大棚温度自动控制新版系统标准设计.doc

温室大棚温度PLC控制系统设计
摘 要
温室，是用来栽培植物设施，它能改变植物生长环境，避免外界四季改变和恶劣气候对作物生长不利影响，为植物生长发明适宜条件。伴随科学技术快速发展，农业应用技术越来越受到重视，尤其是温室大棚已经成为高效农业一个关键组成部分。怎样利用科学技术有效地控制温室内多种环境因数，以提升温室大棚环境控制效果，已成为现在中国温室业研究关键课题之一。这对中国温室产业发展有着不可估量关键意义。
本文关键介绍了基于西门子企业S7-200系列可编程控制器（PLC）和MCGS组态软件温室大棚温度PLC控制系统设计方案。该研究中，将采取温度传感器、光照传感器、CO2浓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将其和设定值进行比较，再发出对应指令驱动实施设备来调整温室内环境参数，从而实现温室智能化、自动化控制。在此基础上，采取MCGS组态软件完成了控制系统组态设计，实现了动态演示、过程监测、数据统计、曲线显示等功效，从而实现了控制系统操作人性化和过程可视化，为温室大棚发展提供了新方向。
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 1
1.1 课题概述 1
1.2 中国外研究现实状况 2
1.3 研究内容 4
第二章 PLC概述 6
2.1 PLC介绍 6
2.2 PLC控制系统设计基础标准及步骤 10
第三章 控制系统总体设计方案 13
3.1 系统设计任务 13
3.2 系统控制方案 13
3.3 系统工作原理 14
第四章 控制系统硬件设计 15
4.1 电气控制系统设计 15
4.2 PLC硬件电路设计 19
4.3 PLC硬件配置 21
第五章 控制系统软件设计 26
5.1 PLC程序设计方法 26
5.2 编程软件STEP 7-Micro/WIN概述 26
5.3 控制系统程序设计 27
5.4 控制程序仿真和调试 34
第六章 组态画面设计方案 36
6.1 组态软件概述 36
6.2 温室大棚控制系统组态设计 38
结论 45
致谢 47
参考文件 48

