【文章內容簡介】 MPI 的通信接口，所以在沒有額外硬件投資的狀況下，可以實現(xiàn) PG/OP、全局數(shù)據通信以及少量數(shù)據交換的 S7 通信等通信功能，其網絡節(jié)點通常包括 S7 PLC、 TP/OP、 PG/PC、 ET200S以及 RS485 中繼器等網絡元器件。 MPI 網絡最多可以連接 32 個節(jié)點。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 5 MPI 網絡的通信速率為 ，通常默認設置為 ，只有能夠設置 為 PROFIBUS 接口的 MPI 網絡才支持最大的 12Mbit/s 的通信速率。普通PC 需要通過 MPI/PROFIBUS 通信卡（如 CP5512/CP5611/CP5613 等）聯(lián)入 MPI 網絡，其中 CP5611 和 CP5613 用于臺式電腦，后者帶網絡診斷功能，但價格相對較高。 溫室控制系統(tǒng)硬件配置 在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，單片機控制與 PLC 控制是最常用的自動控制系統(tǒng)，但與單片機相比， PLC 具有極高的可靠性、靈活性、編 程相對簡單、擴展模塊豐富等等優(yōu)點，能夠廣泛應用到實際生產中。由德國 SIEMENS 系列產品產品具有功能強大，可靠靈活，實用性強等特點。從系統(tǒng)的整體性出發(fā)，考慮到經濟性、適用性、功能性等各方面原因，我們選用西門子公司的產品，以最優(yōu)的性能 /價格比進行系統(tǒng)配置。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的單獨調用，通過通訊網絡由總控制室統(tǒng)一管理，便于實現(xiàn)多路控制。 S7300 系列的 PLC 是一種中等 PLC 系統(tǒng)，其功能非常強大，針對中小型自控應用，是面向生產制造領域的最佳系統(tǒng)解決方案。 1） 功能強，性能價格比高 2） 硬件配套齊全，用戶 使用方便，適應性強 3） 可靠性高，抗干擾能力強 4） 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少 5） 編程方法簡單 梯形圖是使用得最多的可編程序控制器的編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。 6） 維修工作量少，維修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。 7） 體積小，能耗低 對于復雜的控制系統(tǒng)，使用 PLC 后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器 。 8)與時俱變，能實現(xiàn)網絡通訊 PLC 可以與電腦及智能儀表等通過通信聯(lián)網，實現(xiàn)分散控制，集中管理。并能實現(xiàn)地顯示出當前機械設備的工作狀態(tài)和工作流程，對生產管理和現(xiàn)場維修帶來極大的方便。 9） 提升產品技術含量，增加產品形象！ 10） 對未來機械升級很方便 蘭州理工大學畢業(yè)設計 6 高效率的組態(tài)和編程，基于世界標準的 STEP 7 更高的可用性 ，基于強大的集成的診斷功能，高效的處理速度可極大的縮短設備的循環(huán)時間，節(jié)省空間，模塊化設計 ，沒有槽位規(guī)則?；谝陨蟽?yōu)點本設計采用 S7300 系列的 PLC。 本系統(tǒng)選用 SIMATIC S7300 系列 PLC 作為現(xiàn)場控制設備，因為 該系列 PLC 具有較高的性價比，且具有強大的網絡通信功能。同時配置了空氣溫度傳感器﹑土壤濕度傳感器用于檢測溫室內環(huán)境變量；裝備了水泵﹑卷簾等設備，用于改變溫室內各環(huán)境變量的數(shù)值；網絡監(jiān)控設備選用普通 PC，現(xiàn)場裝備了控制箱作為現(xiàn)場監(jiān)控裝置。 ．控制方案 植物的生長是在一定環(huán)境中進行的 ,在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響 ,其中對植物生長影響最大的是溫度、濕度和光照度。環(huán)境中晝夜的溫度、濕度和光照度的變化大 ,對植物生長極為不利?，F(xiàn)代溫室有內外遮陽系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、自然通風系統(tǒng)、濕簾風機降溫系統(tǒng)、補光系統(tǒng) 、補氣系統(tǒng)、環(huán)流風機、灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等常用的環(huán)境系統(tǒng)，能夠對植物的生長進行合理的控制 ,而如何才能合理地控制這些配套設備的運作和協(xié)同則需要有一套完善的硬、軟件溫室系統(tǒng)進行控制。