基于PLC的温室大棚控制系统设计

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 山东科技大学泰山科技学院学士学位论文

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；

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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.

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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

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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

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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

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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

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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。

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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：

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自动/ 手动切换通风扇S7-200启动按钮CPU226遮阳帘停止按钮EM235热风机温度传感器冷风机光照传感器加热器二氧化碳传感器发光体限位开关二氧化碳添加器

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

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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。

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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。

QKUVWNFU3FU4FU5FU6FU7FU8FU9FU10FU11FU12FU13FU14FU15FU16FU17FU18FU19KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8KM9FR1FR2FR3FR4FR5LM13～M23～M33～M43～二氧化碳发生器发光体加热器通风扇电动机遮阳帘电动机热风机冷风机 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

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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

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（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。

SB2SB3KM10KM10SB6SB1KM10手动自动M0.3KM5

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。

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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

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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。

SB2SB3KM10KM10KM4SQ1KM3手动KM10SB1SB4KM3SQ2KM4自动M2.2KM4KM3M2.3SQ1KM3SQ2KM4

图3.5 遮阳帘控制电路原理图

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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：

按钮输CPU输接触器选择开关入储存器出电磁阀限位开关模电源部分模HL指示灯电源块块AC220/DC24电源编程计算机

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、

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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 执行自诊断 N PLC正常 Y 图3.7 PLC运行框图

存放自诊断错误结果 CPU强制为STOP Y 致命错误 N 13

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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

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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 控制柜设计及布线 PLC安装 联机调试 是否满足要求 是否 修改软、硬件 模拟运行 程序的检查与调试 程序设计 程序备份 投入使用图3.8 PLC控制系统设计步骤

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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。

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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：

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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

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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

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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 SW1 ON OFF ON OFF ON ON OFF SW2 OFF ON OFF ON OFF OFF ON SW3 OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF SW4 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF SW5 OFF OFF ON ON OFF OFF OFF SW6 ON ON ON ON ON ON ON 0-50mV 0-100mV 0-500mV 0-1V 0-5V 0-20mA 0-10V 12.5μV 25μV 125μV 250μV 1.25mV 5μA 2.5mA 满量程输入 分辨率 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

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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。

（4）读取适当的输入通道在CPU中的测量值。

（5）调节偏置电位计，直到读数为零，或所需要的数据数字值。 （6）将一个满刻度值信号接到输入端子中的一个，读出送到CPU的值。

（7）调节增益电位计，直到读数为32000，或所需的数字数据值。 （8）必要时，重复偏置和增益校准过程。

经上述步骤调整后，若输入0-20mA的模拟量信号，则对应的数字量结果0-32000或设定的所需数字数据值。 3.模拟量输入模块EM235接线说明

24V DC电源正极接入模块左下方L+端子，负极接入M端子。EM235模块的上部端子排为标注A、B、C、D的四路模拟量输入接口，可分别接入标准电压电流信号。为电压输入时，以A端为例，电压信号正极接入A+端，负极接入A-端，RA端悬空。为电流输入时，以B端为例，须将RB与B+短接，然后与电流信号输出端相连，电流信号输入端则接入B-接口。若4个接口未能全部使用，以C端口为例，未用的接口要将C+与C-端子短接，以免受到外部干扰。下部端子为一路模拟量输出端的3个接线端子MO、VO、IO，其中MO为数字接地接口，VO为电压输出接口，IO为电流输出接口。若为电压负载，则将负载接入MO、VO接口，若为电流负载，则接入MO、IO接口。 3.4.4 PLC I/O地址分配表

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根据系统要求，控制系统的I/O地址分配表如下表3.2、3.3所示

表3.2 输入端口地址分配表

序号 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 输入口 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 AIW0 AIW2 AIW4 信号名称 手动/自动切换 总启动 总停止 遮阳帘开限位 遮阳帘关限位 遮阳帘开帘 遮阳帘关帘 通风扇正转 通风扇反转 热风机启停 冷风机启停 加热器启停 补光灯启停 CO2添加器启停 温度传感器 光照度传感器 CO2浓度传感器 备注 旋钮 按钮 按钮 限位开关 限位开关 单刀双掷开关 单刀双掷开关 单刀双掷开关 单刀双掷开关 旋钮 旋钮 旋钮 旋钮 旋钮 符号 SB1 SB2 SB3 SQ1 SQ2 SB4 SB4 SB5 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10

表3.3输出端口地址分配表

序号 01 02 输出口 Q0.0 Q0.1 控制信号 通风扇正转 通风扇反转 22 备注 接触器 接触器 符号 KM1 KM2 山东科技大学泰山科技学院学士学位论文

03 04 05 06 07 08 09 10 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 遮阳帘开帘 遮阳帘关帘 热风机 冷风机 加热器 补光灯 CO2添加器 启动指示灯 接触器 接触器 接触器 接触器 接触器 接触器 接触器 接触器 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 KM8 KM9 KM10 3.4.5PLC硬件接线图设计

