基于PLC小型气象站设计(完整版)

基于PLC小型气象站设计摘要本论文着重介绍了以西门子公司生产的S7-200系列的PLC为主要控制元件，实现对外部环境的风速、大气压、温度和湿度进行实时监测和显示，以及当某项或多项空气指数超出设定的范围时系统会作出报警以警示人们当前环境对人某方面的危害；当这四种空气指数都符合舒适度的设定时，系统会输出显示为舒适。以上这些功能都是我们通过对PLC的编程实现的。本设计采用多种传感器，包括温湿度传感器、风速传感器以及大气压力传感器。这些传感器具有反响速度快、测量精度高、耗能低、自身功能强大和价格低廉等优点。当外部传感器监测到外部环境所对应的空气指数后通过变送器将电阻电流信号转换成标准模拟信号输入到模拟量输入扩展模块，然后输入模块通过计算和处理这些数据传输到CPU中，并储存在内部存放器中；最后系统通过以太网模块的传输将测得的温湿度、风速和大气压传到上位机得到显示，当数值超过限定范围时会做出相应的报警。本设计的小型气象站的测量精度非常高，实时性也比拟高，所以完全可以应用到日常生活中去。关键词：PLC，编程，传感器，显示BasedonPLCsmallstationdesignABSTRACTThispaperintroducestheSiemensS7-200seriesPLCasthemaincontrolcomponents,realizetheexternalenvironmentofwindspeed,atmosphericpressure,temperatureandhumidityforreal-timemonitoringanddisplay,andwhenoneormoreoftheairindexwasbeyondthescopeofsettingthesystemwillalarmtowarnpeopleaboutthedangersofthecurrentenvironmentofacertainaspect;Whenthefourairindexmeetthecomfortsetting,systemwilldisplaytheoutputforcomfort.ThesefunctionsarebasedonPLCprogramming.ThisdesignUSESavarietyofsensors,includingtemperatureandhumidity,windspeedsensor,andtheatmosphericpressuresensor.Thesesensorshavereactionspeed,highprecision,lowconsumption,anditspowerfulfunctionsandthepriceislowwaitforanadvantage.Whenanexternalsensorstodetecttheexternalenvironmentoftheairindexafterthroughthetransmitterconvertsresistancecurrentsignalintostandardextensionmoduleanalogsignalinputtotheanaloginput,andtheninputmodulethroughcalculationandprocessingthesedatatotheCPU,andstoredintheinternalregister.FinallysystemthroughEthernetmoduleoftransmissionofthemeasuredtemperatureandhumidity,windspeedandatmosphericpressureisdisplayedtotheuppermachine,makesthecorrespondingalarmwhennumericalexceedsthelimits.Thedesignofsmallstationshashighmeasurementprecision,andhasahighrealtimecapability,soitcanbeappliedtodailylife.KEYWORDS:PLC，Programming，Thesensor，Display目录前言1第1章概述21.1本课题研究的意义21.1.1国外开展历程31.1.2国内开展历程31.2小型气象站的应用情况41.2.1在农业反面的应用41.2.2在防灾和电力运输方面的运用41.2.3本设计的应用41.3研究的主要工作5第2章控制方案62.1控制原理分析62.2控制要求7第3章设备的选型93.1传感器的选型93.1.1大气压力传感器93.1.2风速传感器103.1.3温湿度传感器103.2PLC的选型113.2.1PLC的I/O点分析113.2.2PLC扩展模块的选型123.3设备清单133.4PLC的I/O接线图14第4章软件设计164.1主程序流程图164.2程序梯形图174.2.1主程序174.2.2压力处理184.2.3湿度处理214.2.4风速处理234.2.5温度处理284.2.6舒适度判断30第5章仿真315.1仿真软件确实定315.2程序的仿真31结论40谢辞41参考文献42外文资料翻译44前言大气是人类赖以生存的环境之一，但是由于工业化的推进，我们大局部城市的大气已经受到了不容无视的污染[1]。而大气污染同时也给人们的日常出行和日常工作造成了不同程度的干扰，因此我设计了一款小型气象站，本设计的气象站可以实时、准确的监测大气中温湿度、风向和大气压等指数。它不仅可以监测到具体数据，还能够根据所检测到的具体数据做出相应的输出反响。比方当温度远超过系统所设定的舒适值时，系统的温度报警器就会做出反响，相对于的温度蜂鸣器就会发出警报，提醒人们当前室外温度对人体可能造成危害。从20世纪40年代以来，许多国家都开始对自动化气象站进行了研究和论证。过了10年到了50年代中期，电子工业的飞速开展，不少国家开始出现了各种类型的气象观测站。到了60年代中期，气象观测技术又得到了一步提高，这次是观测精度得到了提高，运行可靠性上面得到了加强。随后的几十年，不管是在监测精度上还是在数据传输可靠性行上等问题都得到很大的提高。我国是在20世纪50年代后期开始对自动气象观测站开始了研究，至今已经有50多年的历史了。自动气象站已经在我国运行很多年了，在这期间气象工作者不断的积累经验，在错误中成长，如今我国的自动气象技术也在逐步和世界最先进技术拉近距离，缩短差距。我们存在的问题也不少，比方大局部都采用集中结构，由于数据采集器的生产厂家不同，各个厂家的生产标准不一样，这就给气象站的维修和维护带了很大的困扰；我国的自动气象站主要还是采用进口的产品，由于技术和工艺的原因，很多产品不能直接进行升级，这就造成了很大的浪费。