1、摘 要溫室是植物栽培生產中必不可少的設施之一，可以用來改變植物的生長環境，避免外界四季變化和惡劣氣候對作物生長的不利影響，為植物的生長創造適宜的良好條件。隨著農業現代化的發展，設施園藝工程因其涉及學科廣、科技含量高、與人民生活密切相關，已經越來越受到世界各國的關注與重視。這也為我國大型現代化溫室的發展提供了極好的機遇，并產生巨大的推動作用。本文介紹一種基于PLC（Programmable Logic Controller）的溫室控制系統，該系統實現了對室內各環境變量的實時監測和調節，大大降低了操作人員的勞動強度，同時提高了作物的質量與產量。其主要內容包括：1) 研究花卉溫室控制系統方案設計。2

2、) 電氣控制電路設計。3) 基于PLC的電氣控制系統設計。4) 利用西門子編程軟件設計PLC程序。5) 利用WinCC flexible組態軟件設計人機交互界面。6) 系統調試與測試。關鍵詞：溫室；PLC；WinCC flexible；人機交互界面AbstractGreenhouse is one of the essential plant cultivation and production facilities, can be used to change the environment for the growth of plants, avoid outside the four s

3、easons change the bad weather and the adverse effects on crop growth and for plant growth and create good conditions for appropriate.With the development of agricultural modernization, the Facilities Horticulture project has become more and more concerned with the wide range of subjects, high techno

4、logy content, and people's life.This also for the development of Chinese large-scale modernized greenhouse provides an excellent opportunity and have a huge role.This paper introduces a kind of greenhouse control system based on PLC (Programmable Logic Controller), which realizes the real-time m

5、onitoring and adjustment of the indoor environment variables, which greatly reduces the labor intensity and improves the quality and yield of the crops.Its main contents include：1) The flowers greenhouse control system design.2) Electrical control circuit design.3) Electrical control system design b

6、ased on PLC.4) Using the software of Siemens PLC programming to design program.5) Using the software of WinCC flexible to design HMI configuration. 6) The system debugging and testing.Key words: Greenhouse; PLC; WinCC flexible; HMI 目 錄第一章 緒論11.1 課題背景及意義11.2 國內外研究現狀11.3 論文內容結構21.4 本章小結2第二章 系統總體結構設計32

7、.1 溫室的工藝要求及設施構成32.1.1 溫室的工藝32.1.2 溫室的設施構成32.2 系統設計思路42.2.1 系統具備的功能42.2.2 控制模式52.3 控制系統方案62.3.1 硬件模塊62.3.2 軟件模塊72.4 本章小結7第三章 硬件模塊設計83.1 硬件系統結構83.2 硬件電氣原理圖83.2.1 系統主電路圖83.2.2 系統控制電路圖103.3 硬件部分選型113.3.1 控制器件的選型113.3.2 傳感器的選型113.4 本章小結12第四章 PLC軟件設計134.1 控制程序結構134.2 PLC變量表194.3 主程序塊Main（OB1）234.4 手動控制函數（

8、FC1）264.5 自動控制函數（FC2）274.6 循環中斷Cyclic interrupt（OB30）324.7 本章小結32第五章 人機界面335.1 界面組態335.2 組態界面介紹335.2.1 開始界面345.2.2 參數數值顯示界面345.2.3 控制模式界面355.2.4 參數設置界面355.2.5 執行機構狀態及手動控制界面365.2.6 實時曲線顯示界面1365.2.7 實時曲線顯示界面2375.2.8 報警界面375.3 本章小結37第六章 系統調試386.1 通訊設置386.2 下載步驟396.2.1 組態畫面的下載396.2.2 PLC程序下載406.3 調試說明40

9、6.4 本章小結45第七章 總結467.1 主要工作467.2 設計的創新點467.3 存在的問題與改進建議46致 謝48參考文獻49附 錄51III第一章 緒論1.1 課題背景及意義在人們的日常生活中，鮮花是一種必不可少的消耗品，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對鮮花的需求量越來越大，同時對鮮花的種類、數量以及質量的要求越來越高，而市場有時還需要提供反季節花卉的日常需求。對于傳統的種植方式來說，已經無法滿足目前社會對鮮花的需求，我們需要對花卉的生長進行更加精確的控制，因此，智能溫室的管理與控制系統對于花卉種植來說是至關重要的。本文旨在設計出可以滿足花卉正常生長條件的溫室控制系統，從而在最大程

10、度上減輕相關工作人員的勞動強度，同時提高花卉的生產率以及品質，實現花卉的工業化生產。從而促進了我國以全自動化控制且智能化管理的商品花卉工業化生產方式來取代目前落后的花卉生產方式，加快推動了我國農業現代化的發展進程。1.2 國內外研究現狀溫室系統起源于美國，1949年美國由于工程技術的快速發展，建造了第一個植物人工氣候室1。在1974年，荷蘭首次研制出計算機控制系統CECS，從而實現了施肥、溫室供水和環境自動化控制2。目前，英國的溫室采用計算機管理，主要控制各種環境變量。日本利用網絡技術來實現對種植數量大且地點比較分散的農場實現遠距離監控與管理3。從20世紀70年代起，我國的農業工程技術人員開始

