[中学]蔬菜大棚温湿度自动监控系统的设计(兰州理工 翻译)

[中学]蔬菜大棚温湿度自动监控系统的(兰州理工 翻译) LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 毕业设计 目 蔬菜大棚温湿度控制系统的PLC程序设计 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 学 院 电信学院 答辩日期 2012年6月12日 摘 要 温室大棚对现在的人们来说，是非常熟悉的一个名词，因为现在我们生活中的很多花卉、蔬菜、水果都是从温室大棚中种植出来的。如何利用自动检测与自动控制系统有效的控制好温室大棚内的各种环境因子，以提高温室大棚环境的控制精度和效果，对我国温室业的发展有着不可估量的重要意义。 本设计采用西门子S7-300系列可编程控制器来实现自动化控制的温室大棚。温度、湿度等环境因子在植物过程中起重要作用，在检测这环境因子的时候考虑到精度，反应速度，方便设备连接等问题，将采用温度传感器，湿度传感器对环境各项指标进行检测，传感器将检测的结果送入PLC中，由PLC将其与设定值进行比较，再发出相应的指令驱动电机)卷帘等设备运行或停止来调节室内的温度、湿度，从而达到智能化，自动化控制的目的。使用step7及wincc flexible实现上下位连调，详细的介绍系统的特点，组成，硬件设计及软件设计等问题。 关键词:蔬菜大棚;PLC;温湿度控制 Abstract Greenhouse for the people now is a very familiar noun, because now we live in a lot of flowers, vegetables, fruit which from greenhouse shelter of planting out. How to use automatic detection and automatic control system of effective control of greenhouse trellis inside, in order to improve the environmental factor trellis environment control precision of the greenhouse effect and has become the greenhouse industry research in China at present. This design USES the Siemens s7-300 PLC to realize the automation control greenhouse trellis. Temperature, humidity environment factors in the process of plants plays an important role in detecting the environmental factor, when considering the accuracy, the reaction speed, convenient device connected by such issues, will the temperature sensor,humidity sensors detect the indicators of environment, the sensor will test results by PLC sent PLC compare it with setting, then sends out the corresponding order-driven heating element,, the fan, ventilation window, filling light equipment, sunshade shade equipment operation or stop to adjust indoor temperature, light, humidity, so as to achieve the purpose of intelligent, automation control. Discuss PLC control system application in plants greenhouse canopy, Use the step7 and wincc flexible to achieve the upper and lower sandhi detailed introduces the characteristics of the system, the composition, the hardware design and software design. Keywords: Vegetables greenhouse;PLC system;Temperature and humidity control 目录 摘 要 ...................................................................................................... I Abstract .................................................................................................II 第一章 绪 论 ....................................................................................... 1 1.1 课题背景及研究意义 .......................................................... 1 1.2国内外温室控制技术发展概况 ............................................. 2 1.3 选题的目的和意义 ................................................................ 3 第二章 系统的整体设计方案 ............................................................. 4 2.1系统的设计任务 ..................................................................... 4 2.2 控制系统核心部件的选择 .................................................... 4 2.2.1 通讯方式简介 ............................................................. 4 2.2.2 温室控制系统硬件配置 ............................................. 5 2.3(控制方案 .............................................................................. 6 2.4.系统工作原理 ......................................................................... 7 第三章 硬件系统的研究与设计 ..................................................... 8 3.1 PLC的选型.......................................................................... 8 3.1.1 I/O地址分配............................................................. 9 3.1.2 接线图 ....................................................................... 11 3.2 传感器的选型 ...................................................................... 12 3.2.1温度传感器 ................................................................ 12 3.2.3 空气湿度传感器 ....................................................... 14 3.3 电磁阀的选型 ...................................................................... 14 3.4低压控制器件选型 ............................................................... 15 3.5主回路及控制回路的设计 ................................................... 20 3.5.1 系统主电路设计 ....................................................... 21 3.5.2 控制回路设计 ........................................................... 22 3.6 就地控制箱设计 .................................................................. 24 第四章、软件系统的研究与设计 ..................................................... 25 4.1 STEP7软件编程简介........................................................... 25 4.1.1 软件简介 ................................................................. 25 4.1.2软件运行 .................................................................... 27 4.1.3 主要功能块简介 ....................................................... 28 4.2系统流程图 ........................................................................... 29 4.2.1 主程序流程图 ........................................................... 29 4.2.2 温度子程序 ............................................................... 29 4.2.3 湿度子程序 ............................................................... 30 4.2.4 故障报警子程序 ....................................................... 32 第五章 控制系统监控界面设计 ....................................................... 34 5.1 上位软件 .............................................................................. 34 5.2 通讯连接 .............................................................................. 34 5.3 人机界面 .............................................................................. 35 结 论 ................................................................................................... 37 致谢 ..................................................................................................... 38 参考文献 ............................................................................................. 39 外文翻译 ............................................................................................. 41 附录一:程序梯形图 ......................................................................... 60 第一章 绪 论 1.1 课题背景及研究意义 中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如:空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。当前农业温室大棚大多是中、 小规模， 要在大棚内引人自 动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，结合郊区农户的需要， 设计了一套低成本的温湿度自动控制系统。