./.WORD格式整理..溫室大棚溫度PLC控制系統設計摘要溫室,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,為植物生長創造適宜的條件。隨著科學技術的迅速發展,農業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境因數,以提高溫室大棚環境的控制效果,已成為目前我國溫室業研究的重點課題之一。這對我國溫室產業的發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組態軟件的溫室大棚溫度PLC控制系統設計方案。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,再發出相應的指令驅動執行設備來調節溫室內的環境參數,從而實現溫室的智能化、自動化控制。在此基礎上,采用MCGS組態軟件完成了控制系統的組態設計,實現了動態演示、過程監測、數據記錄、曲線顯示等功能,從而實現了控制系統操作的人性化和過程的可視化,為溫室大棚的發展提供了新的方向。關鍵詞：溫室,環境,控制,可編程控制器,組態.目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要2第一章緒論11.1課題概述11.2國內外研究現狀21.3研究內容4第二章PLC概述62.1PLC簡介62.2PLC控制系統設計的基本原則及步驟10第三章控制系統的總體設計方案133.1系統的設計任務133.2系統的控制方案133.3系統的工作原理14第四章控制系統的硬件設計154.1電氣控制系統設計154.2PLC硬件電路的設計194.3PLC的硬件配置21第五章控制系統的軟件設計265.1PLC程序設計的方法265.2編程軟件STEP7-Micro/WIN概述265.3控制系統的程序設計275.4控制程序的仿真與調試34第六章組態畫面的設計方案366.1組態軟件概述366.2溫室大棚控制系統的組態設計38結論45致謝47參考文獻48.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,為植物生長創造適宜的條件。溫室環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栽培植物,從而達到對農作物調節產期、促進生長發育、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,以此創造植物生長所需的最佳環境條件。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分等環境條件的調控,抗自然環境的能力極差。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。中國農業想要發展,就必須走現代化農業這條道路。隨著國民經濟的迅速發展,農業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的一個重要組成部分。現代化農業生產中的重要一環就是對農業生產環境的一些重要參數進行檢測和控制。在實際的農業種植中,溫室環境與生物的生長、發育、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,環境測控可通過對監測數據的分析,并結合作物生長發育規律,從而控制環境條件,使作物達到優質、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設施在現代化農業生產中發揮著巨大的作用。目前,雖然國外的溫室設施己經發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,為了實現高效農業生產的科學化并提高農業研究的準確性,推動我國農業的發展,必須大力發展農業設施與相應的農業工程,科學合理地調節大棚內溫度、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展,我國設施農業將向著地域化、節能化、專業化發展,向著高科技、自動化、機械化、規模化、產業化的工廠型農業發展,為社會提供更加豐富的無污染、安全、優質的綠色健康食品。所以,進行溫室大棚溫度PLC控制系統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、組態軟件、傳感器、數據采集系統的學習與研究,完成了利用西門子PLC與PC機構組成溫室大棚溫度監控系統。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,政府大力發展以塑料大棚、節能日光溫室為主的設施農業,促進了農村經濟的發展和緩和了蔬菜季節性短缺矛盾。其中能充分利用太陽光熱資源、節約燃煤、減少環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。由農業部聯合有關部門試驗推廣的新一代節能型日光溫室,每年每畝可節約燃煤約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、環境控制自動化程度高和便于機械化操作等優點,自1995年以來,便呈現出迅猛的發展之勢,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。在溫室環境自動監控中,各環境參數分別由各自的閉環系統控制,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,同時各系統間并不完全獨立,回路間相互耦合時可能導致系統不穩而失控,這里可采用模糊控制方法,可較好地解決環境參數之間的相互影響。另外,以前在監控系統的研制開發中,主要針對環境,而很少考慮農業生產過程中的生物因素,沒有農業專家的合作參與,很難對系統正確定位,其適應性也差。所以,將農業學科與工程學科結合起來,對果蔬生長的環境參數進行優化設計,對于開發經濟有效的溫室監控軟件系統是非常重要的。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、遺傳算法、模糊控制等理論和控制策略。當前溫室控制系統研究熱點己由簡單的DDC<直接數字控制>發展到分布式控制系統,如DCS<分布式控制>、FCS<柔性控制>等網絡化的控制系統。