大棚温度自动控制新版专业系统设计.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，它能变化植物生长环境，避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长不利影响，为植物生长创造适当条件。随着科学技术迅速发展，农业应用技术越来越受到注重，特别是温室大棚已经成为高效农业一种重要构成某些。如何运用科学技术有效地控制温室内各种环境因数，以提高温室大棚环境控制效果，已成为当前国内温室业研究重点课题之一。这对国内温室产业发展有着不可预计重要意义。
本文重要简介了基于西门子公司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，将采用温度传感器、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将其与设定值进行比较，再发出相应指令驱动执行设备来调节温室内环境参数，从而实现温室智能化、自动化控制。在此基本上，采用MCGS组态软件完毕了控制系统组态设计，实现了动态演示、过程监测、数据记录、曲线显示等功能，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。
核心词：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 国内外研究现状 2
1.3 研究内容 4
第二章 PLC概述 6
2.1 PLC简介 6
2.2 PLC控制系统设计基本原则及环节 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硬件配备 21
第五章 控制系统软件设计 26
5.1 PLC程序设计办法 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 控制程序仿真与调试 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
道谢 47
参照文献 48

第一章 绪论
1.1 课题概述
1.1.1 课题简介
温室又称暖房，是用来栽培植物设施。温室作用是用来变化植物生长环境 ,避免外界四季变化和恶劣气候对作物生长不利影响，为植物生长创造适当条件。
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、二氧化碳浓度等因素构成。温室控制重要是通过控制温室内温度、湿度、通风与光照，使得它可以在冬季或其她不适当植物露地生长季节栽培植物，从而达到对农作物调节产期、增进生长发育、防治病虫害及提高产量目。当代化温室中具备控制温湿度、光照等条件设备，并采用电脑进行自动控制，以此创造植物生长所需最佳环境条件。
1.1.2 研究目及意义
国内设施园艺绝大某些用于蔬菜生产。80年代以来，温室、大棚蔬菜种植面积连年增长。当前栽培设施中，有国标装配式钢管塑料大棚和玻璃温室仅占设施栽培面积少某些，大多数农村依然采用自行建造简朴低廉竹木大小棚，只能起到一定保温作用，主线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。虽然那些数量不多装配式塑料大棚和玻璃温室也缺少配套调控设备和仪器，仅仅依托经验和单因子定性调控，因此，国内设施栽培智能化限度非常低。除此之外，国内设施农业当前还存在着诸如土地运用率低、盲目引进温室、设施构造不合理、能源挥霍严重、运营管理费用高、管理技术水平低、劳动生产率低及单位面积产量低等诸多问题。
中华人民共和国农业想要发展，就必要走当代化农业这条道路。随着国民经济迅速发展，农业研究和应用技术越来越受到注重，特别是温室大棚已经成为高效农业一种重要构成某些。当代化农业生产中重要一环就是对农业生产环境某些重要参数进行检测和控制。在实际农业种植中，温室环境与生物生长、发育、能量互换等有着密切关系。作为实现温室生产管理自动化、科学化基本保证，环境测控可通过对监测数据分析，并结合伙物生长发育规律，从而控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效栽培目。事实上生产生活中，以蔬菜大棚为代体当代农业设施在当代化农业生产中发挥着巨大作用。
当前，虽然国外温室设施己经发展到比较完备限度，并形成了一定原则，但是价格非常昂贵，缺少与国内气候特点相适应测控软件。而当今国内大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量检测与控制都采用人工管理，这样不可避免有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易导致不可弥补损失，成果不但大大增长了成本，挥霍了人力资源，并且很难达到预期效果。因而，为了实现高效农业生产科学化并提高农业研究精确性，推动国内农业发展，必要大力发展农业设施与相应农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳含量，使大棚内形成有助于蔬菜、水果生长环境。
现阶段随着蔬菜大棚迅速增多，人们对其性能规定也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚自动化限度规定也越来越高。随着社会进步和科学发展，国内设施农业将向着地区化、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，为社会提供更加丰富无污染、安全、优质绿色健康食品。因此，进行温室大棚温度PLC 控制系统研究设计具备重要现实意义。本课题通过对PLC可编程控制器、组态软件、传感器、数据采集系统学习与研究，完毕了运用西门子PLC与PC机构构成温室大棚温度监控系统。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