由于目前的环境变幻莫测、愈发的恶劣，因此本设计的小型气象站要解决的问题第一是可以监测户外的恶劣环境，第二是将监测到的数据通过计算和系统的分析，PLC控制输出这些数据和当环境影响到户外的一些活动时发出一些警报提醒人们注意防范，为人们的户外工作提供平安上的保障。第1章概述1.1本课题研究的意义随着工业的开展，我们所生活的环境也发生了很大的变化，空气质量越来越差，各种极端气候也层出不穷，因此我设计了一款小型气象站，它可以通过对空气的监控而给人们提供一些实时环境回馈。自20世纪40年代以来，许多国家都开始对地面气象观测自动化进行了许多研究。开展到如今，所研究的小型气象站可以应用到各个领域，例如：现代化农业生产、电力监测、交通、大气监测、通信、科研等领域。并且在这些领域都有了长足的开展，给人们提供了更加舒适和平安的生活环境。在气象站建设、农林气象监测、生态环境监测、温室控制、公路铁路运营及地质灾害监测等多种领域提供了可靠的保证，使其在恶劣的环境条件下也能稳定工作。尤其是在某些高科技行业，例如能源行业，为产品提供了有力的支撑，起着举足轻重的作用。小型气象站的应用不仅可以检测多种影响电力运输的量值，保证电力的正常、平安运输，防止事故的发生，保持经济的平稳提高，促使相关产业的优化，进而对国民经济产生良好的促进和提高。气象参数自动采集系统具备以自动收集温度、湿度、风速、光照等气象数据的特点。其最大优点是能够快速有效的监测到实时天气，可以提供更加准确的天气数据。同时，小型气象站所监测到的天气数据比人工观测的误差更小。小型气象站采用220V交流电供电，通过各种各样的传感器对所检测的区域的温湿度、风速、大气压力等进行全方位监测，然后将所监测和处理过的数据通过以太网传输到计算机。最后人们通过计算机上的数据可以做出气象判断，为防灾做出预警，并保证人们的平安。在电力运输方面，可以很好确实保输电线路各段的平安运输。气象站的建立，可以很好的预测出天气状况，并能够通过对天气状况的监测做出防灾预警，可以有效的减少气象灾害对人们生命和财产的损害，使人们的生活质量得到保障，出行和生活更加美好。本设计是基于西门子S7-200系列PLC为主要控制元件而进行设计的，可编程控制器(PLC)是综合计算机技术、自动控制技术的一种通用的、新型的自动控制装置。它具有可靠性高、功能强、使用灵活方便，易于编程和适应工业环境下应用等一系列优点。最近几年的工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控制的三大支柱产业之一。PLC的终极目标是用于实践、提高生产力。如今，PLC应用在许多行业和设备。综上所述，所以我们本设计采用PLC为主要控制元件。国外开展历程从20世纪50年代末开始，世界各国已经开始对自动气象站进行了设计和尝试，而美国和苏联率先设计出了不同型号的自动气象站，为以后的气象站开展奠定了根底。而到了60年代中后期，又出现了第二代自动气象站，这种气象站已经根本可以适应比拟不好的天气状况，但是技术上仍然有一些缺陷。到了70年代，第三代产品利用集成电路很好的解决了第二代所存在的问题，开辟了新篇章。最后进入90年代以来，随着科技的日新月异自动气象站进入了飞速开展的时期，自动气象站已经可以完成它所需要完成的各项使命。国内开展历程我国自动气象站的研发和世界第一代的研发是同步的，也是20世纪50年代后期开始的，至今已有50多年的历史。在60年代初，开始了自动气象站的研发和设计，开展到70年代不仅设计出了自动气象站，而且还在多地进行了试点，在试验了十多年以后到了80年代中期，我国采用先进的卫星监测技术，通过先进的科学技术在多地又进行了一年的测试，并通过了技术鉴定。到了90年代中期，中小尺度天气自动气象监测站网在长江三角洲，珠江三角洲地区建站运行。前后经过几十年的研究和测试到90年代后期，我国第一代自动气象站设计定型，并可以在日常中使用。截至2003年，全国有1000多个台站使用了自动气象站，并实现了组网。1.2小型气象站的应用情况在农业反面的应用农用气象站用于对大气温度、相对湿度、风向、风速、雨量、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度、能见度等众多气象要素进行全天候现场监测，是一种集气象数据采集、存储、传输于一体的无人值守的气象测量系统，可以通过多种通讯方法与气象中心计算机进行通讯，将气象数据传输到气象中心计算机气候数据库中，用于对气象数据统计分析和处理。这种小型气象站主要采用ATmega16单片机，Atmega16是基于增强的AVRRISC结构的低能耗8位CMOS微控制器。它的系统主要包括各种气象站用传感器，如风速风向传感器、大气温湿度传感器、光照温度传感器、气压传感器、太阳辐射传感器、土壤温湿度传感器等。在防灾和电力运输方面的运用加强防灾减灾体系建设，加快建立环境和地质监测预警体系，是国家在“十二五规划〞中的一项重要内容[2]。沿海和山区县的野外环境，由于它们所处的环境和地质面貌的关系，发生的自然灾害比拟多。特别是每年的6月~9月间，是暴雨和台风的多发季节，频繁发生滑坡、崩塌等地质灾害，严重威胁人民的生命财产平安，造成巨大经济损失和人员伤亡。地质灾害的发生与当地的气候条件、特别是实时雨量和历史雨量有密切的关系[3]。因此，对空气指数的数据采集，可以有效的降低自然灾害和提前预防自然灾害对人们生活的影响。本设计的应用随着工业的开展，我们生活所处的环境也越来越恶劣。因此我设计了一款小型气象站。可以实时监测户外的温湿度、大气压力和风速风向，通过对空气指数的测量，可以给人们出行和户外工作人员工作提供一个参考和警示。可以通过监测户外的环境因数，而及时做出防护判断和对人们出行给出适宜的建议。环境监测主要是在典型气象区域安装小型气象站，加强大气温度、湿度、空气中大气压和风向的监测，在人们的日常生活中，往往比拟关心温度、湿度的变化对人体健康的影响，而很少有人关心大气压力的变化对人体健康的影响[4]。大气压力通常简称气压，其实气压变化对人体生理的影响是个十分复杂的问题，主要表现在影响人体内氧气的供应，而缺氧会加快呼吸和血循环，出现呼吸急促、心率加快的现象，还会出现头疼、头晕、恶心、呕吐和乏力的病症。低气压严重的还会造成心脏病发作，所以本设计中专门参加大气压力测量，给户外工作人员一个参考，让工作人员有相应的应对的防范措施。1.3研究的主要工作1.首先前期先进行相关资料的查询和了解，对所要研究的东西进行一个深入的剖析。2.第二步讲诉课题研究的意义和小型气象站在国内外开展的历程，以及讲诉小型气象站都应用在哪些方面和其所具有的功能。3.第三步通过原理分析提出控制要求和指标。并对控制方案作出分析。4.第四步主要介绍硬件选型，讲解各个传感器的功能和其他的设备选型。并且列出设备清单。并写出I/O点分析以及PLC所加的模块。5.第五步主要是根据设备选型做出相应的软件设计，比方写出程序梯形图的编写和仿真。讲解各段程序所要完成的动作和是如何完成的。