目前,在相關行業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取代傳統孤立的、信息閉塞的系統,甚至跨越以太網或Internet進行數據采集,實施遠程控制。雖然國內溫室規模有限,還沒有形成規模經濟,另外構建的費用也較高,但從長遠來看,溫室監控系統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、噴霧系統及熏蒸設備。控制器綜合調節各個機構,使系統在運行中節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生產,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展,溫室設施廣泛應用于園藝作物生產、畜牧業和水產養殖業。隨著計算機技術的進步和智能控制理論的發展,近百年來,溫室大棚作為設施農業的重要組成部分,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展。特別是二十世紀70年代電子技術的迅猛發展和微型計算機的出現,更使溫室大棚環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境控制系統,在歐美得到了長足的發展,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展到比較完備的程度,并形成了一定的標準。溫室內的各環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、營養液濃度等,由傳感器的檢測基本上可以實現對各個執行機構的自動控制,如無級調節的天窗通風系統,濕簾與風扇配套的降溫系統,由熱水鍋爐或熱風機組成的加溫系統,可定時噴灌或滴灌的灌溉系統,二氧化碳施肥系統,以及適用于溫室作業的農業機械等。計算機對這些系統的控制己經不是簡單的、獨立的、靜態的直接數字控制,而是基于環境模型上的監督控制,以及基于專家系統上的人工智能控制,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。其性能優越,已被廣泛應用于工業控制的各個領域,并已成為工業自動化的三大支柱<PLC、工業機器人、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上的應用。從整體上分析和研究了控制系統的電路設計、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,土壤酸堿度等環境參數對植物的生長起著重要作用。本次研究采用可編程控制器PLC作為控制核心。通過傳感器檢測溫室中的環境參數,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、風機等多種執行機構。第二章PLC概述2.1PLC簡介2.1.1PLC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年開始工業推廣應用。進入20世紀70年代,隨著電子技術的發展,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,隨著大規模和超大規模集成電路等微電子技術的迅猛發展,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、環保及文化娛樂等各個行業。2.1.2PLC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、CPUCPU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或數據,并存入規定的寄存器中,同時,診斷電源和PLC內部電路的工作狀態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,因此限制著控制規模。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,輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統,輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入〔DigitalInput,DI,開關量輸出〔DigitalOutput,DO,模擬量輸入〔AnalogInput,AI,模擬量輸出〔AnalogOutput,AO等模塊。開關量模塊按電壓水平分有220VAC、110VAC、24VDC等規格；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等規格；按精度分有12位,14位,16位等規格。存儲器存儲器是具有記憶功能的半導體電路,分為系統程序存儲器和用戶存儲器。系統程序存儲器用以存放系統程序,包括管理程序、監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和工作數據存儲區。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。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。圖2-1PLC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。圖2-2可編程控制器運行框圖2.1.3PLC的分類及特點PLC分類方法有多種,按規模〔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。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。2.2PLC控制系統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,還是獨立控制系統,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。