基于PLC的小型花卉玻璃溫室溫度控制

PAGEPAGEIV基于PLC的小型花卉玻璃溫室溫度控制摘要我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村人口眾多，農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量決定著14億人口的糧食問題，同時農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)在我國國民經(jīng)濟(jì)中擁有著不可動搖的地位。隨著我國人民生活質(zhì)量的提高，從溫飽邁向了小康，隨之而來人們對糧食、蔬菜、水果的質(zhì)量要求也逐步提高。為了獲得質(zhì)量好產(chǎn)量高的蔬菜水果，為了獲得更優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物品種，世界多數(shù)發(fā)達(dá)國家大力開展了智能溫室技術(shù)的研究。在智能溫室中，操作人員可以將溫室內(nèi)的各種環(huán)境因素人工調(diào)整在符合該作物生長的范圍內(nèi)，避免了外界環(huán)境的影響，從而使作物更好的生長，進(jìn)而質(zhì)量好產(chǎn)量高。智能溫室適合種植蔬菜、水果以及對作物選種育種的培育工作。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(shè)計(jì)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(xiàng)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行檢測，并將測量值送入PLC中，由PLC將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，再發(fā)出相應(yīng)的指令驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備來調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)溫室的智能化、自動化控制。在此基礎(chǔ)上，采用MCGS組態(tài)軟件完成了控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)演示、過程監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄、曲線顯示等功能，從而實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵詞：PLC；智能溫室控制系統(tǒng)；MCGS組態(tài)

ABSTRACTOurcountryisanagriculturalcountry,ruralpopulation,agriculturedependsonapopulationof1.4billionfoodproductionproblems,andtheagriculturaleconomyinourcountry,withanunshakablepositioninthenationaleconomy.Withtheimprovementofpeople'squalityoflifeinourcountry,fromfoodandclothingtothewell-off,followedbypeopleforfood,vegetables,fruitqualityrequirementalsograduallyimprove.Inordertoobtaingoodqualityhighyieldoffruitsandvegetables,inordertoobtainbettercropvarieties,mostdevelopedcountriesintheworldtodeveloptheintelligentgreenhousetechnologyresearch.Inintelligentgreenhouse,operatorscanadjustthevariousenvironmentalfactorsingreenhouseartificialinaccordwiththecropgrowth,avoidtheinfluenceoftheexternalenvironment,thusmakeplantsgrowbetter,goodqualityandhighyield.Intelligentgreenhouseissuitableforgrowingvegetables,fruitsandselectivebreedingofcropsbreedingwork.ThisarticlemainlyintroducedbasedonSiemensS7-200seriesprogrammablecontroller(PLC)andtheMCGSconfigurationsoftwareinthegreenhousetemperaturePLCcontrolsystemdesign.Inthisstudy,usingtemperaturesensors,lightsensors,CO2concentrationsensorinthegreenhouseenvironmentindicatorsfortesting,andthemeasuredvalueissenttoPLC,comparedwiththesetvaluebyPLC,andthenacorrespondinginstructionwithinthedriverexecutiondevicetoregulategreenhouseenvironmentparameters,soastorealizetheintelligent,automaticcontrolofgreenhouse.Onthisbasis,adopttheMCGSconfigurationsoftwaretocompletetheconfigurationofthecontrolsystemdesign,hasrealizedthedynamicdemonstration,processmonitoring,datarecord,curvedisplay,andotherfunctions,soastorealizethehumanizationofthecontrolsystemoperationandvisualizationoftheprocess,providesanewdirectionforthedevelopmentofgreenhouses.Keywords:PLC;Intelligentgreenhousecontrolsystem;TheMCGSconfiguration