第2章控制方案2.1控制原理分析气象和人们的生活息息相关，对铁路、农业、航空、工业等各个行业的开展有着很大的影响。因此小型气象站广泛应用于农业、交通、工业和易发灾的地方。本设计主要目的是通过小型气象站对环境的监测而给户外工作人员提供一个良好、准确的参考，以便让工作人员可以通过气象的监测而做出相应的准备和措施。本设计我们选用PLC作为主体，各种传感器作为信息采集，并增加模拟量输入模块对所采集的信息作出计算和处理，然后将计算出的数据传输到CPU中。还增加了数字输出模块，将CPU中所储存的数据用以太网模块传输到计算机里。可编程序控制器〔PLC〕的主要工作过程可以分为输入采样、执行用户程序、通信处理、CPU诊断和输出刷新5个扫描循环〔ScanCycle〕且不断重复执行[5]。本设计是外部传感器接收到的空气中的数据利用电信号传输到PLC的CPU中，然后PLC利用它的输入采样功能来处理传感器所采集到的信息。外部各个传感器将所检测到的数据通过电信号传送到PLC中，然后PLC通过逻辑运算、算数运算将温度、相对湿度、大气压力、风速计算出来，并保存在内部存放器里面。CPU诊断主要是防止程序错误引起的死循环，PLC的自检是将PLC的硬件检测、工作电压检查、存储器校验。如果出现异常PLC就会发出报警并作出相应的处理，例如停止或者复位PLC。通信处理，当自检结束以后，PLC需要进行通信请求检查，决定PLC是否需要与网络设备进行通信。本设计中PLC的数据输入是指CPU接受来自通信接口的输入数据，比方温湿度传感器、大气压力传感器和风速风向传感器通过电信号传输过来的数据，并将其存储到对应的存储器中。而数据输出是指CPU通过通信接口向外部发送数据，进行状态显示。例如本设计中是PLC接收到传感器传入的信号后，根据当前的温度、湿度、风速、大气压与日期，计算出当日舒适度，并且会在当前环境对人体有危险性的情况下，发出警报；系统会根据大气压力计算出海拔高度；系统会根据风速测出当日风速等级。将结果写入指定的存放器中并且通过以太网模块传输到上位机。总体来说就是本设计的小型气象站，它是通过大气压力传感器、风速风向传感器和温湿度传感器送出4~20mA模拟信号进到控制系统中的，CPU通过模拟量扩展模块EM231读取数值，并进行分析和处理该数值，在超过几个指定的大气压力值、风速值、温度以及湿度的限定时，输出信号去控制相应的设备发出报警信号。并且相应的海拔、风速风向和温湿度通过以太网传输到计算机里面。2.2控制要求本设计选择的PLC可编程控制器是SIMATICS7-200。PLC具有良好的环境适应性，可用于非常恶劣的工业现场，在电源瞬间断电的情况下依然可以正常工作，具有很强的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10us的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。能够比拟精确的实现对环境温度的检测，测温范围-20℃~50℃。测量湿度范围为〔0%~100%〕RH能够比拟精确的实现对环境湿度的检测。能实现环境温湿度、大气压力和风速风向的同时显示，并且能实现温湿度、大气压和风速的报警。PLC与其他微型计算机相比，更适于在恶劣的工业环境中运行，而且数据处理功能大大增强，具有强大的功能指令，编程也极为方便简单编程指令具有模块化功能，能够解决就地编程、监控、通讯等问题。PLC的梯形图语言清晰、直观、可读性强，易于掌控。PLC还具有丰富的功能指令，能够实现加减乘除四那么运算和数据传送比拟移位功能，还具有实时时钟指令，可方便的实现定时及时间和年月日的设置与显示。系统显示原理框图如下列图2-1所示。PLCS7-200PLCS7-200温湿度传感器显示装置外部信号源外部信号源压力传感器压力传感器报警装置报警装置风速风向传感器舒适度输出舒适度输出自锁性平头开关自锁性平头开关图2-1系统显示原理图第3章设备的选型3.1传感器的选型传感器是本设计最重要的部件之一，它的选取对于整个系统而言，非常重要。随着计算机技术、电子技术和分子合成技术的开展，传感器正向集成化、智能化、网络化、系统化的方向飞速开展，使其性能、可靠性及稳定性得到了显著的提高[6]。现在生产传感器的公司很多，所研制的传感器类型也很多，但其性能差异不是太大。由于本设计中传感器需要安装在室外的环境中，所以我们选择的传感器对环境中各种恶劣条件都要有一个很好的适应性，要能够抵抗腐蚀和高温日晒以及低温考验。要能够适应各种天气状况，所以对于传感器的耐久性要求就应该放在首位考虑。因此本设计在选择传感器上掌握的根本原那么是稳定性好，价格低廉，使用方便。大气压力传感器我们首先对大气压力传感器进行选型。我们首先应该了解下气压是怎么计量的。在国际上，气压就是单位面积上的具体气压值，单位面积上的垂直向上延伸的气压柱的分量。而气压的单位用hPa分度表示。一般认为，760mmHg=1032.25hPa。我设计的气象站采用的是瑞士原装芯片封装的LC-QA1型大气压力传感器,误差小，受温度的影响小,具备高精度﹑高灵敏度的特征。可用于测量大气压力和海拔高度是它的根本功能。传感器是将所测量到的外部空气中的大气压通过一系列转换变为电压组信号，然后经过放大电路将电压信号转换成能使用的电信号即4~20mA/1~5VDC的信号。它的分辨率比拟高为0.1hPa，它的工作温度能够符合设计要求为-40~+85℃，它的输出形式为电流：4~20mA;电压：1~5VDC，丈量规模为450~1100hP。我们采用的大气压力传感器完全能够胜任小型气象站的监测要求，不管它的精度还是对于环境的要求都是符合要求的。风速传感器我们第二个要介绍的是风速传感器，我所设计的小型气象站不仅能够监测大气压力而且还能够监测外部环境的风速，我们将风速等级分为10个等级，这样可以更好、一目了然的对风速有一个明确的了解。本设计采用的是由武汉新惠普科技提供的PHWS/WD风速风向传感器。风速传感器采用的材质为碳纤维材料，这种材料强度好能够适应恶劣的外部环境；而且精度高能够更精确的将所监测到的风速进行细化，对风速等级进行更精确的显示；而且他的量程也大，并且具有抗雷击能力稳定可靠，完全可以应用到气象观测上来，也完全符合本设计的要求。风速传感器他是通过一个叫三杯的结构元件对空气中的风力进行感应，并作出判断，当风杯因为风力的作用而旋转时，他通过旋转产生了电流然后输出信号，当内部感应到频率信号以后可以向外输出电阻信号，从而得知目前的风速有多大，就完成风速传感器的任务。由于传感器所处的环境，所以首先我们要考虑的是能否在恶劣的环境中使用，因此本设计所采用的传感器一定要能够适应严酷的环境，它能够在温度为-60℃～50℃和湿度为0～100%RH的范围内工作，然后我们对它的测量范围也有要求为0~70m/s；它的输出是5V方波、4～20mA完全符合本设计的要求。温湿度传感器我们最后要介绍的是温湿度传感器，它集温度传感器和湿度传感器为一体，不仅能够监测温度而且还能够对空气中的湿度进行测量。