大棚温度自动控制系统设计

温室大棚温度 PLC 控制系统设计 摘 要 温室 是用来栽培植物的设施 它能改变植物的生长环境 避免外界 四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响 为植物生长创造适宜的条 件 随着科学技术的迅速发展 农业应用技术越来越受到重视 特别是 温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分 如何利用科学技术有 效地控制温室内的各种环境因数 以提高温室大棚环境的控制效果 已 成为目前我国温室业研究的重点课题之一 这对我国温室产业的发展有 着不可估量的重要意义 本文主要介绍了基于西门子公司 S7 200 系列的可编程控制器 PLC 和 MCGS 组态软件的温室大棚温度 PLC 控制系统设计方案 该研究中 将采用温度传感器 光照传感器 CO2 浓度传感器对温室中 各项环境指标进行检测 并将测量值送入 PLC 中 由 PLC 将其与设定 值进行比较 再发出相应的指令驱动执行设备来调节温室内的环境参数 从而实现温室的智能化 自动化控制 在此基础上 采用 MCGS 组态软 件完成了控制系统的组态设计 实现了动态演示 过程监测 数据记录 曲线显示等功能 从而实现了控制系统操作的人性化和过程的可视化 为温室大棚的发展提供了新的方向 关键词 温室 环境 控制 可编程控制器 组态 目 录 摘 要 2 第一章 绪论 1 1 1 课题概述 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 研究内容 4 第二章 PLC 概述 6 2 1 PLC 简介 6 2 2 PLC 控制系统设计的基本原则及步骤 10 第三章 控制系统的总体设计方案 13 3 1 系统的设计任务 13 3 2 系统的控制方案 13 3 3 系统的工作原理 14 第四章 控制系统的硬件设计 15 4 1 电气控制系统设计 15 4 2 PLC 硬件电路的设计 19 4 3 PLC 的硬件配置 21 第五章 控制系统的软件设计 26 5 1 PLC 程序设计的方法 26 5 2 编程软件 STEP 7 Micro WIN 概述 26 5 3 控制系统的程序设计 27 5 4 控制程序的仿真与调试 34 第六章 组态画面的设计方案 36 6 1 组态软件概述 36 6 2 温室大棚控制系统的组态设计 38 结论 45 致谢 47 参考文献 48 0 第一章 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题简介 温室又称暖房 是用来栽培植物的设施 温室的作用是用来改变植物的生长环 境 避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长的不利影响 为植物生长创造适宜的条 件 温室环境指的是作物在地面上的生长空间 它是由光照 温度 湿度 二氧化 碳浓度等因素构成的 温室控制主要是通过控制温室内的温度 湿度 通风与光照 使得它可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物 从而达到对农作物 调节产期 促进生长发育 防治病虫害及提高产量的目的 现代化温室中具有控制 温湿度 光照等条件的设备 并采用电脑进行自动控制 以此创造植物生长所需的 最佳环境条件 1 1 2 研究目的及意义 我国的设施园艺绝大部分用于蔬菜生产 80 年代以来 温室 大棚蔬菜的种植 面积连年增加 目前的栽培设施中 有国家标准的装配式钢管塑料大棚和玻璃温室 仅占设施栽培面积的少部分 大多数的农村仍然采用自行建造的简单低廉的竹木大 小棚 只能起到一定的保温作用 根本谈不上对温光水气养分等环境条件的调控 抗自然环境的能力极差 即使那些数量不多的装配式塑料大棚和玻璃温室也缺乏配 套的调控设备和仪器 仅仅依靠经验和单因子定性调控 所以 我国设施栽培的智 能化程度非常低 除此之外 我国设施农业目前还存在着诸如土地利用率低 盲目 引进温室 设施结构不合理 能源浪费严重 运营管理费用高 管理技术水平低 劳动生产率低及单位面积产量低等诸多问题 中国农业想要发展 就必须走现代化农业这条道路 随着国民经济的迅速发展 农业的研究和应用技术越来越受到重视 特别是温室大棚已经成为高效农业的一个 重要组成部分 现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数 进行检测和控制 在实际的农业种植中 温室环境与生物的生长 发育 能量交换 等有着密切的关系 作为实现温室生产管理自动化 科学化的基本保证 环境测控 1 可通过对监测数据的分析 并结合作物生长发育规律 从而控制环境条件 使作物 达到优质 高产 高效的栽培目的 实际上生产生活中 以蔬菜大棚为代表的现代 农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用 目前 虽然国外的温室设施己经发展到比较完备的程度 并形成了一定的标准 但是价格非常昂贵 缺乏与我国气候特点相适应的测控软件 而当今国内大多数对 大棚温度 湿度 二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理 这样不可避免的有 测控精度低 劳动强度大及由于测控不及时等弊端 容易造成不可弥补的损失 结 果不但大大增加了成本 浪费了人力资源 而且很难达到预期的效果 因此 为了 实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性 推动我国农业的发展 必须 大力发展农业设施与相应的农业工程 科学合理地调节大棚内温度 湿度以及二氧 化碳的含量 使大棚内形成有利于蔬菜 水果生长的环境 现阶段随着蔬菜大棚的迅速增多 人们对其性能要求也越来越高 特别是为了 提高生产效率 对大棚的自动化程度要求也越来越高 随着社会的进步和科学的发 展 我国设施农业将向着地域化 节能化 专业化发展 向着高科技 自动化 机 械化 规模化 产业化的工厂型农业发展 为社会提供更加丰富的无污染 安全 优质的绿色健康食品 所以 进行温室大棚温度 