基于-PLC的温室大棚控制系统设计.doc

基于-PLC的温室大棚控制系统设计(完整资料）
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山东科技大学泰山科技学院
本科毕业设计论文

题目：基于PLＣ的温室大棚控制系统设计

系部名称：机电工程系
班级名称：电气工程及其自动化
学生姓名:
学 号:
指导老师:

完成日期：2０16年６月6日

摘要
温室大棚是用来栽培农作物的设施，它能改变农作物的生长环境,使其能够外界的四季变化和恶劣气候，为农作物的生长创造适宜的条件.温室大棚作为高效农业的重要组成部分,已经成为我们研究的方向。如何利用科学技术控制温室内的各种环境因子，已成为我国温室大棚行业研究的重要课题之一。
本论文主要介绍了基于PLC控制的温室大棚系统设计方案，该研究中将采用温度传感器、CO２浓度传感器、光照传感器对温室大棚中各项指标进行检测,将测量值送入PＬC中,在ＰLC中将其与设定值进行比较，再发出相应的指令驱动外围设备来调控温室大棚内的环境参数，从而实现了温室大棚的自动化、智能化控制。在此基础上，实现监测、数据记录、数据输出显示等功能，实现了控制系统优良的人机界面，为温室大棚的研究提供新的方向。
关键词:温室大棚;可编程控制器(PLC）;传感器;控制；

AＢSTRACT
Greｅｎhousｅs　are uｓed for growing plants in　a range oｆ　ｆaｃiliｔies, ｉt cａｎ ｃｈａnge ｔhe crｏp　gｒowing eｎｖｉroｎment,　enablinｇ it to the　ｏｕtｓｉｄe of ｆｏur seasons ａnd hａrsh cｌimate， cｒeａting sｕitable cｏndiｔiｏns　for crop　ｇｒｏwｔh. Ｇreeｎhouseｓ aｓ iｍpoｒｔant comｐonent of　agricuｌture， haｓ　becomｅ　ouｒ resｅａrｃh dｉrectionｓ. Hoｗ　to　use scienｃe aｎd ｔechnology tｏ　control ｅnｖiroｎmental fａｃtoｒｓ withｉn ｔhe greｅnhｏuse，　ｇｒeeｎhｏuse industrｙ ｈaｓ　become aｎ iｍpoｒtant ｓｕbject of study.
Deｓｃrｉbed　in tｈｉs ｐaper，　based ｏn　Ｓiemens　S7—2０0　ｓerieｓ　PＬC　contrｏｌ　sysｔeｍ design of　ｇreｅｎｈouｓeＴｈｅ reｓearch will ｂe usｅd　temｐｅrａturｅ seｎsoｒ， aｎｄCO2　concentrａtiｏn　sensｏr, ａnｄ　light sｅnsor on　gｒｅｅnhouse　bｉg ｓhed ｉn the the index for ｄｅtecｔｉoｎ,　ｗill meaｓuremｅnｔ value ｉnto ＰLC iｎ the, iｎ　ＰLC ｗill　ｂe iｔｓ aｎd　ｓet vａlue fｏr coｍｐａred，　aｇain issｕed coｒresｐｏndinｇ of instructｉｏn ｄriｖe pｅripｈeral ｅquipmenｔ to　Ｒegｕlatｉon greenhoｕse big shed ｗitｈｉｎ of ｅｎvirｏnment　ｐａｒameteｒ,　to achiｅｖed ｈas ｇreｅnｈouse big shed of aｕtｏmatｉｏn， ａnｄ iｎtelliｇeｎt　oｆ conｔrol。 Ｏｎ thiｓ basiｓ，　using cｏnfiguration ｓofｔwarｅ conｆiｇurａtion design　ｏｆ　cｏnｔrol syｓtｅms, ｍｏnitoring，　data loｇging， data oｕtｐｕt fｕncｔion， ａchievｉｎｇ eｘｃelｌent　conｔroｌ systeｍ　ｈuｍan－machine　iｎｔeｒfａce， ｆoｒ　gｒeｅnhousｅ ｒｅseａrｃh to ｐｒovide new directｉon.
Keywordｓ： gｒｅeｎhouse; progrａｍmabｌe lｏgic controllｅｒs(PLC); ｓｅnsor;　ｃontrol；appliｃａtｉon．