11、學習借鑒國際上設施農業發展的先進經驗，致力于溫室系統的研究與開發工作。1995年建立的濰坊職業學院濰禾示范農場，是中國與以色列合作建立的第一批商業示范農場4。90年代中后期起，我國高校開始研制自己的控制系統。近年來我國溫室控制系統發展很快，已經出現了設計生產日光溫室的公司。但是這些公司的控制系統一般選用單片機，由單片機設計的人機交互界面很不友好，非專業人員操作困難，這就導致了自動控制模式大多數時間處于閑置狀態。同時，單片機設計的控制系統難以完成對大范圍、地點分散的農場的監控與管理。而采用可編程控制器（Programmable Logic Controller）作為控制器則能有效的改變這一現狀，

12、因為PLC具有使用靈活、通用性強、可靠性高、抗干擾能力強、維護簡單等優點5，完全可以實現對大范圍農場的實時監控與管理。采用PLC實時監測與控制的分布式系統已成為當前發達國家一致的發展方向。 PLC作為溫室控制系統的核心控制器，擔負著向上位機觸摸屏傳送監測數據及對執行機構下達命令的任務。而將PLC作為溫室系統的核心控制器，可以極大程度上的簡化控制系統，PLC的發展也將對溫室系統的發展起到至關重要的作用。1.3 論文內容結構本文采用西門子系列PLC S7-1200作為核心控制器，結合西門子smart 700IE觸摸屏，設計了一套基于PLC的溫室控制系統。本文主要工作如下： 第一章，緒論部分扼要地介

13、紹了課題的研究背景與意義，以及目前國內外對于智能溫室系統研究的進展。第二章，系統總體結構設計部分對溫室控制系統的設計要求以及其所具備的功能和硬件組成進行了具體的研究與分析。第三章，系統硬件模塊設計部分結合電氣原理圖分析了系統的主電路和控制電路，并介紹了執行機構的功能以及控制器與傳感器的選型。第四章，PLC軟件設計部分對溫室控制系統的軟件程序部分進行了詳細的分析，給出了系統的控制流程圖和變量表，并結合梯形圖對程序做了簡要分析。第五章，人機界面部分主要介紹了觸摸屏的組態畫面，及各個畫面所具備的功能。第六章，在S7-1200試驗臺上分別完成PLC程序及觸摸屏程序的調試工作，最后進行了系統聯調。第七章

14、，總結全文，介紹了本次設計的主要工作，以及控制系統的特色與創新，總結了本次設計存在的一些不足，并給出了相應的建議。1.4 本章小結本章主要介紹了本課題的研究背景及其意義，重點介紹了國內外溫室系統的研究與發展趨勢，結合國內外溫室系統的發展狀況，分析了本次畢業設計的重要意義，并對本文結構做了簡要介紹。第二章 系統總體結構設計2.1 溫室的工藝要求及設施構成溫室的作用是創造出一個適宜植物生長的環境，尤其是在不適合該農作物生長的地區或季節，其作用更加明顯。不同的農作物其生長環境各不相同，相應的，對溫室的工藝要求及硬件設施構成也不盡相同。因此，需要先確定一個對象，進而確定溫室的工藝及設施構成。2.1.1

15、 溫室的工藝本次畢業設計主要研究的是花卉溫室控制系統，在工藝方面對溫室內的溫度、光照強度、土壤濕度、空氣濕度、CO2濃度等有相應的要求，通過控制系統對這些環境變量進行實時監控，從而建立一個適合花卉生長的最佳環境。本文中以大葉花燭作為植物樣本，查閱相關資料，總結得出該植物生長的最佳環境，制定溫室內的各項工藝要求，構建出一套智能溫室控制系統。大葉花燭為喜陰植物，最佳生長溫度為14-35，土壤濕度為12-25%，空氣濕度為70-85%，光照強度為15000Lux以下，二氧化碳濃度為150-1000ppm6。2.1.2 溫室的設施構成花卉溫室控制系統包含觸摸屏、控制器PLC、執行機構以及傳感器等裝置。

16、觸摸屏是人機交互設備，用于實時顯示數據，便于操作人員監測，同時在緊急情況下可以實現對溫室系統的手動控制功能。控制器部分接收傳感器的輸出信號，并根據已定的PLC程序，進行相應的運算和處理，驅動執行機構動作，使環境變量值達到適合植物生長的范圍。現將部分硬件部件及其功能陳列如下：溫度傳感器：檢測溫室內的溫度光照強度傳感器二氧化碳濃度傳感器土壤濕度傳感器空氣濕度傳感器 ：檢測溫室內部的空氣濕度：檢測土壤內的水分含量 傳感器：檢測溫室內空氣中CO2的濃度：檢測溫室內部的光照強度：控制天窗的開啟關閉天窗電機：為灌溉水泵和加濕水泵供水：為天窗的運動提供通道：為遮陽板的運動提供通道：遮擋光線照射其他裝置遮陽板