目錄摘要 IABSTRACT II第一章緒論 11.1研究背景 11.2研究意義 2第二章理論概述 22.1PLC概述 22.1.1PLC控制系統(tǒng)的工作原理 32.1.2PLC的編程語言及特點(diǎn) 3第三章控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 33.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù) 33.2系統(tǒng)的控制方案 43.3系統(tǒng)的工作原理 5第四章控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 54.1電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 64.1.1系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 64.1.2系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) 64.2PLC硬件電路的設(shè)計(jì) 104.2.1PLC型號選擇 104.2.2PLCI/O地址分配 114.2.3硬件接線圖設(shè)計(jì) 124.3EM235模擬量輸入/輸出模塊 12第五章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 155.1PLC程序設(shè)計(jì)的方法 155.2編程軟件STEP7-Micro/WIN概述 165.3控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 165.3.1程序的設(shè)計(jì)思路 165.3.2控制程序流程圖 175.3.3控制程序設(shè)計(jì)及分析 185.4控制程序的仿真與調(diào)試 245.4.1仿真軟件簡介 245.4.2控制程序的仿真與調(diào)試 24第六章結(jié)論與展望 25參考文獻(xiàn) 26致謝 27PAGE14第一章緒論當(dāng)環(huán)境條件不適合作物生長時，例如北方冬季不適宜蔬菜水果的種植，不同地區(qū)的作物在其它地區(qū)無法良好生長時，我們通常選擇使用溫室來培養(yǎng)作物。在溫室中，我們可以人為的對環(huán)境條件進(jìn)行相應(yīng)的控制，例如最常見的對溫室內(nèi)的溫度、濕度、土壤含水量調(diào)節(jié)。溫室的建設(shè)與發(fā)展，大大的促進(jìn)了世界農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。智能溫室將多種技術(shù)結(jié)合在了農(nóng)業(yè)中，為農(nóng)業(yè)科研提供了相應(yīng)的技術(shù)條件。智能溫室中的檢測器可以自動采集數(shù)據(jù)并記錄數(shù)據(jù)，方便相關(guān)工作者對作物的生長環(huán)境進(jìn)行研究，了解不同環(huán)境因素對作物的生長、品質(zhì)影響，以及對相應(yīng)作物種植技術(shù)的改進(jìn)，都提供了很大的幫助。我國人口眾多，而且主要為農(nóng)村人口，雖然國土面積較大，但是人口居住較為密集，又有崇山峻嶺，耕地面積少，隨著人口的增長，人均耕地面積還會減少，所以提高現(xiàn)有耕地的產(chǎn)量是解決這一矛盾的主要方法?；谝陨蠁栴}，本課題將結(jié)合PLC可編程控制技術(shù)、數(shù)字通信與傳感等技術(shù)，設(shè)計(jì)即可手動控制又可以自動控制的智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量，育種選種的培育工作有著重要的意義。第二章控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)溫室大棚的作用是調(diào)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?qū)χ参锷L的不良影響，為植物提供一個良好的生長環(huán)境，促進(jìn)植物的生長發(fā)育，防止病蟲害，以達(dá)到增加產(chǎn)量的目的。溫室中的溫度、光照、濕度、CO2濃度、土壤酸堿度等因素對植物的生長起著重要作用。本設(shè)計(jì)的主要控制對象為溫室中的溫度、光照和二氧化碳濃度，應(yīng)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(jìn)行檢測。溫度的調(diào)節(jié)主要通過通風(fēng)窗、加熱器的動作來進(jìn)行解決，光照度主要通過發(fā)光體和遮陽簾來調(diào)節(jié)，CO2濃度主要通過CO2添加器進(jìn)行補(bǔ)償。本溫室控制系統(tǒng)就是依據(jù)室內(nèi)外裝設(shè)的溫度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等采集或觀測的溫室內(nèi)的溫度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)信息，通過控制設(shè)備對溫室通風(fēng)窗、加熱器、發(fā)光體、遮陽簾、CO2添加器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，對溫室環(huán)境環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)節(jié)控制以達(dá)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(chǎn)量和品質(zhì)。2.2系統(tǒng)的控制方案在溫室大棚中，上述控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要有一套完善的硬、軟件溫室系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行測量，并將結(jié)果送到PLC中。由PLC對結(jié)果進(jìn)行處理，然后調(diào)控各設(shè)備對環(huán)境因子進(jìn)行補(bǔ)嘗?