国内当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，增进了农村经济发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。其中能充分运用太阳光热资源、节约燃煤、减少环境污染日光温室为国内所特有。1997年国内日光温室面积已超过近16.7万公顷。由农业部联合关于部门实验推广新一代节能型日光温室,每年每亩可节约燃煤约20吨。随后，以单层薄膜或双层冲气薄膜、PC板、玻璃为覆盖材料大型当代化连栋温室，以其土地运用率高、环境控制自动化限度高和便于机械化操作等长处，自1995年以来，便呈现出迅猛发展之势，当前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，国内当代温室技术重要从国外引进，然而近几年从国外引进温室大某些经营亏损，当前已处在停产状态或仅仅运用其玻璃外壳。随着温室面积不断增长，温室建造国产化问题越来越引起人们注重。当前，当代化大型温室骨架和覆盖材料国产化已经基本不成问题，但其内部配套设施和计算机管理系统等当代化管理办法与先进国家相比尚有较大差距，是此后要着力解决问题。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，但由于这些受控参数经常互相影响，如光照增长，室温相应增长，温度升高，又导致温室相对湿度减少，同步各系统间并不完全独立，回路间互相耦合时也许导致系统不稳而失控，这里可采用模糊控制办法，可较好地解决环境参数之间互相影响。此外，此前在监控系统研制开发中，重要针对环境，而很少考虑农业生产过程中生物因素，没有农业专家合伙参加，很难对系统正拟定位，其适应性也差。因此，将农业学科与工程学科结合起来，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非常重要。
近年来国内温室控制获得了长足进步，一方面在温室群控制方面，进行了初步摸索和理论研究，另一方面在温室控制中引入了人工智能和先进控制算法，如专家系统、遗传算法、模糊控制等理论和控制方略。当前温室控制系统研究热点己由简朴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。当前，在有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取代老式孤立、信息闭塞系统，甚至跨越以太网或Internet进行数据采集，实行远程控制。虽然国内温室规模有限，还没有形成规模经济，此外构建费用也较高，但从长远来看，温室监控系统分布式和网络化将是一种必然趋势。
当代温室中常用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。控制器综合调节各个机构，使系统在运营中节约能源同步保证室内气候满足植物生长需求。使用控制器可以有诸多选取，如单片机、工控机、PLC、通用PC机等。
1.2.2 国外研究现状
西方发达国家在当代温室测控技术上起步比较早。1949年，借助于工程技术发展，美国建成了第一种植物人工气候室，开展了植物对自然环境适应性和抗御能力基本及应用研究。20世纪60年代，生产型高档温室开始应用于农业生产，奥地利一方面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。随着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重要构成某些，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足发展。特别是二十世纪70年代电子技术迅猛发展和微型计算机浮现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性变化。80年代，随着微型计算机日新月异进步和价格大幅度下降，以及对温室控制规定提高，以微机为核心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。
当前，国外当代化温室内部设施己经发展到比较完备限度，并形成了一定原则。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，由传感器检测基本上可以实现对各个执行机构自动控制，如无级调节天窗通风系统，湿帘与电扇配套降温系统，由热水锅炉或热风机构成加温系统，可定期喷灌或滴灌灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及合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朴、独立、静态直接数字控制，而是基于环境模型上监督控制，以及基于专家系统上人工智能控制，某些国家在实现自动化基本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应用已成为一种世界潮流，在不久将来PLC技术在国内将得到更全面推广和应用。
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、控制算法选取和参数整定，人机界面设计等。
本次研究内容为温室大棚温度PLC控制系统设计。温室大棚作用是变化植物生长因子，从而避免四季气候变化和恶劣气候对植物生长不良影响，为植物提供一种良好生长环境。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重要作用。本次研究采用可编程控制器PLC作为控制核心。通过传感器检测温室中环境参数，经变送转换为原则电流信号（4～20mA）后送入S7-200模仿量输入模块EM235，PLC通过度析解决，输出开关量，通过驱动电路控制通电扇、遮阳帘、风机等各种执行机构。
第二章 PLC概述
2.1 PLC简介
2.1.1 PLC产生和应用