17、：補給溫室內的光照強度：增加土壤水分：提高溫室內部的溫度加熱管道：增加溫室內空氣的濕度加濕水泵灌溉水泵執行機構：控制遮陽板的開啟關閉遮陽板電機：補給溫室內的CO2含量CO2發生器：控制溫室內的溫度、空氣濕度、CO2濃度通風風機補光燈遮陽板導軌天窗導軌水箱2.2 系統設計思路本文設計的控制系統在溫室內部安置了不同型號的傳感器，通過傳感器檢測溫室內部的各環境參數，并將檢測到的溫度、空氣濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照強度等環境變量值，與程序內部的設定值作比較，然后將反饋信號傳遞給加熱管道、加濕水泵、灌溉水泵、通風風機等執行機構，從而改變溫室內部各環境參數值，達到適合作物生長的適宜條件，提高作物的品

18、質以及產量。2.2.1 系統具備的功能本文設計的溫室控制系統具備以下功能：1、數據采集及顯示功能通過溫室內部的各種傳感器，對溫室內部的環境變量值進行實時監測，并將監測到的數據實時顯示在觸摸屏界面上，方便操作人員查看。同時在觸摸屏界面組態了實時趨勢視圖，便于工作人員觀察溫室內部環境變量的走勢。2、參數設置的功能對于不同的作物，其生長條件不同，相應的溫室內部各環境變量的值也不同，所以為了便于培育不同的植物，對環境變量的設置有相應的要求。參數設置的功能可以針對實際需求，對環境變量的值做出修改。3、對執行機構的監控功能溫室內部各環境變量的改變是通過執行機構的動作來實現的，為了方便查看各個執行機構的工作

19、狀態，系統應具備一定的監控功能，并在觸摸屏界面組態相應畫面，實時反饋執行機構的工作狀態，在特定情況下可以對執行機構進行強制操作。而在正常情況下，執行機構根據編制的程序，進行自動調節與控制。4、安全登錄的功能為了避免工作人員的錯誤操作，對本系統的手動控制模式組態了登錄權限，不具備權限的工作人員無法對系統進行手動操作。5、報警功能當溫室內部的某執行機構的調控出現錯誤時，將導致某種環境變量值嚴重超出設定值，影響植物的正常生長，此時系統應做出報警，以提醒工作人員，同時在觸摸屏界面有報警組態，顯示具體何種變量超出警示值，便于工作人員有針對性的對環境變量進行調控。2.2.2 控制模式 本文設計的溫室控制系

20、統分為手動和自動兩種控制方式，在這兩種方式的共同作用下，為作物的生長營造一個適宜的環境。手動控制模式：手動控制模式下可以通過觸摸屏界面的開關量輸入按鈕，對執行機構進行強制性操作，便于工作人員對溫室內部的環境變量進行直接調節。自動控制模式：自動控制模式下，系統將溫室內部的環境變量進行實時監測，傳感器將采集到的數據經過A/D轉換后7，傳遞到核心控制器PLC中，并與設定值進行比較，若在正常范圍內，溫室內的執行機構維持現狀，若超出了植物生長的適宜范圍，則根據編制好的程序，PLC將信號反饋給相應的執行機構，使執行機構動作，從而調節溫室內的環境變量值以達到適宜植物生長的正常范圍。2.3 控制系統方案本文以

21、單溫室作為研究對象，查閱相關書籍以及相關的學術論文和期刊雜志，對于涉及到此課題的相關知識進行了仔細的閱讀和研究，了解到近年來我國溫室控制系統發展很快，相關溫室控制系統通常選擇單片機8。系統的人機交互界面很不友好，非專業人員操作困難，往往導致自動控制模式大多數時間處于閑置狀態。同時，單片機設計的控制系統可靠性差、抗干擾能力較弱，極易受環境因素的影響，且不便于維護。采用可編程控制器PLC作為控制器則能有效的改變這一現狀，因為PLC具有使用靈活、通用性強、可靠性高、抗干擾能力強、維護簡單等優點。同時使用WinCC flexible 2008制作的觸摸屏界面非常友好，便于用戶操作，非專業人員在經過短期

22、培訓后也可熟練操作。故本文基于PLC設計并建立了一套智能溫室控制系統，其中包括硬件模塊和軟件模塊兩個部分。2.3.1 硬件模塊人機界面WinCC flexible控制裝置西門子PLC模擬量模塊驅動部件執行機構傳感器模塊濕度CO2濃度CO2發生器灌溉水泵通風風機加濕水泵溫度補光燈天窗電機遮陽板電機加熱管道光照強度圖2.1 系統硬件結構圖本文采用西門子S7-12009系列PLC作為溫室系統的核心控制器，并選用相應的模擬量擴展模塊。PLC在接收信號后，根據具體的需求，對溫室內部的環境變量進行調控，以達到適宜該作物生長的環境。本系統的控制方式分為手動控制模式與自動控制模式。手動控制模式下，工作人員可以