2.2.1PLC控制系統設計的基本原則任何一種電氣控制系統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、保證系統的安全可靠保證PLC控制系統能夠長期安全、可靠、穩定運行,是設計控制系統的重要原則。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、適應發展的需要適當考慮到今后控制系統發展和完善的需要,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,以利于系統的調整和擴充。2.2.2PLC控制系統設計的步驟設計PLC應用系統時,首先是進行PLC應用系統的功能設計,即根據被控對象的功能和工藝要求,明確系統必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統的功能分析,即通過分析系統功能,提出PLC控制系統的結構形式,控制信號的種類、數量,系統的規模、布局。最后根據系統分析的結果,具體確定PLC的機型和系統的具體配置。PLC控制系統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設備根據系統的控制要求,確定系統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PLCPLC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的電氣原理圖。到此為止系統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。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2-3PLC控制系統設計步驟第三章控制系統的總體設計方案3.1系統的設計任務溫室大棚的作用是調節植物生長的環境因素,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境,促進植物的生長發育,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、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境因子進行檢測。溫度的調節主要通過通風窗、加熱器的動作來進行解決,光照度主要通過發光體和遮陽簾來調節,CO2濃度主要通過CO2添加器進行補償。本溫室控制系統就是依據室內外裝設的溫度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等采集或觀測的溫室內的溫度、光照強度、CO2濃度等環境參數信息,通過控制設備對溫室通風窗、加熱器、發光體、遮陽簾、CO2添加器等執行機構的控制,對溫室環境環境因素進行調節控制以達到栽培作物生長發育的需要,為作物生長發育提供最適宜的生態環境,以大幅度提高作物的產量和品質。3.2系統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、軟件溫室系統進行控制。該溫室大棚控制系統以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事件時,通過手動操作控制執行器件的工作。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,系統打開遮陽簾或開啟發光體；當溫室的光照高于設定值時,系統關閉遮陽簾或發光體。當溫室的二氧化碳濃度低于設定值,系統開啟二氧化碳添加器。通過溫度,光照和二氧化碳濃度的設定與調節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,節約資源,提高產量,實現經濟價值最大化。該溫室控制系統的總體框圖如下所示。圖3-1系統總體框圖3.3系統的工作原理該溫室大棚控制系統由PLC系統、傳感器系統、執行部件等幾個部分組成。該溫室控制系統以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,對執行機構進行控制。在此系統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。第四章控制系統的硬件設計在掌握了PLC的硬件構成、工作原理、指令系統以及編程環境后,就可以以PLC作為主要控制器來構造PLC控制系統。PLC控制系統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的硬件設計方案,本章節主要介紹了該項目的電氣控制系統設計、PLC硬件電路及外部配置設計。4.1電氣控制系統設計4.1.1系統主電路設計圖4-1系統主電路圖系統的主電路如圖所示,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/關設備的啟停控制。4.1.2系統控制電路設計從系統主電路圖中,可以看出執行機構系統包括遮陽簾、通風扇、熱風機、冷風機、加熱器、發光體和CO2添加器等部分。通常,溫室的執行機構可分為兩大類: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,在下面章節中將著重介紹。二、開/關設備熱風機、冷風機、加熱器、發光體、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。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：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。在手動狀態下,SB6為啟停旋鈕。將旋鈕SB6旋至啟動狀態,此時熱風機運轉；將旋鈕SB6旋至停止狀態,熱電機停止工作。在自動狀態下,由PLC控制器實現控制,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,在下面章節中將作詳細介紹。4.2PLC硬件電路的設計4.2.1PLC型號選擇一、PLC的I/O點數根據系統的控制要求,可確定系統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。本控制系統采用德國西門子S7-200PLC。