1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司汽车自动装配线上初次使用并获得成功。1971年日本从美国引进这项技术，不久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。国内从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。进入20世纪70年代，随着电子技术发展，特别是PLC采用通讯微解决器之后，这种控制器功能得到更进一步增强。进入20世纪80年代，随着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位微解决器构成微机化PLC，使PLC功能更加强大—工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，以便。当前，PLC在国内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、交通运送、环保及文化娱乐等各个行业。
2.1.2 PLC构成和工作原理
一、PLC构成
PLC从构成形式上普通分为整体式和模块式两种，但在逻辑构造上基本上相似。整体式PLC普通由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源等构成。模块式PLC普通由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底板或机架等构成。无论哪种构造类型PLC，都属于总线式开放构造，其I/O能力可依照顾客需要进行扩展与组合。
1、CPU
CPU是PLC核心，重要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系地址总线、数据总线及控制总线构成，此外CPU单元还涉及外围芯片、总线接口及关于电路。它按PLC系统程序赋予功能接受并存贮顾客程序和数据，用扫描方式采集由现场输入装置送来状态或数据，并存入规定寄存器中，同步，诊断电源和PLC内部电路工作状态和编程过程中语法错误等。CPU重要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少构成单元,在很大限度上决定了PLC整体性能。CPU速度和内存容量是PLC重要参数，它们决定着PLC工作速度，I/O数量及软件容量等，因而限制着控制规模。
2、 I/O模块
输入模块和输出模块普通称为I/O模块或I/O单元。PLC对外功能重要是通过各种I/O接口模块与外界联系来实现。输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间连接部件，起着PLC与外部设备之间传递信息作用。I/O模块集成了PLCI/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。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），模仿量输入（Analog Input，AI），模仿量输出（Analog Output，AO）等模块。
开关量模块按电压水平分有220VAC、110VAC、24VDC等规格；按隔离方式分有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出等类型。模仿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、 存储器
存储器是具备记忆功能半导体电路，分为系统程序存储器和顾客存储器。系统程序存储器用以存储系统程序，涉及管理程序、监控程序以及对顾客程序做编译解决解释编译程序。由只读存储器、ROM构成。厂家使用，内容不可更改，断电不消失。顾客存储器：分为顾客程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）构成。顾客使用。断电内容消失。惯用高效锂电池作为后备电源，寿命普通为3～5年。
4、 编程器
编程器作用是用来供顾客进行程序输入、编辑、调试和监视。编程器普通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干送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，并且还可以脱机编程。操作以便且功能强大。
4、电源
PLC电源用于为PLC各模块集成电路提供工作电源。同步，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（惯用为24VDC）。

图2-1 PLC基本构造图
二、可编程控制器工作原理
PLC工作方式是循环扫描方式。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，按顺序逐条地执行顾客程序直到顾客程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描。
PLC工作全过程可用图2-2所示运营框图来表达。

图 2-2 可编程控制器运营框图
2.1.3 PLC分类及特点
PLC分类办法有各种，按规模（即I/O点数）可分为大、中、小型，按构造可分为整体式和组合式。在实际应用中普通都按I/O点数来分类。I/O点数表白PLCI/O端子数。普通来说，点数多PLC功能较强。
一、小型PLC
小型PLC I/O 点数普通在256 点如下，其特点是体积小、构造紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模仿量I/O 以及其她各种特殊功能模块。它能执行涉及逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据解决和传送通讯联网以及各种应用指令。
二、中型PLC
