【正文】 小，安裝方便，線性度好，傳輸距離長，抗干擾能力強(qiáng)。 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(shí)現(xiàn)以下目的：免除作物超過光飽合點(diǎn)，提高光合作用；實(shí)現(xiàn)對(duì)長日照作物、中日照作物和短日照作物的光照控制。%℃ ； 濕度檢測范圍： 0～ 100%RH；測量精度： 177。 圖 46 硬件接線圖 PLC 的硬件配置 傳感器 一、溫度傳感器 根據(jù)溫室溫度控制的特點(diǎn)，本文的溫度傳感器可采用芬蘭維薩拉公司 型號(hào)為HMD40 的產(chǎn)品，該款傳感器具有測量精度高，易于安裝、響應(yīng)速度快，對(duì)環(huán)境要求較低等特點(diǎn)，其外觀如圖 47 所示。 PLC I/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。其中 CPU226集成 24輸入 /16輸出共 40個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)，可連接 7 個(gè)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(chǔ)空間， 6 個(gè)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(gè) 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。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價(jià)格比。 S7200 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。其功能強(qiáng)大，分別應(yīng)用于小型、中型和大型自動(dòng)化系統(tǒng)。 PLC 硬件電路的設(shè)計(jì) PLC 型號(hào)選擇 一、 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(hào)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(gè)數(shù)字量輸入， 10 個(gè)數(shù)字量輸出， 3 個(gè)模擬量輸入。在自動(dòng)狀態(tài)下，由 PLC 控制器實(shí)現(xiàn)控制，中間 19 接觸器 KM5 得電時(shí)，其常開觸點(diǎn)閉合，熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行。在手動(dòng)狀態(tài)下， SB6 為啟停旋鈕。由以上要求可以設(shè)計(jì)如下的電路： 18 圖 44 熱風(fēng)機(jī)主電路圖 熱風(fēng)機(jī)控制電路 圖 45 熱風(fēng)機(jī)控制電路圖 熱風(fēng)機(jī)控制電路原理圖如圖 45 所示， SB1 為手動(dòng) /自動(dòng)的切換開關(guān)。 二、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。在自動(dòng)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(shí)，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(shí)，其常開觸點(diǎn)閉合，遮陽簾閉合。按下總啟動(dòng)按鈕 SB2，交流接觸器 KM10 的線圈得電，同時(shí) KM10 的常開觸點(diǎn)閉合，起自鎖作用。而 KM 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。 一、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。 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。 QK 為刀開關(guān)，用于控制整個(gè)主電路的啟停； FU1～ FU7 為熔斷器，分別對(duì)各個(gè)分線路實(shí)施短路和過載保護(hù)； FR1～ FR5 為熱繼電器，對(duì)電機(jī)、加熱器起過載保護(hù)的作用。 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 圖 41 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。 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。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(shí)數(shù)據(jù)的管理與存儲(chǔ)，為以后植物生長的研究帶來寶貴資料。 圖 31 系統(tǒng)總體框圖 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(gè)部分組成。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(jià)值最大化。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。自動(dòng)工作中 ，如果被檢測量溫度高于設(shè)定值， PLC 就會(huì)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(duì)溫室進(jìn)行加溫。由 PLC 對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，然后調(diào)控各設(shè)備對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行補(bǔ)嘗。 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。溫度的調(diào)節(jié)主要通過通風(fēng)窗、加熱器的動(dòng)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。溫室中的溫度、光照、濕度、 CO2濃度、土壤酸堿度等因素對(duì)植物的生長起著重要作用。 八、整理和編寫技術(shù)文件 技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、 PLC 程序以及使用說明書等。全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。如不符合要求，則對(duì)硬件和程序作調(diào)整。 12 七、聯(lián)機(jī)調(diào)試 聯(lián) 機(jī)調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。 模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。 PLC 外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和 未進(jìn)入PLC 的控制電路等。 三、選擇 PLC PLC 選擇包括對(duì) PLC 的機(jī)型、容量、 I/O 模塊、電源等的選擇。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以按以下步驟進(jìn)行： 一、分析被控對(duì)象并提出控制要求、制定控制方案 詳細(xì)分析被控對(duì)象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對(duì)象對(duì) PLC 控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書。然后是進(jìn)行 PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號(hào)的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。 四、適應(yīng)發(fā)展的需要 適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要，在選擇 PLC 的型號(hào)、 I／ O 點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等內(nèi)容時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。 三、力求簡單、經(jīng)濟(jì)、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?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。同時(shí)要注意和現(xiàn)場工程管理和技術(shù)人員及操作人員緊密配合，共同解決重點(diǎn)問題和疑難問 題。 一、最大限度地滿足控制要求 充分發(fā)揮 PLC 功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象 (生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程 )的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及步驟 理解 PLC 的基本工作原理和指令系統(tǒng)后，就可以把 PLC 應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。 10 二、中型 PLC 中型 PLC 采用模塊化結(jié)構(gòu)，其 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 256～ 1024 點(diǎn)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(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。 