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)生活中的安全性與可靠性，本控制系統(tǒng)設(shè)有手動、自動兩種工作模式，自動方式是指周期性地進(jìn)行PLC控制的方式；而手動方式則是指在出現(xiàn)應(yīng)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(shè)定值，PLC就會發(fā)出相應(yīng)的指令控制開啟通風(fēng)窗和冷風(fēng)機(jī)；如果測量值與設(shè)定值相等，則關(guān)閉通風(fēng)窗和冷風(fēng)機(jī)；如果測量值低于設(shè)定值，則打開加熱器和熱風(fēng)機(jī)對溫室進(jìn)行加溫。當(dāng)溫室的光照低于設(shè)定值時，系統(tǒng)打開遮陽簾或開啟發(fā)光體；當(dāng)溫室的光照高于設(shè)定值時，系統(tǒng)關(guān)閉遮陽簾或發(fā)光體。當(dāng)溫室的二氧化碳濃度低于設(shè)定值，系統(tǒng)開啟二氧化碳添加器。通過溫度，光照和二氧化碳濃度的設(shè)定與調(diào)節(jié)達(dá)到適應(yīng)不同植物生長的需求，從而廣泛應(yīng)用到實(shí)際中。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是成本低廉，節(jié)約資源，提高產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價值最大化。該溫室控制系統(tǒng)的總體框圖如下所示。圖2-1系統(tǒng)總體框圖2.3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(guān)參數(shù)，經(jīng)變送轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號（4~20mA）后經(jīng)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(shù)與已設(shè)定的值進(jìn)行分析處理，輸出開關(guān)量，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在此系統(tǒng)中還可以通過串口的形式與PC機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的管理與存儲，為以后植物生長的研究帶來寶貴資料。第三章控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在掌握了PLC的硬件構(gòu)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(gòu)造PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。本章主要從硬件設(shè)計(jì)角度進(jìn)行溫室控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，本章節(jié)主要介紹了該項(xiàng)目的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、PLC硬件電路及外部配置設(shè)計(jì)。3.1電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖3-1系統(tǒng)主電路圖系統(tǒng)的主電路如圖所示，其中通風(fēng)扇電機(jī)、遮陽簾電機(jī)（遮陽簾風(fēng)機(jī)配有限位開關(guān)）除功率有所不同之外，需通過電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止來完成相應(yīng)機(jī)構(gòu)的開啟與閉合，因此它們的工作主電路相似。熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、加熱器、發(fā)光體、CO2添加器則屬于開/關(guān)設(shè)備。QK為刀開關(guān)，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(shí)施短路和過載保護(hù)；FR1～FR5為熱繼電器，對電機(jī)、加熱器起過載保護(hù)的作用。KM1～KM9為交流接觸器的主觸頭，用其實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、停止以及風(fēng)機(jī)等開/關(guān)設(shè)備的啟?？刂?。3.1.2系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)從系統(tǒng)主電路圖中，可以看出執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)包括遮陽簾、通風(fēng)扇、熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、加熱器、發(fā)光體和CO2添加器等部分。通常，溫室的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為兩大類:一類是正反轉(zhuǎn)運(yùn)行電機(jī)，如通風(fēng)扇、遮陽簾等，這些電機(jī)需要正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，必須有限位開關(guān)；另一類是開關(guān)控制設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水泵等。（1）正反轉(zhuǎn)設(shè)備通風(fēng)扇、遮陽簾均屬于正反轉(zhuǎn)設(shè)備，其控制電路相似，現(xiàn)以遮陽簾為例，做以下介紹。=1\*GB3①遮陽簾主電路其電路中的熔斷器FU2起到過電流保護(hù)的作用，熱繼電器FR2則是電機(jī)的過載保護(hù)，主要針對遮陽簾由于外界原因打不開或關(guān)閉不了的情況。而KM3、KM4在電路中起到控制電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的功能，即遮陽簾的拉開與關(guān)閉。圖3-2遮陽簾主電路圖=2\*GB3②遮陽簾控制電路圖3-3遮陽簾控制電路原理圖遮陽簾控制電路原理圖如圖3-3所示，SB1為手動/自動的切換開關(guān),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(diǎn)閉合，起自鎖作用。