还能够对湿度进行监测。本设计选用的是由北京赛亿科技生产的STH系列的温湿度传感器，这种传感器是温湿一体的，它体积小，安装方便而且使用与比拟恶劣的环境，符合本设计要求。它对温度的测量范围是-40～70℃，对湿度的测量范围是0～100%RH，由于本设计所采用的是S7-200，所以它的输出信号为4～20mA、0～10V。它的精度也不错，误差仅为±3%。3.2PLC的选型小型气象站控制系统的控制核心是PLC，在创立一个PLC控制系统时，有哪些信号要输入至PLC，PLC需要驱动哪些负载，以及采用何种编程方式，都会对其内部I/O点数的分配造成影响，必须首先把系统需要的输入和输出数量确定下来，然后按照所需确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。如今生产PLC的公司多种多样，有松下FP1系列PLC、三菱FX2N系列PLC产品以及西门子S7-200系列PLC等等。本设计采用有西门子公司生产的SIMATICS7-200系列PLC。S7-200的应用比拟广泛，可扩展模块也比拟多，适合多种多样的控制系统选择，本设计简单对SIMATICS7-200系列产品进行一个结构分析。综合上述情况考虑开关量输入输出的数量，模拟量输入，选用型号为CPU-222，这种PLC不仅小型、紧凑，在CUP中还配有EEPROM，可永久性的储存用户程序和其他重要的系统参数；它还有大容量的电容器，可供长时间存储所有的数据。PLC的I/O点分析在整个PLC外部硬件接线图中，包括数字量、模拟量的输入接线和数字量输出接线三个局部。〔1〕数字量输入数字量输入点有2个分别为I0.0和I0.1。I0.0和I0.1均为关闭按钮，当系统检测到大气环境不适宜人的生活，蜂鸣器就会发出警报。例如：当气象站检测出目前的温度有可能会对人体造成危害，温度检测相对于的蜂鸣器就会发出警报，让工作人员提前知道并作出相应的防范措施。而当工作人员得知这一情况后，就会按下I0.0和I0.1关闭警报和蜂鸣器。〔2〕模拟量的输入模拟量的输入通过PLC的扩展模块得到实现。模拟量的输入点有4个分别为AI0、AI1、AI2和AI3。其中AI0是大气压力传感器接收到空气中的数据通过变送器转换成4-20mA的电信号接入到模块EM231中；同理AI1、AI2、AI3均是通过相应的传感器将空气中接收到的相对湿度、风速风向和室外温度以电信号的模式接入到模块EM231中。通过编制程序可以直接从模拟量转换EM231中的变量存放器中读取数据。〔3〕数字量输出数字量输出包括Q0.0-Q0.5。它们分别为Q0.0是大气压力报警蜂鸣器，Q0.1是湿度报警蜂鸣器，Q0.2是风速报警蜂鸣器，Q0.3是温度报警蜂鸣器，Q0.4是舒适指示灯，Q0.5是警告指示灯。当压力、湿度、风速和温度某一项超过一定数值时，系统会做出相应的报警，给工作人员以提醒。系统还会通过当日温度湿度情况做出判断今日是否为舒适一天。PLC扩展模块的选型因为PLC选用的是SIMATICS7-200，所以本设计选用的CPU本体是CPU222，它采用AC100/240V电源，DC24V输入。它是接收模拟量输入模块所监测到的数据并储存到内部存放器里面，并且还能做出相应的反响。模拟量输入模块是EM231，它是4通道DC-10~10V/0~20mA输入，12为A/D转换。它是接收由外部传感器所采集到的数据并传送到CPU中。最后一个扩展模块是以太网模块，我们选用的是CP243-1，它的接口类型是RJ-45，通信频率是10/100Mbit/s，最大同时通信数量为8个。它是将CPU的内部存放器所储存的数据通过以太网传送到计算机里面。表3-1PLC配置主机6ES7212-1BB23-0XB8数字量输出扩展模块6GK7243-1EX00-0XE0模拟量输入扩展模块6ES7231-0HC22-0XA0表3-2输入输出分配表输入点地址内容输出点地址内容I0.0关闭蜂鸣器Q0.0大气压力报警I0.1关闭警报Q0.1湿度报警AI0大气压力输入Q0.2风速报警AI1相对湿度输入Q0.3温度报警AI2风速风向输入Q0.4舒适度指示灯AI3室外温度输入Q0.5警告指示灯3.3设备清单表3-3设备清单序号名称用途订货号数量核计总计01CPU222处理和存储数据，并作出反响6ES7212-1BB23-0XB011102EM231模拟量输入模块将传感器信号传送到CPU中6ES7231-0HC22-0XA011103CP243-1以太网模块将CPU中存储的数据传输到计算机中6GK7243-1EX00-0XE011104自锁型平头按钮常开开关，用于关闭警报XA2EH03122205蜂鸣器根据CPU的指令发出警报XB2BSBC44406指示灯黄、绿各一个，显示舒适度XB7EVB5LC1,12207温湿度传感器测量温湿度STH-TDRHT2OAP2S011108风速风向传感器测量风速风向PHWS11109大气压力传感器测量大气压力LC-QA1111143.4PLC的I/O接线图图3-1PLC的I/O接线图第4章软件设计4.1主程序流程图接通电源接通电源PLCPLC自检无故障无故障模拟量启动模拟量启动传送数据到上位机传送数据到上位机数据读取数据读取Y关闭监控Y关闭监控NN模拟量计算模拟量计算N大于警报值N大于警报值ＹＹY取消警报？Y取消警报？NN报警输出报警输出图4-1主程序流程图4.2程序梯形图主程序当接通电源以后，PLC开始工作，主程序依次开始调用子程序，如压力处理、湿度处理、风速处理、温度处理和舒适度判断，当压力处理相应的子程序完成工作以后依次湿度的信息采集和计算及输出随即开始工作，同理风速处理和温度处理随后进行，然后根据当前的空气指数做出舒适度的判断。按照这个循环一直进行下去，数据不断的采集和处理以及存储和做出反响，循环往复。由于小型气象站的自身特点，我们视为接通电源气象站就开始工作，进行数据采集和处理，所以电源始终接通。压力处理这一段程序是将模拟量通道AIW0的数据通过I_DI指令转换为双整型数据，并存放在AC0中，然后将AC0中所存储的数据使用DI_R转换为浮点数，因为西门子不允许整型数据直接转换为浮点数，所以这样做是为了提升计算精度。所以压力处理首先要经过这2步的转换。在计算的过程中为了保持各个数据的独立型，所以在计算运行的时候我们暂时关闭监控。将AC0-6400，因为4~20mA的采集在西门子200系列中是通过坐标移动进行的，也就是因为对于0~20mA来说，西门子S7-200的采集数据在0~32000，也就是说每mA对应的数据为32000/20=1600，那么4~20mA就是对应于采集的数据6400~32000，因此要将输入值减6400来完成坐标的移动。然后经过除以〔DIV_R〕25600来得到输入值占用整个输入范围的百分比，32000-6400=25600，因此25600就是4~20mA对应的输入范围。