23、強制性地對執行機構進行控制，從而調控溫室內的環境變量值。自動控制模式下，系統根據設定的環境變量值自動調節各執行機構的開啟狀態，對溫室內部的環境變量進行智能化的調節。模擬量模塊的主要功能是接收傳感器檢測到的信號，并將其傳遞給控制器PLC，PLC根據已編制的程序對信號進行處理，并反饋給驅動部件，使得執行機構進行相應的動作。由于溫室是一個封閉式的環境，一般情況下，工作人員不得進入溫室內部進行操作。因此，本系統基于WinCC flexible組態了溫室系統的監控畫面10，用于顯示溫室內部各環境變量的值，同時監控執行機構的運行狀況，在緊急情況下，還可以對執行機構進行強制操作。而且使用WinCC flex

24、ible組態的人機交互界面非常友好，操作簡便，大大減輕了工作人員的負擔。2.3.2 軟件模塊在本文設計的溫室控制系統中，選用了西門子S7-1200系列PLC作為核心控制器，在PLC編程方面，我們使用的是TIA Portal V1311，程序的編寫要求根據溫室內種植花卉的品種而定，將傳感器檢測到的數據經過A/D轉換后與程序內的設定值比較，控制器PLC發出相應的信號，傳遞給執行機構，從而控制執行機構動作，以達到預期的環境效果。而對于組態觸摸屏的畫面我們使用的是SMATIC WinCC flexible 2008 SP412，使用該軟件制作的人機交互界面非常友好，易于操作，大大降低了工作人員的勞動強

25、度。PLC與觸摸屏之間通過以太網進行通訊，從而可以在觸摸屏界面實時監控溫室內的環境變量值，以及執行機構的運行狀態，并可以對執行機構進行強制操作。2.4 本章小結本章主要介紹了本課題的總體結構的設計，簡單介紹了溫室的工藝要求及設施組成，重點介紹了系統的設計思路，分析了本系統應具備的功能和控制方式。最后對控制系統方案做了相應的介紹，簡述了硬件及軟件的組成。第三章 硬件模塊設計3.1 硬件系統結構本文設計的溫室控制系統的硬件部分主要由傳感器、核心控制器PLC、觸摸屏和執行機構四大部分組成。傳感器的主要作用是采集溫室內部各環境變量的值；核心控制器PLC選用的是西門子公司的S7-1200系列PLC，主要

26、完成本系統的控制功能；觸摸屏的主要功能是實時監控溫室內部的環境變量值以及各執行機構的運行情況；執行機構則包括通風風機、加濕水泵、補光燈、遮陽板等調控溫室內部環境變量的機構。3.2 硬件電氣原理圖3.2.1 系統主電路圖13圖3.1 主電路圖圖3.1為系統主電路圖，圖中從左至右分別為天窗電機正反轉電路、遮陽板電機正反轉電路、加濕水泵電路、灌溉水泵電路、通風風機電路、加熱管道電路、CO2發生器電路、補光燈電路和報警器電路。在溫室系統中，PLC的輸出信號直接控制執行機構的動作或驅動執行機構的動力裝置使其發生相應動作，其工作過程如下：天窗電機：通過天窗電機正反轉，控制天窗的開啟與關閉。天窗電機正轉，將

27、打開天窗，反轉則關閉天窗。天窗的開啟與關閉的角度分別由天窗上限位開關與天窗下限位開關控制，當天窗電機接收到PLC輸出的電機正轉信號時，常開觸點QA1得電閉合，天窗電機正轉，天窗打開，在打開過程中天窗與上限位開關接觸時，PLC端將輸出一個停止信號，停止天窗電機運行，此時天窗處于完全開啟狀態；當天窗電機接收到PLC端輸出的電機反轉信號時，天窗電機反轉，天窗閉合，在閉合過程中天窗與下限位開關接觸時，PLC端將輸出一個停止信號，停止天窗電機運行，此時天窗處于完全閉合狀態。在PLC的輸出端有兩個端子，通過控制繼電器從而控制天窗電機的正轉與反轉。遮陽板電機：通過遮陽板電機正反轉，控制遮陽板的合上與打開。遮

28、陽板電機正轉，將帶動遮陽板沿遮陽板導軌合上遮陽板，反轉時則打開遮陽板。遮陽板的開啟與關閉程度由限位開關決定。在遮陽板電機正轉過程中，當遮陽板與上限位開關接觸時，PLC端輸出一個停止信號，遮陽板電機停止動作，此時遮陽板處于完全合上的狀態；在遮陽板電機反轉過程中，當遮陽板與下限位開關接觸時，PLC端輸出一個停止信號，遮陽板電機將停止動作，此時遮陽板處于完全打開的狀態。同樣的，遮陽板電機的正反轉也是由PLC輸出端的兩個端子通過繼電器控制的。加濕水泵電機：由PLC的輸出端通過繼電器控制加濕水泵的開啟和關閉。常開觸點QA5得電閉合，加濕水泵打開，霧化噴頭開始向溫室內噴水，增加溫室內的空氣濕度，當空氣濕度