在手動狀態(tài)下，SB4為開簾、關(guān)簾切換按鈕，當(dāng)SB4切換至開簾模式，交流接觸器KM3的線圈得電，此時電機(jī)正轉(zhuǎn)，遮陽簾打開，當(dāng)遮陽簾開啟到最大位置后觸碰到限位開關(guān)SQ1，其常閉觸點(diǎn)斷開，KM3的線圈失電，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動；同理當(dāng)SB4切換至關(guān)簾模式，遮陽簾關(guān)閉，到關(guān)閉的最大位置后，電機(jī)停轉(zhuǎn)；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(shí)現(xiàn)控制，中間接觸器KM3的線圈得電時，其常開觸點(diǎn)閉合，遮陽簾開啟；中間接觸器KM4的線圈得電時，其常開觸點(diǎn)閉合，遮陽簾閉合。遮陽簾等正反轉(zhuǎn)設(shè)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。（2）開/關(guān)設(shè)備熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、加熱器、發(fā)光體、CO2添加器均屬于開/關(guān)設(shè)備，其控制電路相似，現(xiàn)以熱風(fēng)機(jī)為例，做以下介紹。=1\*GB3①熱風(fēng)機(jī)主電路風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要由電機(jī)的通斷來實(shí)現(xiàn)，可以由一個繼電器來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的控制，在電路中必須加有短路保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)，而這些可以由熱繼電器、熔斷器來實(shí)現(xiàn)電路中的保護(hù)。由以上要求可以設(shè)計(jì)如下的電路：圖3-4熱風(fēng)機(jī)主電路圖=2\*GB3②熱風(fēng)機(jī)控制電路圖3-5熱風(fēng)機(jī)控制電路圖熱風(fēng)機(jī)控制電路原理圖如圖4-5所示，SB1為手動/自動的切換開關(guān)。按下按鈕SB2，交流接觸器KM10的線圈得電，同時KM10的常開觸點(diǎn)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(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；將旋鈕SB6旋至停止?fàn)顟B(tài)，熱電機(jī)停止工作。在自動狀態(tài)下，由PLC控制器實(shí)現(xiàn)控制，中間接觸器KM5得電時，其常開觸點(diǎn)閉合，熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行。熱風(fēng)機(jī)等開/關(guān)設(shè)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(xì)介紹。3.2PLC硬件電路的設(shè)計(jì)3.2.1PLC型號選擇（1）PLC的I/O點(diǎn)數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，可確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、限位開關(guān)、單刀雙擲開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)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(guān)的輸入/輸出設(shè)備，最終確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為14個數(shù)字量輸入，10個數(shù)字量輸出，3個模擬量輸入。（2）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(qiáng)大，分別應(yīng)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S7-200PLC。S7-200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的一種小型整體式結(jié)構(gòu)可編程序控制器。S7-200系列PLC廣泛應(yīng)用于集散自動化系統(tǒng)，使用范圍覆蓋機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等自動化控制領(lǐng)域，既可用于繼電器簡單控制的更新?lián)Q代，又可實(shí)現(xiàn)復(fù)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(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，具有13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)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(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。此控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)為14輸入9輸出，在既能實(shí)現(xiàn)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。3.2.2PLCI/O地址分配根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制系統(tǒng)的I/O地址如下表分配。