该系统采用传感器技术和PLC相结合，由上位机和下位机( 都用单片机实现) 构成，采用MPI网络进行通讯，实现温室大棚自动化控制。 目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。 1.2国内外温室控制技术发展概况 温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。 从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段: (1)手动控制。 这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。 (2)自动控制。 这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。 (3)智能化控制。 这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。 1.3 选题的目的和意义 大棚是蔬菜栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类作物对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。该系统可自动控制浇水、降温。根据需要，通过按键将温度信息输入wincc flexible，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。本文将使用PLC与上位机结合对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制温室大棚温度、湿度等的控制系统。目的是通过这次毕业设计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。 第二章 系统的整体设计方案 2.1系统的设计任务 植物温室大棚的作用是改变植物的生长因子，从而避免四季的气候变化和恶劣气候对植物生长的不良影响，为植物提供一个良好的生长环境，在温室大棚中，一般利用一些采光性较好和钢铁，还有遮阳性的材料作为主要结构材料。它可以培养不适应在该季节下生长的植物，对农作物的生长因子进行调节，促进植物的生长发育，防止病虫害，以达到增加产量的目的。温室中的温度，光照，湿度，CO2浓度，土壤酸碱度等因素对植物的生长起着重要作用，本设计主要研究温室控制的主要对象是温度，湿度，应用温度传感器，湿度传感器对各环境因子进行检测。温度的调节主要通过卷帘的动作进行解决，湿度则由水泵电机的灌溉系统进行补偿，网络监控设备选用普通PC，现场装备了控制箱作为现场监控装置。 被控对象为10个蔬菜大棚的温湿度控制，每个大棚内有一个15Kw水泵电机和10Kw的卷帘电机(水泵电机与卷帘电机可以实现就地控制，也可以实现远程计算机控制)。温度控制精度为:?0.5?，土壤湿度控制精度为:?5%。可以加入空气湿度控制，其精度为:3%RH(需要加入喷雾控制)。 尝试构建该系统的分布式控制结构,保证各子系统的相对独立性,使系统具有可靠性高，拓展性强的特点。 2.2 控制系统核心部件的选择 2.2.1 通讯方式简介 MPI网络是是基于MPI(Multiplant Interface)多点接口协议的通信网络，当通信速率要求不高、通信数据量不大时一种简单经济的通信方式。MPI通信主要的优点是CPU可以同时与多个设备建立通信联系，即编程器/上位机、HMI设备和其他的PLC可以连接在一起并同时运行。每个控制点是同级的，对每个大棚的PLC赋予不同的地址，都由上位机来控制。相对于其它总线网络结构，它更简单、更经济。由于西门子PLC S7-200/300/400 CPU上的RS485接口不 仅是编程接口，同时也是一个MPI的通信接口，所以在没有额外硬件投资的状况下，可以实现PG/OP、全局数据通信以及少量数 PLC、TP/OP、PG/PC、ET200S据交换的S7通信等通信功能，其网络节点通常包括S7 以及RS485中继器等网络元器件。MPI网络最多可以连接32个节点。 MPI网络的通信速率为19.2Kbit/s-12Mbit/s，通常默认设置为187.5Kbit/s，只有能够设置 为PROFIBUS 接口的MPI 网络才支持最大的12Mbit/s 的通信速率。。普通PC 需要通过MPI/PROFIBUS通信卡(如CP5512/CP5611/CP5613等)联入MPI网络，其中CP5611和CP5613用于台式电脑，后者带网络诊断功能，但价格相对较高。 2.2.2 温室控制系统硬件配置 在工业自动控制系统中，单片机控制与PLC控制是最常用的自动控制系统，但与单片机相比，PLC具有极高的可靠性、灵活性、编程相对简单、扩展模块丰富等等优点，能够广泛应用到实际生产中。由德国SIEMENS系列产品产品具有功能强大，可靠灵活，实用性强等特点。从系统的整体性出发，考虑到经济性、适用性、功能性等各方面原因，我们选用西门子公司的产品，以最优的性能/价格比进行系统配置。本系统可以实现各个子系统的单独调用，通过通讯网络由总控制室统一管理，便于实现多路控制。 S7-300系列的PLC是一种中等PLC系统，其功能非常强大，针对中小型自控应用，是面向生产制造领域的最佳系统解决方案。 1)功能强，性能价格比高 2)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 3)可靠性高，抗干扰能力强 4)系统的设计、安装、调试工作量少 5)编程简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 6)维修工作量少，维修方便 PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。 7)体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器。 8)与时俱变，能实现网络通讯 PLC可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理。并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。 9)提升产品技术含量，增加产品形象～ 10)对未来机械升级很方便 高效率的组态和编程，基于世界标准的STEP 7 更高的可用性 ，基于强大的集成的诊断功能，高效的处理速度可极大的缩短设备的循环时间，节省空间，模块化设计 ，没有槽位规则。基于以上优点本设计采用S7-300系列的PLC。 本系统选用SIMATIC S7-300 系列PLC作为现场控制设备，因为该系列PLC具有较高的性价比，且具有强大的网络通信功能。同时配置了空气温度传感器)土壤湿度传感器用于检测温室内环境变量;装备了水泵)卷帘等设备，用于改变温室内各环境变量的数值;网络监控设备选用普通PC，现场装备了控制箱作为现场监控装置。 2.3(控制方案 植物的生长是在一定环境中进行的 ,在生长过程中受到环境中各种因素的影响 ,其中对植物生长影响最大的是温度、湿度和光照度。环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大 ,对植物生长极为不利。现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对植物的生长进行合理的控制 ,而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。因此 ,本系统就是利用PLC作为控制器，采用传感器对温室温度、温度等环境因素进行巡回测量，并将结果送到PLC中，由PLC对结果进行处理，然后调控各设备对环境因子进行补偿。现场可采用现场控制箱控制，PC通过MPI网络实现远程监控。其硬件连接方式如下: 图2.1硬件连接方式示意图 2.4.系统工作原理 系统由温度传感器，湿度传感器，PLC系统，加温设备，加湿设备，通风设备等几个部份组成。系统的工作过程如图所示: 温湿度设定值 PLC系统 温度控制装 置(卷帘) 湿度控制装置(水温、湿度传感器 泵、电磁阀) 图2.2 系统的工作过程 该温室控制系统是利用PLC模块将湿度传感器，温度传感器采集的有关参数转换成数字信号，并且把采集的参数与已设定的值进行比较，再经过PLC的比较后，给出相应的的控制信号对执行机构进行控制。在此系统中还可以通过串口的形式与PC机相连，从而实现实时数据的管理与存储，以后植物生长的研究带来宝贵资料。传感器把生物有关的环境因子(湿度，温度)参数转换成为电信号，其中温度传感器的输出电压对应一个温度，并且具有测量精度高，测量范围广，构造简单，价格低廉等特点，可以把-10?,100?的温度转换成0,5V的电压，在湿度传感器测量中可以将相对湿度0%,100%的相对湿度转换成0,5V的电压信号。温室控制执行机构包括卷帘)水泵、电磁阀等。系统开始工作时，PLC通过温度传感器，湿度传感器来检测温室内的温度，湿度与设计值相比较，如果温度，湿度超出设定值上下限值，PLC就会输出指令，控制动作相应的执行设备。相反，如果测量值在设定值范围内则发出指令停止相应的设备。 第三章 硬件系统的研究与设计 3.1 PLC的选型 系统选用西门子公司的S7-300 PLC实现集中监控。根据系统控制要求并考虑留有一定的裕量，PLC由电源模块PS307)CPU模块CPU313c-2DP)I/O模块(1块模拟量输入SM 331)组成，具体硬件配置如下: 1.电源模块PS307:输入电压为220V AC，输出电压为24V DC，输出电流为5A，向其他PLC模块供电。 PLC内部的电源可分为:内部——开关稳压电源，供内部电路使用;大多数机型还可 以向外提供DC24V稳压电源，为现场的开关信号、外部传感器 供电。 外部——可用一般工业电源，并备有锂电池(备用电池)，使 外部电源故障时内部重要数据不致丢失。 西门子PLC有多种24-VDC 电源模块可用于S7-300 PLC 和传感器/执行器。 本次设计中考虑到带负载能力等电源选择5 A 电源模块6ES7 307-1EA00-0AA0即可，其属性如下: 输出电流为5 A 输出电压为24 VDC;短路和断路保护 与单相交流电源连接(额定输入电压120/230 VAC，50/60 Hz) 安全隔离符合EN 60 950 可用作负载电源 2.CPU模块 CPU——是PLC的核心部分。与通用微机CPU一样，CPU在PC系统中的作用类似于人体的神经中枢。其功能: (1)用扫描方式(后面介绍)接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器; (2)接收并存储从编程器输入的用户程序和数据; (3)诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误; (4)在PC进入运行状态后: a) 执行用户程序——产生相应的控制信号(从用户程序存储器中逐 条读取指令，经命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去 启闭有关的控制电路) b) 进行数据处理——分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、 比较、变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务 c) 更新输出状态——输出实施控制(根据运算结果，更新有关标志 位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的 内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等) 本次设计大棚温湿度控制系统中输入输出IO点数由紧凑型PLC支持足以，并且由方案论证中可知PLC选择的是西门子公司的S7-300系列，考虑到价格、存储、通信方式等，CPU型号选择为313C-2DP型，带集成数字量输入/输出和一个MPI接口和一个DP接口的紧凑型CPU，带有与过程相关的功能，可以完成具有特殊功能的任务和连接单独的I/O设备，32kBRAM，24VDC电源，内置16DI/16DO。 3.I/O模块 PLC系统的输入信号包括各个大棚的温度及湿度信号)电机启动停止信号)自动手动转换开关信号)现场远程转换开关信号。温湿度模拟量信号用模拟量输入模块SM 331来扩展。由输入点数以及考虑到10%-20%的冗余，扩展模块选择为模拟量输入模块 SM 331; AI 8 x 16 位;(6ES7 331-7NF10-0AB0)，其属性为: • 4 个通道组中的8 点输入 • 测量值精度 = 15 位 + 符号(独立于积分时间) • 每个通道组的可选测量方法: – 电压 – 电流 • 用户定义的测量范围设置和每个通道组的过滤/刷新率 • 可编程诊断 • 可编程诊断中断 • 带限制值监视功能的2 个通道 • 超限时的可编程中断 • 与背板总线接口电气隔离 • 通道间的允许CMV:最大50 VDC 3.1.1 I/O地址分配 由系统设计需要输入信号有启动、停止、温度传感器、空气湿度传感器、土壤湿度传感器等;输出信号被控对象有卷帘电机、水泵电机、电磁阀、报警装置等，其I/O 地址分配表如下: 表3-1 I/O分配表 输入信号 类名称 符号 端子分配 备注 型 转换开关 SA1 I0.0 就地远程转换开关就地 数字量转换开关 SA1 I0.1 就地远程转换开关远程 输入信按钮 SB1 I0.2 总启动按钮 号 按钮 SB2 I0.3 总停止按钮 按钮 SB3 I0.4 急停按钮 行程开关 SQ1 I0.5 卷帘上限位开关 行程开关 SQ2 I0.6 卷帘下限位开关 传感器 L1 PIW256 温度传感器1 传感器 L2 PIW257 土壤湿度传感器1 模传感器 L4 PIW259 空气湿度传感器1 拟量输传感器 L5 PIW260 温度传感器2 入信号 传感器 L6 PIW261 土壤湿度传感器2 传感器 L7 PIW262 空气湿度传感器2 输出信号 类名称 符号 端子分配 备注 型 继电器 K1 Q0.0 卷帘电机正转 继电器 K2 Q0.1 卷帘电机反转 数继电器 K3 Q0.2 水泵电机启动 字量输继电器 K4 Q0.3 电磁阀启动 出信号 指示灯 HL1 Q0.4 卷帘正转指示灯 指示灯 HL2 Q0.5 卷帘反转指示灯 指示灯 HL3 Q0.6 水泵启动指示灯 指示灯 HL4 Q0.7 电磁阀启动指示灯 指示灯 HL5 Q1.0 卷帘报警指示灯 指示灯 HL6 Q1.1 水泵报警指示灯 指示灯 HL7 Q1.2 电磁阀报警指示灯 3.1.2 接线图 (1)由PLC地址分配列表可以得到CPU接线方式，其接线图如图所示: 图3.1 CPU模块接线图 PLC主体模块接线如图三所示。