基于PLC的温室温度控制系统的设计---毕业设计论文.doc

基于PLC温室温度检测与控制系统的设计作 者XXX指导教师XXX摘要：温度检测和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。本系统是通过温度传感器采集温度数据，利用温度测量与温度控制相关理论知识设计的PLC温控系统。运用PLC设计温室温度测控系统，从自动化运行的角度出发，分析讨论其产生故障的可能原因。同时从实际硬件电路出发，分析电路的工作原理，根据设计具体情况提出修改方案和解决办法。我所使用的温度传感器是XP-TP-A-V010-D，它具有体积小，精度高和功耗低等特点。温度传感器采集到的温度数据是模拟信号，因此在系统中，我将PLC增加了一个模拟量扩展模块EM235,采集到的温度信号便能通过该模块直接输入到PLC中，PLC则对数据进行分析、处理，并通过执行部件对温度进行控制，这种自动化、智能化的处理方式在温室温度检控系统中将有着无限的应用和发展空间。关键字：PLC，温度传感器，检测,控制 Design of detection and control system of greenhouse temperature based on PLCAbstract: Temperature measurement and control plays an extremely important role in human daily life, including industrial production, weather forecast, material storage, etc. In many cases, it is very important to acquire the timely and accurate information of the temperature of the targets. Recently, along with the development of digital technology, the rapid development of temperature measurement and control has been widely used in various industrial agricultural fields, meanwhile, the chips of measurement and control the temperature have been on the historical stage. This system, by collecting temperature data through the temperature sensor, with the application of PLC control system based on the theoretical knowledge about temperature measurement and control, intends to analyze the potential causes of the breakdowns in their automatic operation. At the same time, starting from the circuits of actual hardware, and via analyzing operating principles of these electric circuits, this system is aiming at putting forward the revising proposasl and solutions according to the specific situations. The temperature sensor used by the author is XP-TP-A-V010-D, which is distinguished with small size, high precision and low power consumption. The temperature data collected by the temperature sensor is an analog signal. Therefore, in the system, an analog extended module of EM235.I will be added to the PLC so that temperature signal collected by the module can be directly input to PLC, and PLC will analyze, process the data, and control the temperature through regulating the components. This kind of automatic and intelligent disposure will be definitely in infinite application and tremendous development in the temperature controlling system in the greenhouse.Keyword: PLC, Temperature sensors, Detection, Control目录1.绪论12.系统总体设计方案22.1.总体方案22.2.系统硬件连接图43.可编程逻辑器件（PLC）53.1.PLC的定义53.2.PLC的分类53.3.PLC的基本结构53.4 .PLC的工作原理63.5. PLC主要厂家及西门子S720074.