中型PLC 采用模块化构造，其I/O 点数普通在256～1024 点之间，I/O 解决方式除了采用普通PLC 通用扫描解决方式外，还能采用直接解决方式即在扫描顾客程序过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
三、大型PLC
普通I/O 点数在1024 点以上称为大型PLC，大型PLC 软硬件功能极强，具备极强自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化。
2.2 PLC控制系统设计基本原则及环节
理解PLC基本工作原理和指令系统后，就可以把PLC应用到实际工程项目中。无论是用PLC构成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制某些设计都可以参照如下所述基本原则及环节。
2.2.1 PLC控制系统设计基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)工艺规定，以提高生产效率和产品质量。而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及诸多方面，其中最基本设计原则可以归纳为4点。
一、最大限度地满足控制规定
充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象控制规定，是设计中最重要一条原则。设计人员要进一步现场进行调查研究，收集资料。同步要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。
二、保证系统安全可靠
保证PLC控制系统可以长期安全、可靠、稳定运营，是设计控制系统重要原则。
三、力求简朴、经济、使用与维修以便
在满足控制规定前提下，一方面要注意不断地扩大工程效益，另一方面也要注意不断地减少工程成本。不适当盲目追求自动化和高指标。
四、适应发展需要
恰当考虑到此后控制系统发展和完善需要，在选取PLC型号、I／O点数和存储器容量等内容时，应留有恰当余量，以利于系统调节和扩充。
2.2.2 PLC控制系统设计环节
设计PLC应用系统时，一方面是进行PLC应用系统功能设计，即依照被控对象功能和工艺规定，明确系统必要要做工作和因而必备条件。然后是进行PLC应用系统功能分析，即通过度析系统功能，提出PLC控制系统构造形式，控制信号种类、数量，系统规模、布局。最后依照系统分析成果，详细拟定PLC机型和系统详细配备。PLC控制系统设计可以按如下环节进行：
一、分析被控对象并提出控制规定、制定控制方案
详细分析被控对象工艺过程及工作特点，理解被控对象机、电、液之间配合，提出被控对象对PLC控制系统控制规定，拟定控制方案，拟定设计任务书。
二、拟定I／O设备
依照系统控制规定，拟定系统所需所有输入设备（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、信号批示灯及其他执行器等），从而拟定与PLC关于输入/输出设备，以拟定PLCI/O点数。
三、选取PLC
PLC选取涉及对PLC机型、容量、I/O模块、电源等选取。
四、分派I/O点并设计PLC外围硬件线路
1、分派I/O点：画出PLCI/O点与输入/输出设备连接图或相应关系表。
2、PLC外围硬件线路：画出系统其他某些电气线路图，涉及主电路和未进入PLC控制电路等。
由PLCI/O连接图和PLC外围电气线路图构成系统电气原理图。到此为止系统硬件电气线路已经拟定。
五、程序设计
1、程序设计：（1）控制程序；（2）初始化程序；（3）检测、故障诊断和显示等程序；（4）保护和连锁程序。
2、模仿调试：依照产生现场信号方式不同，模仿调试有硬件模仿法和软件模仿法两种形式。
六、硬件实行
1、设计控制柜和操作台等某些电器布置图及安装接线图；
2、设计系统各某些之间电气互连图；
3、依照施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。
七、联机调试
联机调试是将通过模仿调试程序进一步进行在线统调。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渐进行调试。如不符合规定，则对硬件和程序作调节。普通只需修改部份程序即可。所有调试完毕后，交付试运营。通过一段时间运营，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
八、整顿和编写技术文献
技术文献涉及设计阐明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用阐明书等。

图2-3 PLC控制系统设计环节
第三章 控制系统总体设计方案
3.1 系统设计任务
温室大棚作用是调节植物生长环境因素，从而避免四季气候变化和恶劣气候对植物生长不良影响，为植物提供一种良好生长环境，增进植物生长发育，防止病虫害，以达到增长产量目。温室中温度、光照、湿度、CO2浓度、土壤酸碱度等因素对植物生长起着重要作用。本设计重要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。温度调节重要通过通风窗、加热器动作来进行解决，光照度重要通过发光体和遮阳帘来调节，CO2浓度重要通过CO2添加器进行补偿。
本温室控制系统就是根据室内外装设温度传感器、光照传感器、CO2传感器等采集或观测温室内温度、光照强度、CO2浓度等环境参数信息，通过控制设备对温室通风窗、加热器、发光体、遮阳帘、CO2添加器等执行机构控制，对温室环境环境因素进行调节控制以达到栽培作物生长发育需要，为作物生长发育提供最适当生态环境，以大幅度提高作物产量和品质。