PLC的输出触点负载能力偏低，如果直接带动电机等负载，输出触点容易损坏，故采用中间继电器作为中间元件，间接控制电机的启停及正反转。由中间继电器触点控制交流接触器，交流接触器作为控制元件来控制电机启停和正反转。 (2)温、湿度传感器与PLC扩展模块SM331的接口电路 图3.2 模拟量模块接线 3.2 传感器的选型 本系统设计了对与作物生长发育有关的环境温度、土壤湿度等参数进行采集的功能，实现温室大棚内各种参数的数据采集任务，传感器负责对温室环境因子的采集，将采集信转换为0-5伏的电压信号，送入PLC，供PLC使用，而使用的各类传感器，分别介绍如下: 3.2.1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。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场超过了其它的传感器。温度传感器主要四种类型:热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟量输出和数字量输出两种类型。在温度传感器的选择上余地比较大，在此选用PH-QW 大气温度传感器,PH-QW大气温度传感器采用光刻铂电阻作为感应部件，感应部件位于杆头部，外有一层滤膜保护膜可配专用的防辐射罩，保护传感器免受太阳辐射和雨淋。 技术指标: ?测量范围:-50,+100? ?分 辨 率:0.1? ?准 确 度:?0.2? ?供电电源:2.5V(标配)、5V、12V、24V ?输出形式:a: 0-5VDC; b: 4,20mA; c: RS232/RS485网络通讯 特点:精度高、低漂移、响应速度快、体积小、安装方便、性能稳定、使用寿命长、抗干扰能力强 土壤湿度传感器 湿度传感器分为空气湿度传感器和土壤湿度传感器两种。温室的湿度如果能控制在一定范围内，则可以大大降低双霉病、炭霉病及疫害病的发病率。 土壤湿度度能够适当的控制在植物生长范围内的话，可以提高植物的生长，防止植物根部腐烂，节约用水等。水分是决定土壤介电常数的主要因素，测量土壤的介电常数，能直接稳定地反应各种土壤的真实水分含量，与 土壤本身的机理无关，是目前国际上最流行的土壤水分测量方发法。在此选用 PH-TS 土壤湿度传感器 ，PH-TS土壤湿度传感器是一款高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器。 性能指标 测量参数: 土壤容积含水量 ?单 位: %(m3/m3) ?量 程: 0,100%(m3/m3) ?精 度: 0,50%(m3/m3)范围内为?2%(m3/m3) ?分 辨 率: 0.1%(m3/m3 ) 90%的影响在围绕中央探针的直径3cm、长为6cm的圆柱体?测量区域: 内 ?稳定时间: 通电后约1秒 ?响应时间: 响应在1秒内进入稳态过程 ?工作电压: 电流输出为12V—24V DC,电压输出为5V DC ?工作电流: 50,70mA，典型值50 mA a: 0-5VDC; ?输出形式: b: 0,20mA; c: RS232/RS485网络通讯 ?密封材料: ABS工程塑料 ?探针材料: 不锈钢或铜 ?电缆长度: 标准长度5m ?遥测距离: 小于1000米 3.2.3 空气湿度传感器 空气湿度传感器选用PH-QS大气湿度传感器，可用来测量空气湿度，感应部件采用高分子薄膜湿敏电容，位于杆头部，这种具有感湿特性的电介质其介电常数随相对湿度而变化。 技术参数 测量范围:0,100%RH 输出范围:0,100%RH 0,5VDC 分 辨 率:0.1%RH 准 确 度:?3%RH(T>0?) ?5%(T?0?) 稳 定 性:<1%RH/年 供电电源:DC5V、DC12V、DC24V可选 输出形式:1、电流:4-20mA 2、电压: 0-5VDC; 3、RS232/RS485网络通讯; 4、TTL电平:频率和脉宽两种。 工作环境:温度-40?,50? 湿度?100%RH 稳 定 性:<1%RH/年 产品重量:传感器140g，带变送器550g 负载能力:电流型输出阻抗?250Ω 电压型输出阻抗?1KΩ 产品功耗:6mW(电压型) 3.3 电磁阀的选型 电磁阀是用来控制液体的方向的自动化基础元件，属于执行器;通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。电磁阀常与空气过滤器 ，回信器连接叫气动三联件。 本系统的电磁阀主要用于农业用水，可以选用电磁阀DP-10，下表为DP-10的介绍: 表3-2 电磁阀DP-10 型号 DP-10 适用流体 空气、蒸汽、水、其它非危害性流体 适用压力 0.05,1.0Pa(0.5,10Kgf/cm?G) 最低动作压差 0.05MPa(0.5Kgf/cm?G) 最高温度 180? AC100/200V结线方法选择形50/60Hz 电压规格 AC110/220V结线方法选择形50/60Hz AC120/240V结线方法选择形50/60Hz 动作方式 通电开动形 连接方式 JIS Rc(PT)螺丝 阀箱 青铜 材料 活塞 不锈钢 阀体 氯化乙烯树脂 公称直径 10,50A 3.4低压控制器件选型 一、按钮 LA 25系列控制按钮采用积木式结构、插接式连接，可以自由组合常开、常闭触头的对数，。LA25系列控制按钮是目前国内规格品种最齐的一种控制按钮系列。 本系统需三种不同按钮:启动、停止和急停按钮。按各自功能选择不同型号，启动为LA25-20/12，有两对常开触头，为绿色圆形按钮。停止为LA25-02/11，有两对常闭触头，为红色圆形按钮。急停为LA25-11M/21为红色蘑菇状按钮。 二、行程开关 JLXKl系列行程开关有单轮防护式、双轮防护式、直动防护式和直动滚轮防护式。触头数量为1常开和1常闭。交流接通电流5A。 三、断路器 塑壳式断路器的选用塑壳式断路器常用来作电动机的过载与短路保护，其选择原则是: 1)断路器额定工作电压等于或大于线路额定电压。 2)断路器额定电流等于或大于线路计算负荷电流。 3)断路器通断能力等于或大于线路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值计 算。 4)断路器欠压脱扣器额定电压等于线路额定电压。 5)断路器分励脱扣器额定电压等于控制电源电压。 6)长延时电流整定值等于电动机额定电流。 7)瞬时整定电流:对保护笼型感应电动机的断路器，其瞬时整定电流为(8~15)倍电动机额定电流;对于保护绕线型电动机的断路器，其瞬时整定电流为(3~6)倍电动机额定电流。 8)6倍长延时电流整定值的可返回时间等于或大于电动机实际起动时间。按起动时负载的轻重，可选用可返回时间为1、3、5、8、15s中的某一档。 3VE系列断路器3VE系列断路器是从德国西门子公司引进技术生产的产品。适用于交流50Hx或601-Iz，电压660V及以下，电流20-63A的电路中，作为小容量电动机和线路的过载及短路保护用，并可在正常情况下作为不频繁操作的线路转换或电动机直接起动用。3VE系列断路器主要由操作机构、触头、灭弧装置、热脱扣器、电磁脱扣器、绝缘基座和塑料外壳组成。脱扣器具有温度补偿装置，故在正常工作条件下，其保护特性不受环境温度影响。3VEl、3VE3、3VFA型断路器分别为按钮操作、旋钮操作和手柄操作。断路器可用安装孔板前安装，3VEl、3VE3亦可用底板上设置的标准安装导轨嵌卡安装。根据要求选择3VE4系列断路器。 四、熔断器 熔断器的选择熔断器选择包括熔断器类型选择和熔体额定电流确定两项内容。 1)熔断器类型的选择 熔断器类型应根据负载的保护特性和短路电流大小来选择。对于保护照明和电动机的熔断器，一般只考虑它们的过载保护，这时，熔体的熔化系数适当小些。对于大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力来选择。当短路电流较大时，还应采用具有高分断能力的熔断器甚至选用具有限流作用的熔断器。 此外，还应根据熔断器所接电路的电压来决定熔断器的额定电压。 2)熔体与熔断器额定电流的确定 熔体额定电流大小与负载大小、负载性质有关。对于负载平稳、无冲击电流，如一般照明电路、电热电路可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。对于有冲击电流的电动机负载，为达到短路保护目的，又保证电动机正常起动，对笼型感应电动机其熔断器熔体的额定电流为: 单台电动机 INP=(1.5 ~ 2.5)INM (3-1) 式中，INP为熔体额定电流(A);INM为电动机额定电流(A)。 多台电动机共用一个熔断器保护 INP =(1.5 ~ 2.5)INM max + ΣINM (3-2) 式中，INM max为容量最大一台电动机的额定电流(A);ΣINM为其余各台电动机额定电流之和(A)。 在式(3-1)与式(3-2)中，对于轻载起动及起动时间较短时，式中系数取1.5;重载起动及起动时间较长时，式中系数取2.5。 熔断器的额定电流大于或等于熔体额定电流。 3)校核熔断器的保护特性 对上述选定的熔断器类型及熔体额定电流，还须校核该熔断器的保护特性曲线是否与保护对象的过载特性有良好的配合，使在整个范围内获得可靠的保护。同时，熔断器的极限分断能力应大于或等于所保护电路可能出现的短路电流值，这样才能得到可靠的短路保护。 4)熔断器上、下级的配合 为满足选择性保护的要求，应注意熔断器上下级之间的配合。一般要求上一级熔断器的熔断时间至少是下一级的3倍，不然将会发生超级动作，扩大停电范围。为此，当上下级选用同一型号的熔断器时，其电流等级以相差2级为宜;若上下级所用的熔断器型号不同，则应根据保护特性上给出的熔断时间来选取。 RLlB系列带断相保护螺旋式熔断器RLlB系列熔断器适用于交流50Hz、电压至380V、电流至100A的电路，作过载、短路及断相保护用。由于熔断器装有微动开关，其常闭触头接于主电路的控制电路中，当主电路过载或短路使熔断器动作，微动开关常闭触头断开，从而切断控制电路电源，进而使主电路断开电源，避免了电机或用电设备的断相运行。 五、.热继电器 选择热继电器主要用于电动机的过载保护，因此必须了解电动机的工作环境、起动情况、负载性质、工作制及允许的过载能力。应使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之下，并尽可能接近，以便充分发挥电动机的过载能力，同时对电动机短时过载和起动瞬间不受影响。 热继电器的选择与所保护电动机的工作制度密切相关，现分述如下: 长期工作或间断长期工作制时: 1)为保证热继电器在电动机起动过程中不产生误动作。选取热继电器在6IN下动作时间的0.5~0.7可返回时间的热继电器。6IN下动作时间可在热继电器安秒特性上查获。 2)热继电器整定电流范围的中间值为电动机的额定电流。使用时，应将热继电器整定电流旋钮调至该额定值，否则起不到保护作用。 3)电动机断相保护时热继电器的选择。选用何种热继电器作电动机断相保护是与电动机定子绕组的接线形式直接有关。 当电动机定子绕组为Y接时，带断相保护和不带断相保护的三相热继电器接在相线中，在发生三相均匀过载、不均匀过载或发生一相断线时，因流过热继电器的电流即为流过电动机绕组的电流，所以热继电器可以如实反映电动机过载情况，它们均可实现电动机断相保护。 当电动机定子绕组接成Δ接时，为实现断相保护，带断相保护和不带断相保护的热继电器接人电动机定子电路的方式便不同。 对于不带断相保护的热继电器，若仍接在定子相线中，如在电动机起动前已发生一相断线时，流过热继电器的电流为4.5~6倍的电动机额定电流，足以使热继电器动作;如电动机运行中且在满载情况下发生一相断线时，此时电流最大的一相绕组中的电流达到2.4~2.5倍的相电流，而流过热继电器的线电流也达2倍额定电流，仍可使热继电器动作。所以，在上述两种情况下，热继电器接于相线中，对电动机可以起到断相保护作用。然而大多数电动机运行在低于满载情况下发生断线，按前面分析可知，当电动机运行在0.58的额定电流时若发生断线，最严重一相绕组中的相电流可达1.15倍的额定相电流，这对该相绕组来说已处于过载状态，但由于热继电器是接于相线上，故不能使热继电器动作，也就不能实现电动机的断相保护。所以，若使用不带断相的三相热继电器来实现断相保护时，应将三个发热元件分别串接于电动机三相绕组的相电路中，但这种接线方式将带来一些不便。为此，Δ形接线的三相电动机不应选择不带断相保护的三相热继电器，而应选择三相带断相保护的热继电器，并可将其串接于电动机线电路中，由于有差动结构的作用可以实现断相保护。 反复短时工作制时: 热继电器用于反复短时工作制的电动机时应首先考虑热继电器的允许操作频率。当电动机起动电流为6 IN、起动时间为1s、电动机满载工作、通电持续率为60,时，每小时允许操作次数最高不超过40次。 对于正反转密集通断工作的电动机，不宜采用热继电器保护，可选用埋人电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。 3UA5、6系列热继电器3UA5、6系列热继电器适用于交流电压至660V、电流从0(1A至630A的电路中，用作三相交流电动机的过载保护和断相保护。它是引进德国西门子公司的技术生产的。其热元件的整定电流各号之间重复交叉，便于选用。 3UA5、6系列热继电器的三相主双金属片共用一个动作机构，动作指示和电流调节机构位于双金属片的上部，呈立体式结构。除复位按钮和断开,试验按钮外还有动 作灵活性检查机构。热继电器有一常开、一常闭触头。 六、接触器 接触器使用广泛，但随使用场合及控制对象不同，接触器的操作条件与工作繁重程度也不同。