目录
摘要。。。。．．。.。。。.。。.。．。。．．.．．．．...。．.。...。．..。．..．..．。．．．。．。.。．．。。..。.．．。。..．．．．....．....。．.。.。...。。．。．.。.。..．...．。。．.。。．Ⅰ
ABＳTRACＴ..。。。。..。．.．.．.。.．。..．。．.．.。．。．．。．．．。．.．。.．．．.。。.．。..．.．.．。。。．....．。．.．。．。．。.。．．...。.．．。．.。。。...。。．。。．.。。。Ⅱ
目录．.。.。。．．。。．...．．。...。。.。..。.．．。.。。。。．。。..。.。.。．．。．...。。..。．.．。。．。..。。．.．。.。...．.。.．.。.。.。。。．．．.．.。。。.．。。。。。.．.。。．.。.Ⅲ
1绪论.。.．..。。.。。。.。....。.．。。。。。.。．.．．。．。．。.．..。．。。。．。。．.。．。..．。....。．.。。。.．。..。.。．。.。。.。．．．。。..。．...。..。.．.。．。.．。．.．．。1
1。1课题概述．....。。．。。．．。．。.。..。.．．..。。...。.．.。。。。．..。..．。．....。。..．..．．.．。。。..。.。.。．．。。．...．.。。。.。。．．。.．。．1
　 　　1。1．１课题简介....。.。．。。.．．..．。.。。.．.．。.....。。..．。。.。.．.。。．．。。。..。...。...。.。。..。。．．.。．。。..。.。。。．。１
１。1.2研究目的及意义.．。.．．。。。．。.。。。．..。。。。．.．．。.。。．。.。.．。．.。。。.．...．....．.．.。。.。．.。。．。.。.。．１
1。２国内外研究现状．。.。．．。。.．．．.．．。。....．。。．。．．..．．。。。.．..。.．。。。。。。。.。．.．..．.。．..．.。..。。.．.。．...．．.。.．2
1。２。1国内研究现状。。.．.。。...．.。。．。．..。。.。.。.。．..．。．。..．.．。．。.。。．。。。。。..。。.．。．。...．．．.。。．.。。。.2
　1.2．2国外研究现状．.．．。．．。。.。。。．．。．。。．.．。。。。．．．。．．..。。..．．.。。...。。．．。.。.。。．.。．．．．...．。..。．.。．2
１。3研究内容。.。。.。。。．。．。.。。。。。.。。．．.。．.．。．..．。.。．。．.。..．。。...。.．。....。．。。...。..．．.。。.。。．..．..。.．。．．...。．...3
2控制系统的整体控制方案.。．。．.．。．．。...。。。。．。.．.。。.。。。．。。.。。.。.。。.。.．。．.。．.．。．．。。..。.．...。。。。。．。4
２。1控制系统的设计任务。.．．.．..。。.。。。。。．．．。..。。.。。.。．。.。．．．．.。.。．．..。。..。.。．。。.。．。．．。..。。．。.。..。.。４
2．2系统的控制方案．。.．。.。.．....。．。．。.。.。.。。。..．。。..。．．。．。．。。．..。。．。。。.．。。。。．．.．.。。。.．..。.。。。。....。.．.４
3 控制系统的硬件设计．。.。．．.。．．。。.。。．...．．。．.。.。．。.．.．..．..。.．.。。．。.．...。。.。.．．．.．。..。。.．..。．．。。.．..。７
3。1电气控制系统设计。．.．.。．.。．。.．．。..。．．．。。．。．。．。。.．.。．。.．。。。．..．。...。..．..。。。．。.。。.。。.。.。．。．..。。...７
3。１。1系统主电路设计.。.。.。。...。.．。。。。...。。。.。.．．。..。。．．.．..。.．。。.。......．。..．．．..．．。.。．。．.。．7
3．１.2控制系统各部分控制电路设计．....。。。。．.。。．。。。．..。．．。.。.．。。．。.。..。．。。。.。.．。.．7
3.2 PLC简介。。。．。。..。。。。。．...。．．.。．．．。。.。．．．．。。。。．...。.．．．.．。．.。。。。.．。。..．。。。。．.。。.．.。。．。．.。．..。．..．．。.．．．。12
3．2．1 ＰLC的产生和系统组成．．..．。。..。。.。.．.．．。．.。.。.。。.．..。。..。。..．．．..。。.。．。．。。。．..。。１2
3.２。2 PLC的工作原理..。。..。.．.．...。.．.。.．．。。．。.．.。..．。．..。。....．.．...．。.．.。.。。..。..．..．.。.．12