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,使用范圍覆蓋機床、機械、電力設施、民用設施、環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。此控制系統的I/O點數為14輸入9輸出,在既能實現該系統控制要求,又能滿足以后發展的前提下,選用的S7-200系列的CPU226。4.2.2PLCI/O地址分配根據系統的控制要求,控制系統的I/O地址如下表分配。表4-1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SQ1I0.4遮陽簾關限位限位開關SQ2I0.5遮陽簾開簾單刀雙擲開關SB4I0.6遮陽簾關簾單刀雙擲開關SB4I0.7通風扇正轉單刀雙擲開關SB5I1.0通風扇反轉單刀雙擲開關SB5I1.1熱風機啟停旋鈕SB6I1.2冷風機啟停旋鈕SB7I1.3加熱器啟停旋鈕SB8I1.4補光燈啟停旋鈕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4-2輸出端口分配表序號輸出口控制信號備注符號01020304050607080910Q0.0通風扇正轉接觸器KM1Q0.1通風扇反轉接觸器KM2Q0.2遮陽簾開簾接觸器KM3Q0.3遮陽簾關簾接觸器KM4Q0.4熱風機接觸器KM5Q0.5冷風機接觸器KM6Q0.6加熱器接觸器KM7Q0.7補光燈接觸器KM8Q1.0CO2添加器接觸器KM9Q1.1啟動指示燈接觸器KM104.2.3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4.3PLC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,對環境要求較低等特點,其外觀如圖4-7所示。圖4-7HMD40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：10～28VDC；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變送器,用于實現對環境光照度的測量,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。可廣泛用于環境、養殖、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發生器以增施氣肥。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或是C02氣體的長期監測等應用場合。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>：100kQ±5％：4、使用溫度：一10～+50℃5、使用濕度5～95％RH。4.3.2EM235模擬量輸入/輸出模塊在控制系統中,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EM235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250Ω電阻轉換DC1～5V或通過500Ω電阻轉換DC2～10V標準信號,連續輸送到接收裝置。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EM235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4-3EM235選擇模擬量輸入范圍和分辨率的開關表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5μVOFFONOFFONOFFON0到100mV25μVONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250μVONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5μAOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV根據溫室控制系統中的控制模塊,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：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4-8EM235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。24VDC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4-5EM235接線圖第五章控制系統的軟件設計PLC控制系統的設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分。本章節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。5.1PLC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,還需要增加中間環節,才能得出符合要求的系統。這種方法沒有一定的規律可遵循,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STEP7-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,它功能強大,既可用于開發用戶程序,又可以實時監控用戶程序的執行狀態。編程軟件的具體功能如下。可以用梯形圖、語句表和功能塊圖編程。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。支持三角函數,開方,對數運算功能。具有易于使用的組態向導。可用于CPU硬件配置。可以將STEP7-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控制系統的程序設計5.3.1程序的設計思路本控制系統設有手動、自動兩種工作模式,自動模式為正常運行狀態,手動模式用于應對一些突發情況。