表3-1輸入端口分配表序號輸入口信號名稱備注符號0102030405060708091011121314I0.0手動/自動切換旋鈕SB1I0.1總啟動按鈕SB2I0.2總停止按鈕SB3I0.3遮陽簾開限位限位開關(guān)SQ1I0.4遮陽簾關(guān)限位限位開關(guān)SQ2I0.5遮陽簾開簾單刀雙擲開關(guān)SB4I0.6遮陽簾關(guān)簾單刀雙擲開關(guān)SB4I0.7通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)單刀雙擲開關(guān)SB5I1.0通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)單刀雙擲開關(guān)SB5I1.1熱風(fēng)機(jī)啟停旋鈕SB6I1.2冷風(fēng)機(jī)啟停旋鈕SB7I1.3加熱器啟停旋鈕SB8I1.4補(bǔ)光燈啟停旋鈕SB9I1.5CO2添加器啟停旋鈕SB10151617AIW0溫度傳感器AIW2光照度傳感器AIW4CO2濃度傳感器表3-2輸出端口分配表序號輸出口控制信號備注符號01020304050607080910Q0.0通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)接觸器KM1Q0.1通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)接觸器KM2Q0.2遮陽簾開簾接觸器KM3Q0.3遮陽簾關(guān)簾接觸器KM4Q0.4熱風(fēng)機(jī)接觸器KM5Q0.5冷風(fēng)機(jī)接觸器KM6Q0.6加熱器接觸器KM7Q0.7補(bǔ)光燈接觸器KM8Q1.0CO2添加器接觸器KM9Q1.1啟動指示燈接觸器KM103.2.3硬件接線圖設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)選用S7-200系列的CPU226，硬件接線圖如圖3-6所示。圖3-6硬件接線圖第四章控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。本章節(jié)在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹本項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)，主要包括軟件設(shè)計(jì)的基本步驟、方法、編程軟件STEP7-Micro/WIN的介紹以及本項(xiàng)目的程序設(shè)計(jì)。4.1PLC程序設(shè)計(jì)的方法PLC程序設(shè)計(jì)常用的方法主要有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、電路轉(zhuǎn)換梯形圖法、邏輯設(shè)計(jì)法、順序控制設(shè)計(jì)法等。（1）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法：即根據(jù)前人總結(jié)的典型控制電路程序，再按照設(shè)計(jì)中被對象的具體要求，把典型程序進(jìn)行重新組合，而且需要反復(fù)調(diào)試和修改，得到現(xiàn)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(shè)計(jì)所用的時間和設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，故稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。（2）繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法：用PLC的外部硬件接線和梯形圖軟件來實(shí)現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能。（3）順序控制設(shè)計(jì)法：根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設(shè)計(jì)下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫出功能流程圖。（4）邏輯設(shè)計(jì)法：通過中間量把輸入和輸出聯(lián)系起來。實(shí)際上就找到輸出和輸入的關(guān)系，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。本次設(shè)計(jì)采用的就是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。4.2編程軟件STEP7-Micro/WIN概述STEP7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7-200系列可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，既可用于開發(fā)用戶程序，又可以實(shí)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。（2）可以進(jìn)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(shù)，開方，對數(shù)運(yùn)算功能。（4）具有易于使用的組態(tài)向?qū)?。?）可用于CPU硬件配置。（6）可以將STEP7-Micro/WIN正在處理的程序與所連接的PLC中的程序進(jìn)行比較。4.3控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)4.3.1程序的設(shè)計(jì)思路本控制系統(tǒng)設(shè)有手動、自動兩種工作模式，自動模式為正常運(yùn)行狀態(tài)，手動模式用于應(yīng)對一些突發(fā)情況。在自動工作模式下，PLC運(yùn)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(jìn)行檢測的測量值與溫室控制系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，如果溫度的檢測量高于設(shè)定值，PLC就會發(fā)出相應(yīng)的指令控制冷風(fēng)機(jī)的開啟和通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)（將溫室中的空氣排向外界）；如果測量值低于設(shè)定值，則打開加熱器和熱風(fēng)機(jī)，對溫室進(jìn)行加溫，并使通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)（將外界的空氣引入溫室）。當(dāng)溫室的光照低于設(shè)定值時，系統(tǒng)打開遮陽簾和補(bǔ)光燈；當(dāng)溫室的光照高于設(shè)定值時，系統(tǒng)關(guān)閉遮陽簾。