29、達到設定值后，QA5斷開，加濕水泵關閉，霧化噴頭停止噴水。灌溉水泵電機：灌溉水泵的開啟與關閉由PLC輸出端通過繼電器控制。當溫室內的土壤濕度低于設定值時，PLC發出信號，使常開觸點QA6閉合，灌溉水泵開啟，澆灌噴頭開始向溫室內灑水，增加土壤濕度值，當土壤濕度達到正常范圍后，PLC輸出端發出關閉信號，灌溉水泵關閉，澆灌噴頭停止灑水。通風風機：由PLC的輸出端通過繼電器控制通風風機的開啟和關閉。當溫室內的溫度過高時，PLC輸出端將發出信號，常開觸點QA7得電閉合，通風風機開啟，當溫室內的環境變量值趨于正常時，通風風機停止動作。加熱管道：當溫室內的溫度過低時，PLC輸出端發出信號，常開觸點QA8得電

30、閉合，控制加熱裝置開啟，同時將加熱后的熱水輸送到加熱管道中，增加溫室內的溫度，當溫室內溫度正常時，停止加熱。CO2發生器：當溫室內的CO2濃度過低時，PLC輸出端發出信號，常開觸點QA9閉合，控制CO2發生器開啟，增加溫室內的CO2含量，當溫室內CO2濃度達到正常范圍時，QA9斷開，CO2發生器關閉。補光燈：當溫室內的光照強度不足以滿足植物正常生長的需要時，工作人員手動按下補光燈開關，PLC輸出端發出信號，常開觸點QA10閉合，點亮補光燈，提高溫室內部的光照強度。報警器：當溫室內的溫度嚴重超出設定值，影響植物正常生長時，報警器將會發出聲光報警，提醒工作人員進行人工調節溫室內的環境變量值。3.2

31、.2 系統控制電路圖14圖3.2為系統控制電路圖。圖3.2 控制電路圖本次畢業設計的控制電路主要由Smart 700IE觸摸屏、TP-LINK、S7-1200系列PLC構成。觸摸屏與PLC分別配備24V直流電源，TP-LINK的電源為12V直流電源。由于Smart 700IE觸摸屏15與S7-1200系列PLC不能直接建立通訊，所以在觸摸屏與PLC之間增加TP-LINK模塊作為數據交換機，并通過以太網16將三者連接起來，從而實現Smart 700IE觸摸屏與S7-1200系列PLC之間的數據傳輸。由于本課題設計的溫室控制系統需要對溫室內的各環境變量如溫度、空氣濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照強

32、度等進行檢測，故增加了溫濕度傳感器（主要用于檢測溫室內的溫度值與空氣濕度值）、土壤濕度傳感器、CO2濃度傳感器以及光照強度傳感器，并配備了相應的模擬量輸入模塊SM1231，具有8個模擬量輸入通道，可接入10V、5V、2.5V、020mA模擬量信號。以天窗電機正反轉為例，對控制電路的控制方式做詳細介紹。當在觸摸屏上按下天窗的“開”按鈕時，中間繼電器的線圈KA1得電，中間繼電器的常開觸點KA1閉合，從而交流接觸器線圈QA1得電，常開觸點QA1得電，天窗電機正轉，天窗打開，當天窗與天窗上限位開關BG1接觸時，中間繼電器KA1失電，交流接觸器線圈QA1失電，觸點QA1斷開，天窗電機停止運轉，此時天窗開

33、啟最大。當按下天窗“關”按鈕時，中間繼電器線圈KA2得電，常開觸點KA2閉合，交流接觸器線圈QA2得電，其常開觸點QA2得電閉合，天窗電機反轉運行，天窗閉合，天窗上限位開關重新閉合。當天窗與天窗下限位開關接觸時，BG2的常閉觸點斷開，中間繼電器失電，交流接觸器同時失電，觸點QA2斷開，天窗電機停止運轉，天窗完全關閉。此時，天窗上限位開關為閉合狀態，下限位開關為斷開狀態。3.3 硬件部分選型3.3.1 控制器件的選型17本次設計選用西門子S7-1200系列PLC作為核心控制器。S7-1200系列小型控制器具備可擴展性和靈活性，可以使其能夠更加高效、迅速地完成自動化任務對控制器復雜的要求。S7-1

34、200系列PLC可以在CPU前端嵌入信號板，這一設計使得PLC的結構更加緊湊，配置更加方便。同時，S7-1200的通信模塊是獨立的，可以根據需要靈活擴展通信模塊。本課題設計的溫室控制系統，選用S7-1200系列PLC可以更加高效地完成對溫室內環境變量的調控。相對應的，S7-1200系列PLC的性價比較高，介于西門子200PLC與西門子300PLC之間，可以滿足于中小型自動化控制系統的要求。同時，S7-1200系列集成了PROFINET接口，用戶可以通過以太網進行程序的下載及實現與人機界面的通信。3.3.2 傳感器的選型本次設計中，共選擇了四種傳感器，分別是溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2濃