第一章 绪论
1.1 课题概述
1.1.1 课题介绍
温室又称暖房，是用来栽培植物设施。温室作用是用来改变植物生长环境 ,避免外界四季改变和恶劣气候对作物生长不利影响，为植物生长发明适宜条件。
温室环境指是作物在地面上生长空间 ,它是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等原因组成。温室控制关键是经过控制温室内温度、湿度、通风和光照，使得它能够在冬季或其它不宜植物露地生长季节栽培植物，从而达成对农作物调整产期、促进生长发育、防治病虫害及提升产量目标。现代化温室中含有控制温湿度、光照等条件设备，并采取电脑进行自动控制，以此发明植物生长所需最好环境条件。
1.1.2 研究目标及意义
中国设施园艺绝大部分用于蔬菜生产。80年代以来，温室、大棚蔬菜种植面积连年增加。现在栽培设施中，有国家标准装配式钢管塑料大棚和玻璃温室仅占设施栽培面积少部分，大多数农村仍然采取自行建造简单低廉竹木大小棚，只能起到一定保温作用，根本谈不上对温光水气养分等环境条件调控，抗自然环境能力极差。即使那些数量不多装配式塑料大棚和玻璃温室也缺乏配套调控设备和仪器，仅仅依靠经验和单因子定性调控，所以，中国设施栽培智能化程度很低。除此之外，中国设施农业现在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、运行管理费用高、管理技术水平低、劳动生产率低及单位面积产量低等很多问题。
中国农业想要发展，就必需走现代化农业这条道路。伴随国民经济快速发展，农业研究和应用技术越来越受到重视，尤其是温室大棚已经成为高效农业一个关键组成部分。现代化农业生产中关键一环就是对农业生产环境部分关键参数进行检测和控制。在实际农业种植中，温室环境和生物生长、发育、能量交换等有着亲密关系。作为实现温室生产管理自动化、科学化基础确保，环境测控可经过对监测数据分析，并结合作物生长发育规律，从而控制环境条件，使作物达成优质、高产、高效栽培目标。实际上生产生活中，以蔬菜大棚为代表现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大作用。
现在，即使国外温室设施己经发展到比较完备程度，并形成了一定标准，不过价格很昂贵，缺乏和中国气候特点相适应测控软件。而当今中国大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量检测和控制全部采取人工管理，这么不可避免有测控精度低、劳动强度大及因为测控不立即等弊端，轻易造成不可填补损失，结果不仅大大增加了成本，浪费了人力资源，而且极难达成预期效果。所以，为了实现高效农业生产科学化并提升农业研究正确性，推进中国农业发展，必需大力发展农业设施和对应农业工程，科学合理地调整大棚内温度、湿度和二氧化碳含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长环境。
现阶段伴随蔬菜大棚快速增多，大家对其性能要求也越来越高，尤其是为了提升生产效率，对大棚自动化程度要求也越来越高。伴随社会进步和科学发展，中国设施农业将向着地域化、节能化、专业化发展，向着高科技、自动化、机械化、规模化、产业化工厂型农业发展，为社会提供愈加丰富无污染、安全、优质绿色健康食品。所以，进行温室大棚温度PLC 控制系统研究设计含相关键现实意义。本课题经过对PLC可编程控制器、组态软件、传感器、数据采集系统学习和研究，完成了利用西门子PLC和PC机构组成温室大棚温度监控系统。
1.2 中国外研究现实状况
1.2.1 中国研究现实状况
中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、节能日光温室为主设施农业，促进了农村经济发展和缓解了蔬菜季节性短缺矛盾。其中能充足利用太阳光热资源、节省燃煤、降低环境污染日光温室为中国所特有。1997年中国日光温室面积已超出近16.7万公顷。由农业部联合相关部门试验推广新一代节能型日光温室,每十二个月每亩可节省燃煤约20吨。随即，以单层薄膜或双层冲气薄膜、PC板、玻璃为覆盖材料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，便展现出迅猛发展之势，现在全国共有大型温室面积200 公顷，其中自日本、荷兰、以色列、美国等国家引进温室面积达140公顷。最初，中国现代温室技术关键从国外引进，然而近几年从国外引进温室大部分经营亏损，现在已处于停产状态或仅仅利用其玻璃外壳。伴随温室面积不停增加，温室建造国产化问题越来越引发大家重视。现在，现代化大型温室骨架和覆盖材料国产化已经基础不成问题，但其内部配套设施和计算机管理系统等现代化管理方法和优异国家相比还有较大差距，是以后要着力处理问题。在温室环境自动监控中，各环境参数分别由各自闭环系统控制，但因为这些受控参数常常相互影响，如光照增加，室温对应增加，温度升高，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造成系统不稳而失控，这里可采取模糊控制方法，可很好地处理环境参数之间相互影响。另外，以前在监控系统研制开发中，关键针对环境，而极少考虑农业生产过程中生物原因，没有农业教授合作参与，极难对系统正确定位，其适应性也差。所以，将农业学科和工程学科结合起来，对果蔬生长环境参数进行优化设计，对于开发经济有效温室监控软件系统是很关键。
多年来中国温室控制取得了长足进步，首先在温室群控制方面，进行了初步探索和理论研究，其次在温室控制中引入了人工智能和优异控制算法，如教授系统、遗传算法、模糊控制等理论和控制策略。目前温室控制系统研究热点己由简单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)等网络化控制系统。现在，在相关行业己经有网络化测量和控制方面研究，实现网络化、分布式数据采集系统替换传统孤立、信息闭塞系统，甚至跨越以太网或Internet进行数据采集，实施远程控制。即使中国温室规模有限，还没有形成规模经济，另外构建费用也较高，但从长远来看，温室监控系统分布式和网络化将是一个肯定趋势。
现代温室中常见能自动控制调控机构有：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。控制器综合调整各个机构，使系统在运行中节省能源同时确保室内气候满足植物生长需求。使用控制器能够有很多选择，如单片机、工控机、PLC、通用PC机等。
1.2.2 国外研究现实状况