PLC 控制系统的研究设计具有重要 的现实意义 本课题通过对 PLC 可编程控制器 组态软件 传感器 数据采集系统 的学习与研究 完成了利用西门子 PLC 与 PC 机构组成温室大棚温度监控系统 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 我国现代温室技术起步较晚 80 年代以来 政府大力发展以塑料大棚 节能日 光温室为主的设施农业 促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾 其 中能充分利用太阳光热资源 节约燃煤 减少环境污染的日光温室为我国所特有 1997 年我国日光温室面积已超过近 16 7 万公顷 由农业部联合有关部门试验推广的 新一代节能型日光温室 每年每亩可节约燃煤约 20 吨 随后 以单层薄膜或双层冲气 薄膜 PC 板 玻璃为覆盖材料的大型现代化连栋温室 以其土地利用率高 环境控 制自动化程度高和便于机械化操作等优点 自 1995 年以来 便呈现出迅猛的发展之 势 目前全国共有大型温室面积 200 公顷 其中自日本 荷兰 以色列 美国等国 家引进的温室面积达 140 公顷 最初 我国的现代温室技术主要从国外引进 然而 2 近几年从国外引进的温室大部分经营亏损 目前已处于停产状态或仅仅利用其玻璃 的外壳 随着温室面积的不断增加 温室建造的国产化问题越来越引起人们的重视 目前 现代化大型温室的骨架和覆盖材料国产化已经基本不成问题 但其内部的配 套设施和计算机管理系统等现代化管理方法与先进国家相比还有较大的差距 是今 后要着力解决的问题 在温室环境自动监控中 各环境参数分别由各自的闭环系统 控制 但由于这些受控参数常常相互影响 如光照增加 室温相应增加 温度的升 高 又造成温室相对湿度降低 同时各系统间并不完全独立 回路间相互耦合时可 能导致系统不稳而失控 这里可采用模糊控制方法 可较好地解决环境参数之间的 相互影响 另外 以前在监控系统的研制开发中 主要针对环境 而很少考虑农业 生产过程中的生物因素 没有农业专家的合作参与 很难对系统正确定位 其适应 性也差 所以 将农业学科与工程学科结合起来 对果蔬生长的环境参数进行优化 设计 对于开发经济有效的温室监控软件系统是非常重要的 近年来我国的温室控制取得了长足的进步 首先在温室群控制方面 进行了初 步的探索和理论研究 其次在温室控制中引入了人工智能和先进的控制算法 如专 家系统 遗传算法 模糊控制等理论和控制策略 当前温室控制系统研究热点己由 简单的 DDC 直接数字控制 发展到分布式控制系统 如 DCS 分布式控制 FCS 柔 性控制 等网络化的控制系统 目前 在相关行业己经有网络化测量和控制方面的研 究 实现网络化 分布式数据采集系统取代传统孤立的 信息闭塞的系统 甚至跨 越以太网或 Internet 进行数据采集 实施远程控制 虽然国内温室规模有限 还没有 形成规模经济 另外构建的费用也较高 但从长远来看 温室监控系统分布式和网 络化将是一种必然的趋势 现代温室中常见的能自动控制的调控机构有 顶部通风窗 侧面通风窗 外遮 阳帘幕 内遮阳帘幕 轴流通风机 降温湿帘 人工补光灯 二氧化碳施肥器 加 热设备 喷雾系统及熏蒸设备 控制器综合调节各个机构 使系统在运行中节约能 源的同时保证室内气候满足植物生长需求 使用的控制器可以有很多选择 如单片 机 工控机 PLC 通用 PC 机等 1 2 2 国外研究现状 西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早 1949 年 借助于工程技术的 发展 美国建成了第一个植物人工气候室 开展了植物对自然环境的适应性和抗御 能力的基础及应用研究 20 世纪 60 年代 生产型的高级温室开始应用于农业生产 3 奥地利首先建成了番茄生产工厂 70 年代后荷兰 日本 美国 英国 以色列等国 家的温室园艺迅猛发展 温室设施广泛应用于园艺作物生产 畜牧业和水产养殖业 随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展 近百年来 温室大棚作为设施农业 的重要组成部分 其自动控制和管理技术不断得以提高 在世界各地都得到了长足 的发展 特别是二十世纪 70 年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现 更使温 室大棚环境控制技术产生了革命性的变化 80 年代 随着微型计算机日新月异的进 步和价格大幅度下降 以及对温室控制要求的提高 以微机为核心的温室综合环境 控制系统 在欧美得到了长足的发展 并迈入了网络化 智能化阶段 目前 国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度 并形成了一定 的标准 温室内的各环境因子大多由计算机集中控制 检测传感器也较为齐全 如 温室内外的温度 湿度 光照度 二氧化碳浓度 营养液浓度等 由传感器的检测 基本上可以实现对各个执行机构的自动控制 如无级调节的天窗通风系统 湿帘与 风扇配套的降温系统 由热水锅炉或热风机组成的加温系统 可定时喷灌或滴灌的 灌溉系统 二氧化碳施肥系统 以及适用于温室作业的农业机械等 计算机对这些 系统的控制己经不是简单的 独立的 静态的直接数字控制 而是基于环境模型上 的监督控制 以及基于专家系统上的人工智能控制 一些国家在实现自动化的基础 上正在向着完全自动化 无人化的方向发展 1 3 研究内容 可编程控制器 PLC 是集计算机技术 自动控制技术和通信技术为一体的新型 自动控制装置 其性能优越 已被广泛应用于工业控制的各个领域 并已成为工业 自动化的三大支柱 PLC 工业机器人 CAD CAM 之一 PLC 的应用已成为一个世 界潮流 在不久的将来 PLC 技术在我国将得到更全面的推广和应用 本论文研究的是 PLC 技术在温室控制系统上的应用 从整体上分析和研究了控 制系统的电路设计 硬件设计 软件设计 控制对象数学模型的建立 控制算法的 选择和参数的整定 人机界面的设计等 本次研究内容为温室大棚温度 PLC 控制系统设计 温室大棚的作用是改变植物 的生长因子 