35、度傳感器與光照強度傳感器。溫濕度傳感器選擇的是由瑞士Sensirion公司設計的SH Txx系列的DWS-S8型傳感器，溫度的測量范圍為-40123.8，濕度的測量范圍為0100%RH，并且該傳感器耐熱防潮，適宜在溫室內長期工作。同時配備DWS-T8型溫濕度變送器，可輸出420mA電流信號。土壤濕度傳感器選擇的型號為DSF-T1，該傳感器量程為0100%，測量精度為+/-3%Fs，工作溫度范圍為-3085，輸出信號為02V或420mA。此傳感器的測量精度高，傳輸速度快，且不易受腐蝕，應用地區廣泛，適用于溫室內土壤濕度的檢測。CO2濃度傳感器選用DCO2-T8V2，本次設計中研究對象是大葉花燭，

36、該花適宜生長的CO2濃度為1501000ppm，所選傳感器的測量范圍為02000ppm，輸出信號為010V，傳感器的工作環境為050，095%RH，適用于溫室內CO2濃度的檢測。光照強度傳感器選擇的是RY-G/W，在本設計中適宜花卉生長的光照強度范圍為15000Lux以下，故選擇的光照強度傳感器的量程范圍為020kLux，輸出信號為05V。并且該傳感器具有防水、防腐蝕的能力，廣泛應用于溫室系統、光照設備檢測等領域。3.4 本章小結本章結合電氣原理圖分析了系統的主電路和控制電路，敘述了主電路與控制電路的組成，分別介紹了執行機構的功能以及控制電路的控制方式。之后又給出了本次設計的控制器件及傳感器的

37、選型，并做了簡單的介紹。51第四章 PLC軟件設計本文所設計的溫室控制系統采用了西門子公司的S7-1200系列PLC中的CPU 1212C DC/DC/DC作為系統的核心控制器，其硬件版本為V4.0，該版本只被集成在TIA Portal V13中。用戶可在PC機上通過此軟件編寫控制程序，一般采用梯形圖編程，具有直觀易懂的優點，特別適用于開關量邏輯編程18，編程結束后用戶可通過菜單欄的下載按鈕，將控制程序下載到PLC中。4.1 控制程序結構根據本課題的要求，設計了一套智能溫室控制系統，其控制程序包括四個部分：Main（OB1），Cyclic interrupt（OB30），手動控制（FC1），自

38、動控制（FC2）。主程序OB1中主要完成系統初始化，并調用函數FC1和FC2。FC1和FC2分別對應溫室系統兩種控制方式：手動控制模式和自動控制模式。而循環中斷OB30的主要功能是對模擬量模塊傳遞過來的信號進行轉換，將數字量通過標準化與標定，轉換為實際的環境參數，便于在觸摸屏上顯示和工作人員的監測。模擬量輸入轉換：本設計中選用的模擬量輸入模塊為西門子公司的6ES7231- 4HF32-0XB0模擬量擴展模塊，該模塊適用于S7-1200系列PLC。傳感器檢測溫室內部的環境變量值，轉換為電壓或者電流信號后傳遞給模擬量輸入模塊，而模擬量輸入模塊將該電壓或者電流信號轉換為-2764827648或者02

39、7648之間的當量值，然后傳送到PLC中。為了便于將當量值轉換為便于顯示及工作人員讀取的實際值，STEP 7為此提供了NORM_X和SCALE_X指令。函數調用：函數中包含一個程序，在其它代碼塊調用該函數時將執行此程序。在本系統中，主程序OB1可以調用手動控制函數FC1和自動控制函數FC2，同時具備互鎖的功能，保證在同一時刻只能調用其中一個函數。手動控制模式下，可以直接對執行機構進行強制性的操作；而自動控制模式下，系統則根據自動控制函數內部編制好的程序，對溫室內部的環境變量值與程序內的設定值進行對比、判斷，并發出指令給執行機構，驅動執行機構動作以達到改變溫室內部環境變量值的目的。接下來，本文將

40、對系統控制流程做簡要分析：開始系統初始化檢測CO2濃度A/D轉換N高于上限？關閉風機YN關閉CO2發生器開啟通風風機低于下限？Y啟動CO2發生器N圖4.1 CO2控制流程圖圖4.1為對溫室內CO2濃度的控制流程圖。CO2濃度傳感器實時檢測溫室內的CO2濃度，并輸出一個010V電壓信號，模擬量擴展模塊接收CO2濃度傳感器的電壓信號，進行A/D轉換后，輸出一個027648之間的當量值，傳遞到PLC中，與程序內設定的CO2濃度上下限作比較，若此時檢測到的CO2濃度高于設定上限，則關閉CO2發生器，同時開啟通風風機，向外排氣，降低溫室內的CO2濃度；若此時溫室內的CO2濃度低于設定上限，將其與設定下限