在自動工作模式下,PLC運行時,將傳感器對溫室溫度、光照、二氧化碳濃度等環境因素進行檢測的測量值與溫室控制系統的設定值進行比較,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,系統打開遮陽簾和補光燈；當溫室的光照高于設定值時,系統關閉遮陽簾。當溫室的二氧化碳濃度低于設定值,系統開啟二氧化碳調節閥。如果溫室中的測量值與設定值相等,則關閉關閉相應設備,保持溫室中的環境參數。5.3.2控制程序流程圖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。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CO2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。圖5-3CO2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,系統的運行方式為手動模式。二、溫度控制當中間繼電器M0.0得電時,系統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AIW0<25時,中間繼電器M0.3得電,啟動升溫設備。當中間繼電器M0.1得電時,系統的運行方式為手動模式。可通過控制相應的按鈕——通風扇正轉I0.7、通風扇反轉I1.0、熱風機I1.1、冷風機I1.2、加熱器I1.3,進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,當溫度傳感器測量的溫度值高于設定的溫度值時,中間繼電器M0.2得電,通風扇正轉,將溫室中的熱空氣排入外界,與外界交換空氣；手動模式下,將控制通風扇正反轉的單刀雙擲開關撥至"通風扇正轉",中間繼電器M0.4得電,通風扇正轉。在溫室大棚的溫度控制過程中,手動模式下,當溫度傳感器測量的溫度值低于設定的溫度值時,中間繼電器M0.3得電,通風扇正轉,將外界的空氣引入溫室,與外界交換空氣；手動模式下,將控制通風扇正反轉的單刀雙擲開關撥至"通風扇反轉",中間繼電器M0.5得電,通風扇反轉。在溫室大棚的溫度控制過程中,手動模式下,當溫度傳感器測量的溫度值低于設定的溫度值時,中間繼電器M0.3得電,熱風機啟動；手動模式下,按下熱風機啟動按鈕,中間繼電器M0.6得電,熱風機啟動。在溫室大棚的溫度控制過程中,自動模式下,當溫度傳感器測量的溫度值高于設定的溫度值時,中間繼電器M0.2得電,冷風機啟動；手動模式下,按下冷風機啟動按鈕,中間繼電器M0.7得電,冷風機啟動。在溫室大棚的溫度控制過程中,手動模式下,當溫度傳感器測量的溫度值低于設定的溫度值時,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。三、光照控制當中間繼電器M0.0得電時,系統的運行方式為自動模式。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,通過整數比較指令,將溫度傳感器檢測到的測量值AIW2與設定值"20"進行比較,當AIW0>20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、CO2濃度控制當中間繼電器M0.0得電時,系統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。當中間繼電器M0.1得電時,系統的運行方式為手動模式。可通過控制CO2調節閥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控制程序仿真圖第六章組態畫面的設計方案6.1組態軟件概述6.1.1組態的定義MCGS<MonitorandControlGeneratedSystem>是一套基于Windows平臺的,用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統,可運行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系統。MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺,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監控網絡等功能。使用MCGS,用戶無須具備計算機編程的知識,就可以在短時間內輕而易舉地完成一個運行穩定,功能成熟,維護量小并且具備專業水準的計算機監控系統的開發工作。MCGS具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點,已成功應用于石油化工、鋼鐵行業、電力系統、水處理、環境監測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農業自動化、航空航天等領域,經過各種現場的長期實際運行,系統穩定可靠。6.1.2組態軟件的系統構成<1>MCGS組態軟件的整體結構MCGS軟件系統包括組態環境和運行環境兩個部分。組態環境相當于一套完整的工具軟件,幫助用戶設計和構造自己的應用系統。運行環境則按照組態環境中構造的組態工程,以用戶指定的方式運行,并進行各種處理,完成用戶組態設計的目標和功能。MCGS組態軟件由"MCGS組態環境"和"MCGS運行環境"兩個系統組成。兩部分互相獨立,又緊密相關。<2>MCGS組態軟件五大組成部分MCGS組態軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五部分構成,如圖7-1所示,每一部分分別進行組態操作,完成不同的工作,具有不同的特性。1、主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口,負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。主要的組態操作包括：定義工程的名稱,編制工程菜單,設計封面圖形,確定自動啟動的窗口,設定動畫刷新周期,指定數據庫存盤文件名稱及存盤時間等。2、設備窗口：是連接和驅動外部設備的工作環境。在本窗口內配置數據采集與控制輸出設備,注冊設備驅動程序,定義連接與驅動設備用的數據變量。3、用戶窗口：本窗口主要用于設置工程中人機交互的界面,諸如：生成各種動畫顯示畫面、報警輸出、數據與曲線圖表等。