當(dāng)溫室的二氧化碳濃度低于設(shè)定值，系統(tǒng)開啟二氧化碳調(diào)節(jié)閥。如果溫室中的測量值與設(shè)定值相等，則關(guān)閉關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備，保持溫室中的環(huán)境參數(shù)。4.3.2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4-1所示。圖4-1溫度控制流程圖（2）光照控制流程圖溫室大棚的光照控制流程圖如圖4-2所示。 圖4-2光照控制流程圖（3）CO2濃度控制流程圖溫室大棚的CO2濃度控制流程圖如圖4-3所示。圖4-3CO2濃度控制流程圖5.3.3控制程序設(shè)計(jì)及分析（1）自動/手動切換I0.0為自動/手動切換，I0.1為總啟動，當(dāng)I0.1=1時，Q1.1得電，啟動燈亮，I0.2為總停止，當(dāng)I0.0=1，I0.1=1時，中間繼電器M0.0得電，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為自動模式；當(dāng)I0.0=0，I0.1=1時，中間繼電器M0.1得電，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為手動模式。（2）溫度控制當(dāng)中間繼電器M0.0得電時，系統(tǒng)的運(yùn)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(shù)比較指令，將溫度傳感器檢測到的測量值A(chǔ)IW0與設(shè)定值“25度”進(jìn)行比較，當(dāng)AIW0>25時，中間繼電器M0.2得電，啟動降溫設(shè)備；當(dāng)AIW0<25時，中間繼電器M0.3得電，啟動升溫設(shè)備。當(dāng)中間繼電器M0.1得電時，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為手動模式?？赏ㄟ^控制相應(yīng)的按鈕——通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)I0.7、通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)I1.0、熱風(fēng)機(jī)I1.1、冷風(fēng)機(jī)I1.2、加熱器I1.3，進(jìn)行溫室大棚溫度的手動控制。在溫室大棚的溫度控制過程中，自動模式下，當(dāng)溫度傳感器測量的溫度值高于設(shè)定的溫度值時，中間繼電器M0.2得電，通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)，將溫室中的熱空氣排入外界，與外界交換空氣；手動模式下，將控制通風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)的單刀雙擲開關(guān)撥至“通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)”，中間繼電器M0.4得電，通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)。在溫室大棚的溫度控制過程中，手動模式下，當(dāng)溫度傳感器測量的溫度值低于設(shè)定的溫度值時，中間繼電器M0.3得電，通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)，將外界的空氣引入溫室，與外界交換空氣；手動模式下，將控制通風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)的單刀雙擲開關(guān)撥至“通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)”，中間繼電器M0.5得電，通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)。在溫室大棚的溫度控制過程中，手動模式下，當(dāng)溫度傳感器測量的溫度值低于設(shè)定的溫度值時，中間繼電器M0.3得電，熱風(fēng)機(jī)啟動；手動模式下，按下熱風(fēng)機(jī)啟動按鈕，中間繼電器M0.6得電，熱風(fēng)機(jī)啟動。在溫室大棚的溫度控制過程中，自動模式下，當(dāng)溫度傳感器測量的溫度值高于設(shè)定的溫度值時，中間繼電器M0.2得電，冷風(fēng)機(jī)啟動；手動模式下，按下冷風(fēng)機(jī)啟動按鈕，中間繼電器M0.7得電，冷風(fēng)機(jī)啟動。在溫室大棚的溫度控制過程中，手動模式下，當(dāng)溫度傳感器測量的溫度值低于設(shè)定的溫度值時，中間繼電器M0.3得電，加熱器啟動；手動模式下，按下加熱器啟動按鈕，中間繼電器M1.0得電，加熱器啟動。（3）光照控制當(dāng)中間繼電器M0.0得電時，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為自動模式。在自動情況下，光照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(shù)比較指令，將溫度傳感器檢測到的測量值A(chǔ)IW2與設(shè)定值“20”進(jìn)行比較，當(dāng)AIW0>20時，中間繼電器M2.0得電，啟動補(bǔ)光設(shè)備；當(dāng)AIW2<20時，中間繼電器M2.1得電，啟動補(bǔ)光設(shè)備。當(dāng)中間繼電器M0.1得電時，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為手動模式?？赏ㄟ^控制相應(yīng)的按鈕——遮陽簾開簾I0.5、遮陽簾關(guān)簾I0.6、補(bǔ)光燈I1.4，進(jìn)行溫室大棚光照強(qiáng)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(dāng)光照傳感器測量的光照強(qiáng)度低于設(shè)定的光照值時，中間繼電器M2.1得電，遮陽簾開簾補(bǔ)光；手動模式下，將控制遮陽簾開關(guān)簾的單刀雙擲開關(guān)撥至“遮陽簾開簾”，中間繼電器M2.2得電，遮陽簾開簾補(bǔ)光。在溫室大棚的光照控制過程中，自動模式下，當(dāng)光照傳感器測量的光照強(qiáng)度高于設(shè)定的光照值時，中間繼電器M2.0得電，遮陽簾關(guān)簾遮光；手動模式下，將控制遮陽簾開關(guān)簾的單刀雙擲開關(guān)撥至“遮陽簾關(guān)簾”，中間繼電器M2.3得電，遮陽簾關(guān)簾遮光。