41、作比較，如果低于下限則將CO2發生器打開，為溫室內補充CO2。開始系統初始化檢測光照強度A/D轉換N高于上限？N低于下限？YY打開遮陽板合上遮陽板圖4.2 光照強度控制流程圖圖4.2為對溫室內光照強度的控制流程圖。光照強度傳感器對溫室內的自然光強度進行實時檢測，模擬量擴展模塊接收光照強度傳感器發出05V的電壓信號，并將其轉換成027648之間的當量值，這個值傳遞到PLC中，與已設定的光照強度上下限作比較，若此時光照強度過高，將遮陽板合上；若檢測到的光照強度比設定的上限低，再與設定下限作比較，低于設定下限則打開遮陽板。在光照強度特別低的情況下，則手動打開補光燈，補充溫室內的光照強度。開始系統初始

42、化 檢測土壤濕度A/D轉換N高于上限？YN低于下限？YY關閉灌溉水泵啟動灌溉水泵YN圖4.3 土壤濕度控制流程圖N圖4.3為對溫室內土壤濕度的控制流程圖。模擬量擴展模塊接收土壤濕度傳感器輸出02V的電壓信號，并將其轉換為相應的當量值。此值傳遞到PLC后，將其與已設定的土壤濕度上下限作比較，如果低于土壤濕度下限，則打開灌溉水泵，為溫室內的土壤提供水分，直到土壤內的水分達到程序內設定的土壤濕度上限時，停止灌溉。傳感器循環檢測，直到土壤濕度再次低于設定下限時，灌溉水泵再次工作。 開始系統初始化檢測溫度A/D轉換N低于下限？N關閉加熱管道YN高于上限？開啟加熱管道關閉風機和天窗Y打開風機、天窗圖4.4

43、 溫度控制流程圖圖4.4為對溫室內溫度的控制流程圖。溫濕度傳感器實時檢測溫室內的溫度值，傳感器與相應的變送器連接，輸出420mA的電流值，模擬量擴展模塊接收變送器輸出的電流值，并將其轉換成553027648之間的一個當量值，模擬量模塊將信號傳送到PLC中后，將與程序中設定的溫度上下限作比較，溫室內的溫度值低于設定下限時，關閉通風風機與天窗，同時開啟加熱管道，直達溫室內的溫度達到設定范圍內則停止加熱，若溫室內的溫度值高于設定上限，則打開天窗和通風風機，進行散熱操作。開始系統初始化檢測空氣濕度A/D轉換N高于上限？關閉風機YN低于下限？打開通風風機關閉空氣加濕器Y啟動空氣加濕器圖4.5 空氣濕度控

44、制流程圖圖4.5為對溫室內空氣濕度的控制流程圖。溫濕度傳感器實時檢測溫室內的空氣濕度值，傳感器與相應的溫濕度變送器連接，輸出420mA的電流值，模擬量擴展模塊接收變送器輸出的電流信號，并將其轉換成553027648之間的一個當量值后，將信號傳送到PLC中，與程序中設定的空氣濕度上下限進行對比。檢測值大于設定上限時，關閉空氣加濕器，同時打開通風風機，進行除濕操作；檢測值小于設定下限時，打開加濕水泵，補充溫室內的空氣濕度。4.2 PLC變量表傳感器將檢測到的環境變量值將送至模擬量擴展模塊，其數據類型及地址分配如表4.1所示：表4.1 模擬量的地址分配表對象變量名稱數據類型地址傳感器模擬量輸入溫度檢

45、測值IntMW42空氣濕度檢測值IntMW44土壤濕度檢測值IntMW46CO2濃度檢測值IntMW48光強檢測值IntMW50模擬量擴展模塊將傳感器去輸出的模擬量轉換成數字量后，我們需要對這些數字量進行標準化操作，便于下一步的轉換，這些變量的數據類型與地址分配如表4.2所示：表4.2 內部標準化變量地址分配表對象變量名稱數據類型地址環境變量標準化溫度標準化RealMD4空氣濕度標準化RealMD8土壤濕度標準化RealMD12CO2濃度標準化RealMD16光強標準化RealMD20 將已標準化的變量標定為對應環境變量的實際值，便于進一步的顯示，環境變量的實際輸出值所對應的數據類型及地址分配

46、如表4.3所示：對象變量名稱數據類型地址環境變量實際值輸出溫度輸出值RealMD24 空氣濕度輸出值RealMD28土壤濕度輸出值RealMD32CO2濃度輸出值RealMD36光強輸出值RealMD40表4.3 環境變量輸出地址分配表本課題設計的溫室控制系統，在手動模式和自動模式下，均可對執行機構進行控制，執行機構所對應的變量，及其數據類型和地址分配如表4.4所示：表4.4 執行機構變量的地址分配表對象輸入信號變量名稱數據類型地址天窗開啟或關閉天窗天窗開關BoolM162.6天窗上限位開關天窗開啟最大天窗上限位開關BoolM162.7天窗下限位開關天窗完全閉合天窗下限位開關BoolM163.