从而避免四季的气候变化和恶劣气候对植物生长的不良影响 为植物 提供一个良好的生长环境 在植物的生长过程中 温室中的温度 光照 湿度 CO2 浓度 土壤酸碱度等环境参数对植物的生长起着重要作用 本次研究采用可编 4 程控制器 PLC 作为控制核心 通过传感器检测温室中的环境参数 经变送转换为标 准电流信号 4 20mA 后送入 S7 200 的模拟量输入模块 EM235 PLC 通过分析处 理 输出开关量 通过驱动电路控制通风扇 遮阳帘 风机等多种执行机构 5 第二章 PLC 概述 2 1 PLC简介 2 1 1 PLC的产生和应用 1969 年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器 PDP 14 并在 GM 公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功 1971 年日本从美国引进这项技 术 很快研制出第一台可编程序控制器 DSC 18 1973 年西欧国家也研制出他们的第 一台可编程控制器 我国从 1974 年开始研制 1977 年开始工业推广应用 进入 20 世纪 70 年代 随着电子技术的发展 尤其是 PLC 采用通讯微处理器之后 这种控制 器功能得到更进一步增强 进入 20 世纪 80 年代 随着大规模和超大规模集成电路 等微电子技术的迅猛发展 以 16 位和少数 32 位微处理器构成的微机化 PLC 使 PLC 的功能更加强大 工作速度快 体积减小 可靠性提高 成本下降 编程和故 障检测更为灵活 方便 目前 PLC 在国内外已广泛应用于钢铁 石油 化工 电 力 建材 机械制造 汽车 轻纺 交通运输 环保及文化娱乐等各个行业 2 1 2 PLC的组成和工作原理 一 PLC 的组成 PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种 但在逻辑结构上基本上相同 整体式 PLC 一般由 CPU 板 I O 板 显示面板 内存和电源等组成 模块式 PLC 一 般由 CPU 模块 I O 模块 内存模块 电源模块 底板或机架等组成 无论哪种结 构类型的 PLC 都属于总线式的开放结构 其 I O 能力可根据用户需要进行扩展与 组合 1 CPU CPU 是 PLC 的核心 主要由运算器 控制器 寄存器及实现它们之间联系的地 址总线 数据总线及控制总线构成 此外 CPU 单元还包括外围芯片 总线接口及有 关电路 它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据 用扫描的方 式采集由现场输入装置送来的状态或数据 并存入规定的寄存器中 同时 诊断电 源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等 CPU 主要用于存储程序 及数据 是 PLC 不可缺少的组成单元 在很大程度上决定了 PLC 的整体性能 CPU 6 速度和内存容量是 PLC 的重要参数 它们决定着 PLC 的工作速度 I O 数量及软件 容量等 因此限制着控制规模 2 I O 模块 输入模块和输出模块通常称为 I O 模块或 I O 单元 PLC 的对外功能主要是通过 各种 I O 接口模块与外界联系来实现的 输入模块和输出模块是 PLC 与现场 I O 装 置或设备之间的连接部件 起着 PLC 与外部设备之间传递信息的作用 I O 模块集 成了 PLC 的 I O 电路 其输入暂存器反映输入信号状态 输出点反映输出锁存器状 态 输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统 输出模块相反 I O 分为开 关量输入 Digital Input DI 开关量输出 Digital Output DO 模拟量输入 Analog Input AI 模拟量输出 Analog Output AO 等模块 开关量模块按电压水平分有 220VAC 110VAC 24VDC 等规格 按隔离方式分 有继电器输出 晶闸管输出和晶体管输出等类型 模拟量模块按信号类型分有电流 型 4 20mA 0 20mA 电压型 0 10V 0 5V 10 10V 等规格 按精度分有 12 位 14 位 16 位等规格 3 存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电路 分为系统程序存储器和用户存储器 系统 程序存储器用以存放系统程序 包括管理程序 监控程序以及对用户程序做编译处 理的解释编译程序 由只读存储器 ROM 组成 厂家使用的 内容不可更改 断电 不消失 用户存储器 分为用户程序存储区和工作数据存储区 由随机存取存储器 RAM 组成 用户使用的 断电内容消失 常用高效的锂电池作为后备电源 寿 命一般为 3 5 年 4 编程器 编程器的作用是用来供用户进行程序的输入 编辑 调试和监视的 编程器一般 分为简易型和智能型两类 简易型只能联机编程 且往往需要将梯形图转化为机器 语言助记符后才能送入 而智能型编程器 又称图形编程器 不但可以连机编程 而且还可以脱机编程 操作方便且功能强大 4 电源 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源 同时 有的还为输入电 路提供 24V 的工作电源 电源输入类型有 交流电源 220VAC 或 110VAC 直 流电源 常用的为 24VDC 7 图 2 1 PLC 基本结构图 二 可编程控制器的工作原理 PLC 的工作方式是循环扫描的方式 每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工 作周期 CPU 从第一条指令开始 按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束 然后返回第一条指令开始新的一轮扫描 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫 描的 PLC 工作的全过程可用图 2 2 所示的运行框图来表示 8 图 2 2 可编程控制器运行框图 2 1 3 