因此，必须对控制对象的工作情况以及接触器性能有一较全面的了解，才能作出正确的选择，保证接触器可靠运行并充分发挥其技术经济效果。为此，应根据以下原则选用接触器。 1)(根据主触头接通或分断电路的电流性质来选择直流还是交流接触器。 2)(根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器。如负载为一般任务则选用AC-3使用类别;负载为重任务时选用AC-4使用类别。 3)(根据负载的功率和操作情况来确定接触器主触头的电流等级。当接触器的使用类别与所控制负载的工作任务相对应时，一般应使接触器主触头的电流额定值与所控制负载的电流值相当，或稍大一些。若不对应，如用AC-3类的接触器控制AC-3与AC-4混合类负载时，则应降低电流等级使用。 4)(根据被控电路电压等级来选择接触器的额定电压。 5)(根据控制电路的电压等级来选择接触器线圈的额定电压等级。 3TB系列空气电磁式交流接触器该系列接触器是从德国西门子公司引进专有制造技术而生产的产品，适用于交流50Hz或60Hz，其中3TB40,3TB44额定工作电流为9,32A，额定绝缘电压至660V;3TB463TB58型额定工作电流为80,630A，额定绝缘电压为750-1000V。主要供远距离接通和分断电路用，并适用于频繁地起动和控制交流电动机。3TB系列交流接触器为E形铁心、双断点触头的直动式运动结构。辅助触头有一常开、一常闭或二常开、二常闭。它们可直接装于接触器整体结构之中，也有做成辅助触头组件附于接触器整体两旁。接触器动作机构灵活，手动检查方便，结构设计紧凑。接线端处都有端子盖覆罩，可确保使用安全。接触器外形尺寸小巧，安装面积小，其安装方式可由螺钉紧固，也可借接触器底部的弹簧滑块扣装在35mm宽的卡轨上，或扣装在75mm宽的卡轨上。主触头、辅助触头均为桥式双断点结构，因而具有高寿命的使用性能及良好的接触可靠性。灭弧室均呈封闭型，并由阻燃型材料阻挡电弧向外喷溅，以保证人身及邻近电器的安全。 磁系统是通用的，电磁铁工作可靠、损耗小、无噪声、机械强度高，线圈的接头处标有电压规格标志，接线方便。 七、中间继电器 JZll、JZl4、JZl5系列中间继电器JZll系列、JZl4系列、JZl5系列中间继电器，适用于交直流控制线路，作为信号传递用，以增加信号的大小及数量，弥补主触头数量 或容量的不足。其磁系统为螺管直动式，线圈和铁心位于中央，左右两边各带四对触头，触头为桥式双断点。静触头底下设有永久性磁钢，以助灭弧。交、直流继电器的基本结构相同，仅线圈和铁心结构有区别，交流铁心开槽并设有短路环。根据需要选择JZ144-62J型中间继电器。 八、转换开关 LW5系列万能转换开关本系列转换开关适用于直流、交流50Hz、电压500V及以下的电路，作主电路或电气测量仪表的转换开关及配电设备的遥控开关;也可作为伺服电动机及容量5.5kW及以下三相交流电动机的起动、换向或变速开关。该系列转换开关按接触装置的档数有1~16和18、21、24、27、30等21种，其中16档及以下为单列转换开关;18档及以上为三列转换开关。按防护形式有开启式和防护式两种。按手柄类型有旋钮、普通、机床和枪形四种。按手柄操作方式分为自复式和定位式两种。 表3-3 低压器件选型表 名称 符号 型号 数量 PLC CPU S7-313C-2DP 1 转换开关 SA LW5-15D318 1 按钮(启动) SB LA25-20/12 4 按钮(停止) SB LA25-02/11 3 按钮(急停) SB LA25-11M/21 1 信号灯(绿) HL XB2BVB3LC 3 信号灯(红) HL XB2BVB4LC 2 接触器 KM 3TB 47170A 3 中间继电器 K JZ14-62J 3 熔断器 FU RL1B100 2 热继电器 FR 3UA5 2 低压断路器 QF 3VE4 1 行程开关 SQ JLXK1 2 隔离开关 QS HH15-125 3 3.5主回路及控制回路的设计 一台PLC控制两个大棚，每个大棚内有一个15Kw水泵电机和10Kw的卷帘电 机。卷帘电机需要实现正反转控制。 3.5.1 系统主电路设计 (1)卷帘需要卷起和打开，，利用电机的正反转来完成此项工作。在电机工作过程中，如果卷帘卡会使电机负载过大，因而在电路中应加入热继电器FR1来保护电机。同样在电机运行时电路电流可能会增加，当增加到一定值时也会烧坏电机，在电路中可以加入熔断器来实现电机的过流保护。要实现电机的正反转只要把其中的两相线路交换即可现在电机的正转和反转，在设计中采用两个接触器通断来实现电机的正反转，其中接触器通断控制由PLC来完。由以上要求可以设计出卷帘主电路如图所示: 图3.3 卷帘主电路 (2)水泵的运转主要由电机的通断实现，可以由一个接触器来实现水泵的控制，在电路中必须加有短路保护、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的保护。由以上要求可以设计如下的电路: 图3.4 水泵主电路 3.5.2 控制回路设计 1)正反转设备控制电路 卷帘属于正反转设备，其控制电路如下图所示 图3.5 卷帘控制回路 卷帘控制电路原理图如图七所示，SB1为总启动按钮，SA1为就地/远程的切换开关。在就地手动状态下，SB4、SB6分别为卷帘打开、卷起按钮，SB5为卷帘停止按钮。SB3为卷帘急停按钮。按下按钮SB4，交流接触器KM1的线圈得电，指示灯HL1亮，同时KM1的常开触点闭合，起自锁作用，此时电机正转，卷帘打开，当卷帘开启到最大位置后触碰卷帘限位开关SQ1，其常闭触点断开，KM1的线圈失电，电机停止转动;同理当按下按钮SB6，卷帘卷起，到卷起的最大位置后，电机停转;按下按 钮SB3，KM1或KM2的线圈失电，卷帘停止动作，用于急停操作。接触器KM1、KM2的互锁可防止两个接触器同时得电吸合。远程手动由上位机实现控制，中间接触器K1的线圈得电时，其常开触点闭合，卷帘打开;中间接触器K2的线圈得电时，其常开触点闭合，卷帘卷起。卷帘等正反转设备何时开启或闭合由硬件、算法和程序共同决定。 2)开/关设备控制电路 图3.6 水泵控制电路 水泵电机控制电路原理图如图八所示，SB1为总启动按钮，SA1为就地/远程的切换开关，SB3为急停按钮。在就地手动状态下，SB7为启动按钮，SB8为停止按钮。 ，交流接触器KM3的线圈得电，指示灯HL3亮，同时KM3的常开触按下按钮SB7 点闭合，起自锁作用，此时电机运转;按下按钮SB8，KM3的线圈失电，热电机停止工作。在远程手动状态下，由上位机实现控制，中间接触器K3得电时，其常开触点闭合，电机运行。电机等开/关设备的启停同样由硬件、算法和程序共同决定。 (3)喷灌系统 利用机械和动力设备，使水通过喷头(或喷嘴)躲至空中，以雨滴状态降落田间的灌溉方法。喷灌设备由进水管、抽水机、输水管。配水管和喷头(或喷嘴)等部分组成，可以是固定也或移动的。具有节省水量。不破坏封结构。调节地面气候且不受地形限制等优点。如果是在安装的时候应该留有临时取水点，便于对那些由于灌溉时没有灌溉到的死角进行人工灌溉。在敷设管道的时候，应该尽量把管子埋深一些，以免因对土壤耕地时破坏掉管道。安装电磁阀开关时，应尽量把电磁阀远离喷头，避免在灌溉的时候有水淋湿电磁阀，造成电磁阀电路出问题，此外接头处应尽量拧紧。安装好后进行测试，以每个需要灌溉的地方都要喷灌到，如果有没有灌溉到的地方应及时调整，并仔细检查管道接口处有无漏水，经测试完成后方可投入使用。 3.6 就地控制箱设计 就地控制箱是由多个开关设备和相应的控制、测量、信号等元件，以及所有内部的电气和机械连接部件构成的一个组合体。控制箱上配有就地近程转换开关，就地功能用于现场控制柜手动控制，远程由上位机控制，分为手动控制和自动控制。其中按钮部分用于手动控制下控制各执行机构的运行状态，而指示灯部分则显示各执行机构的实际运行状态。 图3.7就地控制柜面板 第四章、软件系统的研究与设计 4.1 STEP7软件编程简介 西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。 PCD1 和 PCD2 Saia-PCD 控制设备也可以用 Siemens Step7 来编程。使用Step7编程可以在Saia PCD上实现某些集成在Step7内的功能.不只是兼容西门子STEP7具有以下功能:硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和Win AC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。软件界面如图所示 图4.1 step7软件界面图 4.1.1 软件简介 1.STEP7的窗口组件 STEP7-Micro/WIN编程软件主界面由浏览条、指令树、菜单栏、工具条、局部变量表、状态栏、输出窗口、程序编辑区等部分组成。 2. STEP7-Micro/WIN窗口界面功能介绍 浏览条 浏览条为编程提供按钮控制，可以实现窗口的快捷切换; 指令树 指令树以属性结构提供变成使用到的所有快捷操作指令和PLC指令，它由项目分支和指令分支组成; 菜单栏 V4.0 STEP7-Micro/WIN有8个主菜单:文件、编辑、查看、PLC、调试、工具、窗口、帮助，这些菜单允许使用鼠标或对应热键进行操作; 工具条 工具条为最常用的STEP7-Micro/WIN操作提供了便利的鼠标操作访问，常用工具条分为标准工具条、调试工具条、公用工具条和LAD指令工具条; 局部变量表 每个程序块对应一个局部变量表，局部变量表用来定义局部变量，局部变量只在建立局部变量的POU中才有效; 状态栏 又称任务栏，它提供了在STEP7-Micro/WIN中操作时的操作状态信息。 输出窗口 输出窗口用来显示STEP7-Micro/WIN程序编译的结果，如编译结果是否有错误、错误编码和位置等; 程序编译区 用户可以在程序编译区使用梯形图、助记符或功能块图进行程序的编写。 STEP 7的标准版只配置了3种基本的编程语言，梯形图(LAD)、功能块图(FDB)和语句表(STL)，有鼠标拖放、复制和粘贴功能。语句表是一种文本编程语言，使用户能节省输入时间和存储区域，并且“更接近硬件”。STEP 7专业版的编程语言包括S7-SCL(结构化控制语言)、S7-GRAPH(顺序功能图语言)、S7 HiGraph和CFC，这四种语言对于标准版是可选的。STEP 7用符号表编辑器工具管理所有的全局变量，用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。 测试功能和服务功能包括设置断点、强制输入和输出、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时监测几个块的状态等。程序中的特殊点可以通过输入符号名或地址快速查找 STEP 7的帮助功能:选定要得到的在线帮助的菜单目录，或打开对话框，按F1键便可得到与它们有关的在线帮助。执行菜单命令“Help”?“Contents”进入帮助窗口，借助目录浏览器寻找需要的帮助主题，窗口中的检索部分提供了按字母顺序排列的主题关键词，可以查找与某一关键词有关的帮助。 3. S7-300CN PLC编程语言 S7-300CN PLC编程语言主要有三种:梯形图编程语言、语句表、功能块图。由于本次设计主要用梯形图编程语言，所以，下面主要介绍一下梯形图编程语言。 梯形图LAD语言是在继电器,接触器控制系统原理图的基础上演变而来的一种图形语言，它和继电器,接触器控制系统原理图很形似。梯形图具有直观易懂的优点，很容易掌握，特别适用于开关逻辑控制。PLC梯形图中的某些编程元件采用“继电器”这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但它们不是真实的物理继电器，而是一些存储继电器。每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。 PLC梯形图编程时注意遵循以下几点: 1、编写PLC梯形图时，应按从上到下、从左到右的顺序放置连接元件STEP7-Micro/WIN,V5.0中，与每个输出线圈相连的全部之路形成一个逻辑行(一个网络)，每个网络起于左母线，最后终于输出线圈。同时还要注意输出线圈与右母线之间不能有任何触点，输出线圈的左边必须有触点，即输出线圈点不能直接接做母线，要有相应的控制触点条件控制。 2、梯形图中的触点可以任意串联或者并联，但继电器输出线圈只能并联而不能串联。 3、在每个网络(每一逻辑行)中，当几条支路并联时，串联触点多的之路应尽量放在上面，串联控制触点少的支路在下面。 4、在有几个并联支路串联时，应将并联触点多的回路放在左边，以便编制的程序简洁。 5、 PLC触点的使用次数不受限制。 4.STEP 7具有以下特点 1. DK 3964 R/RK 512 等标准协议已经集成到控制器内，不需要额外驱动MPI 接口; 2. STE集成 modem 支持: 内置modem 功能，可进行远程编程、诊断或数据传输, 编程不需 MPI 转换器，直接通过PC上的 RS232 口 ; 3. 现场总线通讯功能. 控制器功能中已集成了Profibus DP Master / Slave， Profibus FMS 和 LONWorks。 4.1.2软件运行 1、在新建项目中选择要添加的CPU站点，硬件中添加所需的电源模块及模拟量输入模块。 2、在符号表中定义 3、在OB1块中写入要调试的主程序梯形图，OB35中写入调用的子程序梯形图。 4、将所写程序下载到PLCSIM中，点击运行即可模拟运行。 4.1.3 主要功能块简介 FC105是处理模拟量(1~5V、4~20MA等常规信号)输入的功能块，在中，打开Libraries\standard library\Ti-S7 Converting Blocks\fc105,将其调入OB1中，给各个管脚输入地址;如下: 图4.2 FC105示意图 其中，管脚的定义如下: IN---------模拟量模块的输入通道地址，在硬件组态时分配; HI_LIM---现场信号的最大量程值; LO_LIM--现场信号的最小量程值; BIPOLAR—极性设置，如果现场信号为+10V~-10V(有极性信号)，则设置为1， 如果现场信号为4MA~20MA(无极性信号);则设置为0; OUT-------现场信号值(带工程量单位);信号类型是实数，所以要用MD200来存放; RET_VAL-FC105功能块的故障字，可存放在一个字里面。