因为我们设计的小型气象站要求能够测量出0~1300hPa的压力值，所以网络5就是将网络4得到的每份的值乘以〔MUL_R〕1300就得了0~1300hPa的数据。网络5得到的压力值VD30在网络6中比拟，当VD30≤800hPa，PLC就会给相对于的蜂鸣器一个信号1使大气压力报警装置发出大气压力警报。网络7是将传感器测量到的实数温度转换成整数温度，然后根据海拔计算公式H=8000〔1+T/273〕/P将整数温度除以273得到VD40=T/273；第二个逻辑计算是将得到的T/273+1=VD44；VD44乘以8000得到VD48；最后将VD48除以压力显示VD30就输出最后需要的结果海拔高度VD52。湿度处理网络1是将模拟量通道AIW2的数据通过I_DI指令转换为双整型数据类型，并存放进AC1中，网络2是将网络1中所转换得到的AC1转变为实数，利于后面的计算。因为湿度对应的是0~5V，所以将网络2中得到的实数除以〔DIV_R〕16000得到每份湿度所对应的的值，然后带入网络4中通过MUL_R运算即乘以100得到0~100%的相对湿度数据，并输出〔out〕相对湿度显示VD10。最后将网络4里面得到的相对湿度值进行逻辑计算，当VD10≥70时，那么相对应的湿度报警蜂鸣器会发出湿度报警。提示人们当前监测环境中的湿度严重影响到人们的出行和生活。风速处理和其他类别的处理一样，网络1是先将传感器测得的整型数据ALW1通过I_DI指令转换成双整型数据，并随即放入AC2中。网络2是将AC0中的数据通过DI_R转换为浮点数是为了提高计算精度。因为风速对应的是4~20mA的值，所以将AC2除以〔DIV_R〕25600就得到了每份风速所对应的值，再乘以〔MUL_R〕32.6得到0~32.6的相对风速数据。从网络1到网络4的运算可以得到相对风速数据，然后通过比拟可以得出当风速VD20≤0.2的时候，系统输出的是M0.0〔无风〕；当风速0.3≤VD20≤1.5，输出结果为M0.1，我们定义为软风〔1级风〕；当风速1.6≤VD20≤5.4时，输出为M0.2，定义为轻风〔2级风〕；风速5.5≤VD20≤10.7时，输出为M0.3，定义为微风〔3级风〕；当监测到的风速为10.8≤VD20≤20.7时，输出为M0.4，定义为强风〔4级风〕；当监测到的风速为20.8≤VD20≤24.4时，输出为M0.5，定义为大风〔5级风〕；当监测到的风速为24.5≤VD20≤28.4时，输出为M0.6，定义为狂风〔6级风〕；当监测到的风速为28.5≤VD20≤32.6时，输出为M0.7，定义为暴风〔7级风〕。最后，当监测到的风速VD20≥32.7的时候，PLC就会给相应的蜂鸣器发出信号1使风速报警装置发出警报，提醒人们当前风速等级有可能对人的出行造成很大影响，请慎重考虑。温度处理前两步同要是将模拟量通道ALW6的温度数据通过I_DI指令转换成双整型数据存储到AC1中，为了提高计算精度而进一步将AC0中的数据通过DI_R转换为浮点数。因为S7-200系列的PLC所采集的数据是0～32000，而对应的输入电流是0～20mA，因此将上一步得到的数据除以〔DIV_R〕32000可以得到输入值所占整个输入范围的百分比。网络3已经求得每份温度的百分比了，因为我们检测的温度范围为-20℃～50℃，为70份，因此我们将AC1乘以〔MUL_R〕70得到0℃～70℃，所以通过网络5将网络4得到的数据减去〔SUB_R〕20就得到了-20℃～50℃的最终值。当我们测得的温度VD0≥50℃时，PLC就会给蜂鸣器发出信号1使温度报警装置报警，以警示人们注意防范。舒适度判断当某一个循环里面的温度、湿度和风速的数值都已经测得并保存以后，通过比拟当温度20.0≤VD0≤28.0；湿度40.0≤VD10≤60.0；风速0.1≤VD20≤0.3同时满足的时候系统就会输出舒适度，此时舒适指示灯亮。第5章仿真5.1仿真软件确实定由于本设计所采用的PLC是西门子公司生产的S7-200系列，所以为了更好的做出仿真，我们采用的组态软件是SIMATICWINCC。之所以采用这个组态软件，是因为它的可编辑范围特别广，它能够对各种控制系统进行编辑和配置；还能够处理相关的一些数据还有报警系统；还能够存储以往的一些历史数据并且最重要的是还可以查询这些历史数据。而本设计是设计小型气象站的，刚好就是涉及了数据处理方面和报警系统方面的应用，至于存储历史数据方面也可以为以后查询提供的方便。因此我采用了WINC软件进行了仿真。由于我们是在计算机上进行模拟仿真，所以我们需要相应的软件进行配合，因此我们采用了PLCSIM软件。本设计是利用了计算机仿真技术，就是我们利用WINCC和PLCSIM两者的结合模拟出小型气象站的根本流程。PLCSIM可以模拟PLC的存放器，我们可以先用STEP7进行硬件方面的组态给系统，然后将程序分为较小的、可以自称体系的程序，然后通过组织块对程序进行编写。PLCSIM软件还可以对变量进行监控。菜单中有许多命令指令：比方inputvariable是对输入变量的监控，outputvariable是对输出变量的监控，memoryvariable是对内部变量的监控,对定时器变量进行监控的是timervariable，countervariable是对计数器的监控。5.2程序的仿真本设计的仿真过程图如下：图5-1WINCC主画面图5-1就是本设计小型气象站的组态仿真主画面。首先是气象站最重要的就是对实时温度、实时湿度、实时气压和实时风速的监控和显示，从主画面中可以清晰的看到这4种指数的显示。由于本设计的目的不仅是给人们以直观的天气显示，当温度、湿度或风速超出系统设计的范围时，就还会输出相应的警报，提醒人们要做出防范。还有风速的显示不能明确直观的让人了解到到底风速有多高，所以我们设计中还给出了风速等级的显示，当前系统就设计出了九个风级分别为0-8级。当四种指数都输出都在舒适度规定的范围时就会输出舒适的指令，即舒适指示灯会亮。图5-2仿真器主画面本设计仿真器里面的控制变量有许多，不同的变量控制着不同的数据显示。变量表如下表：表5-1变量表输出进制符号输出进制符号温度显示无符号32位数MD0风力7级二进制变量M50.7湿度显示无符号32位数MD4风力超8级二进制变量M51.0风速显示无符号32位数MD8温度报警二进制变量M51.1大气压力显示无符号32位数MD12湿度报警二进制变量M51.2舒适二进制变量M50.0风速报警二进制变量M51.3风力1级二进制变量M50.1大气压力报警二进制变量M51.4风力2级二进制变量M50.2关闭监控二进制变量M51.5风力3级二进制变量M50.3关闭蜂鸣器报警二进制变量M51.6风力4级二进制变量M50.4海拔高度无符号32位数MD16风力5级二进制变量M50.5风力0级二进制变量M52.0风力6级二进制变量M50.6下面将小型气象站监测到的温度、湿度、风速和大气压力的变化趋势如下面图所示：图5-3温度趋势图图5-4湿度趋势图图5-5大气压力趋势图图5-6风速趋势图图5-7风速等级输出图5-8风速等级输出图5-7和图5-8均为风速等级输出图，从图中不难看出本设计的风速输出的特点是不同的风速等级对应不同的颜色，这样也可以让人可以一目了然的看出风速变化。