本控制系统设计选用S7-200系列的CPU226以及模拟量输入模块EM235，硬件接线图如下图3.11所示（也可见附录2）

图3.11 硬件接线图

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4 控制系统的软件部分

4.1PLC程序设计方法

PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、电路转换梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。

一、经验设计法：即根据前人总结的典型控制电路程序，再按照设计中被对象的具体要求，把典型程序进行重新组合，而且需要反复调试和修改，得到现在系统所需要的梯形图，有时仅仅这些还不能满足要求，还需要增加中间环节，才能得出符合要求的系统。这种方法没有一定的规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。

二、继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。

三、顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。

四、逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。

本次设计采用的是经验设计法。

4.2 编程软件 STEP7-MICRO/WIN概述

STEP7-Micro/WIN32 编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，既可用于开发用户程序，又可以实时监控用户程序的执行状态。

编程软件的具体功能如下。

1.可以用梯形图、语句表和功能块图编程。

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2.可以进行符号编程，通过符号表分配符号和绝对地址，即对编程元件定义符号名称，增加程序的可读性，并可打印输出。

3.支持三角函数，开方，对数运算功能。 4．具有易于使用的组态向导。 5.可用于CPU硬件配置。

6.可以将STEP 7-Micro/WIN正在处理的程序与所连接的PLC中的程序进行比较。

4.3 控制系统的程序设计

4.3.1程序的设计思路

本控制系统设有手动、自动两种工作模式，自动模式为正常运行状态，手动模式用于应对一些突发情况。在自动工作模式下，PLC运行时，将传感器对温室温度、光照、二氧化碳浓度等环境因素进行检测的测量值与温室控制系统的设定值进行比较，如果温度的检测量高于设定值，PLC就会发出相应的指令控制冷风机的开启和通风扇正转（将温室中的空气排向外界）；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，并使通风扇反转（将外界的空气引入温室）。当温室的光照低于设定值时，系统打开遮阳帘和补光灯；当温室的光照高于设定值时，系统关闭遮阳帘。当温室的二氧化碳浓度低于设定值，系统开启二氧化碳调节阀。如果温室中的测量值与设定值相等，则关闭相应设备，保持温室中的环境参数。

温室大棚内的不同作物对于自然环境的要求也不尽相同，本系统为研究方便，取其范围内一值，作为参考。植物对大棚温室内的温度要求大多数在25-30℃，本系统取值28℃；光照强度单位为lx,本系统取光照强度为30000lx;夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万～10万lx，没有太阳的室外0.1万～1万lx，夏天明朗的室内100～550lx，夜间满月下为0.2lx。二氧化碳浓度单位为ppm,空气中含量为300-400ppm，而植物生长需求则

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为1000-1500ppm，因此本系统取二氧化碳浓度临界值为1000ppm。 4.3.2程序控制流程图

1.温度控制流程图

温室大棚控制系统的温度控制流程图如下图4.1所示:

开始 温度检测 测量值=设定值？N 测量值=设定 Y 值？NY 保持室内温度 结束 打开升温设备 打开降温设备 图4.1 温度控制流程图

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2.光照控制流程图

温室大棚控制系统的光照控制流程图如下图4.2所示:

开始 光照强度检测 测量值=设定值？N 测量值=设定 值？NY 保持室内光照强度 Y 结束 打开补光设备 打开遮光设备 图4.2 光照控制流程图

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3.二氧化碳浓度控制流程图

温室大棚控制系统的二氧化碳浓度控制流程图如下图4.3所示：

开始 CO2浓度检测 测量值=设定值？N Y 保持室内CO2浓度 打开CO2添加设备 结束

图4.3 二氧化碳浓度控制流程图

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4.3.3 控制程序设计及分析

1.自动/手动切换

如网络1所示，I0.0为自动/手动切换，I0.1为总启动，当I0.1=1时，Q1.1得电，启动灯亮，I0.2为总停止，当I0.0=1，I0.1=1时，中间继电器M0.0得电，系统的运行方式为自动模式；当I0.0=0，I0.1=1时，中间继电器M0.1得电，系统的运行方式为手动模式。

2.温度控制

如网络2所示，当中间继电器M0.0得电时，系统的运行方式为自动模式。在自动情况下，温度传感器将测得的模拟量通过模拟量输入模块EM235送入PLC中，通过整数比较指令，将温度传感器检测到的测量值AIW0与

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设定值“28度”进行比较，当AIW0>28时，中间继电器M0.2得电，启动降温设备；当AIW0<28时，中间继电器M0.3得电，启动升温设备。

如网络3所示，当中间继电器M0.1得电时，系统的运行方式为手动模式。可通过控制相应的按钮——通风扇正转I0.7、通风扇反转I1.0、热风机I1.1、冷风机I1.2、加热器I1.3，进行温室大棚温度的手动控制。

如网络4所示，在温室大棚的温度控制过程中，自动模式下，当温度传感器测量的温度值高于设定的温度值时，中间继电器M0.2得电，通风扇正转，将温室中的热空气排入外界，与外界交换空气；手动模式下，将控制通风扇正反转的单刀双掷开关拨至“通风扇正转”，中间继电器M0.4得电，通风扇正转。

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