如:MW50; 4.2系统流程图 4.2.1 主程序流程图 按下启动按钮，PLC开始扫描，检查系统故障情况。就地远程旋钮为就地时，就地控制柜来手动控制，为远程时，分为手动和自动控制。手动时，远程上位机手动控制。自动时，将温湿度采集结果与设定值进行比较，PLC通过比较结果判断执行。 图4.3 主程序流程图 4.2.2 温度子程序 当为远程自动控制时，PLC每30分钟将温度传感器检测来的温度送入整定。然 后将整定值与设定值范围比较。一般要求维持在23-33?低于设定值下限打开卷帘。高于设定值上限放下卷帘。 图4.4 温度子程序流程图 4.2.3 湿度子程序 当为远程自动控制时，PLC每30分钟将湿度传感器检测来的温度送入整定。然后将整定值与设定值范围比较。土壤湿度一般要求维持在50%,60%，空气湿度维持在65%-85%低于设定值下限打开水泵、电磁阀。高于设定值上限关闭水泵、电磁阀。 图4.5 空气湿度子程序流程图 图4.6 土壤湿度子程序流程图 4.2.4 故障报警子程序 在工业生产中，有很多需要处理的事故信号和故障信号，事故一般会危及设备或人身的安全，造成严重后果，必须立即采取紧急措施(如自动停车)，在事故、故障发生时都应发出报警信号，一般是声、光报警信号。故障检测及报警是整个系统的安全保障，无论是手动还是自动都在系统正常的前提下运行。系统每次运行都要做卷帘、水泵电机的状态判断，有一项故障整个系统报警提示检修。直到故障排除方可正常工作，执行后续程序。 图4.7 报警子程序流程图 第五章 控制系统监控界面设计 5.1 上位软件 WinCC flexible，德国西门子(SIEMENS)公司工业全集成自动化(TIA)的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI 软件。WinCC flexible 用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。WinCC flexible 与 WinCC十分类似，都是组态软件，而前者基于触摸屏，后者基于工控机。 WinCC fl exible 特点 基于最新软件技术的创新组态界面 功能块库:面板可自由定义且可重复使用，并且可集 中进行更改 动态面板 可组态智能工具，如:图形导航和图形化运动对象， 可方便地组态大批量数据(如，变量编辑器)等 利用用户 ID 和密码实现访问保护 配方管理 报表系统 为全球推广提供语言支持: 在一个项目中管理 32 种语言 支持多语言文本和自动翻译的文本库 文本的导入/导出过程十分简单，从而便于翻译 个性化扩展选件: Sm@rt客户端/服务器概念 通过 Internet 进行服务与诊断 OPC 服务器通讯 过程诊断 记录和跟踪操作员动作和组态 5.2 通讯连接 上位机与PLC通过MPI连接，给每台PLC站点赋予不同的地址。 图5.1 系统通讯示意图 5.3 人机界面 根据设计要求，界面得设计实时监控面板、控制画面、报警画面，要求界面形象、生动、美观。每个大棚设置一个手动按钮和一个自动按钮，按下手动按钮时手动操作同时跳到相应大棚手动控制画面，按下自动按钮后自动操作跳到自动操作画面。 图5.2 控制选择画面 跳到手动画面时为手动操作，按下按钮执行相应操作。 图5.3 手动控制画面 跳到实时监控时为自动控制，温度湿度值为下位检测到的数据，温湿度上下限可在上位修改。 图5.4 自动监控画面 结 论 整个设计报告思路，首先讲述了温室大棚的一般概况及工作原理;其次讲述了温室大棚自动控制的工作原理及硬件系统和组成;第三论述温室大棚的系统硬件的设计与研究，及其硬件各系统的作用;第四讲述软件系统的设计方案;最后总结在设计中得到的宝贵经验及发现发现的问题。 温室大棚自动控制系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效农业发展技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段发展起来的。温室控制主要是根据外界环境的温度、湿度等气候因素，来控制温室内的温度、湿度，创造出适合作物生长的最佳环境。在这种控制中，温度、湿度等被控量之间存在着强烈的相互关系，某个被控量的改变，会影响到其他被控量的变化。所以对这些参数的控制是至关重要的。 本控制系统由西门子S7-300 PLC，温度检测电路，湿度检测电路、控制系统组成。现场控制柜由手动操作，远程控制分为手动控制和自动操作，温度检测电路将检测到的温度转换成电压信号，PLC通过比较输入温度与设定温度来控制卷帘系统电路，当棚内温度在设定范围内时，PLC不对卷帘设备发出动作。下位程序通过step7编程实现。上位用wincc flexible。通过不断调试，最终达到上下位连调。温室环境控制的目的是把各被控变量(温室大棚环境因子)，如温度、湿度等，维持在作物生长发育要求的范围内。该设计还具有对温室大棚内环境温度、湿度的预设功能。 温室环境控制系统正在不断吸收相关领域新的理论和方法，结合温室作物种植的特点，不断创新，逐步完善。我相信在不断的发现在问题、解决问题中中国的温室产业将走上更加辉煌的道路。 致谢 行文至此，我的这篇已接近尾声;岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。生我者父母。感谢生我养我，含辛茹苦的父母。是你们，为我的学习创造了条件;是你们，一如既往的站在我的身后默默的支持着我。没有你们就不会有我的今天。谢谢你们，我的父亲母亲～ 在这四年中，老师的谆谆教导、同学的互帮互助使我在专业技术和为人处事方面都得到了很大的提高。感谢兰州理工大学在我四年的大学生活当中对我的教育与培养，感谢兰州理工大学电信学院的所有专业老师，没有你们的辛勤劳动，就没有我们今日的满载而归，感谢大学四年曾经帮助过我的所有同学。在制作毕业设计过程中我曾经向老师们和同学们请教过不少的问题，老师们的热情解答和同学们的热心帮助才使我的毕业设计能较为顺利的完成。在此我向你们表示最衷心的感谢。 参考文献 [1]程世刚.现代温室环境控制[J].农业装备技术，2004,30(6):7-9. 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[16]陈建.西门子工业控制网络技术研究与应用 [17]张志峰，王坚，赵静..现场总线Profibus-DP2004(4):35-37. 外文翻译 外文原文 ONE、PLC overview Programmable controller is the first in the late 1960s in the United States, then called Plc programmable logic controller (Programmable Logic Controller) is used to replace relays. For the implementation of the logical judgment, timing, sequence number, and other control functions. The concept is presented Plc General Motors Corporation. Plc and the basic design is the computer functional improvements, flexible, generic and other advantages and relay control system simple and easy to operate, such as the advantages of cheap prices combined controller hardware is standard and overall. According to the practical application of target software in order to control the content of the user procedures memory controller, the controller and connecting the accused convenient target. In the mid-1970s, the Plc has been widely used as a central processing unit microprocessor, import export module and the external circuits are used, large-scale integrated circuits even when the Plc is no longer the only logical (IC) judgment functions also have data processing, PID conditioning and data communications functions. International Electro technical Commission (IEC) standards promulgated programmable controller for programmable controller draft made the following definition : programmable controller is a digital electronic computers operating system, specifically for applications in the industrial design environment. It used programmable memory, used to implement logic in their internal storage operations, sequence control, timing, counting and arithmetic operations, such as operating instructions, and through digital and analog input and output, the control of various types of machinery or production processes. Programmable controller and related peripherals, and industrial control systems easily linked to form a whole, to expand its functional design. Programmable controller for the user, is a non-contact equipment, the procedures can be changed to change production processes. The programmable controller has become a powerful tool for factory automation, widely popular replication. Programmable controller is user-oriented industries dedicated control computer, with many distinctive features. First, high reliability, anti-interference capability; Second，programming visual, simple; Third, adaptability good; Fourth functional improvements, strong functional interface. TWO、History of PLC Programmable Logic Controllers (PLC), a computing device invented by Richard E. Morley in 1968, have been widely used in industry including manufacturing systems, transportation systems, chemical process facilities, and many others. At that time, the PLC replaced the hardwired logic with soft-wired logic or so-called relay ladder logic (RLL), a programming language visually resembling the hardwired logic, and reduced thereby the configuration time from 6 months down to 6 days [Moody and Morley, 1999]. Although PC based control has started to come into place, PLC based control will remain the technique to which the majority of industrial applications will adhere due to its higher performance, lower price, and superior reliability in harsh environments. Moreover, according to a study on the PLC market of Frost and Sullivan [1995], an increase of the annual sales volume to 15 