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适应性和抗御能力基础及应用研究。20世纪60年代，生产型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。伴随计算机技术进步和智能控制理论发展，近百年来，温室大棚作为设施农业关键组成部分，其自动控制和管理技术不停得以提升，在世界各地全部得到了长足发展。尤其是二十世纪70年代电子技术迅猛发展和微型计算机出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性改变。80年代，伴随微型计算机日新月异进步和价格大幅度下降，和对温室控制要求提升，以微机为关键温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足发展，并迈入了网络化、智能化阶段。
现在，国外现代化温室内部设施己经发展到比较完备程度，并形成了一定标准。温室内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，如温室内外温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器检测基础上能够实现对各个实施机构自动控制，如无级调整天窗通风系统，湿帘和风扇配套降温系统，由热水锅炉或热风机组成加温系统，可定时喷灌或滴灌浇灌系统，二氧化碳施肥系统，和适适用于温室作业农业机械等。计算机对这些系统控制己经不是简单、独立、静态直接数字控制，而是基于环境模型上监督控制，和基于教授系统上人工智能控制，部分国家在实现自动化基础上正在向着完全自动化、无人化方向发展。
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新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控制各个领域，并已成为工业自动化三大支柱(PLC、工业机器人、CAD/CAM)之一。PLC应用已成为一个世界时尚，在很快未来PLC技术在中国将得到更全方面推广和应用。
本论文研究是PLC技术在温室控制系统上应用。从整体上分析和研究了控制系统电路设计、硬件设计、软件设计，控制对象数学模型建立、控制算法选择和参数整定，人机界面设计等。
此次研究内容为温室大棚温度PLC控制系统设计。温室大棚作用是改变植物生长因子，从而避免四季气候改变和恶劣气候对植物生长不良影响，为植物提供一个良好生长环境。在植物生长过程中，温室中温度，光照，湿度，CO2浓度，土壤酸碱度等环境参数对植物生长起着关键作用。此次研究采取可编程控制器PLC作为控制关键。经过传感器检测温室中环境参数，经变送转换为标准电流信号（4～20mA）后送入S7-200模拟量输入模块EM235，PLC经过分析处理，输出开关量，经过驱动电路控制通风扇、遮阳帘、风机等多个实施机构。
第二章 PLC概述
2.1 PLC介绍
2.1.1 PLC产生和应用
1969年美国数字设备企业成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM企业汽车自动装配线上首次使用并取得成功。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她们第一台可编程控制器。中国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，伴随电子技术发展，尤其是PLC采取通讯微处理器以后，这种控制器功效得到更深入增强。进入20世纪80年代，伴随大规模和超大规模集成电路等微电子技术迅猛发展，以16位和少数32位微处理器组成微机化PLC，使PLC功效愈加强大—工作速度快，体积减小，可靠性提升，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。现在，PLC在中国外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环境保护及文化娱乐等各个行业。
2.1.2 PLC组成和工作原理
一、PLC组成
PLC从组成形式上通常分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基础上相同。整体式PLC通常由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源等组成。模块式PLC通常由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底板或机架等组成。不管哪种结构类型PLC，全部属于总线式开放结构，其I/O能力可依据用户需要进行扩展和组合。
1、CPU
CPU是PLC关键，关键由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联络地址总线、数据总线及控制总线组成，另外CPU单元还包含外围芯片、总线接口及相关电路。它按PLC系统程序给予功效接收并存贮用户程序和数据，用扫描方法采集由现场输入装置送来状态或数据，并存入要求寄存器中，同时，诊疗电源和PLC内部电路工作状态和编程过程中语法错误等。CPU关键用于存放程序及数据，是PLC不可缺乏组成单元,在很大程度上决定了PLC整体性能。CPU速度和内存容量是PLC关键参数，它们决定着PLC工作速度，I/O数量及软件容量等，所以限制着控制规模。
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对外功效关键是经过多种I/O接口模块和外界联络来实现。输入模块和输出模块是PLC和现场I/O装置或设备之间连接部件，起着PLC和外部设备之间传输信息作用。I/O模块集成了PLCI/O电路，其输入暂存器反应输入信号状态，输出点反应输出锁存器状态。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；按隔离方法分有继电器输出、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、-10-10V）等规格；按精度分有12位，14位，16位等规格。
3、 存放器
存放器是含有记忆功效半导体电路，分为系统程序存放器和用户存放器。系统程序存放器用以存放系统程序，包含管理程序、监控程序和对用户程序做编译处理解释编译程序。由只读存放器、ROM组成。厂家使用，内容不可更改，断电不消失。用户存放器：分为用户程序存放区和工作数据存放区。由随机存取存放器（RAM）组成。用户使用。断电内容消失。常见高效锂电池作为后备电源，寿命通常为3～5年。
4、 编程器
编程器作用是用来供用户进行程序输入、编辑、调试和监视。编程器通常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），不仅能够连机编程，而且还能够脱机编程。操作方便且功效强大。
4、电源
PLC电源用于为PLC各模块集成电路提供工作电源。同时，有还为输入电路提供24V工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常见为24VDC）。

