大棚温度自动控制系统设计

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1、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

2、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11.1 课题概述11.2 国内外研究现状21.3 研究内容4第二章 PLC概述62.1 PLC简介62.2 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

3、计方案133.1 系统的设计任务133.2 系统的控制方案133.3 系统的工作原理14第四章控制系统的硬件设计154.1 电气控制系统设计154.2 PLC硬件电路的设计194.3 PLC的硬件配置21第五章控制系统的软件设计265.1 PLC程序设计的方法265.2 编程软件STEP 7-Micro/WIN概述265.3 控制系统的程序设计275.4 控制程序的仿真与调试34第六章组态画面的设计方案366.1 组态软件概述366.2 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

4、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

5、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

6、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

7、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，

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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，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

14、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

15、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

16、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（420mA）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。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

17、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、

18、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、CPUCPU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

19、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

20、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

21、、-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35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

22、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）。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。

23、PLC工作的全过程可用图2-2所示的运行框图来表示。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。二、中型PLC中型PLC

24、 采用模块化结构，其I/O 点数一般在2561024 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PL

25、C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

26、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、IO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。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

27、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IO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

28、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

29、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。 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控制系统设计步骤第三

30、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、CO2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，CO2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

31、器、光照传感器、CO2传感器等采集或观测的温室内的温度、光照强度、CO2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、CO2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

32、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

33、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（420mA）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

34、，为以后植物生长的研究带来宝贵资料。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

35、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；FU1FU7为熔断器，分别对各个分线路实施短路和过载保护；FR1FR5为热继电器，对电机、加热器起过载保护的作用。KM1KM9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: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

36、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，S

37、B4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

38、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：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

39、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，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

40、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CPU2

41、26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 输入端口分配表序号输入口信号名称备注符号

42、0102030405060708091011121314I0.0手动/自动切换旋钮SB1I0.1总启动按钮SB2I0.2总停止按钮SB3I0.3遮阳帘开限位限位开关SQ1I0.4遮阳帘关限位限位开关SQ2I0.5遮阳帘开帘单刀双掷开关SB4I0.6遮阳帘关帘单刀双掷开关SB4I0.7通风扇正转单刀双掷开关SB5I1.0通风扇反转单刀双掷开关SB5I1.1热风机启停旋钮SB6I1.2冷风机启停旋钮SB7I1.3加热器启停旋钮SB8I1.4补光灯启停旋钮SB9I1.5CO2添加器启停旋钮SB10151617AIW0温度传感器AIW2光照度传感器AIW4CO2浓度传感器表4-2 输出端口分配表序号输

43、出口控制信号备注符号01020304050607080910Q0.0通风扇正转接触器KM1Q0.1通风扇反转接触器KM2Q0.2遮阳帘开帘接触器KM3 Q0.3遮阳帘关帘接触器KM4Q0.4热风机接触器KM5Q0.5冷风机接触器KM6Q0.6加热器接触器KM7Q0.7补光灯接触器KM8Q1.0CO2添加器接触器KM9Q1.1启动指示灯接触器KM104.2.3 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

44、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。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：-1060；测量精度：0.3%；2、湿度检测范围：0100%RH；测量精度：1.5%RH；3、工作电压：1028V DC；4、输出信号：420mA。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

45、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、02000可选；2、供电电压：24VDC12VDC；3、输出信号：204mA，10VOV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。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

46、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：05000ppm；2、使用寿命：2000天；3、内部热敏电阻(补偿用)：100k Q5：4、使用温度：一10+505、使用湿度595RH。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

47、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DC420mA（通过250电阻转换DC 15V或通过500电阻转换DC210V）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16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

48、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满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFFONOFF

49、OFFOFFON0到10V2.5mV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

50、输入最大值为010V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

51、+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、

52、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

53、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。一、 可以用梯形图、语句表和功能块图编程。二、 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。三、 支持三角函数，开方，对数运算功能。四、 具有易于使用的组态向导。五、 可用于C

54、PU硬件配置。六、 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

55、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 控制程序流程图一、 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。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 光照控制流程图二、 CO2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。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

56、.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AIW025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AIW220时，中间继电器M2.1得电，启

57、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

58、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、CO2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AIW41000时，中间继电器M3.0得电，添加温室中的CO2。当中间继电器M0.1得电时，系统的运行方式为手动模式。

59、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

60、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