4、實時數據庫：是工程各個部分的數據交換與處理中心,它將MCGS工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類型和名稱的變量,作為數據采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象。5、運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序〔if…then腳本程序,選用各種功能構件,如：數據提取、歷史曲線、定時器、配方操作、多媒體輸出等。圖7-1MCGS組態軟件五大部分6.1.3組態軟件的功能和特點與國內外同類產品相比,MCGS組態軟件具有以下特點：一、全中文、可視化、面向窗口的組態開發界面,符合中國人的使用習慣和要求,真正的32位程序,可運行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多種操作系統。二、龐大的標準圖形庫、完備的繪圖工具集以及豐富的多媒體支持,使您能夠快速地開發出集圖像、聲音、動畫等于一體的漂亮、生動的工程畫面。三、全新的ActiveX動畫構件,包括存盤數據處理、條件曲線、計劃曲線、相對曲線、通用棒圖等,使您能夠更方便、更靈活地處理、顯示生產數據。四、支持目前絕大多數硬件設備,同時可以方便地定制各種設備驅動；此外,獨特的組態環境調試功能與靈活的設備操作命令相結合,使硬件設備與軟件系統間的配合天衣無縫。五、簡單易學的類Basic腳本語言與豐富的MCGS策略構件,使您能夠輕而易舉地開發出復雜的流程控制系統。六、強大的數據處理功能,能夠對工業現場產生的數據以各種方式進行統計處理,使您能夠在第一時間獲得有關現場情況的第一手數據。七、方便的報警設置、豐富的報警類型、報警存貯與應答、實時打印報警報表以及靈活的報警處理函數,使您能夠方便、及時、準確地捕捉到任何報警信息。八、提供了WWW瀏覽功能,能夠方便地實現生產現場控制與企業管理的集成。在整個企業范圍內,只使用IE瀏覽器就可以在任意一臺計算機上方便地瀏覽到與生產現場一致的動畫畫面,實時和歷史的生產信息,包括歷史趨勢,生產報表等等,并提供完善的用戶權限控制。6.2溫室大棚控制系統的組態設計6.2.1新建工程進入MCGS組態環境,新建工程"溫室大棚控制系統",如圖7-2所示。圖6-2新建工程6.2.2定義變量在MCGS中,變量也叫數據對象。定義變量之前先對變量進行分配。變量分配即數據對象定義前需要對系統進行分析,確定需要的變量。本系統需要17個變量,見表7-1。表6-1溫室大棚控制系統變量分配表變量名類型初值注釋啟動按鈕開關型0溫室大棚啟動信號,1有效復位按鈕開關型0溫室大棚復位信號,1有效溫度數值型0溫度傳感器測定值光照數值型0光照傳感器測定值CO2濃度數值型0CO2傳感器測定值通風扇開關型01有效熱風機開關型01有效冷風機開關型01有效加熱器開關型01有效通風扇正轉指示燈開關型01有效通風扇反轉指示燈開關型01有效遮陽簾開關型01有效遮陽簾開簾指示燈開關型01有效遮陽簾關簾指示燈開關型01有效補光燈開關型01有效CO2調節閥開關型01有效進入"實時數據庫"窗口頁定義變量,定義結果如圖圖6-3所示。圖6-3實時數據庫6.2.3設計畫面畫面的設計分為畫面建立、畫面編輯、動畫連接三個步驟。通過上述步驟,建立的"溫室大棚控制系統"畫面如圖6-4所示。圖6-4組態畫面6.2.4編寫程序該溫室控制系統的控制要求如下：按下啟動按鈕,系統將傳感器對溫室溫度、光照、二氧化碳濃度等環境因素進行檢測的測量值與溫室控制系統的設定值進行比較,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,系統打開遮陽簾和補光燈；當溫室的光照高于設定值時,系統關閉遮陽簾。當溫室的二氧化碳濃度低于設定值,系統開啟二氧化碳調節閥。如果溫室中的測量值與設定值相等,則關閉關閉相應設備,保持溫室中的環境參數。上述功能可以通過編寫控制程序來實現。在MCGS中編寫控制程序采用策略組態的形式。所謂運行策略,可以簡單地理解為系統運行與控制的思想和方法。MCGS提供了許多"策略構件",如定時器、計數器、腳本程序等供系統設計人員使用。正如畫面設計是對MCGS提供的圖形對象進行組態一樣,編程就是根據系統的需要,對這些策略構件案進行組態。該溫室大棚控制系統的腳本程序清單如下：'**********************復位控制***************************IF復位按鈕=1THEN通風扇=0通風扇正轉指示燈=0通風扇反轉指示燈=0遮陽簾=0遮陽簾開簾指示燈=0遮陽簾關簾指示燈=0冷風機=0熱風機=0加熱器=0CO2調節閥=0補光燈=0ENDIF'**********************溫度控制***************************IF啟動按鈕=1THENIF溫度<20THEN熱風機=1加熱器=1通風扇=1通風扇正轉指示燈=1冷風機=0溫度=溫度+0.5ENDIFIF溫度>25THEN熱風機=0加熱器=0通風扇=1通風扇反轉指示燈=1冷風機=1溫度=溫度-0.5ENDIFIF溫度>=20AND溫度<=25THEN熱風機=0冷風機=0加熱器=0通風扇=0通風扇正轉指示燈=0通風扇反轉指示燈=0ENDIF'****************光照控制*******************IF光照<15THEN遮陽簾=1遮陽簾開簾指示燈=1補光燈=1光照=光照+0.5ENDIFIF光照>25THEN遮陽簾=0遮陽簾關簾指示燈=1補光燈=0光照=光照-0.5ENDIFIF光照>=15AND光照<=25THEN遮陽簾開簾指示燈=0遮陽簾關簾指示燈=0補光燈=0ENDIF'**************CO2濃度控制*****************IFCO2濃度<1000THENCO2調節閥=1CO2濃度=CO2濃度+20ELSECO2調節閥=0ENDIFENDIF6.2.5運行調試在MCGS中,進入"運行環境",如圖6-5所示,通過點擊畫面上的控制按鈕,觀察溫室大棚控制系統的運行情況是否與設計要求一致。在運行調試的過程中,通過不斷地改進完善使得系統的運行情況與設計要求完全一致。圖6-5運行畫面6.2.6報表輸出所謂數據報表就是根據實際需要以一定格式將統計分析后的數據記錄顯示出來,常用報表有實時數據報表和歷史數據報表。數據報表在工控系統中是必不可少的一部分,是對生產過程中系統監控對象狀