图2-1 PLC基础结构图
二、可编程控制器工作原理
PLC工作方法是循环扫描方法。每一次扫描所用时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按次序逐条地实施用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮扫描。 PLC 就是这么周而复始地反复上述循环扫描。
PLC工作全过程可用图2-2所表示运行框图来表示。

图 2-2 可编程控制器运行框图
2.1.3 PLC分类及特点
PLC分类方法有多个，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。在实际应用中通常全部按I/O点数来分类。I/O点数表明PLCI/O端子数。通常来说，点数多PLC功效较强。
一、小型PLC
小型PLC I/O 点数通常在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，还能够连接模拟量I/O 和其它多种特殊功效模块。它能实施包含逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网和多种应用指令。
二、中型PLC
中型PLC 采取模块化结构，其I/O 点数通常在256～1024 点之间，I/O 处理方法除了采取通常PLC 通用扫描处理方法外，还能采取直接处理方法即在扫描用户程序过程中直接读输入刷新输出，它能联接多种特殊功效模块，通讯联网功效更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度愈加快。
三、大型PLC
通常I/O 点数在1024 点以上称为大型PLC，大型PLC 软硬件功效极强，含有极强自诊疗功效、通讯联网功效强，有多种通讯联网模块能够组成三级通讯网实现工厂生产管理自动化。
2.2 PLC控制系统设计基础标准及步骤
了解PLC基础工作原理和指令系统后，就能够把PLC应用到实际工程项目中。不管是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分设计全部能够参考以下所述基础标准及步骤。
2.2.1 PLC控制系统设计基础标准
任何一个电气控制系统全部是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)工艺要求，以提升生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计标准往往会包含很多方面，其中最基础设计标准能够归纳为4点。
一、最大程度地满足控制要求
充足发挥PLC功效，最大程度地满足被控对象控制要求，是设计中最关键一条标准。设计人员要深入现场进行调查研究，搜集资料。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，共同处理关键问题和疑难问题。
二、确保系统安全可靠
确保PLC控制系统能够长久安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统关键标准。
三、努力争取简单、经济、使用和维修方便
在满足控制要求前提下，首先要注意不停地扩大工程效益，其次也要注意不停地降低工程成本。不宜盲目追求自动化和高指标。
四、适应发展需要
合适考虑到以后控制系统发展和完善需要，在选择PLC型号、I／O点数和存放器容量等内容时，应留有合适余量，以利于系统调整和扩充。
2.2.2 PLC控制系统设计步骤
设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统功效设计，即依据被控对象功效和工艺要求，明确系统必需要做工作和所以必备条件。然后是进行PLC应用系统功效分析，即经过分析系统功效，提出PLC控制系统结构形式，控制信号种类、数量，系统规模、布局。最终依据系统分析结果，具体确定PLC机型和系统具体配置。PLC控制系统设计能够按以下步骤进行：
一、分析被控对象并提出控制要求、制订控制方案
具体分析被控对象工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间配合，提出被控对象对PLC控制系统控制要求，确定控制方案，确定设计任务书。
二、确定I／O设备
依据系统控制要求，确定系统所需全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及多种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它实施器等），从而确定和PLC相关输入/输出设备，以确定PLCI/O点数。
三、选择PLC
PLC选择包含对PLC机型、容量、I/O模块、电源等选择。
四、分配I/O点并设计PLC外围硬件线路
1、分配I/O点：画出PLCI/O点和输入/输出设备连接图或对应关系表。
2、PLC外围硬件线路：画出系统其它部分电气线路图，包含主电路和未进入PLC控制电路等。
由PLCI/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统电气原理图。到此为止系统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、故障诊疗和显示等程序；（4）保护和连锁程序。
2、模拟调试：依据产生现场信号方法不一样，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部分电器部署图及安装接线图；
2、设计系统各部分之间电气互连图；
3、依据施工图纸进行现场接线，并进行具体检验。
七、联机调试
联机调试是将经过模拟调试程序深入进行在线统调。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。全部调试完成后，交付试运行。经过一段时间运行，假如工作正常、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
技术文件包含设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序和使用说明书等。