million PLCs per year with the hardware value of more than 8 billion US dollars has been predicted, though the prices of computing hardware is steadily dropping. The inventor of the PLC, Richard E Morley, fairly considers the PLC market as a 5-billion industry at the present time. Though PLCs are widely used in industrial practice, the programming of PLC based control systems is still very much relying on trial-and-error. Alike software engineering, PLC software design is facing the software dilemma or crisis in a similar way. Morley himself emphasized this aspect most forcefully by indicating `If houses were built like software projects, a single woodpecker could destroy civilization.” Particularly, practical problems in PLC programming are to eliminate software bugs and to reduce the maintenance costs of old ladder logic programs. Though the hardware costs of PLCs are dropping continuously, reducing the scan time of the ladder logic is still an issue in industry so that low-cost PLCs can be used. In general, the productivity in generating PLC is far behind compared to other domains, for instance, VLSI design, where efficient computer aided design tools are in practice. Existent software engineering methodologies are not necessarily applicable to the PLC based software design because PLC-programming requires a simultaneous consideration of hardware and software. The software design becomes, thereby, more and more the major cost driver. In many industrial design projects, more than of the manpower allocated for the control system design and installation is scheduled for testing and debugging PLC programs. In addition, current PLC based control systems are not properly designed to support the growing demand for flexibility and reconfigurability of manufacturing systems. A further problem, impelling the need for a systematic design methodology, is the increasing software complexity in large-scale projects. The objective of this thesis is to develop a systematic software design methodology for PLC operated automation systems. The design methodology involves high-level description based on state transition models that treat automation control systems as discrete event systems, a stepwise design process, and set of design rules providing guidance and measurements to achieve a successful design. The tangible outcome of this research is to find a way to reduce the uncertainty in managing the control software development process, that is, reducing programming and debugging time and their variation, increasing flexibility of the automation systems, and enabling software reusability through modularity. The goal is to overcome shortcomings of current programming strategies that are based on the experience of the individual software developer. Three、now of PLC From the structure is divided into fixed PLC and Module PLC, the two kinds of PLC including CPU board, I/O board, display panel, memory block, power, these elements into a do not remove overall. Module type PLC including CPU module, I/O modules, memory, the power modules, bottom or a frame, these modules can be according to certain rules combination configuration. In the user view, a detailed analysis of the CPU's internal unnecessary, but working mechanism of every part of the circuit. The CPU control works, by it reads CPU instruction, interprets the instruction and executes instructions. But the pace of work by shock signal control. Unit work under the controller command used in a digital or logic operations.In computing and storage register of computation result, it is also among the controller command and work. CPU speed and memory capacity is the important parameters fot PLC . its determines the PLC speed of work, IO PLC number and software capacity, so limits to control size. Central Processing Unit (CPU) is the brain of a PLC controller. CPU itself is usually one of the microcontrollers. Aforetime these were 8-bit microcontrollers such as 8051, and now these are 16-and 32-bit microcontrollers. Unspoken rule is that you?ll find mostly Hitachi and Fujicu microcontrollers in PLC controllers by Japanese makers, Siemens in European controllers, and Motorola microcontrollers in American ones. CPU also takes care of communication, interconnectedness among other parts of PLC controllers, program execution, memory operation, overseeing input and setting up of an output. System memory (today mostly implemented in FLASH technology) is used by a PLC for a process control system. Aside form. this operating system it also contains a user program translated forma ladder diagram to a binary form. FLASH memory contents can be changed only in case where user program is being changed. PLC controllers were used earlier instead of PLASH memory and have had EPROM memory instead of FLASH memory which had to be erased with UV lamp and programmed on programmers. With the use of FLASH technology this process was greatly shortened. Reprogramming a program memory is done through a serial cable in a program for application development. User memory is divided into blocks having special functions. Some parts of a memory are used for storing input and output status. The real status of an input is stored either as “1”or as “0”in a specific memory bit/ each input or output has one corresponding bit in memory. Other parts of memory are used to store variable contents for variables used in used program. For example, time value, or counter value would be stored in this part of the memory. PLC controller can be reprogrammed through a computer (usual way), but also through manual programmers (consoles). This practically means that each PLC controller can programmed through a computer if you have the software needed for programming. Today?s transmission computers are ideal for reprogramming a PLC controller in factory itself. This is of great importance to industry. Once the system is corrected, it is also important to read the right program into a PLC again. It is also good to check from time to time whether program in a PLC has not changed. This helps to avoid hazardous situations