一、小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)一般在 256 點(diǎn)以下，其特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)硬件融為一體，除了開關(guān)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。 I/O 點(diǎn)數(shù)表明 PLC 的 I/O端子數(shù)。 9 圖 22 可編程控制器運(yùn)行框圖 PLC 的分類及特點(diǎn) PLC 分類方法有多種，按規(guī)模（即 I/O 點(diǎn)數(shù) ）可分為大、中、小型，按結(jié)構(gòu)可分為整體式和組合式。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110VAC），直流電源（常用的為 24VDC）。 電源 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電 路提供工作電源。而智能型編程器（又稱圖形編程器），不但可以連機(jī)編程，而且還可以脫機(jī)編程。編程器一般分為簡易型和智能型兩類。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為 3～5 年。用戶使用的。用戶存儲(chǔ)器：分為用戶程序存儲(chǔ)區(qū)和工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。由只讀存儲(chǔ)器、 ROM 組 成。 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。 開關(guān)量模塊按電壓水平分有 220VAC、 110VAC、 24VDC 等規(guī)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。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。輸入模塊和輸出模塊是 PLC 與現(xiàn)場 I/O 裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著 PLC 與外部設(shè)備之間傳遞信息的作用。 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。 CPU 主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，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 CPU 是 PLC 的核心，主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總 線及控制總線構(gòu)成，此外 CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。模塊式 PLC 一般由 CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存模塊、電源模塊、底板或機(jī)架等組成。 PLC 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(jié)構(gòu)上基本上相同。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以 16 位和少數(shù) 32 位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化 PLC，使 PLC 的功能更加強(qiáng)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。我國從 1974 年開始研制， 1977 年開始工業(yè)推廣應(yīng)用。 1971 年日本從美國引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，很快研制出第一臺(tái)可編程序控制器 DSC18。通過傳感器檢測溫室中的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)變送轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（ 4～ 20mA）后送入 S7200 的模擬量輸入模塊 EM235， PLC 通過分析處理，輸出開關(guān)量，通過驅(qū)動(dòng)電路控制通風(fēng)扇、遮陽簾、風(fēng)機(jī)等多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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(huán)境參數(shù)對(duì)植物的生長起著重要作用。 本次研究內(nèi)容為溫室大棚溫度 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 本論文研究的是 PLC 技術(shù)在溫室控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。其性能優(yōu)越，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱 (PLC、工業(yè)機(jī)器人、 CAD/CAM)之一。計(jì)算機(jī)對(duì)這些系統(tǒng)的控制己經(jīng)不是簡單的、獨(dú)立的、靜態(tài)的直接數(shù)字控制，而是基于環(huán)境模型上的監(jiān)督控制，以及基于專家系統(tǒng)上的人工智能控制，一些國家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正在向著完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。 目前，國外現(xiàn)代化溫室的內(nèi)部設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)。特別是二十世紀(jì) 70 年代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，更使溫室大棚環(huán)境控制技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化。 20 世紀(jì) 60 年代，生產(chǎn)型的高級(jí)溫室開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，奧 4 地利首先建成了番茄生產(chǎn)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(fā)展，溫室設(shè)施廣泛應(yīng)用于園藝作物生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。 國外研究現(xiàn)狀 西方發(fā)達(dá)國家在現(xiàn)代溫室測控技術(shù)上起步比較早。控制器綜合調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)在運(yùn)行中節(jié)約能源的同時(shí)保證室內(nèi)氣候滿足植物生長需求。雖然國內(nèi)溫室規(guī)模有限，還沒有形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，另外構(gòu)建的費(fèi)用也較高，但從長遠(yuǎn)來看，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布 式和網(wǎng)絡(luò)化將是一種必然的趨勢。當(dāng)前溫室控制系統(tǒng)研究熱點(diǎn)己由簡單的DDC(直接數(shù)字控制 )發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)，如 DCS(分布式控制 )、 FCS(柔性控制 )等網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。所以，將農(nóng)業(yè)學(xué)科與工程學(xué)科結(jié)合起來，對(duì)果蔬生長的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于開發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的溫室監(jiān)控軟件系統(tǒng)是非常重要的。在溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控中，各環(huán)境參數(shù)分別由各自的閉環(huán)系統(tǒng)控制，但由于這些受控參數(shù)常常相互影響，如光照增加，室溫 相應(yīng)增加，溫度的升高，又造成溫室相對(duì)濕度降低，同時(shí)各系統(tǒng)間并不完全獨(dú)立，回路間相互耦合時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)而失控，這里可采用模糊控制方法，可較好地解決環(huán)境參數(shù)之間的相互影響。隨著溫室面積的不斷增加，溫室建造的國產(chǎn)化問題越來越引起人們的重視。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(xiàn)代化連棟溫室，以其土地利用率高、環(huán)境控制自動(dòng)化程度高和便于機(jī)械化操作等優(yōu)點(diǎn)，自 1995 年以來，便呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)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(jìn)的溫室面積達(dá) 140 公頃。 1997年我國日光溫室面積已超過近 萬公頃。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國現(xiàn)代溫室技術(shù)起步較晚， 80 年代以來，政府大力發(fā)展以塑料大棚 、節(jié)能日光溫室為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)，促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和緩和了蔬菜季節(jié)性短缺矛盾。所以，進(jìn)行溫室大棚溫度 PLC