在溫室大棚的光照控制過程中，自動模式下，當(dāng)光照傳感器測量的光照強(qiáng)度低于設(shè)定的光照值時，中間繼電器M2.1得電，補(bǔ)光燈開啟補(bǔ)光；手動模式下，按下補(bǔ)光燈的啟停按鈕，中間繼電器M2.4得電，補(bǔ)光燈開啟補(bǔ)光。（4）CO2濃度控制當(dāng)中間繼電器M0.0得電時，系統(tǒng)的運(yùn)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(shù)比較指令，將CO2濃度傳感器檢測到的測量值A(chǔ)IW4與設(shè)定值“1000”進(jìn)行比較，當(dāng)AIW4<1000時，中間繼電器M3.0得電，添加溫室中的CO2。當(dāng)中間繼電器M0.1得電時，系統(tǒng)的運(yùn)行方式為手動模式?？赏ㄟ^控制CO2調(diào)節(jié)閥I1.5，進(jìn)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(dāng)CO2濃度傳感器測量的濃度低于設(shè)定的濃度時，中間繼電器M3.0得電，打開CO2調(diào)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(diào)節(jié)閥添加CO2。4.4控制程序的仿真與調(diào)試4.4.1仿真軟件簡介在本次設(shè)計(jì)中，利用S7-200仿真軟件V3.0漢化版進(jìn)行控制程序的仿真與調(diào)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(jì)數(shù)器指令和通訊指令等尚無法支持外，可支持常用的位觸點(diǎn)指令、定時器指令、計(jì)數(shù)器指令、比較指令、邏輯運(yùn)算指令和大部分的數(shù)學(xué)運(yùn)算指令等）。該仿真軟件還提供了數(shù)字信號輸入開關(guān)、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(shí)驗(yàn)條件尚不具備的情況下，完全可以作為學(xué)習(xí)S7-200的一個輔助工具。5.4.2控制程序的仿真與調(diào)試本部分主要介紹了溫室大棚控制系統(tǒng)的軟件調(diào)試過程，通過仿真與調(diào)試檢驗(yàn)其是否符合設(shè)計(jì)初衷，能否達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)?？刂瞥绦虻姆抡娌襟E如下：1.準(zhǔn)備工作仿真軟件不提供源程序的編輯功能，因此必須和STEP7Micro/Win程序編輯軟件配合使用，即在STEP7Micro/Win中編輯好源程序后，然后加載到仿真程序中執(zhí)行。（1）在STEP7Micro/Win中編輯好梯形圖（2）利用File|Export命令將梯形圖程序?qū)С鰹閿U(kuò)展名為awl的文件，（3）如果程序中需要數(shù)據(jù)塊，需要將數(shù)據(jù)塊導(dǎo)出為txt文件。2.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(yùn)行燈亮，按要求操作輸入點(diǎn)，觀測輸出點(diǎn)的情況，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的點(diǎn)綠色燈亮：（3）模擬仿真結(jié)果與控制要求完全一致，程序仿真成功。圖4-4控制程序仿真圖第五章結(jié)論與展望本文運(yùn)用西門子S7-200系列PLC和MCGS組態(tài)軟件，完成了溫室大棚控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本控制系統(tǒng)設(shè)有手動、自動兩種工作模式，自動模式為正常運(yùn)行狀態(tài)，手動模式用于應(yīng)對突發(fā)狀況。在自動工作模式下，PLC運(yùn)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(jìn)行檢測的測量值與溫室控制系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，如果溫度的檢測量高于設(shè)定值，PLC就會發(fā)出相應(yīng)的指令控制冷風(fēng)機(jī)的開啟和通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)；如果測量值低于設(shè)定值，則打開加熱器和熱風(fēng)機(jī)，對溫室進(jìn)行加溫，并使通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)。當(dāng)溫室的光照低于設(shè)定值時，系統(tǒng)打開遮陽簾和補(bǔ)光燈；當(dāng)溫室的光照高于設(shè)定值時，系統(tǒng)關(guān)閉遮陽簾。當(dāng)溫室的二氧化碳濃度低于設(shè)定值，系統(tǒng)開啟二氧化碳調(diào)節(jié)閥。如果溫室中的測量值與設(shè)定值相等，則關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備，保持溫室中的環(huán)境參數(shù)。在完成上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)：采用PID算法進(jìn)行溫室大棚的溫度控制，使得控制過程更加準(zhǔn)確、快速。之后，利用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行了溫室大棚控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制過程的可視化監(jiān)測，運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時化收集。通過組態(tài)畫面可以清楚地觀察到系統(tǒng)中各個組成部分的運(yùn)行情況；通過報(bào)表輸出可以根據(jù)需要以一定格式將統(tǒng)計(jì)分析后的數(shù)據(jù)記錄顯示出來；通過曲線顯示可以評價系統(tǒng)過去的運(yùn)行情況并預(yù)測以后的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查看。當(dāng)然，此溫