PLC的分类及特点 PLC 分类方法有多种 按规模 即 I O 点数 可分为大 中 小型 按结构可 分为整体式和组合式 在实际应用中通常都按 I O 点数来分类 I O 点数表明 PLC 的 I O 端子数 一般来说 点数多的 PLC 功能较强 一 小型 PLC 小型 PLC 的 I O 点数一般在 256 点以下 其特点是体积小 结构紧凑 整个 硬件融为一体 除了开关量 I O 以外 还可以连接模拟量 I O 以及其他各种特殊功 能模块 它能执行包括逻辑运算 计时 计数 算术 运算数据处理和传送通讯联 网以及各种应用指令 9 二 中型 PLC 中型 PLC 采用模块化结构 其 I O 点数一般在 256 1024 点之间 I O 的处 理方式除了采用一般 PLC 通用的扫描处理方式外 还能采用直接处理方式即在扫描 用户程序的过程中直接读输入刷新输出 它能联接各种特殊功能模块 通讯联网功 能更强 指令系统更丰富 内存容量更大 扫描速度更快 三 大型 PLC 一般 I O 点数在 1024 点以上的称为大型 PLC 大型 PLC 的软硬件功能极强 具有极强的自诊断功能 通讯联网功能强 有各种通讯联网的模块可以构成三级通 讯网实现工厂生产管理自动化 2 2 PLC 控制系统设计的基本原则及步骤 理解 PLC 的基本工作原理和指令系统后 就可以把 PLC 应用到实际的工程项目 中 无论是用 PLC 组成集散控制系统 还是独立控制系统 PLC 控制部分的设计都 可以参考如下所述的基本原则及步骤 2 2 1 PLC控制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象 生产设备或生产过程 的工艺要求 以提高生产效率和产品质量 而在实际设计过程中 设计原则往往会涉及很多方面 其中最基本的设计原则可以归纳为 4 点 一 最大限度地满足控制要求 充分发挥 PLC 功能 最大限度地满足被控对象的控制要求 是设计中最重要的 一条原则 设计人员要深入现场进行调查研究 收集资料 同时要注意和现场工程 管理和技术人员及操作人员紧密配合 共同解决重点问题和疑难问题 二 保证系统的安全可靠 保证 PLC 控制系统能够长期安全 可靠 稳定运行 是设计控制系统的重要原 则 三 力求简单 经济 使用与维修方便 在满足控制要求的前提下 一方面要注意不断地扩大工程的效益 另一方面也 要注意不断地降低工程的成本 不宜盲目追求自动化和高指标 四 适应发展的需要 适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要 在选择 PLC 的型号 I O 点数和 存储器容量等内容时 应留有适当的余量 以利于系统的调整和扩充 10 2 2 2 PLC控制系统设计的步骤 设计 PLC 应用系统时 首先是进行 PLC 应用系统的功能设计 即根据被控对象 的功能和工艺要求 明确系统必须要做的工作和因此必备的条件 然后是进行 PLC 应用系统的功能分析 即通过分析系统功能 提出 PLC 控制系统的结构形式 控制 信号的种类 数量 系统的规模 布局 最后根据系统分析的结果 具体确定 PLC 的机型和系统的具体配置 PLC 控制系统设计可以按以下步骤进行 一 分析被控对象并提出控制要求 制定控制方案 详细分析被控对象的工艺过程及工作特点 了解被控对象机 电 液之间的配 合 提出被控对象对 PLC 控制系统的控制要求 确定控制方案 拟定设计任务书 二 确定 I O 设备 根据系统的控制要求 确定系统所需的全部输入设备 如 按纽 位置开关 转换开关及各种传感器等 和输出设备 如 接触器 电磁阀 信号指示灯及其它 执行器等 从而确定与 PLC 有关的输入 输出设备 以确定 PLC 的 I O 点数 三 选择 PLC PLC 选择包括对 PLC 的机型 容量 I O 模块 电源等的选择 四 分配 I O 点并设计 PLC 外围硬件线路 1 分配 I O 点 画出 PLC 的 I O 点与输入 输出设备的连接图或对应关系表 2 PLC 外围硬件线路 画出系统其它部分的电气线路图 包括主电路和未进入 PLC 的控制电路等 由 PLC 的 I O 连接图和 PLC 外围电气线路图组成系统的电气原理图 到此为止 系统的硬件电气线路已经确定 五 程序设计 1 程序设计 1 控制程序 2 初始化程序 3 检测 故障诊断和显 示等程序 4 保护和连锁程序 2 模拟调试 根据产生现场信号的方式不同 模拟调试有硬件模拟法和软件模 拟法两种形式 六 硬件实施 1 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图 2 设计系统各部分之间的电气互连图 3 根据施工图纸进行现场接线 并进行详细检查 11 七 联机调试 联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调 联机调试过程应循序 渐进 从 PLC 只连接输入设备 再连接输出设备 再接上实际负载等逐步进行调试 如不符合要求 则对硬件和程序作调整 通常只需修改部份程序即可 全部调试完 毕后 交付试运行 经过一段时间运行 如果工作正常 程序不需要修改 应将程 序固化到 EPROM 中 以防程序丢失 八 整理和编写技术文件 技术文件包括设计说明书 硬件原理图 安装接线图 电气元件明细表 PLC 程序以及使用说明书等 图 2 3 PLC 控制系统设计步骤 12 第三章 控制系统的总体设计方案 3 1 系统的设计任务 温室大棚的作用是调节植物生长的环境因素 从而避免四季的气候变化和恶劣 气候对植物生长的不良影响 为植物提供一个良好的生长环境 促进植物的生长发 育 防止病虫害 以达到增加产量的目的 温室中的温度 光照 湿度 CO 2 浓度 土壤酸碱度等因素对植物的生长起着重要作用 本设计的主要控制对象为温室中的 温度 光照和二氧化碳浓度 应用温度传感器 光照度传感器和二氧化碳浓度传感 器对各环境因子进行检测 温度的调节主要通过通风窗 加热器的动作来进行解决 光照度主要通过发光体和遮阳帘来调节 CO 2 浓度主要通过 CO2 添加器进行补偿 本温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器 