温度传感器94.1.温度传感器的分类94.2.温度变送器115.硬件设备与电路图125.1.控制系统的I/O点及地址分配125.2.状态灯、扬声器、暖风机电路135.3.温度采集电路135.4.EM235模拟量输入电路146.主程序及梯形图156.1.主程序OB1156.2.子程序0，取实际温度变量197.结论21致谢22参考文献231 绪论西方发达国家对现代温室检控系统研究的时间比较早。1949年，伴随着科技的进步与，美国了第一个可实现人工控制的气候室在美国被建设起来，该气候室对于美国在植物对环境的适应和抵抗能力的研究方面提供了技术支持。20世纪60年代，奥地利率先利用可以实现规模生产运用的生产型温室建设了番茄生产基地。70年代后日本、美国、英国的温室检控系统得到了快速的发展。80年代，随着科学界在计算机方面的突破，人们对温控系统提出了更高的要求，使温室控制系统朝着更加智能化的迈进了一大步。目前，国外建设温室的水平已发展的相当成熟，并形成了一定的标准。我国对温室系统的研究开始的比较晚。70年代末，我国先后从日本、欧美国家引进了四十几套系统。虽然这些技术设备相当先进，但针对我国的国情及农业实际情况来说，着实有些水土不服，主要原因有下面几点:成本高，运营效益差，同时需要经营者有着较高的技术支持等。由于上面各种原因，发展研究具有我国自主知识产权，密切符合我国国情的温室温度检测与控制系统迫在眉睫。伴随我国科学界与农业界的不断努力，我国在温控系统方面也取得了不少进步，根据控制器的不同，可分为以下两点：（1）基于工控计PC的温室温度控制系统。如由江苏理工大学李萍萍、毛罕平等共同研制的智能温室环境控制系统，它使用工控PC作为控制核心，在1996年7月，设计完建了一套能够控制温度，光照，湿度等功能的温室。1997年，又通过太阳能加温系统对系统进行了改进。1996年8月，在对生菜、空心菜五天栽培试验的同时进行了温控系统的测试，测试结果证明，其温室检控系统对温度、光照、营养液等各种影响生物生长的环境因素有着极佳的控制效果。（2）基于单片机的温室温度检控系统。例如:汪永斌，吕昂等研制的温室群全数字式温度和湿度综合控制系统。该系统以51单片机为控制器，并作为下位机，可以实现温湿度的自动控制，且在一百天之内无需人工干预。上位机使用计算机，通过VB编写程序，用户直接在计算机上输入温室度参数，即可与下位机一起实现温湿度的自动化控制。（3）基于PLC的温室温度自动控制系统。例如用欧姆龙系列的CZOOHS作为下位机，COMPAQ计算机为上位机构成温室控制系统。采集的室外信号有温度、光照，室内信号有温度、湿度、C02浓度。输出信号控制的机构有:开窗电机、遮阳电机、通风电机、加热阀门、压水泵和喷淋泵。2 系统总体设计方案 2.1 总体方案该系统以控制室内的温度为背景，西门子s7-200 CPU226为控制芯片，讯鹏仪器生产的温度变送器采集温度数据，控制暖风机的工作，以保证室内温度在1822度之间。当温度低于18度或高于22度时，系统会自动进行调整，当调整3分钟后仍不能脱离不正常状态，则应采用声光报警，以提醒操作人员注意排除故障。设置绿，红，黄3个指示灯来表示温度状况。当温度在设定的范围之内，则绿灯亮，显示系统工作正常。当温度低于或超过设定范围的最小值或最大值时，系统会根据情况作出不同反应。在被控系统中，由于室内体积较大，如果只采集一点的温度，很难真正反映其实际温度，为了更准确获得温度参数，我设置了4个温度测量点，PLC读入四路温度值后，再取其平均值作为被控系统的实际值，这样得到的数据则更为精确。按下启动按钮，控制系统投入运行。将待测的四点温度值读入PLC，然后按算术平均的办法求出四点温度的平均值Q。将实际温度Q与设定的温度（温度允许的上下限）比较，若既未高于上限，也未低于下限，则说明温度正常，等待下一次采样。若QQmax，进行上限处理：QQmax，说明温度过高，此时关闭暖风机，停止输出暖气。PLC发出调节命令的同时，计算调节时间，若调节时间太长，超过三分钟进行声光报警（红灯亮，同时扬声器工作），以此表示温度失控，提醒工作人员，进行人工干预；若调节时间未到3分钟，则准备下次继续采样及调节。当采样温度低于下限，即QQmin时，进行下限处理：QQmin，说明温度过低，需要增加暖气输出以提高温度。PLC发出调节命令，并判断调节时间，若调节时间太长（超过3分钟），进行声光报警（黄灯亮，同时扬声器工作）；若调节时间未到3分钟，则准备下次继续采样及调节。2.2 系统硬件连接图3 可编程逻辑器件（PLC）3.1 PLC的定义PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可改写的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其相关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。3.2 PLC的分类PLC有很多种类。按结构形式、控制规模对PLC进行分类(1) 按结构形式分类按硬件的结果形式不同，PLC可分为整体式和组合式。整体式PLC又称箱式PLC。如图，左边一个是常见的整体式PLC,其外形像一个长方形的箱体，这种的CPU、存储器、I/O接口（输入/输出接口）等安装在一个箱体内。整体式PLC的结构简单，体积小，价格低。小型PLC一般采用整体式结构。组合式PLC又称模块式PLC,如图，右边一个就是一组合式PLC。它有一个总线基板，总线基板上有很多总线插槽，其中有CPU、存储器和电源构成的一个模块通常固定安装在某个插槽中，其他功能模块可随意安装在其他不同的插槽内。组合式PLC配置灵活，可通过增减模块而组成不同规模的系统，安装方便，但价格较贵。大、中型PLC一般采用组合式几个。