因此 ,本系統(tǒng)就是利用 PLC 作為控制器，采用傳感器對溫室溫度、溫度等環(huán)境因素進行巡回測量，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 補償 ?，F(xiàn)場可采用現(xiàn)場控制箱控制， PC 通過 MPI 網絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控。其硬件連接方式如下： 圖 硬件連接方式示意圖 蘭州理工大學畢業(yè)設計 7 系統(tǒng)由溫度傳感 器，濕度傳感器， PLC 系統(tǒng)，加溫設備，加濕設備，通風設備等幾個部份組成。系統(tǒng)的工作過程如圖所示： 圖 系統(tǒng)的工作過程 該溫室控制系統(tǒng)是利用 PLC 模塊將濕度傳感器，溫度傳感器采集的有關參數(shù)轉換成數(shù)字信號，并且把采集的參數(shù)與已設定的值進行比較，再經過 PLC 的比較后，給出相應的的控制信號對執(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(xiàn)實時數(shù)據的管理與存儲，以后植物生長的研究帶來寶貴資料。傳感器把生物有關的環(huán)境 因子（濕度，溫度）參數(shù)轉換成為電信號，其中溫度傳感器的輸出電壓對應一個溫度，并且具有測量精度高，測量范圍廣，構造簡單，價格低廉等特點，可以把 10℃～ 100℃的溫度轉換成 0～ 5V 的電壓，在濕度傳感器測量中可以將相對濕度 0%～ 100%的相對濕度轉換成 0～ 5V的電壓信號。溫室控制執(zhí)行機構包括卷簾﹑水泵 、電磁閥 等。系統(tǒng)開始工作時， PLC 通過溫度傳感器，濕度傳感器來檢測溫室內的溫度，濕度與設計值相比較，如果溫度，濕度超出設定值上下限值， PLC 就會輸出指令，控制動作相應的執(zhí)行設備。相反，如果測量值在設定值范圍內則發(fā)出 指令停止相應的設備。溫濕度設定值 PLC 系統(tǒng) 溫 、 濕度傳感器 濕度控制裝置（水泵 、 電磁閥） 溫 度 控制 裝置（卷簾） 蘭州理工大學畢業(yè)設計 8 第三章 硬件系統(tǒng)的研究與設計 PLC 的選型 系統(tǒng)選用西門子公司的 S7300 PLC實現(xiàn)集中監(jiān)控。根據系統(tǒng)控制要求并考慮留有一定的裕量， PLC由電源模塊 PS307﹑ CPU模塊 CPU313c2DP﹑ I/O模塊（ 1塊模擬量輸入SM 331)組成，具體硬件配置如下： PS307：輸入電壓為 220V AC，輸出電壓為 24V DC，輸出電流為 5A，向其他 PLC模塊供電。 PLC 內部的電源可分為：內部 —— 開關穩(wěn)壓電源，供內部電路使用；大多數(shù)機型還可以向外提供 DC24V 穩(wěn)壓電源，為現(xiàn)場的開關信號、外部傳感器供電。 外部 —— 可用一般工業(yè)電源，并備有鋰電池（備用電池），使外部電源故障時內部重要數(shù)據不致丟失。 西門子 PLC有多種 24VDC 電 源模 塊 可用于 S7300 PLC 和 傳 感 器 /執(zhí) 行器 。 本次設計中考慮到帶負載能力等電源選擇 5 A 電 源模 塊 6ES7 3071EA000AA0即可，其屬性如下： 輸 出 電 流 為 5 A 輸 出 電壓為 24 VDC；短路和斷路保 護 與 單 相交流 電 源 連 接 （ 額 定 輸 入 電壓 120/230 VAC， 50/60 Hz） 安全隔離符合 EN 60 950 可用作 負載電 源 模塊 CPU—— 是 PLC 的核心部分。與通用微機 CPU 一樣， CPU 在 PC 系統(tǒng)中的作用類 似于人體的神經中樞。其功能： （ 1） 用掃描方式（后面介紹）接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據，并存入輸入映象寄存器或數(shù)據寄存器； （ 2）接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據； （ 3）診斷電源和 PC內部電路的工作狀態(tài)及編程過程中的語法錯誤； （ 4）在 PC進入運行狀態(tài)后： a） 執(zhí)行用戶程序 —— 產生相應的控制信號（從用戶程序存儲器中逐蘭州理工大學畢業(yè)設計 9 條讀取指令，經命令解釋后，按指令規(guī)定的任務 產生相應的控制信號，去啟閉有關的控制電路） b） 進行數(shù)據處理 —— 分時、分渠道地執(zhí)行數(shù)據存取、傳送、組合、比較、變換等動作，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯或算術運算任務 c） 更新輸出狀態(tài) —— 輸出實施控制（根據運算結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內容，再由輸入映象寄存器或數(shù)據寄存器的內容，實現(xiàn)輸出控制、制表、打印、數(shù)據通訊等） 本次設計大棚溫濕度控制系統(tǒng)中輸入輸出 IO點數(shù)由緊湊型 PLC支持足以，并且由方案論證中可知 PLC選擇的是西門子公司的 S7300系列，考慮到價格、存儲、通信方式等， CPU型號選擇為 313C2DP型，帶集成數(shù)字量輸入 /輸出和 一個 MPI接口 和一個 DP接口 的緊湊型 CPU，帶有與過程相關的功能，可以完成具有特殊功能的任務和連接單獨的 I/O設備， 32kBRAM， 24VDC電源，內置 16DI/16DO。 