光照传感器 CO 2 传感器 等采集或观测的温室内的温度 光照强度 CO 2 浓度等环境参数信息 通过控制设 备对温室通风窗 加热器 发光体 遮阳帘 CO 2 添加器等执行机构的控制 对温 室环境环境因素进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要 为作物生长发育提 供最适宜的生态环境 以大幅度提高作物的产量和品质 3 2 系统的控制方案 在温室大棚中 上述控制任务的实现需要有一套完善的硬 软件温室系统进行 控制 该温室大棚控制系统以 PLC 为控制中心 采用传感器对温室温度 光照 二 氧化碳浓度等环境因素进行测量 并将结果送到 PLC 中 由 PLC 对结果进行处理 然后调控各设备对环境因子进行补尝 考虑到实际生产生活中的安全性与可靠性 本控制系统设有手动 自动两种工 作模式 自动方式是指周期性地进行 PLC 控制的方式 而手动方式则是指在出现应 急情况等一些突发事件时 通过手动操作控制执行器件的工作 自动工作中 如果 被检测量温度高于设定值 PLC 就会发出相应的指令控制开启通风窗和冷风机 如 果测量值与设定值相等 则关闭通风窗和冷风机 如果测量值低于设定值 则打开 加热器和热风机对温室进行加温 当温室的光照低于设定值时 系统打开遮阳帘或 开启发光体 当温室的光照高于设定值时 系统关闭遮阳帘或发光体 当温室的二 氧化碳浓度低于设定值 系统开启二氧化碳添加器 通过温度 光照和二氧化碳浓 13 度的设定与调节达到适应不同植物生长的需求 从而广泛应用到实际中 本设计的 特点是成本低廉 节约资源 提高产量 实现经济价值最大化 该温室控制系统的 总体框图如下所示 图 3 1 系统总体框图 3 3 系统的工作原理 该温室大棚控制系统由 PLC 系统 传感器系统 执行部件等几个部分组成 该 温室控制系统以 PLC 为控制中心 通过温度传感器 光照传感器 二氧化碳浓度传 感器采集温室中环境因子的有关参数 经变送转换为标准电流信号 4 20mA 后经 由 S7 200 的模拟量输入模块 EM235 送入 PLC 控制器 PLC 再通过 PID 控制算法将 采集的参数与已设定的值进行分析处理 输出开关量 对执行机构进行控制 在此 系统中还可以通过串口的形式与 PC 机相连 从而实现实时数据的管理与存储 为以 后植物生长的研究带来宝贵资料 14 第四章 控制系统的硬件设计 在掌握了 PLC 的硬件构成 工作原理 指令系统以及编程环境后 就可以以 PLC 作为主要控制器来构造 PLC 控制系统 PLC 控制系统的设计主要包括硬件设计 和软件设计两部分 本章主要从硬件设计角度进行温室控制系统的硬件设计方案 本章节主要介绍了该项目的电气控制系统设计 PLC 硬件电路及外部配置设计 4 1 电气控制系统设计 4 1 1 系统主电路设计 图 4 1 系统主电路图 系统的主电路如图所示 其中通风扇电机 遮阳帘电机 遮阳帘风机配有限位 开关 除功率有所不同之外 需通过电机正转 反转和停止来完成相应机构的开启 与闭合 因此它们的工作主电路相似 热风机 冷风机 加热器 发光体 CO2 添 加器则属于开 关设备 QK 为刀开关 用于控制整个主电路的启停 FU1 FU7 为熔 断器 分别对各个分线路实施短路和过载保护 FR1 FR5 为热继电器 对电机 加 热器起过载保护的作用 KM1 KM9 为交流接触器的主触头 用其实现电机的正反 转 停止以及风机等开 关设备的启停控制 4 1 2 系统控制电路设计 从系统主电路图中 可以看出执行机构系统包括遮阳帘 通风扇 热风机 冷 风机 加热器 发光体和 CO2 添加器等部分 通常 温室的执行机构可分为两大类 15 一类是正反转运行电机 如通风扇 遮阳帘等 这些电机需要正转 反转和停止 必须有限位开关 另一类是开关控制设备 如风机 水泵等 一 正反转设备 通风扇 遮阳帘均属于正反转设备 其控制电路相似 现以遮阳帘为例 做以 下介绍 1 遮阳帘主电路 其电路中的熔断器 FU2 起到过电流保护的作用 热继电器 FR2 则是电机的过载 保护 主要针对遮阳帘由于外界原因打不开或关闭不了的情况 而 KM3 KM4 在电 路中起到控制电机正转与反转的功能 即遮阳帘的拉开与关闭 图 4 2 遮阳帘主电路图 2 遮阳帘控制电路 16 图 4 3 遮阳帘控制电路原理图 遮阳帘控制电路原理图如图 4 3 所示 SB1 为手动 自动的切换开关 SB2 为总启 动按钮 SB3 为总停止按钮 按下总启动按钮 SB2 交流接触器 KM10 的线圈得电 同时 KM10 的常开触点闭合 起自锁作用 在手动状态下 SB4 为开帘 关帘切换 按钮 当 SB4 切换至开帘模式 交流接触器 KM3 的线圈得电 此时电机正转 遮阳 帘打开 当遮阳帘开启到最大位置后触碰到限位开关 SQ1 其常闭触点断开 KM3 的线圈失电 电机停止转动 同理当 SB4 切换至关帘模式 遮阳帘关闭 到关闭的 最大位置后 电机停转 按下按钮 SB3 KM10 的线圈失电 遮阳帘停止动作 用于 急停操作 在自动状态下 由 PLC 控制器实现控制 中间接触器 KM3 的线圈得电 时 其常开触点闭合 遮阳帘开启 中间接触器 KM4 的线圈得电时 其常开触点闭 合 遮阳帘闭合 遮阳帘等正反转设备何时开启或闭合由硬件 算法和程序共同决 定 在下面章节中将着重介绍 二 开 关设备 热风机 冷风机 加热器 发光体 CO2 添加器均属于开 关设备 其控 制电路相似 现以热风机为例 做以下介绍 1 热风机主电路 风机的运转主要由电机的通断来实现 可以由一个继电器来实现风机的控制 在 电路中必须加有短路保护 过流保护 过载保护 而这些可以由热继电器 熔断器 来实现电路中的保护 由以上要求可以设计如下的电路 17 图 4 4 热风机主电路图 热风机控制电路 图 4 5 热风机控制电路图 热风机控制电路原理图如图 4 5 所示 SB1 为手动 自动的切换开关 按下按钮 SB2 交流接触器 KM10 的线圈得电 同时 KM10 的常开触点闭合 起自锁作用 在手动状态下 SB6 为启停旋钮 将旋钮 SB6 旋至启动状态 此时热风机运转 将 旋钮 SB6 旋至停止状态 热电机停止工作 