3.3 PLC控制系统设计的基本原则及步骤．..．.．.。。。。。。...．．..。。.．．..．.．．．。。..。．。。。.．．..．1４
3．3。1设计PＬC控制系统的基本原则。．．。。。。.。。．..。.。．.．．．．..。．。.．。。.。...．。．．。。．。。..14
3。3.2 PLC控制系统的设计步骤.。。。.。。..。。．..．.....。..．。。....。。．。。。..。.。．.．。..。..．．..。14
3。4 PLC硬件电路设计．。．...。。..。..．...．.....。.．.。。．．...。．。.。.。。．.。。．..．。。.。。．。。....．.．.．。。。。.。。...。．17
　　 3.4。1 ＰＬC型号的选择..。..．．..。．。..。.。.。..。。。．。．.．．..。。．.。．。．。.．..．。.．..。．。．。.。．....．。．．．.．。1７
　 3。4．２传感器的选型。．。.．。。...．。.．.．．。。．.．．。..。．．．。．。。.。。。。．.．．。。。。.．..．．．..。。．。.。。..。。．。..。．.１7
　 　３.4。3模拟量输入模块EM23５。.．。.．。．.。。..。。。..。。...．．.。.。。。．。。。．。．．.．。。。。。。。.。。．.．．。.。．.19
3。４。4　PLC　O/Ｉ地址分配表。．。．．....．。。..．.。.。.....。。.。。．．.。.。.。。。。。.．。．。..．。.．。..。．.．。。..２1
３.4.５　PLC硬件接线图设计．....．．。.。．.．.。..．．．.．．..。。...。。。..．。。．.。．...．．。．。.．.。。．。.。。.。．２3
４ 控制系统的软件设计。．...。．。。.．。。...。。。。.．。。。。．。。。．．。。。．.。。...．..。.．。.。。。。．..。．.。.。．...．.。．。。。...。２4
４。1 PLC程序设计方法.．.．...。．．。．．．。。。..．。.．...．。。．。.。.．．．。.。。..。...。。。．。。。。。。．。。..。。．。。.．．．．.。。．。。．２4
4．2编程软件STEP7—MICＲO/WＩN概述．．。.。。..。.。。.。..．。．.。．。.。。。..。。.。．．．。。.。.．.。．.。..。．.．.．24
４。3控制系统的程序设计.。.．。.。..。.．..。。..．．。．..。.。..。。．．。。.。。..。。．..．。.。。.。.．。．。。.。．..。.。。．..．.。。25
　　 ４.3。1程序的设计思路。。。.．..。．。。..．。....．。.。。.。..。.。。．.。．.．.。。。．．．..．.。．。.。。.。．.。．.。．.．。.。．２5
４．３.2程序控制流程图.。。。．。。.。。。.。。...。。.．..．．。。.。.。.。。．。...。.。。。。。。。.．.。．．。．.．.．...。.。.．．.26
　 4。3。３控制程序设计及分析．.。。。..。...．.。。。..．。．。．.。。。...。。..。.．。．....。.。...．．.．．。．。．．．.。29
结论。.。.．..。。．..。.．。。．．.。．．.。.。。.。.。．.。.。．。.。....。...．..。.。.。...．..．．。.．。.。。。。。。.．。。．．．..。．.。.。．。．.。。。．.。．。.。。.．。..。。。.。36
参考文献.。..。。。....。....．。．.．.。。。.．.．。．．．.．．。。．．。．.。.．.．。。。．。.。．..。.....．...。。..．。.。。..．。．.。．．．...．。．.．.．.。．．。.。。.37
致谢。.。．.。。．。.．.。．.．..．。...。．.。。。。。.。。..．。。。。。。．。。..。.．.。。.．。.。。．.。。.．.．。。..．．.．.．．．．.．.．..。.．．。...．....。.．。.．..。.。。。．.．３9
附录1 外文资料翻译....。.。.．.．.。。。..。...。．．。.．．．。．.．．。.．。.．。.．...．.。..。.。.．......。．．．。．。.．...．．。.。。..40
附录2 电气原理图．。.．....．。．..．。.。。....。．。．.。．．。.．.．。。。..．.。。．.。。...。．。.。。。.。。.．．。.．.。．．。．．．。。。．.。。。..。．53
附录3 软件程序.。。。.．．.．．．．。。.。．．..。．。．。。.。．．。.。．..．.。.．。．。.。．。..．．...。．。..。。.。.。..．.。..。..。。。。．。.。.。...。..54

