電器 M0 0 得電時 系統(tǒng)的運行方式為自動模式 在自動情況下 溫度 傳感器將測得的模擬量通過模擬量輸入模塊 EM235 送入 PLC 中 通過整數比較指令 將溫度傳感器檢測到的測量值 AIW0 與設定值 25 度 進行比較 當 AIW0 25 時 中 間繼電器 M0 2 得電 啟動降溫設備 當 AIW020 時 中間繼電器 M2 0 得電 啟動補光設備 當 AIW2 20 時 中間繼電器 M2 1 得電 啟 動補光設備 當中間繼電器 M0 1 得電時 系統(tǒng)的運行方式為手動模式 可通過控制相應的按 鈕 遮陽簾開簾 I0 5 遮陽簾關簾 I0 6 補光燈 I1 4 進行溫室大棚光照強度的手 動控制 在溫室大棚的光照控制過程中 自動模式下 當光照傳感器測量的光照強度低 于設定的光照值時 中間繼電器 M2 1 得電 遮陽簾開簾補光 手動模式下 將控制 32 遮陽簾開關簾的單刀雙擲開關撥至 遮陽簾開簾 中間繼電器 M2 2 得電 遮陽簾開 簾補光 在溫室大棚的光照控制過程中 自動模式下 當光照傳感器測量的光照強度高 于設定的光照值時 中間繼電器 M2 0 得電 遮陽簾關簾遮光 手動模式下 將控制 遮陽簾開關簾的單刀雙擲開關撥至 遮陽簾關簾 中間繼電器 M2 3 得電 遮陽簾關 簾遮光 在溫室大棚的光照控制過程中 自動模式下 當光照傳感器測量的光照強度低 于設定的光照值時 中間繼電器 M2 1 得電 補光燈開啟補光 手動模式下 按下補 光燈的啟停按鈕 中間繼電器 M2 4 得電 補光燈開啟補光 四 CO 2 濃度控制 當中間繼電器 M0 0 得電時 系統(tǒng)的運行方式為自動模式 在自動情況下 CO2 濃度傳感器將測得的模擬量通過模擬量輸入模塊 EM235 送入 PLC 中 通過整數比較 指令 將 CO2 濃度傳感器檢測到的測量值 AIW4 與設定值 1000 進行比較 當 AIW4 1000 時 中間繼電器 M3 0 得電 添加溫室中的 CO2 33 當中間繼電器 M0 1 得電時 系統(tǒng)的運行方式為手動模式 可通過控制 CO2 調 節(jié)閥 I1 5 進行溫室大棚 CO2 濃度的手動控制 在溫室大棚的 CO2 濃度控制過程中 自動模式下 當 CO2 濃度傳感器測量的濃 度低于設定的濃度時 中間繼電器 M3 0 得電 打開 CO2 調節(jié)閥添加 CO2 手動模式 下 按下 CO2 添加器的啟停按鈕 中間繼電器 M3 1 得電 打開 CO2 調節(jié)閥添加 CO2 5 4 控制程序的仿真與調試 5 4 1 仿真軟件簡介 在本次設計中 利用 S7 200 仿真軟件 V3 0 漢化版進行控制程序的仿真與調試 該仿真軟件可以仿真大量的 S7 200 指令 除部分指令如順序控制指令 循環(huán)指 令 高速計數器指令和通訊指令等尚無法支持外 可支持常用的位觸點指令 定時 器指令 計數器指令 比較指令 邏輯運算指令和大部分的數學運算指令等 該 仿真軟件還提供了數字信號輸入開關 兩個模擬電位器和 LED 輸出顯示 仿真軟件 同時還支持對 TD 200 文本顯示器的仿真 在實驗條件尚不具備的情況下 完全可以 作為學習 S7 200 的一個輔助工具 5 4 2 控制程序的仿真與調試 本部分主要介紹了溫室大棚控制系統(tǒng)的軟件調試過程 通過仿真與調試檢驗其 是否符合設計初衷 能否達到相應的指標 控制程序的仿真步驟如下 一 準備工作 34 仿真軟件不提供源程序的編輯功能 因此必須和 STEP7 Micro Win 程序編輯軟 件配合使用 即在 STEP7 Micro Win 中編輯好源程序后 然后加載到仿真程序中執(zhí) 行 1 在 STEP7 Micro Win 中編輯好梯形圖 2 利用 File Export 命令將梯形圖程序導出為擴展名為 awl 的文件 3 如果程序中需要數據塊 需要將數據塊導出為 txt 文件 二 程序仿真 1 打開 S7 200 仿真軟件 選擇 CPU 型號 CPU226 EM235 載入程序 2 單擊 RUN 鍵 綠色運行燈亮 按要求操作輸入點 觀測輸出點的情況 發(fā)現相應的點綠色燈亮 3 模擬仿真結果與控制要求完全一致 程序仿真成功 圖 5 4 控制程序仿真圖 35 第六章 組態(tài)畫面的設計方案 6 1 組態(tài)軟件概述 6 1 1 組態(tài)的定義 MCGS Monitor and Control Generated System 是一套基于 Windows 平臺的 用 于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng) 可運行于 Microsoft Windows95 98 Me NT 2000 等操作系統(tǒng) MCGS 為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺 能夠完成現場 數據采集 實時和歷史數據處理 報警和安全機制 流程控制 動畫顯示 趨勢曲 線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網絡等功能 使用 M