在自动状态下 由 PLC 控制器实现控制 18 中间接触器 KM5 得电时 其常开触点闭合 热风机运行 热风机等开 关设备的启 停同样由硬件 算法和程序共同决定 在下面章节中将作详细介绍 4 2 PLC硬件电路的设计 4 2 1 PLC型号选择 一 PLC 的 I O 点数 根据系统的控制要求 可确定系统所需的全部输入设备 如 按纽 限位开关 单刀双掷开关及各种传感器等 和输出设备 如 接触器 电磁阀 信号指示灯及 其它执行器等 从而确定与 PLC 有关的输入 输出设备 最终确定 PLC 的 I O 点数 为 14 个数字量输入 10 个数字量输出 3 个模拟量输入 二 PLC 的选型 S7 系列可编程控制器包括 S7 200 系列 S7 300 系列和 S7 400 系列 其功能强 大 分别应用于小型 中型和大型自动化系统 本控制系统采用德国西门子 S7 200 PLC S7 200 系列 PLC 是西门子公司生产的一种小型整体式结构可编程序控制器 S7 200 系列 PLC 广泛应用于集散自动化系统 使用范围覆盖机床 机械 电力设施 民用设施 环境保护设备等自动化控制领域 既可用于继电器简单控制的更新换代 又可实现复杂的自动化控制 因此 S7 200 系列具有极高的性能 价格比 S7 200 系列的 PLC 有 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 CPU226XM 等 6 种不同型号 其中 CPU226 集成 24 输入 16 输出共 40 个数字量 I O 点 可连接 7 个扩展模块 最 大扩展至 248 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 具有 13K 字节程序和数据存 储空间 6 个独立的 30kHz 高速计数器 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出 具有 PID 控制器 2 个 RS485 通讯 编程口 具有 PPI 通讯协议 MPI 通讯协议和自由方式通 讯能力 此控制系统的 I O 点数为 14 输入 9 输出 在既能实现该系统控制要求 又 能满足以后发展的前提下 选用的 S7 200 系列的 CPU226 4 2 2 PLC I O地址分配 根据系统的控制要求 控制系统的 I O 地址如下表分配 表 4 1 输入端口分配表 序 输入 信号名称 备注 符号 19 号 口 I0 0 手动 自动切换 旋钮 SB1 I0 1 总启动 按钮 SB2 I0 2 总停止 按钮 SB3 I0 3 遮阳帘开限位 限位开关 SQ1 I0 4 遮阳帘关限位 限位开关 SQ2 I0 5 遮阳帘开帘 单刀双掷开关 SB4 I0 6 遮阳帘关帘 单刀双掷开关 SB4 I0 7 通风扇正转 单刀双掷开关 SB5 I1 0 通风扇反转 单刀双掷开关 SB5 I1 1 热风机启停 旋钮 SB6 I1 2 冷风机启停 旋钮 SB7 I1 3 加热器启停 旋钮 SB8 I1 4 补光灯启停 旋钮 SB9 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 I1 5 CO2 添加器启停 旋钮 SB10 AIW 0 温度传感器 AIW 2 光照度传感器 15 16 17 AIW 4 CO2 浓度传感器 表 4 2 输出端口分配表 序 号 输出 口 控制信号 备注 符号 Q0 0 通风扇正转 接触器 KM1 Q0 1 通风扇反转 接触器 KM2 Q0 2 遮阳帘开帘 接触器 KM3 Q0 3 遮阳帘关帘 接触器 KM4 Q0 4 热风机 接触器 KM5 01 02 03 04 05 06 Q0 5 冷风机 接触器 KM6 20 Q0 6 加热器 接触器 KM7 Q0 7 补光灯 接触器 KM8 Q1 0 CO2 添加器 接触器 KM9 07 08 09 10 Q1 1 启动指示灯 接触器 KM1 0 4 2 3 硬件接线图设计 本次设计选用 S7 200 系列的 CPU226 硬件接线图如图 4 6 所示 图 4 6 硬件接线图 4 3 PLC的硬件配置 4 3 1 传感器 一 温度传感器 根据温室温度控制的特点 本文的温度传感器可采用芬兰维萨拉公司型号为 HMD40 的产品 该款传感器具有测量精度高 易于安装 响应速度快 对环境要求 较低等特点 其外观如图 4 7 所示 21 图 4 7 HMD40 型温 湿度传感变送器实物图 该传感器的主要性能指标如下 1 温度检测范围 10 60 测量精度 0 3 2 湿度检测范围 0 100 RH 测量精度 1 5 RH 3 工作电压 10 28V DC 4 输出信号 4 20mA 二 光照传感器 光控用于控制遮阳幕的启闭 使作物得到合理的光照度并实现以下目的 免除 作物超过光饱合点 提高光合作用 实现对长日照作物 中日照作物和短日照作物 的光照控制 光照度传感器采用北京易盛泰和科技有限公司产品型号 Poi88 c 光照度传感器 该传感器采用先进的电路模块技术开发变送器 用于实现对环境光照度的测量 输 出标准的电压及电流信号 体积小 安装方便 线性度好 传输距离长 抗干扰能 力强 可广泛用于环境 养殖 建筑 楼字等的光照度测量 量程可调 1 量程 O 200K1UX O 20K10X 0 2000 可选 2 供电电压 24VDC 12VDC 3 输出信号 20 4mA 10V OV 可选 4 精度 2 三 CO2 浓度传感器 二氧化碳控制实时监测 C02 的含量 当 C02 的含量低于一定值时打开 C02 储气 罐或 C02 发生器以增施气肥 22 C02 传感器选用弗加罗公司生产 TGS4160 二氧化碳传感器 该传感器是固态电 化学型气体敏感元件 这种二氧化碳传感器除具有体积小 寿命长 选择性 和稳定性好等特点外 同时还具有耐高湿低温的特性 可广泛用于自动通风换 气系统或是 C02 气体的长期监测等应用场合 TGS4160 传感器的主要技术参数如下 1 测量范围 0 5000ppm 2 使用寿命 2000 天 3 内部热敏电阻 补偿用 100k Q 5 4 使用温度 一 10 50 5 使用湿度 