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，采用传感器对温室温度、光照、二氧化碳浓度等环境因素进行测量，并将成果送到PLC中。由PLC对成果进行解决，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与可靠性，本控制系统设有手动、自动两种工作模式，自动方式是指周期性地进行PLC控制方式；而手动方式则是指在浮现应急状况等某些突发事件时，通过手动操作控制执行器件工作。自动工作中，如果被检测量温度高于设定值，PLC就会发出相应指令控制启动通风窗和冷风机；如果测量值与设定值相等，则关闭通风窗和冷风机；如果测量值低于设定值，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，系统打开遮阳帘或启动发光体；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，系统启动二氧化碳添加器。通过温度，光照和二氧化碳浓度设定与调节达到适应不同植物生长需求，从而广泛应用到实际中。本设计特点是成本低廉，节约资源，提高产量，实现经济价值最大化。该温室控制系统总体框图如下所示。

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、执行部件等几种某些构成。该温室控制系统以PLC为控制中心，通过温度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器采集温室中环境因子关于参数，经变送转换为原则电流信号（4~20mA）后经由S7-200模仿量输入模块EM235送入PLC控制器，PLC再通过PID控制算法将采集参数与已设定值进行分析解决，输出开关量，对执行机构进行控制。在此系统中还可以通过串口形式与PC机相连，从而实现实时数据管理与存储，为后来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硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以以PLC作为重要控制器来构造PLC控制系统。PLC控制系统设计重要涉及硬件设计和软件设计两某些。本章重要从硬件设计角度进行温室控制系统硬件设计方案，本章节重要简介了该项目电气控制系统设计、PLC硬件电路及外部配备设计。
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
系统主电路如图所示，其中通电扇电机、遮阳帘电机（遮阳帘风机配有限位开关）除功率有所不同之外，需通过电机正转、反转和停止来完毕相应机构启动与闭合，因而它们工作主电路相似。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行短路和过载保护；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、停止以及风机等开/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，可以看出执行机构系统涉及遮阳帘、通电扇、热风机、冷风机、加热器、发光体和CO2添加器等某些。普通，温室执行机构可分为两大类:一类是正反转运营电机，如通电扇、遮阳帘等，这些电机需要正转、反转和停止，必要有限位开关；另一类是开关控制设备，如风机、水泵等。
一、正反转设备
通电扇、遮阳帘均属于正反转设备，其控制电路相似，现以遮阳帘为例，做如下简介。
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，重要针对遮阳帘由于外界因素打不开或关闭不了状况。而KM3、KM4在电路中起到控制电机正转与反转功能，即遮阳帘拉开与关闭。

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如图4-3所示，SB1为手动/自动切换开关,SB2为总启动按钮，SB3为总停止按钮。按下总启动按钮SB2，交流接触器KM10线圈得电，同步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，当遮阳帘启动到最大位置后触遇到限位开关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，遮阳帘启动；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启动或闭合由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将着重简介。
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
制电路相似，现以热风机为例，做如下简介。
1、 热风机主电路
风机运转重要由电机通断来实现，可以由一种继电器来实现风机控制，在电路中必要加有短路保护、过流保护、过载保护，而这些可以由热继电器、熔断器来实现电路中保护。由以上规定可以设计如下电路：

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如图4-5所示，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，同步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旋至启动状态，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，热风机运营。热风机等开/关设备启停同样由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将作详细简介。
4.2 PLC硬件电路设计
4.2.1 PLC型号选取
一、PLC I/O点数
依照系统控制规定，可拟定系统所需所有输入设备（如：按纽、限位开关、单刀双掷开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号批示灯及其他执行器等），从而拟定与PLC关于输入/输出设备，最后拟定PLCI/O点数为14个数字量输入，10个数字量输出，3个模仿量输入。