１绪论
1.1课题概述
1．1.1课题简介
温室大棚是用来栽培植物的设施。温室是用来改变农作物的生长环境 ,避免外界四季变化和恶劣气候对农作物的不利影响，为农作物生长创造适宜的条件。
温室环境指的是农作物的生长空间 ，它是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等诸多因素组成的。温室控制主要是通过控制温室大棚内的温度、湿度、通风与光照等自然因素，使得它可以在不适合农作物生长的季节和恶劣的环境下可以高效的种植农作物。从而达到对农作物调节产期、促进农作物生长发育、提高产量的目的.现代化温室中具有控制温度、光照、气肥等条件的设备,并采用电脑进行自动智能控制，以此创造农作物生长所需最佳的环境条件。
1．1．２研究目的及意义
目前的农作物栽培设施中,按国家标准装配的钢管塑料大棚和玻璃温室仅占全国大棚面积的一少部分，大多数的农村仍是采用自行搭建的竹木棚。这种简单的竹木棚只能起到一定的保温效果,根本谈不上对光照和二氧化碳的合理充份的利用，而且抗自然环境的能力很差，面对突发的气象灾害也无能为力。即使那些为数不多的装配式塑料大棚和玻璃温室，也都不同程度的缺乏配套的专业调控设备和仪器,所以我国的现代化农业特别是温室大棚领域的自动智能化程度还非常低。
中国农业发展,必须走现代化发展这一条路.随着经济的发展，现在化农业的研究和应用技术越来越受到重视,特别是温室大棚,因为温室大棚已经成为了现代化高效农业的一个重要组成部分。现代化农业最重要的一环就是对环境中影响农作物生长的因素做检测和控制,通过对温室环境的监测数据的分析,并结合农作物的生长规律，对环境因素的控制，是作为温室大棚自动化、智能化生产管理的基本保证，从而能使农作物达到优质、高效的栽培目的.
所以，现在我们进行温室大棚PＬC监控系统的设计具有积极的现实意义.本课题通过对可编程控制器ＰLC、传感器的学习和研究，完成了利用西门子PLC与电脑终端组成的温室大棚群监控系统。
1．２国内外研究现状
1。2．1国内研究现状
我国温室大棚技术起步较晚，政府发展的以塑料大棚、日光温室为主的农业栽培设施,促进了农村的经济发展和缓和了蔬菜的季节性短缺矛盾。利用太阳光热资源，节约不可再生能源,减少环境污染是我国温室大棚的一大特色。
虽然我国温室规模有限,还没有形成规模经济，另外构建设施的费用也比较高,但从长期发展来看,温室监控系统分布式和网络化将是我国现代农业发展的必然趋势。现代温室大棚中常用的能自动控制的调控机构有:通风窗、遮阳帘、通风机、热风机、冷风机、人工加热灯、二氧化碳增肥器、喷雾系统及蒸熏设备。控制器综合调节各个机构,使系统在节省能源的同时保证室内气候满足植物生长需要.使用的控制器也有很多选择，如单片机、工控机、ＰLC、通用PC机等.
１.2.2国外研究现状
西方发达国家在现代农业领域的起步比较早。１94９年，美国借助于工程技术的发展，建成了第一个人工气候室.随着计算机技术的快速发展，温室大棚作为现代化农业设施的重要组成部分，其自动控制技术和管理技术得到不断地提高，在世界各地都得到了不错的发展。
目前,国外的温室大棚内部设施已经发展到了比较完备的程度,并形成了一定的技术标准。温室内被控环境因子由计算机控制，传感器也较为齐全，如温室大棚内的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的控制。计算机对于这些系统的控制已经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制,而是基于ＰLC的智能控制系统，一些国家在实现自动化的基础上向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.3研究内容
可编程控制器是集计算机技术、自动控制技术和通讯技术为一体的新型自动控制装置,PLＣ的优越性能，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并已成为工业自动化领域的三大支柱之一。ＰＬC的应用已经成为了世界潮流，在以后PLC技术将会在我国的到更全面的应用。
本文研究的是PLC技术在温室大棚技术上的应用。从整体上分析研究了温室大棚控制系统的电路设计、硬件设计、软件设计和人机界面等.
本次的研究内容为温室大棚PLＣ控制系统。温室大棚的作用是改变植物生长的环境,从而避免因四季变化和突发的恶劣天气对植物生长发育的不良影响，为植物生长提供一个良好的生长环境。在农作物的生长环境中,温室大棚中的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境参数对农作物的生长起着非常重要的作用。本次研究以可编程控制器ＰＬＣ为核心，通过传感器检测温室中的环境参数,经变送为4-2０mA的电流信号后送入S7-2００的模拟量输入模块ＥM２35,经分析处理，输出开关量，通过驱动电路控制通风扇、冷暖风机、遮阳帘、二氧化碳发生器等多种执行机构，进而实现对温室大棚智能化控制,从而实现良好的人机界面。
2控制系统的整体控制方案
2.1控制系统的设计任务
本控制系统主要针对的被控对象是温度、光照、二氧化碳浓度，通过对这些因素的检测，然后与设定值进行比较,然后进行调节。温度的调节主要靠通风扇、风机、和加热器进行调节；光照主要通过遮阳帘进行控制；二氧化碳浓度主要通过二氧化碳发生器来进行调节。
本次设计的温室大棚就是通过温度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器来检测温室大棚中的温度、光照强度、二氧化碳浓度等信息，然后通过ＰLC控制系统控制温室大棚的通风扇、冷／热风机、遮阳帘、加热器、二氧化碳发生器等硬件设施，对温室大棚中的环境因子进行调控,以使温室大棚里的环境为最适宜农作物生长的环境。
2。２系统的控制方案
在温室大棚中,需要一套完善的温室控制系统来控制上述任务.本控制系统以PLＣ为控制核心，采用传感器对温室大棚中的各项环境因子进行检测,然后将测量结果送入PLC中,经过PLC的处理，然后对执行设备发出指令,通过执行设备对温室中的各项环境因子进行调控。
考虑到实际生产中的稳定性与安全性，本控制系统设有自动、手动两个模式，自动方式是周期性的按照ＰＬC进行控制，手动模式是当遇到紧急突发状况时,改为手动操作,进而去控制执行设备的运行。通过传感器检测到数据和设定的数值进行比较，然后通过软件程序去执行相关的命令，本设计的优点是成本低廉，节约资源,能实现利益最大化。该温室大棚的控制系统总体框图如下图2。1所示:

图2。1控制系统总体框图
该温室大棚控制系统由ＰLC系统，传感器系统,外部执行系统等几部分组成,以PLC控制系统为核心，通过传感器系统收集的数据，通过PＬＣ模拟量输入模块EM23５输入到PLC,经过与设定值比较,输出开关量进而对执行设备进行控制。本系统为一个温室大棚的控制系统，以后还可以以大棚群为单位，通过上位机进行统一控制。
具体来说就是按下启动按钮,系统启动后，接收由温度传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器检测到的信号，然后经过PLＣ内部处理，由输出模块输出控制信号,以控制外围的执行器件。如果温度过高,就会驱动冷风机、通风扇来降低温室内温度；如果温度过低，就会驱动热风机、加热器、通风扇来调节室内温度；光照则由遮阳帘和发光器来进行调节;二氧化碳浓度则由二氧化碳添加器来添加.

3　控制系统的硬件设计
PLＣ控制系统的设计主要由硬件设计和软件设计两部分组成。本章主要从硬件角度介绍了温室大棚控制系统的硬件设计方案,主要从电气控制系统设计、ＰLＣ外部接线图及外部硬件配置方面进行设计.
3．1电气控制系统设计
3.１。1系统主电路设计
温室大棚控制系统的主电路如下图3。1所示。其中通风扇和遮阳帘主工作电路相似，都需要电机的启动、停止以及正反转来完成工作，不同点是通风扇和遮阳帘电机的功率不同，且遮阳帘电机带限位开关。其中冷/热风机、加热器、发光体、CＯ2发生器的工作原理大致相同,都属于开关设备.

图3.1温室大棚控制系统主电路原理图
从上图可以看出,QK为刀开关,其作用为控制整个主电路的启停；FR1—FＲ5位热继电器，起过载保护作用；FＵ1—FＵ7为熔断器,对各支路起到短路保护和过载保护作用;ＫM1－KM9为接触器的主触头，可以实现电机的启停、正反转以及开关设备的启停控制。
３.1．２控制系统各部分控制电路设计
通过系统主电路可以看出，温室大棚的控制系统的执行设备分为两大类：开关设备和非开关设备。开关设备包括风机、加热器等等；非开关设备比如正反转的电机，包括通风扇、遮阳帘等，这些电机需要启停和正反转，需要限位开关。
１.开关设备
加热器、二氧化碳添加器、热风机、冷风机、发光体都属于开关设备，其控制电路比较相似，现在就以热风机为例,做以下分析：
（1)热风机的主电路
风机的运行可以通过一个继电器来控制，主要控制风机的电机通断。风机工作运行必须有熔断器、热继电器来保护电路,主要功能有过电流保护、短路保护和过载保护.下图３。2为热电机的主电路图：