（2） 按控制规模分类I/O点数（输入/输出点数）是衡量PLC控制规模的重要参数，根据I/O点数多少，可将;PLC分为小型、中型和大型3类。 小型PLC：其I/O点数小于256，采用8位或16位单CPU，用户存储器容量4KB以下。 中型PLC：其I/O点数为2562048，采用双CPU，用户存储器容量28KB. 大型PLC：其I/O点数大于2048，采用16位、32位多CPU,用户存储器容量816KB。3.3 PLC的基本结构可编程逻辑控制器的本质是专门实现工业控制的现代化控制系统，其硬件组成结构和微型计算机有诸多相同之处，基本构成为：(1)、电源 PLC的工作电源对于系统的稳定运行有着极其重要的作用。没有一个性能优良的、工作稳定的电源，PLC是没有办法正常运行的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去(2)、中央处理单元(CPU) 中央处理器(CPU)是可编程逻辑控制器能够实现自动化控制的核心部件。它按照PLC控制系统所承载的程序给定的命令，进行接收并保持来自编程器输入的程序和所由数据；查询工作电源、存储器、输入输出总线以及监控定时器的状态，并且能检测出用户程序中的错误语句。当PLC启动工作时，它先会通过扫描将系统各输入接口的状态和数据储存到I/O映象区，然后逐条读取存放在存储器中的用户程序，经过编译后按程序的编写去进行各种运算，并将得到的计算结果存储在I/O映象区或数据寄存器中。待彻底执行完程序后，最后将存储在I/O映象区的各种输出状态数据或输出寄存器数据传递给相对应的输出机构，像这样不停的运行，直到停止工作。 (3)、存储器 用于存储系统软件的存储器被称作系统程序存储器。而用于存储应用软件的存储器被称作用户程序存储器。(4)、I/O口光耦合电路与微机的输入接口电路共同组成了系统输入接口电路，输入接口电路可理解为PLC与现场控制的接口的输入管道。输出数据寄存器、选通电路和中断电路构成了输出接口电路，PLC输出接口电路输出控制信号，以实现系统现场各执行部件的不同动作。(5)、功能模块：计数器模块、定时器模块。(6)、通信模块3.4 PLC的工作原理 当PLC投入工作状态后，工作过程通常分为三个过程，采样输入数据、执行用户程序以及刷新输出状态，三个过程构成可编程逻辑器件的工作流程。在工作中的一个扫描周期内需要完成这三个工作。在整个运行期间，可以看做可编程逻辑控制器的CPU不间断地，循环往复的执行着三个过程。（1）、输入采样阶段在输入采样这个过程中，PLC以扫描方式顺序地读取所有各输入接口的状态和许接受的各种数据数据，并存储到I/O映象存储单元内。完成输入采样的工作后，PLC则进行另外两位工作过程。在另外两个工作过程中，即使输入接口电路中的对应输入状态和数据有所改变，I/O映象存储单元内的数据也不能被改写。因此，如果要将脉冲信号输入到系统中，脉冲信号的宽度要比一个扫描周期的时间要打，只有这样才能使脉冲信号有效输入。（2）、用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，当运算结束后，该逻辑线圈在系统随机存储器中相对应的状态为会被刷新改写；或者I/O映象存储器中的对应为而被改写；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。（3）、输出刷新阶段 当用户执行完程序之后，PIC就会开始输出刷新过程。在这个过程中，PLC会I/O映象存储区上对应的状态和数据改变输出锁存电路上的状态，然后输出电路驱动根据锁存器的状态驱动外围的设备.3.5. PLC主要厂家及西门子S7200调查表明，主导世界PLC市场的五家国际公司分别为Siemens(西门子)公司、Allen-Bradley(A-B)公司、Schneider(施耐德)公司、Mitsubishi(三菱)公司、Omrom(欧姆龙)公司，全球PLC市场上五家公司占据了23的份额。美国的Allen-Bradley(A-B)公司的PLC产品规格齐全，种类丰富，器公司在大型和小型PLC产品上各有代表作，大型PLC市场上如PLC-5系列，小型PLC市场上如GE1、GE1/J等。Siemens(西门子)公司和Schneider(施耐德)公司均是欧洲产品，他们的产品以性能精良而久负盛名。各领域的IT行业都少不了日本企业，在PLC领域同样如此，Mitsubishi(三菱)公司、Omrom(欧姆龙)公司都是著名的日本PLC生产商，他们的产品在小型PLC产品中独具特色，在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，及其受用户的欢迎S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型机，其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛。通过SIMATIC的 S7-200可对其产品性能略知一二： 西门子S7-200使用的匣式封装模块结果，为了使用方便，S7-200被设计成可按在导轨上的结构。与各模块之间是通过I/O和数据总线建立起来的，根据需要，可以快速安装更换所需模块，同时也便于维修。根据所配的CPU的不同，S7-200又可分为五种不同的产品，它们的性能指标如下表：4 温度传感器 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度表征了物体冷热程度，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。4.1 温度传感器的分类 4.11 根据测量方式的不同可以将温度传感器分为接触式和非接触式两类。（1）接触式温度传感器其敏感元件与被测目标有良好的接触，又可称作温度计。 接触式传感器通过热传导或对或流达到热平衡，使传感器的温度和目标温度相同。