二、PLC选型
S7系列可编程控制器涉及S7-200系列、S7-300系列和S7-400系列。其功能强大，分别应用于小型、中型和大型自动化系统。本控制系统采用德国西门子S7-200 PLC。S7-200系列PLC是西门子公司生产一种小型整体式构造可编程序控制器。S7-200系列PLC广泛应用于集散自动化系统，使用范畴覆盖机床、机械、电力设施、民用设施、环保设备等自动化控制领域，既可用于继电器简朴控制更新换代，又可实现复杂自动化控制。因而S7-200系列具备极高性能/价格比。
S7-200 系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226、CPU226XM等6种不同型号。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路模仿量I/O 点，具备13K字节程序和数据存储空间，6个独立30kHz高速计数器，2路独立20kHz高速脉冲输出，具备PID控制器，2个RS485通讯/编程口，具备PPI通讯合同、MPI通讯合同和自由方式通讯能力。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规定，又能满足后来发展前提下，选用S7-200系列 CPU226。
4.2.2 PLC I/O地址分派
依照系统控制规定，控制系统I/O地址如下表分派。
表4-1 输入端口分派表
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
总启动
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
通电扇正转
单刀双掷开关
SB5
I1.0
通电扇反转
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 输出端口分派表
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
通电扇正转
接触器
KM1
Q0.1
通电扇反转
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
启动批示灯
接触器
KM10
4.2.3 硬件接线图设计
本次设计选用S7-200系列CPU226，硬件接线图如图4-6所示。

图4-6 硬件接线图
4.3 PLC硬件配备
4.3.1 传感器
一、温度传感器
依照温室温度控制特点，本文温度传感器可采用芬兰维萨拉公司型号为HMD40产品，该款传感器具备测量精度高，易于安装、响应速度快，对环境规定较低等特点，其外观如图4-7所示。

图4-7 HMD40型温/湿度传感变送器实物图
该传感器重要性能指标如下：
1、温度检测范畴：-10～60℃；测量精度：±0.3%℃；
2、湿度检测范畴：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如下目：免除作物超过光饱合点，提高光合伙用；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。该传感器采用先进电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度测量，输出原则电压及电流信号，体积小，安装以便，线性度好，传播距离长，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传感器选用弗加罗公司生产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具备体积小、寿命长、选取性
和稳定性好等特点外，同步还具备耐高湿低温特性，可广泛用于自动通风换气系统或是C02气体长期监测等应用场合。TGS4160传感器重要技术参数如下：
1、测量范畴：0～5000ppm；
2、使用寿命：天；
3、内部热敏电阻(补偿用)：100k Q±5％：
4、使用温度：一10～+50℃
5、使用湿度5～95％RH。
4.3.2 EM235模仿量输入/输出模块
在控制系统中，传感器将检测到温度转换成原则电压或电流信号，系统需要配备模仿量输入模块，将电压或电流信号转换成数字信号再送入PLC中进行解决。在这里咱们选取西门子EM235 模仿量输入/输出模块。
一、EM235模仿量输入/输出模块简介
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，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出DC4～20mA（通过250Ω电阻转换DC 1～5V或通过500Ω电阻转换DC2～10V）原则信号，持续输送到接受装置。EM235模块具备4路模仿量输入/1路模仿量输出。EM235需要直流24V工作电源。它运用DIP开关设立输入信号量程。表4-3所示为如何用DIP开关设立EM 235模块。通过开关1～6可选取模仿量输入范畴。DIP开关SW6决定模仿量输入单双极性，当SW6为ON时，模仿量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模仿量输入为双极性输入，SW4和SW5决定输入模仿量增益选取，而SW1，SW2，SW3共同决定了模仿量衰减选取。所有输入设立成相似模仿量输入范畴。表中，ON为接通，OFF为断开。
表4-3 EM 235选取模仿量输入范畴和辨别率开关表
单极性
满量程输入
辨别率
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
依照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，选取0到10V量程，故设立DIP开关为010001