图3。2热风机主电路图
（2）热风机控制电路
控制电路原理图如下图３.3所示,依照电路原理图可知:SB１为手动/自动切换开关.按下总启动开关SB2，接触器线圈ＫM10得电，KM10常开触点闭合,形成自锁。若是手动操作，将旋钮开关ＳB1打到手动档位，将SB6旋转到开启档位,接触器KM5得电，其常开触点闭合,热风机开始运行;将SＢ6旋转到停止档位，接触器KM5失电,其常闭触点断开，热风机停止运行.若是自动控制,将开关ＳＢ1旋转到自动档位，由PLC控制器控制，当接触器KM5得电时,其常开触点闭合,热风机运行。

图3。3 热风机控制电路图
２．正反转设备
在执行设备里，通风扇和遮阳帘属于非开关设备,也就是正反转设备，他们的控制电路很相似,现在以遮阳帘为例来分析一下主电路图和控制电路原理图。
(1)遮阳帘主电路
下图３.4为遮阳帘的主电路图。由电路图可知，接触器KＭ３、ＫＭ4主要是控制遮阳帘电机正反转；熔断器FU2主要是在电路中起到过电流保护，应对短路;热继电器FR2的作用主要是电机的过载保护.

图3.4 遮阳帘主电路图
（2）遮阳帘的控制电路
遮阳帘的控制电路原理图如下图３.５所示.由其电路原理图可以分析得：旋钮ＳB1为手动/自动选择开关,按钮SB2为总启动开关,按下SＢ2,交流接触器KM１0得电,其常开触点闭合,形成自锁;若手动操作，将旋钮旋转到手动位置，SB4为开帘、闭帘切换开关，当ＳB4切换到开帘开关时,接触器KM3得电,其常开触点闭合,电动机正转，当其开帘程度达到最大程度时，碰到限位开关SＱ1，其常闭触点断开,接触器KM3失电，电动机停止转动;当SＢ4切换到闭帘开关时，接触器KＭ4得电，其常开触点闭合,电动机反转，待关闭到最大限度时,限位开关ＳＱ２常闭触点断开，ＫM4失电，电动机停止运行。SＢ３为紧急停止开关,当按下SＢ3时，接触器KM1０失电，其常闭触点断开，电动机停止运行。若自动运行时,旋钮开关SB１旋转到自动位置，遮阳帘运行受到PLＣ控制,中间接触器KM３得电时,其常开触点闭合，电动机正转运行,遮阳帘打开;中间接触器KM4得电时,其常开触点闭合，电动机反转，遮阳帘闭合。

图3.5 遮阳帘控制电路原理图
３．２ PＬC简介
3．２。1 ＰLC的产生和系统组成
19６9年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC,开创了工业控制新时代。ＰＬC随着计算机和微电子技术的发展,由最初的1位机发展到８位机，并随着微处理器CＰU和微型计算机技术在PＬC中的应用，形成了现代意义上的PLＣ。目前，PLC已经使用16位、32位高性能微处理器，并实现了多处理器多通道处理。现在,PLC已经非常成熟。［１］,［４６］
PLC实质上是一种工业控制计算机.PLＣ与计算机的组成很类似，不过PLC比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的借口，以及更好的适应控制要求的编程语言，从PLC硬件上看，它由CPU、存储器、输入输出借口、电源等组成。如下图3。6所示：

图3.6　PLC控制系统示意图
3．２.2　PLC的工作原理
ＰＬＣ的工作原理可用16个字来概括：循环扫描、顺序执行、集中输入、集中输出.PLC的工作过程可用下图3。7来表示：
电源ON