当不超过测量范围是，传感器同样可以测量目标内部的温度分布情况。但这种温度计不适用运动的物体、小目标，因为使用不当回产生较大的误差。常用的温度计有玻璃液体温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶温度计等，这些温度计普遍应用在各个行业。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着科技的进步与发展，低温的温度计研究获得了突破，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、量子温度计等，他们的测量范围可达120K以下。（2）非接触式温度传感器其检测部分与被测目标互不接触，又称非接触式测温仪表。这种传感器可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。由于这种传感器无需直接与目标接触，所以其测温范围上限不会受到感温元件的影响。因此在高温现场多采用这类测温传感器。4.1.2 按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。（1）温度传感器 - 热电偶把两者不同金属连接成闭合回路，如果将他们的两个连接点中的一个进行加热使其温度为T，而另一端置于另一温度T0，则在回路中就会产生电动势，这种效应称作塞贝克效应，利用该效应设计的温度传感器称作热电偶温度传感器。热电偶实用测量方法：图中A,B为热电偶，C,D为补偿导线，冷端温度为T，E为铜导线(在实际使用的时候，可把补偿导线一直延伸到配用仪表的接线端子，这是冷端温度即为仪表接线端子所处的环境温度)，M为所配用的毫伏计，或者数字仪表。如果采用数字仪表测量热电势，必须加适当输入放大电路。这时回路中总热电势为 ，流过测温毫伏计的电流为式中，分别为热电偶、导线（包括铜线、补偿导线和平衡电阻）和仪表的内阻（包含负载电阻）.根据所采用的热电偶的热电势与被测温度间的关系（线性或非线性）将需要采用查表转换法等处理，方可直接显示所测温度数值。（2）温度传感器 - 热电阻导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，电阻温度传感器则是根据这一原理设计出来的，这类传感器多使用金属材料设计多用于-200500度的现场。目前，使用铜和铂设计的热电阻温度传感器在工业中已被广泛应用，铂电阻的测量精度较高，适用于-260630度的环境；根据经济成本和精度的要求，也可使用铜电阻温度传感器，其多用于测量精度要求不高，且温度范围在-50150之间的现场。4.2 温度变送器 在一些温控的现场，通常需要将温度传感器采集的信号远距传输，而距离较远时，导线对信号的吸收就不可忽略，要想保证信号被准确传输，就需要通过变送器来调节，而温度变送器则是集温度传感器和变送器于一身，既能采集温度又能标准化输出，更方便了用户的安装使用。温度变送器是将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。标准化输出的信号主要为0mA10mA和4mA20mA（或05V）的直流电信号。本设计中，我将使用苏州迅鹏仪器仪表有限公司生产的XP-TP-A-V010-D温度变送器。该变送器的是以PT100为核心设计的，其测量范围为0100度，对应的输出电压为010伏，并且它具有体积小、精度高和功耗低等特点，其主要技术参数如下表:精度功耗1.5W重量约200克线性度0.1%F.S温度漂移150PPM/激励电流= VD40, 1.8S Q0.3, 1S M0.1, 1（3）.调用子程序0以便控制LD I0.0S M0.0, 1CALL SBR_0（4）.超过上下限启动定时器LD M0.0LPSAR VD40，2.2A M0.1R Q0.1,1TON T101, 1800（5）.定时到还不在规定范围内则报警.LD SM0.0A T101LPSAR VD40, 2.2S Q0.2, 1S Q0.5, 1R Q0.3, 1LPPAR VD40, 1.8S Q0.4, 1S Q0.5, 1R Q0.3, 1（6）.正常情况下的指示LD SM0.0A I0.1R M0.1, 1R Q0.1, 1R Q0.2, 1S Q0.3, 1R Q0.4, 1R Q0.5, 16.2 子程序0，取实际温度变量由于该系统的应用环境为室内，室内的空间体积较大，仅采集一个数据作为温度数据不具说服力，因此为了准确测量温度，我设置了四个采样点，分别采集四个温度数据，然后再取它们的平均值作为实际温度，这样得到的数据则更为准确。温度采集程序如下：（1）. 四温度变送器电压值送内存LD SM0.0MOVW AIW0, VW0MOVW AIW2, VW2MOVW AIW4, VW4MOVW AIW6, VW6（2）.温度实际电压值送内存LD SM0.0MOVW VW0, VW8+I VW2, VW8MOVW VW4, VW10+I VW6, VW10MOVW VW8, VW12+I VW10, VW12MOVW VW12, VW14/I +4, VW14ITD VW14, VD407 结论本设计是以PLC为核心而设计的温控系统，它可以实现温度的自动采集，自动控制，如果经过调节温度还不在规定范围之内，系统会给予相应报警，以提示工作人员实施人工干预。作为控制系统的中心PLC，在该系统中至关重要的作用，它可以准确判断处理温度数据，并根据温度的情况，相应地控制着状态灯、扬声器和暖风机的工作。温度采集部分使用温度变送器XP-TP-A-V010-D进行温度数据的采集和传输，它是集传感器和变送器于一体的，性能稳定，不易受环境影响，且测量精度高，约为0.1%F.S，因此本系统可以精确地控制温度。我设计的这个系统中，通过对四点的温度采样得到实际温度，这样的采集方法从另一方面根