in factory rooms (some automakers have established communication networks which regularly check programs in PLC controllers to ensure execution only of good programs). Almost every program for programming a PLC controller possesses various useful options such as: forced switching on and off of the system input/outputs (I/O lines), program follow up in real time as well as documenting a diagram. This documenting is necessary to understand and define failures and malfunctions. Programmer can add remarks, names of input or output devices, and comments that can be useful when finding errors, or with system maintenance. Adding comments and remarks enables any technician (and not just a person who developed the system) to understand a ladder diagram right away. Comments and remarks can even quote precisely part numbers if replacements would be needed. This would speed up a repair of any problems that come up due to bad parts. The old way was such that a person who developed a system had protection on the program, so nobody aside from this person could understand how it was done. Correctly documented ladder diagram allows any technician to understand thoroughly how system functions. Electrical supply is used in bringing electrical energy to central processing unit. Most PLC controllers work either at 24 VDC or 220 VAC. On some PLC controllers you?ll find electrical supply as a separate module. Those are usually bigger PLC controllers, while small and medium series already contain the supply module. User has to determine how much current to take from I/O module to ensure that electrical supply provides appropriate amount of current. Different types of modules use different amounts of electrical current. This electrical supply is usually not used to start external input or output. User has to provide separate supplies in starting PLC controller inputs because then you can ensure so called “pure” supply for the PLC controller. With pure supply we mean supply where industrial environment can not affect it damagingly. Some of the smaller PLC controllers supply their inputs with voltage from a small supply source already incorporated into a PLC. Four、PLC design criteria A systematic approach to designing PLC software can overcome deficiencies in the traditional way of programming manufacturing control systems, and can have wide ramifications in several industrial applications. Automation control systems are modeled by formal languages or, equivalently, by state machines. Formal representations provide a high-level description of the behavior of the system to be controlled. State machines can be analytically evaluated as to whether or not they meet the desired goals. Secondly, a state machine description provides a structured representation to convey the logical requirements and constraints such as detailed safety rules. Thirdly, well-defined control systems design outcomes are conducive to automatic code generation- An ability to produce control software executable on commercial distinct logic controllers can reduce programming lead-time and labor cost. In particular, the thesis is relevant with respect to the following aspects. In modern manufacturing, systems are characterized by product and process innovation, become customer-driven and thus have to respond quickly to changing system requirements. A major challenge is therefore to provide enabling technologies that can economically reconfigure automation control systems in response to changing needs and new opportunities. Design and operational knowledge can be reused in real-time, therefore, giving a significant competitive edge in industrial practice. Studies have shown that programming methodologies in automation systems have not been able to match rapid increase in use of computing resources. For instance, the programming of PLCs still relies on a conventional programming style with ladder logic diagrams. As a result, the delays and resources in programming are a major stumbling stone for the progress of manufacturing industry. Testing and debugging may consume over 50% of the manpower allocated for the PLC program design. Standards [IEC 60848, 1999; IEC-61131-3, 1993; IEC 61499, 1998; ISO 15745-1, 1999] have been formed to fix and disseminate state-of-the-art design methods, but they normally cannot participate in advancing the knowledge of efficient program and system design. A systematic approach will increase the level of design automation through reusing existing software components, and will provide methods to make large-scale system design manageable. Likewise, it will improve software quality and reliability and will be relevant to systems high security standards, especially those having hazardous impact on the environment such as airport control, and public railroads. The software industry is regarded as a performance destructor and complexity generator. Steadily shrinking hardware prices spoils the need for software performance in terms of code optimization and efficiency. The result is that massive and less efficient software code on one hand outpaces the gains in hardware performance on the other hand. Secondly, software proliferates into complexity of unmanageable dimensions; software redesign and maintenance-essential in modern automation systems-becomes nearly impossible. Particularly, PLC programs have evolved from a couple lines of code 25 years ago to thousands of lines of code with a similar number of 1/O points. Increased safety, for instance new policies on fire protection, and the flexibility of modern automation systems add complexity to the program design process. Consequently, the life-cycle cost of software is a permanently growing fraction of the total cost. 80-90% of these costs are going into software maintenance, debugging, adaptation and expansion to meet changing needs. Today, the primary focus of most design research is based on mechanical or electrical products. One of the by-products of this proposed research is to enhance our fundamental understanding of design theory and methodology by extending it to the field of