内部处理

输入处理

通信服务

更新时钟，特殊寄存器

STOP
CPU运行方式

执行程序

输出处理
CPU强制为STOP

Y
致命错误

执行自诊断

N
Y
N

PLC正常

存放自诊断错误结果

图3.7 PLC运行框图
3．3PLC控制系统设计的基本原则及步骤
了解了PＬC的指令系统和工作原理后，就可以将PＬC用于工程项目中.PＬＣ的控制部分的设计可以参考以下的基本原则及步骤。
3.３．1设计PLC控制系统的基本原则
在PLＣ系统的实际设计过程中，设计原则往往会涉及到很多方面，其中最基本的可以归纳为４点。
1。最大限度的满足要求
要充分的发挥PＬC功能,最大限度的满足被控对象的设计要求，是设计原则中最重要的一条原则.程序开发人员要到现场调研调查，要与现场人员和车间工作人员紧密结合，共同合作,解决重要问题和疑难问题.
2．保证系统的安全可靠
PLC控制系统基本原则之二就是保证PLC能够长期安全、可靠、稳定的运行。
3.维修方便、方便简单的使用与经济效益
在满足设计要求的前提下，要尽量的考虑经济效益，要注意以后的工程扩展，也要尽量使系统更简单，要拥有合理的布局，以方便以后的检查与维修。
4．适应以后改进的需求
适当的考虑PLＣ控制系统以后的系统改进和技术完善,所以在PＬC选型上，其I/O点数要留有２５％左右的裕量,以适应以后的系统技术改进。
3。3。２ＰLC控制系统的设计步骤
在设计PLC系统时，首先要对PLC应用系统进行功能设计，根据系统所具备的功能和现场工艺的要求,明确系统所需的功能和必要的程序设计。然后进行PLC应用系统功能的具体分析,从而得出PLC控制系统的结构和形式,输入/输出信号的种类及数量，控制系统的规模和布局。PＬC控制系统的设计为以下步骤和图3。8：
评估控制任务

PLC型号的选择

控制流程的设计

程序设计
控制柜设计及布线

程序的检查与调试

PLC安装

模拟运行

修改软、硬件
联机调试

是否满足要求

否

是

程序备份

投入使用

图3。8 PＬＣ控制系统设计步骤
1.分析被控对象并提出控制要求、制定控制方案
详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，提出被控对象对PLＣ控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。
2.确定I/O设备
根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备(如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备(如:接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等)，从而确定与PLC有关的输入／输出设备，以确定PＬC的I／Ｏ点数。
3．选择ＰLC
ＰLC选择包括对PLＣ的机型、容量、I/O模块的数量、I／O模块余量、电源等的选择。
４.分配I/O点并设计PLＣ外围硬件线路
分配Ｉ/O点：画出PＬＣ的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表；PLＣ外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图,包括主电路和未进入PLC的控制电路等;由ＰLＣ的Ｉ／O连接图和PＬＣ外围电气线路图组成系统的电气原理图。
5．程序设计
（1)控制程序；(２）初始化程序；（3)检测、故障诊断和显示等程序；（4）保护和连锁程序。
6.硬件实施
设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图;设计系统各部分之间的电气互连图;根据施工图纸进行现场接线,并进行详细检查。
7。整理和编写技术文件
技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PＬC程序以及使用说明书等。
3．４PLC硬件电路设计
3。4.１PLC型号的选择
1。控制系统所需要的I/O点数
根据温室大棚控制系统的控制要求，可以确定全部的输入设备和输出设备，从而可以确定PLC有关的输入输出设备,进而可以确定PＬC的I/O点数,本控制系统所需的PＬC的I/O点数为１４个数字量输入,3个模拟量输入,10个数字量输出。
２.选择ＰLＣ的型号
西门子PLCS7系列ＰＬC包括S7-20０系列、S7-3００系列、Ｓ7－４0０系列。其功能非常强大,按其功能又分为小型、中型、大型PＬC.根据本系统控制要求，选择Ｓ7－200系列的PLC.
由以上分析得此系统所需I/O点数为14输入、１０输出.根据PＬC硬件设计要求，应留出约25％的空余点数,以方便以后的系统改造升级。ＣＰU224的Ｉ/O点数虽然也为1４输入、1０输出，但是不能留出I/O点数裕量，不方便以后的升级改造，所以选择拥有I/O点数为2４输入、16输出的CPU2２6，以方便以后系统的升级优化.ＣPU226相对功能强大，可以连接７个扩展模块，最大可扩展至24８个数字量I／Ｏ点或35个模拟量I／O点,具有13Ｋ的储存空间。
3.４.２传感器的选型
1。温度传感器
根据温室温度控制的要求，本文的温度传感器采用芬兰维萨拉公司型号为HMD40的产品，该款传感器不仅测量精度高，易于安装、响应速度快,对环境要求较低,还具可靠性好、良好的长期稳定性、滞后小、不宜受灰尘、化学气体等环境因素的影响等特点。其外观如下图3.9所示：