5 95 RH 4 3 2 EM235模拟量输入 输出模块 在控制系统中 传感器将检测到的温度转换成标准电压或电流信号 系统需要 配置模拟量输入模块 将电压或电流信号转换成数字信号再送入 PLC 中进行处理 在这里我们选择西门子的 EM235 模拟量输入 输出模块 一 EM235 模拟量输入 输出模块简介 EM 235 模块是组合强功率精密线性电流互感器 意法半导体 ST 单片集成变 送器 ASIC 芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块 它可以直接将被测主回路 交流电流转换成按线性比例输出的 DC4 20mA 通过 250 电阻转换 DC 1 5V 或 通过 500 电阻转换 DC2 10V 标准信号 连续输送到接收装置 EM235 模块具 有 4 路模拟量输入 1 路模拟量输出 EM235 需要直流 24V 的工作电源 它利用 DIP 开关设置输入信号的量程 表 4 3 所示为如何用 DIP 开关设置 EM 235 模块 通过开 关 1 6 可选择模拟量输入范围 DIP 开关 SW6 决定模拟量输入的单双极性 当 SW6 为 ON 时 模拟量输入为单极性输入 SW6 为 OFF 时 模拟量输入为双极性输 入 SW4 和 SW5 决定输入模拟量的增益选择 而 SW1 SW2 SW3 共同决定了模 拟量的衰减选择 所有的输入设置成相同的模拟量输入范围 表中 ON 为接通 OFF 为断开 表 4 3 EM 235 选择模拟量输入范围和分辨率的开关表 单极性 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 满量程输入 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 根据温室控制系统中的控制模块 经由传感器测得的温度 光照度 CO2 的测 量值均为单极性 选择 0 到 10V 的量程 故设置 DIP 开关为 010001 二 EM235 模拟量输入输出模块的使用 EM235 模拟量输入输出混合模块输入信号整定的步骤 1 在模块脱离电源的条件下 通过 DIP 开关选择需要的输入范围 2 接通 CPU 及模块电源 并使模块稳定 15 分钟 3 用一个电压源或电流源 给模块输入一个零值信号 4 调节偏置电位器 使模拟量输入寄存器的读数为零或所需要的数值 5 将一个满刻度的信号加到模块输入端 调节增益电位器 直到读数为 32000 或所需要的数值 经上述调整后 若输入最大值为 0 10V 的模拟量信号 则对应的数字量结果 应为 32000 或所需数字 其关系如图所示 图 4 8 EM235 转换曲线 三 EM235 模块模拟量 I O 接线示意图 如图所示为 EM235 模块模拟量 I O 接线示意图 24V DC 电源正极接入模块左 下方 L 端子 负极接入 M 端子 EM235 模块的上部端子排为标注 A B C D 的 24 四路模拟量输入接口 可分别接入标准电压 电流信号 为电压输入时 如 A 口所 示 电压信号正极接入 A 端 负极接入 A 端 RA 端悬空 为电流输入时 如 B 口 所示 须将 RB 与 B 短接 然后与电流信号输出端相连 电流信号输入端则接入 B 借口 若 4 个接口未能全部使用 如 C 口所示 未用的接口要将 C 与 C 端用短路 子短接 以免受到外部干扰 下部端子为一路模拟量输出端的 3 个接线端子 MO VO IO 其中 MO 为数字接地接口 VO 为电压输输出接口 IO 为电流输出 接口 若为电压负载 则将负载接入 MO VO 接口 若为电流负载则接入 MO IO 接口 图 4 5 EM235 接线图 25 第五章 控制系统的软件设计 PLC 控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分 本章节在硬件设计 的基础上 详细介绍本项目的软件设计 主要包括软件设计的基本步骤 方法 编 程软件 STEP7 Micro WIN 的介绍以及本项目的程序设计 5 1 PLC程序设计的方法 PLC 程序设计常用的方法主要有经验设计法 电路转换梯形图法 逻辑设计法 顺序控制设计法等 一 经验设计法 即根据前人总结的典型控制电路程序 再按照设计中被对象 的具体要求 把典型程序进行重新组合 而且需要反复调试和修改 得到现在系统 所需要的梯形图 有时仅仅这些还不能满足要求 还需要增加中间环节 才能得出 符合要求的系统 这种方法没有一定的规律可遵循 设计所用的时间和设计质量与 设计者的经验有很大的关系 故称为经验设计法 二 继电器控制电路转换为梯形图法 用 PLC 的外部硬件接线和梯形图软件来 实现继电器控制系统的功能 三 顺序控制设计法 根据功能流程图 以步为核心 从起始步开始一步一步 地设计下去 直至完成 此法的关键是画出功能流程图 四 逻辑设计法 通过中间量把输入和输出联系起来 实际上就找到输出和输 入的关系 完成设计任务 本次设计采用的就是经验设计法 5 2 编程软件 STEP 7 Micro WIN概述 STEP7 Micro WIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件 由西门子公司专 为 S7 200 系列可编程控制器设计开发 它功能强大 既可用于开发用户程序 又可 以实时监控用户程序的执行状态 编程软件的具体功能如下 1 可以用梯形图 语句表和功能块图编程 26 2 可以进行符号编程 通过符号表分配符号和绝对地址 即对编程元件定义符 号名称 增加程序的可读性 并可打印输出 3 支持三角函数 开方 对数运算功能 4 具有易于使用的组态向导 5 可用于 CPU 硬件配置 6 可以将 STEP 7 Micro WIN 正在处理的程序与所连接的 PLC 中的程序进行比 较 5 3 控制系统的程序设计 5 3 1 程序的设计思路 本控制系统设有手动 自动两种工作模式 自动模式为正常运行状态 手动模 式用于应对一些突发情况 在自动工作模式下 PLC 运行时 将传感器对温室温度 光照 二氧化碳浓度等环境因素进行检测的测量值与温室控制系统的设定值进行比 较 如果温度的检测量高于设定值 