47、0天窗電機開啟天窗天窗電機正轉BoolQ2.4天窗電機關閉天窗天窗電機反轉BoolQ2.5遮陽板合上或打開遮陽板遮陽板開關BoolM162.3遮陽板上限位開關遮陽板開啟最大遮陽板上限位開關BoolM162.4遮陽板下限位開關遮陽板完全閉合遮陽板下限位開關BoolM162.5遮陽板電機正轉合上遮陽板遮陽板電機正轉BoolQ2.2遮陽板電機反轉打開遮陽板遮陽網板電機反轉BoolQ2.3加熱管道開啟加熱管道加熱管道開關BoolM161.6開啟加熱管道加熱管道開BoolQ0.1加濕水泵開啟加濕水泵加濕水泵開關BoolM161.7開啟加濕水泵加濕水泵開BoolQ0.2灌溉水泵開啟灌溉水泵灌溉水泵開關Bo

48、olM162.0開啟灌溉水泵灌溉水泵開BoolQ0.3二氧化碳發生器開啟二氧化碳發生器二氧化碳發生器開關BoolM162.1開啟二氧化碳發生器二氧化碳發生器開BoolQ0.4補光燈開啟補光燈補光燈開關BoolM162.2開啟補光燈補光燈開BoolQ0.5通風風機開啟通風風機通風風機開關BoolM163.1開啟通風風機通風風機開BoolQ0.6報警器關閉報警器解除報警BoolM161.5發出報警報警器BoolQ0.0在觸摸屏的組態界面中，本課題設計了環境參數的上下限設置，該設置界面在PLC中對應的變量如表4.5所示：對象變量名稱數據類型地址溫度溫度確定BoolM160.1溫度取消BoolM160

49、.2HMI顯示溫度上限IntMW52HMI顯示溫度下限IntMW54實際溫度上限IntMW72實際溫度下限IntMW74空氣濕度空氣濕度確定BoolM160.3空氣濕度取消BoolM160.4HMI顯示空氣濕度上限IntMW56HMI顯示空氣濕度下限IntMW58實際空氣濕度上限IntMW76實際空氣濕度下限IntMW78土壤濕度土壤濕度確定BoolM160.5土壤濕度取消BoolM160.6HMI顯示土壤濕度上限IntMW60HMI顯示土壤濕度下限IntMW62實際土壤濕度上限IntMW80實際土壤濕度下限IntMW82CO2濃度CO2濃度確定BoolM160.7CO2濃度取消BoolM16

50、1.0HMI顯示CO2上限IntMW64HMI顯示CO2下限IntMW66實際CO2上限IntMW84實際CO2下限IntMW86光強光強確定BoolM161.1光強取消BoolM161.2HMI顯示光強上限IntMW68HMI顯示光強下限IntMW70實際光強上限IntMW88實際光強下限IntMW90表4.5 觸摸屏設置界面的變量地址分配表在自動控制模式下，為了便于傳感器的檢測值與程序內的環境變量設定值作比較，需將設定值進行標準化操作，并轉換成模擬量，此過程需要的變量如表4.6所示：對象變量名稱數據類型地址溫度實際溫度上限IntMW72溫度上限標準化RealMD94溫度上限模擬量IntMW

51、156實際溫度下限IntMW74溫度下限標準化RealMD98溫度下限模擬量IntMW158空氣濕度實際空氣濕度上限IntMW76空氣濕度上限標準化RealMD102空氣濕度上限模擬量IntMW136實際空氣濕度下限IntMW78空氣濕度下限標準化RealMD106空氣濕度下限模擬量IntMW138土壤濕度實際土壤濕度上限IntMW80土壤濕度上限標準化RealMD110土壤濕度上限模擬量IntMW140實際土壤濕度下限IntMW82土壤濕度下限標準化RealMD114土壤濕度下限模擬量IntMW142CO2濃度實際CO2濃度上限IntMW84CO2濃度上限標準化RealMD118CO2濃度上

52、限模擬量IntMW144實際CO2濃度下限IntMW86CO2濃度下限標準化RealMD122CO2濃度下限模擬量IntMW146光照強度實際光強上限IntMW88光強上限標準化RealMD126光強上限模擬量IntMW148實際光強下限IntMW90光強下限標準化RealMD130光強下限模擬量IntMW150表4.6 環境變量上下限的地址分配表4.3 主程序塊Main（OB1） 組織塊OB控制用戶程序的執行，主程序塊使用的是程序循環OB，程序循環OB在CPU處于RUN狀態模式時循環執行19。用戶可在主程序塊中插入控制程序或調用其他功能塊，主程序塊默認為Main（OB1）。在本系統中，Main（OB1）的主要功能是完成系統初始化并調用手動控制（FC1）函