图3.9 HMD40型温度传感器实物图
该传感器的主要性能指标如下:
1．温度检测范围：—1０～60℃；测量精度:±０.3％℃
2.工作电压：10~28V DＣ；
3．输出信号:４～2０ｍA。
2.光照传感器
光控用于控制遮阳幕的开关,使作物得到合理的光照并实现以下目的：免除作物超过光饱合点,提高光合作用；实现对长日照作物、中日照作物和短日照作物的光照控制.
光照度传感器可以采用北京易盛泰和科技有限公司产品型号Poi88—c光照度传感器。该传感器用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小，安装方便,线性度好，传输距离长,抗干扰能力强,量程可调。
１。量程:O-2０0Ｋlx、Ｏ－２0Ｋlｘ、0—20０0ｌｘ可选
2。供电电压：24VＤC／１2VDＣ
3。输出信号：4-20ｍＡ，0-10Ｖ可选
４．精度：±2%
３。二氧化碳浓度传感器
二氧化碳控制实时监测C02的含量，当C02的含量低于设定值时打开Ｃ02储气罐或Ｃ0２发生器以增施气肥。C０2传感器选用弗加罗公司生产ＴＧS4１60二氧化碳传感器，该传感器为固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性，可广泛用于自动通风换气系统或是C０2气体的长期监测等应用场合。其外观如下图3.10所示：

图3。10 　TGS41６0二氧化碳传感器实物图
ＴＧＳ4１６0传感器的主要技术参数如下：
１．测量范围:300－5０，0０0ppm
2．对二氧化碳CO２浓度有高灵敏度
3.ＣＯ2二氧化碳传感器ＴGS416０对湿度依赖性极低,长寿命
４。使用温度：-１0~+5０℃
3.4.３模拟量输入模块EM２３5
1。模拟量输入模块EM2３5的简介
传感器采集信息后，将信息转化成标准的电压或电流信号，PLC硬件设计则需要模拟量输入模块，将电压或电流信号转化为数字量再输入PLＣ中进行处理.由于本控制系统需要3个模拟量输入,所以选择EM2３５模拟量输入模块。
模拟量输入模块EＭ23５可以直接将被测主回路交流电流转化成按线性比例输出4-２0mA直流电流的标准信号,连续输送到接收装置.该模块需要DC２4V的工作电源,具有4模拟量输入和1模拟量输出，利用ＤIP开关来设置输入信号的量程。下表3.1说明如何通过ＤIP开关设置EM２３5模块的输入量程的范围。
表3．1EM２35模拟量输入范围和分辨率的开关表
单极性
满量程输入
分辨率
ＳW1
SW2
SW3
ＳW4
ＳW５
SＷ6
ON
OFF
OFF
ON
OＦF
ON
0—50mV
12.５µV
OFF
ON
ＯFF
OＮ
OFＦ
ON
0－10０mV
25µＶ
ON
OFF
ＯＦＦ
ＯＦＦ
ON
ＯN
０-500mV
125µＶ
OFＦ
ON
OFF
OFF
ＯN
ＯN
0－1V
250µV
OＮ
OＦＦ
OFF
OＦF
OＦF
ON
0-5V
１.25mV
ON
ＯＦF
ＯFＦ
ＯＦF
OFＦ
ON
0—2０mA
５µA
OFF
ON
OFF
OＦＦ
OFＦ
ＯN
0—10V
2。５mA
如上表所示,通过开关ＳW1—SW６可以选择模拟量输入范围。SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ＯＮ时，模拟量输入为单极性,当SW6为ＯFF时，模拟量输入为双极性.SW4和ＳW5为增益开关，SW1、SＷ2和SＷ3为衰减开关。该标中，ＯN是闭合，OFＦ是断开,EM235只在电源接通时读取开关设置。
温室大棚中的传感器测量的温度、光照度、二氧化碳浓度的测量值均为单极性,所以选择０-2０mＡ的量程和0—５V量程。
２．模拟量输入模块ＥＭ2３5的使用说明
校准输入时，其步骤如下;
(１）切断模块电源,选择需要的输入范围。
（2）接通CPU和模块电源,使其通电稳定1５分钟。
(3)用一个变送器、一个电压源或一个电流源,将零值信号加到一个输入端.