各个等级显得更加鲜明。图5-9报警输出图5-10海拔高度输出图5-11舒适度输出同时设计的小型气象站组态还实现报警输出和海拔高度输出以及舒适度输出，这样系统可以为人们的户外活动提供一个可靠、全面的监控和推荐。我们设计的气象站不仅可以检测户外大气指数，而且还能够智能的根据所检测到的实时数据而做出相应的反响、输出相应的结果，可以使人很容易的就知道目前检测范围的实时情况如何，让人更快捷的了解情况并根据所了解的现状做出相应的措施。结论到这里，论文就已经接近尾声了。通过这段时间的学习和设计，我学习到了很多，不仅是论文方面的学习还有在为人处世方面的感悟。本设计是基于PLC小型气象站设计，通过对空气中温湿度、风向和大气压力的监控，系统会根据所监测到的数据做出相应的反响。首先最根本的气象站可以输出实时温湿度、实时风速以及实时大气压力；当某项空气指数超过限定值时系统会发出相应警报；同时系统会根据所测量的大气压力输出海拔高度。前期做了很多准备，在图书馆和网上查找了许多关于设计方面的资料。程序设计以小型气象站的控制系统为中心，首先对硬件做出来介绍，然后介绍软件的选型。通过对硬件和软件的介绍和说明，让人一目了然的了解到了气象站的工作原理和各项附加功能。由于目前我们国家的自动气象站还处于飞速开展时期，所以本设计还存在一个更新换代的问题，由于采用的元件大多都是国外的产品，所以对于后期得维护和维修存在很大局限性。因此我觉得我们今后的研究方向可以放在硬件和软件的开发上面。谢辞本设计是在葛老师的指导和帮助下完成的。我非常感谢葛老师在论文的设计和研究的过程中给予了我很大的帮助和悉心的指导，更是给我指出了设计的方向，让我有了一个清晰的头绪。尤其是导师严谨的科学研究精神和一丝不苟的工作态度一直在背后鼓励这我前进。由于所学不精，在设计初期我根本没有头绪，我曾去图书馆和网上查找了很多资料。但是仍有许多不懂的地方，期间老师和同学给了我很大的帮助，我请教的知识他们都耐心给了我很好的解答，使我逐渐对于设计有了一个大概得框架，然后通过努力最终完成了论文的圆满完成。都说严师出高徒，葛老师不仅在学习上严格要求我们，而且他渊博的知识总能给予我灵感，对我要完成的设计有了很大的触动。我觉得在葛老师的严格要求下我学到了很多，包括学习方面的同时也包括做人方面的。再次我谨向葛老师表达我心中诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文即将完成之际，我也同时要感谢在我写论文期间给予我帮助和关心的同学和朋友以及师长，感谢他们无私的帮助和耐心的辅导。由于经验欠缺和知识的积累，在设计方面难免有考虑不到的地方，恳请各位老师批评指正。参考文献张茜，陈静.中国城市大气污染现状及防治措施.河南科技，2023，20胡玉峰著.自动气象站原理与测量方法.北京：气象出版社，2004.6中华人民共和国国家开展和改革委员会.中华人民共和国国民经济和社会开展第十二个五年规划纲要[EB/OL][S].[2012-1-16].张书余.地质灾害气象预报根底.北京：气象出版社，2023:133-144黄朝迎.大气压力与人体健康.中国气象报.2005.9龚仲华.S7-200系列PLC应用技术.北京：人民邮电出版社，2023:23-23黄继昌等.传感器检测及控制集成电路应用210例.北京：中国电力出版社，2023.6：1-1程忠平，周少华等.西门子S7-200系列PLC自学手册.北京：人民邮电出版社，2023.8向晓汉.西门子WinCCV7从入门到提高.北京：机械工业出版社，2023.9朱文杰.S7-200PLC编程设计与案例分析.北京：机械工业出版社，2023.9谢云敏，郭贵中，党保华.电气与可编程控制技术.上海：上海交通大学出版社，2023于广庆.可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社，2004.4刘国荣等.计算机控制技术〔第二版〕.北京：机械工业出版社，2023.7马建明，周长城.数据采集系统与处理技术.西安：西安交通大学出版社，1998.1周振安，范良龙等.数据采集系统的设计与实践.北京：地震出版社，2005.7外文资料翻译Synopticweathertypingandregression-baseddownscalingapproacheshavebecomepopularinevaluatingtheimpactsofclimatechangeonavarietyofenvironmentalproblems,particularlythoseinvolvingextremeimpacts.Oneofthereasonsforthepopularityoftheseapproachesistheirabilitytocategorizeacomplexsetofmeteorologicalvariablesintoacoherentindex,facilitatingtheprojectionofchangesinfrequencyandintensityoffuturedailyextremeweathereventsand/ortheirimpacts.Thispaperillustratedthecapabilityofthesynopticweathertypingandregressionmethodstoanalyzeclimaticchangeimpactsonanumberofextremeweathereventsandenvironmentalproblemsforsouth–centralCanada,suchasfreezingrain,heavyrainfall,high-/low-streamflowevents,airpollution,andhumanhealth.Thesestatisticalapproachesarehelpfulinanalyzingextremeeventsandprojectingtheirimpactsintothefuturethroughthreemajorstepsoranalysisprocedures:(1)historicalsimulationmodelingtoidentifyextremeweathereventsortheirimpacts,(2)statisticaldownscalingtoprovidestation-scalefuturehourly/dailyclimatedata,and(3)projectingchangesinthefrequencyandintensityoffutureextremeweathereventsandtheirimpactsunderachangingclimate.Torealizethesesteps,itisfirstnecessarytoconceptualizethemodelingofthemeteorology,hydrologyandimpactsmodelvariablesofsignificanceandtoapplyanumberoflinear/nonlinearregressiontechniques.Becausetheclimate/weathervalidationprocessiscritical,aformalmodelresultverificationprocesshasbeenbuiltintoeachofthesethreesteps.Withcarefullychosenphysicallyconsistentandrelevantvariables,theresultsoftheverification,basedonhistoricalobservationsoftheoutcomevariablessimulatedbythemodels,showaverygoodagreementinallapplicationsandextremestestedtodate.Overall,themodeledresultsfromclimatechangestudiesindicatethatthefrequencyandintensityoffutureextremeweathereventsandtheirimpactsaregenerallyprojectedtosignificantlyincreaselatethiscenturyoversouth–centralCanadaunderachangingclimate.Theimplicationsoftheseincreasesneedbetakenintoconsiderationandintegratedintopoliciesandplanningforadaptationstrategies,includingmeasurestoincorporateclimatechangeintoengineeringinfrastructuredesignstandardsanddisasterriskreductionmeasures.Thispaperbrieflysummarizedtheseclimatechangeresearchprojects,focusingonthemodelingmethodologiesandresults,andattemptedtouseplainlanguagetomaketheresultsmoreaccessibleandinterestingtothebroaderinformedaudience.Theseresearchprojectshavebeenusedtosupportdecision-makersinsouth–centralCanadawhendealingwithfutureextremeweathereventsunderclimatechange.IntroductionIthasbecomewidelyrecognizedthathotspells/heatwaves,heavyprecipitation,andseverewinterandsummerstormeventsmayincreaseovermostlandareasoftheglobeduetoachangingclimate(Cubaschetal.1995;ZwiersandKharin1998;LastandChiotti2001;MeehlandTebaldi2004;Riedel2004;KharinandZwiers2005;Medina-RamónandSchwartz2007).TheFourthAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChange(IPCCAR4)hasindicatedthatthefrequencyandintensityoftheseextremeweathereventsareprojectedtoverylikelyincreasegloballyinthiscentury(IPCC2007a).Itisfurtherprojectedthatclimatechangecouldinduceelevatedmortality/morbidityfromheatwaves,floods,anddroughtsaswellastheheavyrainfall-relatedfloodingrisks(IPCC2007b).Itisalsoexpectedthatmanyoftheserisksmaybefeltatthelocaltoregionalscales.Inlightoftheseconcernsatalocalscalefortheareaofsouth–centralCanada,EnvironmentCanadahascompletedseveralresearchprojectstoprojectchangesinthefrequencyandintensityoffutureextremeweathereventsandtheirimpacts.Forexample,athree-yearresearchprojectonclimatechangeandhumanhealthwascompletedforfourcities(Montreal,Ottawa,Toronto,andWindsor)insouth–centralCanada,inpartnershipswithTorontoPublicHealth,McMasterUniversity,andthePublicHealthAgencyofCanada.Thisproject,fundedbytheHealthPolicyResearchProgramofHealthCanada,attemptedtoevaluatedifferentialandcombinedimpactsofextremetemperaturesandairpollutiononhumanmortalityundercurrentandfutureclimates(Chengetal.2007a,b,2023a,b).Anotherthree-yearresearchprojectinvestigatedclimatechangeandextremerainfall-relatedfloodingrisksinfourriverbasins(Grand,Humber,Rideau,andUpperThames)ofsouthernOntario,Canada.ThisprojectwasledbyEnvironmentCanadaandfundedbytheGovernmentofCanada’sClimateChangeImpactsandAdaptationProgram(CCIAP),inpartnershipswithConservationOntario,OntarioMinistryoftheEnvironment,OntarioMinistryofNaturalResources,andCGIInsuranceBusiness,withtheaimofprojectingchangesinthefrequencyandintensityoffuturedailyheavyrainfallandhigh-/low-streamflowevents(Chengetal.2023c,2023,2023a).Anotherstudywascompletedtoprojectthepossibleimpactsofclimatechangeonfreezingrainin15citesofsouth–centralCanada,asshowninFig.1(Chengetal.2007c,2023b).Whileglobalclimatemodels(GCMs)areanimportanttoolintheassessmentofclimatechange,mostoftheirsimulationsarerelevantforspatialandtemporalscalesmuchlargerthanthosefacedbymostdecision-makers.Ingeneral,decision-makersrequireguidanceonfutureclimateextremesatalocalscale,requiring“downscaling〞ofthefutureclimateinformationfromtheGCMsandevenfromthefinerregionalclimatemodels(RCMs)tothestationsorcities.Twofundamentalapproachesexistfordownscalingoflarge-scaleGCMsimulationstoafinerspatialresolution(WilbyandWigley1997;Wilbyetal.2002;Fowleretal.2007).ThefirstoftheseisadynamicalapproachwhereahigherresolutionclimatemodelisembeddedwithinaGCM.ThesecondapproachistousestatisticalmethodstoestablishempiricalrelationshipsbetweenGCM-resolutionclimatevariablesandlocalobservedstation-scaleclimatevariablesofinteresttodecision-makers.Inmanycases,statisticalmethodsmaystillneedtobeappliedtolinkthedynamicaldownscalingorhigherresolutionregionalscaleclimatemodelresultstolocalclimatesandparametersofimportancetolocaldecision-makers(Fowleretal.2007).Ofthestatisticaldownscalingapproaches,moresophisticatedofthestatisticaldownscalingmethodologiescanbeclassifiedintothreegroups:(1)regression-basedmodels,(2)weathertypingschemes,and(3)weathergenerators.Severalkeyprinciplesneedtobeconsideredintheapplicationofstatisticaldownscalingtechniquesinordertoyieldmeaningfuloutputsfordecision-makers,includingtheneedforpredictorvariablesthatarephysicallymeaningful,reproducedwellbytheGCMsandabletoreflectprocessesresponsibleforclimaticvariabilityonarangeoftimescales(Fowleretal.2007).Inaddition,Fowleretal.(2007)alsoconcludedthatstatisticaldownscalingmethodsmaybemoreappropriatewhenpointvaluesofextremesareneededforclimatechangeimpactandadaptationstudies.Althoughtherehasbeenahugeexpansionofthedownscalingliterature,onlyaboutonethirdofalldownscalingstudiesconsiderimpacts(Fowleretal.2007).Evenwithinstudiesconsideringthevariousimpactsfromachangingclimate,thereoftenislittleconsiderationgiventoadaptationresearchmodelsdesignedfordecision-making.Fowleretal.(2007)concludedthat,intheirassessmentofclimatechangedownscalingtechniques,thereisaneedforappliedresearchthatiscapableofoutputtingdownscaledresultsthatcanbeusedtohelpdecision-makers,stakeholders,andthepublicmakeinformed,robustdecisionsonadaptationandmitig