图2-3 PLC控制系统设计步骤
第三章 控制系统总体设计方案
3.1 系统设计任务
温室大棚作用是调整植物生长环境原因，从而避免四季气候改变和恶劣气候对植物生长不良影响，为植物提供一个良好生长环境，促进植物生长发育，预防病虫害，以达成增加产量目标。温室中温度、光照、湿度、CO2浓度、土壤酸碱度等原因对植物生长起着关键作用。本设计关键控制对象为温室中温度、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。温度调整关键经过通风窗、加热器动作来进行处理，光照度关键经过发光体和遮阳帘来调整，CO2浓度关键经过CO2添加器进行赔偿。
本温室控制系统就是依据室内外装设温度传感器、光照传感器、CO2传感器等采集或观察温室内温度、光照强度、CO2浓度等环境参数信息，经过控制设备对温室通风窗、加热器、发光体、遮阳帘、CO2添加器等实施机构控制，对温室环境环境原因进行调整控制以达成栽培作物生长发育需要，为作物生长发育提供最适宜生态环境，以大幅度提升作物产量和品质。
3.2 系统控制方案
在温室大棚中，上述控制任务实现需要有一套完善硬、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，采取传感器对温室温度、光照、二氧化碳浓度等环境原因进行测量，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安全性和可靠性，本控制系统设有手动、自动两种工作模式，自动方法是指周期性地进行PLC控制方法；而手动方法则是指在出现应急情况等部分突发事件时，经过手动操作控制实施器件工作。自动工作中，假如被检测量温度高于设定值，PLC就会发出对应指令控制开启通风窗和冷风机；假如测量值和设定值相等，则关闭通风窗和冷风机；假如测量值低于设定值，则打开加热器和热风机对温室进行加温。当温室光照低于设定值时，系统打开遮阳帘或开启发光体；当温室光照高于设定值时，系统关闭遮阳帘或发光体。当温室二氧化碳浓度低于设定值，系统开启二氧化碳添加器。经过温度，光照和二氧化碳浓度设定和调整达成适应不一样植物生长需求，从而广泛应用到实际中。本设计特点是成本低廉，节省资源，提升产量，实现经济价值最大化。该温室控制系统总体框图以下所表示。

图3-1 系统总体框图
3.3 系统工作原理
该温室大棚控制系统由PLC系统、传感器系统、实施部件等多个部分组成。该温室控制系统以PLC为控制中心，经过温度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器采集温室中环境因子相关参数，经变送转换为标准电流信号（4~20mA）后经由S7-200模拟量输入模块EM235送入PLC控制器，PLC再经过PID控制算法将采集参数和已设定值进行分析处理，输出开关量，对实施机构进行控制。在此系统中还能够经过串口形式和PC机相连，从而实现实时数据管理和存放，为以后植物生长研究带来宝贵资料。