PLC系統(tǒng)的輸入信號包括各個大棚的溫度及濕度信號﹑電機啟動停止信號﹑自動手動轉換開關信號﹑現(xiàn)場遠程轉換開關信號。溫濕度模擬量信號用模擬量輸入模塊SM 331 來擴展。由輸入點數(shù)以及考慮到 10%20%的冗余，擴展模塊選擇為模擬量輸入模塊 SM 331。 AI 8 x 16 位； (6ES7 3317NF100AB0)，其屬性為： ? 4 個通道 組 中的 8 點 輸 入 ? 測 量 值 精度 = 15 位 + 符號（獨立于 積 分 時間 ） ? 每個通道 組 的可 選測 量方法： – 電壓 – 電 流 ? 用 戶 定 義 的 測 量范 圍設 置和每個通道 組 的 過濾 /刷新率 ? 可 編 程 診 斷 ? 可 編 程 診 斷中斷 ? 帶 限制 值監(jiān)視 功能的 2 個通道 ? 超限 時 的可 編 程中斷 ? 與背板 總線 接口 電 氣隔離 ? 通道 間 的允 許 CMV：最大 50 VDC I/O 地址分配 由系統(tǒng)設計需要輸入信號有啟動、停止、溫度傳感器、空氣濕度傳感器、土壤濕度傳感器等； 輸出信號被控對象有卷簾電機、水泵電機、電磁閥、報警裝置等，其 I/O蘭州理工大學畢業(yè)設計 10 地址分配表如下： 表 31 I/O 分配表 輸入信號 類型 名稱 符號 端子分配 備注 數(shù)字量輸入信號 轉換開關 SA1 就地遠程轉換開關就地 轉換開關 SA1 就地遠程轉換開關遠程 按鈕 SB1 總啟動 按鈕 按鈕 SB2 總停止 按鈕 按鈕 SB3 急停 按鈕 行程開關 SQ1 卷簾上限位開關 行程開關 SQ2 卷簾下限位開關 模擬量輸入信號 傳感器 L1 PIW256 溫度傳感器 1 傳感器 L2 PIW257 土壤濕度傳感器 1 傳感器 L4 PIW259 空氣濕度傳感器 1 傳感器 L5 PIW260 溫度傳感器 2 傳感器 L6 PIW261 土壤濕度傳感器 2 傳感器 L7 PIW262 空氣 濕度傳感器 2 輸出信號 類型 名稱 符號 端子分配 備注 數(shù)字量輸出信號 繼電器 K1 卷簾電機正轉 繼電器 K2 卷簾電機反轉 繼電器 K3 水泵電機啟動 繼電器 K4 電磁閥啟動 指示燈 HL1 卷簾正轉指示燈 指示燈 HL2 卷簾反轉指示燈 指示燈 HL3 水泵啟動指示燈 指示燈 HL4 電磁閥啟動指示燈 蘭州理工大學畢業(yè)設計 11 指示燈 HL5 卷簾報警指示燈 指示燈 HL6 水泵報警指示燈 指示燈 HL7 電磁閥報警指示燈 接線圖 （ 1）由 PLC 地址分配列表可以得到 CPU 接線方式，其接線圖如圖所示： 圖 CPU 模塊接線圖 PLC 主體模塊接線如 圖三所示。 PLC 的輸出觸點負載能力偏低，如果直接帶動電機等負載，輸出觸點容易損壞，故采用中間繼電器作為中間元件，間接控制電機的啟停及正反轉。由中間繼電器觸點控制交流接觸器，交流接觸器作為控制元件來控制電機啟停和正反轉。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 12 （ 2） 溫、濕度傳感器與 PLC 擴展模塊 SM331 的接口電路 圖 模擬量模塊接線 傳感器的選型 本系統(tǒng)設計了對與作物生長發(fā)育有關的環(huán)境溫度、土壤濕度等參數(shù)進行采集的功能，實現(xiàn)溫室大棚內各種參數(shù)的數(shù)據采集任務，傳感器負責對溫室環(huán)境因子的采集，將采集信轉換為 05 伏的電壓信號，送入 PLC，供 PLC 使用，而使用的各類傳感器，分別介紹如下： 溫度傳感器 溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場超過了其它的傳感器。溫度傳感器主要四種類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（ RTD）和 IC 溫度傳感器。 IC 溫度傳感器又包括模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩種類型。在溫度傳感器的選擇上余地比較大，在此選用 PHQW 大氣溫度傳感器 ,PHQW 大氣溫度傳 感器采用光刻鉑蘭州理工大學畢業(yè)設計 13 電阻作為感應部件，感應部件位于桿頭部，外有一層濾膜保 護 膜 可配專用的防輻射罩，保護傳感器免受太陽輻射和雨淋。 技術指標 ： 測量范圍： 50～ +100℃ 分 辨 率： ℃ 準 確 度： 177?！?