PLC 就会发出相应的指令控制冷风机的开启和 通风扇正转 将温室中的空气排向外界 如果测量值低于设定值 则打开加热器 和热风机 对温室进行加温 并使通风扇反转 将外界的空气引入温室 当温室 的光照低于设定值时 系统打开遮阳帘和补光灯 当温室的光照高于设定值时 系 统关闭遮阳帘 当温室的二氧化碳浓度低于设定值 系统开启二氧化碳调节阀 如 果温室中的测量值与设定值相等 则关闭关闭相应设备 保持温室中的环境参数 5 3 2 控制程序流程图 1 温度控制流程图 温室大棚的温度控制流程图如图 5 1 所示 27 图 5 1 温度控制流程图 二 光照控制流程图 温室大棚的光照控制流程图如图 5 2 所示 图 5 2 光照控制流程图 2 CO 2 浓度控制流程图 温室大棚的 CO2浓度控制流程图如图 5 3 所示 28 图 5 3 CO2 浓度控制流程图 5 3 3 控制程序设计及分析 一 自动 手动切换 I0 0 为自动 手动切换 I0 1 为总启动 当 I0 1 1 时 Q1 1 得电 启动灯亮 I0 2 为总停止 当 I0 0 1 I0 1 1 时 中间继电器 M0 0 得电 系统的运行方式为自 动模式 当 I0 0 0 I0 1 1 时 中间继电器 M0 1 得电 系统的运行方式为手动模式 二 温度控制 29 当中间继电器 M0 0 得电时 系统的运行方式为自动模式 在自动情况下 温度 传感器将测得的模拟量通过模拟量输入模块 EM235 送入 PLC 中 通过整数比较指令 将温度传感器检测到的测量值 AIW0 与设定值 25 度 进行比较 当 AIW0 25 时 中 间继电器 M0 2 得电 启动降温设备 当 AIW020 时 中间继电器 M2 0 得电 启动补光设备 当 AIW2 20 时 中间继电器 M2 1 得电 启 动补光设备 当中间继电器 M0 1 得电时 系统的运行方式为手动模式 可通过控制相应的按 钮 遮阳帘开帘 I0 5 遮阳帘关帘 I0 6 补光灯 I1 4 进行温室大棚光照强度的手 动控制 在温室大棚的光照控制过程中 自动模式下 当光照传感器测量的光照强度低 于设定的光照值时 中间继电器 M2 1 得电 遮阳帘开帘补光 手动模式下 将控制 32 遮阳帘开关帘的单刀双掷开关拨至 遮阳帘开帘 中间继电器 M2 2 得电 遮阳帘开 帘补光 在温室大棚的光照控制过程中 自动模式下 当光照传感器测量的光照强度高 于设定的光照值时 中间继电器 M2 0 得电 遮阳帘关帘遮光 手动模式下 将控制 遮阳帘开关帘的单刀双掷开关拨至 遮阳帘关帘 中间继电器 M2 3 得电 遮阳帘关 帘遮光 在温室大棚的光照控制过程中 自动模式下 当光照传感器测量的光照强度低 于设定的光照值时 中间继电器 M2 1 得电 补光灯开启补光 手动模式下 按下补 光灯的启停按钮 中间继电器 M2 4 得电 补光灯开启补光 四 CO 2 浓度控制 当中间继电器 M0 0 得电时 系统的运行方式为自动模式 在自动情况下 CO2 浓度传感器将测得的模拟量通过模拟量输入模块 EM235 送入 PLC 中 通过整数比较 指令 将 CO2 浓度传感器检测到的测量值 AIW4 与设定值 1000 进行比较 当 AIW4 1000 时 中间继电器 M3 0 得电 添加温室中的 CO2 33 当中间继电器 M0 1 得电时 系统的运行方式为手动模式 可通过控制 CO2 调 节阀 I1 5 进行温室大棚 CO2 浓度的手动控制 在温室大棚的 CO2 浓度控制过程中 自动模式下 当 CO2 浓度传感器测量的浓 度低于设定的浓度时 中间继电器 M3 0 得电 打开 CO2 调节阀添加 CO2 手动模式 下 按下 CO2 添加器的启停按钮 中间继电器 M3 1 得电 打开 CO2 调节阀添加 CO2 5 4 控制程序的仿真与调试 5 4 1 仿真软件简介 在本次设计中 利用 S7 200 仿真软件 V3 0 汉化版进行控制程序的仿真与调试 该仿真软件可以仿真大量的 S7 200 指令 除部分指令如顺序控制指令 循环指 令 高速计数器指令和通讯指令等尚无法支持外 可支持常用的位触点指令 定时 器指令 计数器指令 比较指令 逻辑运算指令和大部分的数学运算指令等 该 仿真软件还提供了数字信号输入开关 两个模拟电位器和 LED 输出显示 仿真软件 同时还支持对 TD 200 文本显示器的仿真 在实验条件尚不具备的情况下 完全可以 作为学习 S7 200 的一个辅助工具 5 4 2 控制程序的仿真与调试 本部分主要介绍了温室大棚控制系统的软件调试过程 通过仿真与调试检验其 是否符合设计初衷 能否达到相应的指标 控制程序的仿真步骤如下 一 准备工作 34 仿真软件不提供源程序的编辑功能 因此必须和 STEP7 Micro Win 程序编辑软 件配合使用 即在 STEP7 Micro Win 中编辑好源程序后 然后加载到仿真程序中执 行 1 在 STEP7 Micro Win 中编辑好梯形图 2 利用 File Export 命令将梯形图程序导出为扩展名为 awl 的文件 3 如果程序中需要数据块 需要将数据块导出为 txt 文件 二 程序仿真 1 打开 S7 200 仿真软件 选择 CPU 型号 CPU226 EM235 载入程序 2 单击 RUN 键 绿色运行灯亮 按要求操作输入点 观测输出点的情况 发现相应的点绿色灯亮 3 模拟仿真结果与控制要求完全一致 程序仿真成功 图 5 4 控制程序仿真图 35 第六章 组态画面的设计方案 6 1 组态软件概述 6 1 1 组态的定义 MCGS Monitor and Control Generated System 是一套基于 Windows 平台的 用 于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统 可运行于 Microsoft Windows95 98 Me NT 2000 等操作系统 MCGS 为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台 能够完成现场 数据采集 实时和历史数据处理 报警和安全机制 流程控制 动画显示 趋势曲 线和报表输出以及企业监控网络等功能 使用 M