第四章 控制系统硬件设计
在掌握了PLC硬件组成、工作原理、指令系统和编程环境后，就能够以PLC作为关键控制器来结构PLC控制系统。PLC控制系统设计关键包含硬件设计和软件设计两部分。本章关键从硬件设计角度进行温室控制系统硬件设计方案，本章节关键介绍了该项目标电气控制系统设计、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
系统主电路图所表示，其中通风扇电机、遮阳帘电机（遮阳帘风机配有限位开关）除功率有所不一样之外，需经过电机正转、反转和停止来完成对应机构开启和闭合，所以它们工作主电路相同。热风机、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启停；FU1～FU7为熔断器，分别对各个分线路实施短路和过载保护；FR1～FR5为热继电器，对电机、加热器起过载保护作用。KM1～KM9为交流接触器主触头，用其实现电机正反转、停止和风机等开/关设备启停控制。
4.1.2 系统控制电路设计
从系统主电路图中，能够看出实施机构系统包含遮阳帘、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，温室实施机构可分为两大类: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，必需有限位开关；另一类是开关控制设备，如风机、水泵等。
一、正反转设备
通风扇、遮阳帘均属于正反转设备，其控制电路相同，现以遮阳帘为例，做以下介绍。
1、遮阳帘主电路
其电路中熔断器FU2起到过电流保护作用，热继电器FR2则是电机过载保护，关键针对遮阳帘因为外界原因打不开或关闭不了情况。而KM3、KM4在电路中起到控制电机正转和反转功效，即遮阳帘拉开和关闭。

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图4-3所表示，SB1为手动/自动切换开关,SB2为总开启按钮，SB3为总停止按钮。按下总开启按钮SB2，交流接触器KM10线圈得电，同时KM10常开触点闭合，起自锁作用。在手动状态下，SB4为开帘、关帘切换按钮，当SB4切换至开帘模式，交流接触器KM3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，到关闭最大位置后，电机停转；按下按钮SB3，KM10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线圈得电时，其常开触点闭合，遮阳帘开启；中间接触器KM4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、冷风机、加热器、发光体、CO2添加器均属于开/关设备，其控
制电路相同，现以热风机为例，做以下介绍。
1、 热风机主电路
风机运转关键由电机通断来实现，能够由一个继电器来实现风机控制，在电路中必需加有短路保护、过流保护、过载保护，而这些能够由热继电器、熔断器来实现电路中保护。由以上要求能够设计以下电路：

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图4-5所表示，SB1为手动/自动切换开关。按下按钮SB2，交流接触器KM10线圈得电，同时KM10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旋至开启状态，此时热风机运转；将旋钮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/关设备启停一样由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将作具体介绍。
4.2 PLC硬件电路设计
4.2.1 PLC型号选择
一、PLC I/O点数
依据系统控制要求，可确定系统所需全部输入设备（如：按纽、限位开关、单刀双掷开关及多种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它实施器等），从而确定和PLC相关输入/输出设备，最终确定PLCI/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选型
S7系列可编程控制器包含S7-200系列、S7-300系列和S7-400系列。其功效强大，分别应用于小型、中型和大型自动化系统。本控制系统采取德国西门子S7-200 PLC。S7-200系列PLC是西门子企业生产一个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更新换代，又可实现复杂自动化控制。所以S7-200系列含有极高性能/价格比。
S7-200 系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226XM等6种不一样型号。其中CPU226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，含有13K字节程序和数据存放空间，6个独立30kHz高速计数器，2路独立20kHz高速脉冲输出，含有PID控制器，2个RS485通讯/编程口，含有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方法通讯能力。此控制系统I/O点数为14输入9输出，在既能实现该系统控制要求，又能满足以后发展前提下，选择S7-200系列 CPU226。
4.2.2 PLC I/O地址分配
依据系统控制要求，控制系统I/O地址以下表分配。
表4-1 输入端口分配表
序号
输入口
信号名称
备注
符号
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
I0.0
手动/自动切换
旋钮
SB1
I0.1
总开启
按钮
SB2
I0.2
总停止
按钮
SB3
I0.3
遮阳帘开限位
限位开关
SQ1
I0.4
遮阳帘关限位
限位开关
SQ2
I0.5
遮阳帘开帘
单刀双掷开关
SB4
I0.6
遮阳帘关帘
单刀双掷开关
SB4
I0.7
通风扇正转
单刀双掷开关
SB5
I1.0
通风扇反转
单刀双掷开关
SB5
I1.1
热风机启停
旋钮
SB6
I1.2
冷风机启停
旋钮
SB7
I1.3
加热器启停
旋钮
SB8
I1.4
补光灯启停
旋钮
SB9
I1.5
CO2添加器启停
旋钮
SB10
15
16
17
AIW0
温度传感器

AIW2
光照度传感器

AIW4
CO2浓度传感器

表4-2 输出端口分配表
序号
输出口
控制信号
备注
符号
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
Q0.0
通风扇正转
接触器
KM1
Q0.1
通风扇反转
接触器
KM2
Q0.2
遮阳帘开帘
接触器
KM3
Q0.3
遮阳帘关帘
接触器
KM4
Q0.4
热风机
接触器
KM5
Q0.5
冷风机
接触器
KM6
Q0.6
加热器
接触器
KM7
Q0.7
补光灯
接触器
KM8
Q1.0
CO2添加器
接触器
KM9
Q1.1
开启指示灯
接触器
KM10
4.2.3 硬件接线图设计
此次设计选择S7-200系列CPU226，硬件接线图图4-6所表示。

图4-6 硬件接线图
4.3 PLC硬件配置
4.3.1 传感器
一、温度传感器
依据温室温度控制特点，本文温度传感器可采取芬兰维萨拉企业型号为HMD40产品，该款传感器含有测量精度高，易于安装、响应速度快，对环境要求较低等特点，其外观图4-7所表示。

图4-7 HMD40型温/湿度传感变送器实物图
该传感器关键性能指标以下：
1、温度检测范围：-10～60℃；测量精度：±0.3%℃；
2、湿度检测范围：0～100%RH；测量精度：±1.5%RH；
3、工作电压：10～28V DC；
4、输出信号：4～20mA。
二、光照传感器
光控用于控制遮阳幕启闭，使作物得到合理光照度并实现以下目标：免去作物超出光饱合点，提升光合作用；实现对长日照作物、中日照作物和短日照作物光照控制。
光照度传感器采取北京易盛泰和科技产品型号Poi88-c光照度传感器。该传感器采取优异电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度测量，输出标准电压及电流信号，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、楼字等光照度测量，量程可调。
1、量程：O-200K1UX、O-20K10X、0—可选；
2、供电电压：24VDC／12VDC；
3、输出信号：20—4mA，10V—OV可选；
4、精度：±2％。
三、CO2浓度传感器
二氧化碳控制实时监测C02含量，当C02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传感器选择弗加罗企业生产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含有体积小、寿命长、选择性
和稳定性好等特点外，同时还含有耐高湿低温特征，可广泛用于自动通风换气系统或是C02气体长久监测等应用场所。TGS4160传感器关键技术参数以下：
1、测量范围：0～5000ppm；
2、使用寿命：天；
3、内部热敏电阻(赔偿用)：100k Q±5％：
4、使用温度：一10～+50℃
5、使用湿度5～95％RH。
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EM235 模拟量输入/输出模块。
一、EM235模拟量输入/输出模块介绍
EM 235模块是组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芯片于一体新一代交流电流隔离变送器模块，它能够直接将被测主回路交流电流转换成按线性百分比输出DC4～20mA（经过250Ω电阻转换DC 1～5V或经过500Ω电阻转换DC2～10V）标准信号，连续输送到接收装置。EM235模块含有4路模拟量输入/1路模拟量输出。EM235需要直流24V工作电源。它利用DIP开关设置输入信号量程。表4-3所表示为怎样用DIP开关设置EM 235模块。经过开关1～6可选择模拟量输入范围。DIP开关SW6决定模拟量输入单双极性，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输入，SW4和SW5决定输入模拟量增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量衰减选择。全部输入设置成相同模拟量输入范围。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开关表
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
ON
OFF
OFF
ON
OFF
ON
0到50mV
12.5μV
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
0到100mV
25μV
ON
OFF
OFF
OFF
ON
ON
0到500mV
125uA
OFF
ON
OFF
OFF
ON
ON
0到1V
250μV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0到5V
1.25mV
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
0到20mA
5μA
OFF
ON
OFF
OFF
OFF
ON
0到10V
2.5mV
依据温室控制系统中控制模块，经由传感器测得温度、光照度、CO2测量值均为单极性，选择0到10V量程，故设置DIP开关