engineering systems design. A system design theory for large-scale and complex system is not yet fully developed. Particularly, the question of how to simplify a complicated or complex design task has not been tackled in a scientific way. Furthermore, building a bridge between design theory and the latest epistemological outcomes of formal representations in computer sciences and operations research, such as discrete event system modeling, can advance future development in engineering design. From a logical perspective, PLC software design is similar to the hardware design of integrated circuits. Modern VLSI designs are extremely complex with several million parts and a product development time of 3 years [Whitney, 1996]. The design process is normally separated into a component design and a system design stage. At component design stage, single functions are designed and verified. At system design stage, components are aggregated and the whole system behavior and functionality is tested through simulation. In general, a complete verification is impossible. Hence, a systematic approach as exemplified for the PLC program design may impact the logical hardware design. Five、AK 1703 ACP Following the principle of our product development, AK 1703 ACP has high functionality and flexibility, through the implementation of innovative and reliable technologies, on the stable basis of a reliable product platform. For this, the system concept ACP (Automation, Control and Protection) creates the technological preconditions. Balanced functionality permits the flexible combination of automation, telecontrol and communication tasks. Complemented with the scalable performance and various redundancy configurations, an optimal adaptation to the respective requirements of the process is achieved. AK 1703 ACP is thus perfectly suitable for automation with integrated telecontrol technology as: • Telecontrol substation or central device • Automation unit with autonomous functional groups • Data node, station control device, front-end or gateway • With local or remote peripherals • For rear panel installation or 19 inch assembly • Branch-neutral product, therefore versatile fields of application and high product stability • Versatile communication • Easy engineering • Plug & play for spare parts • Open system architecture • Scalable redundancy • The intelligent terminal - TM 1703 The Base Unit AK 1703 ACP with Peripheral Elements has one basic system element CP-2010/CPC25 (Master control element) and CP-2012/PCCE25 (Processing and communication element) ,one bus line with max. 16 peripheral elements can be connected. CP-2010/CPC25 Features and Functions System Functions: • Central element,coordinating all system services Central hub function for all connected basic system elements • Time management Central clock of the automation unit Setting anf keeping the own clock`s time with a resolution of 10ms Synchronization via serid communication via LAN or local • Redundancy Voting and change-over for redundant processing and communication elements of the own automation unit Supports voting and change-over by an external SCA-RS redundancy switch Supports applicational voting and change-over by an exterual system,e.g.a control system • SAT TOLLBOX|| connection Storing firmware and parameters on a Flash Card Communication: • Communication via installable protocol elements to any superior or subordinate automation unit • Automatic data flow routing • Priority based data transmission (priority control) • Own circular buffer and process image for each connected station(data keeping) • Redundant communication routes Communication with redundant remote stations • Special application specific functions for dial-up traffic Test if stations are reachable Process Peripherals: • Tansmission of spontaneous information objects from and to peripheral elements, via the serial Ax 1703 peripheral bus Functions for Automatoin: • Open-/closed-loop control function for the execution of freely definable user programs which are created with CAEX plus according to IEC 61131-3,e.g.using function diagram technology 512KB for user program Approx 50.000 variables and signals,2.000 of them retained Cycle of 10ms or a multiphe thereof Online test Loadable without service interruption • Redundant open-/closed-loop control functions Synchronization via redundancy link Transmission of periodic process information between the open-/closed-loop control function and the peripheral elements,via the serial Ax 1703 peripheral bus SIX、SIEMENS PLC SIMATIC S7-300 series PLC applied to all walks of life and various occasions in the detection, monitoring and control of automation, its power to both the independent operation of, or connected to a network able to achieve complex control. The photoelectric products with isolation, high electromagnetic compatibility; have high industrial applicability, allowing the ambient temperature of 60 ?; has strong anti-jamming and anti-vibration and impact resistance, so in a harsh working environment has been widely Applications. I also mean freedom of communication S7-300 type PLC' s a very unique feature, which allows S7-300-PLC can deal openly with any other communications equipment, communications controller, or PLC S7-300 type can be defined by the user's own Communications protocol (of the agreement ASCII), the baud rate to 1.5 Mbit / s (adjustable). So that can greatly increase the scope of communications so that the control system configuration more flexible and convenient. Of any kind with a serial interface peripherals, such as: printers or bar code readers, Drives, a modem (Modem), the top PC-connected, and so can be used. Users can program to develop communication protocols, the exchange of data (for example: ASCII character code), RS232 interfaces with the equipment can also be used PC / PPI cable linking the free communication communications. When the PC offline, under the control of the next crew, the whole system can operate normally. PC that is by control centre, mainly by the PC and laser printer components, using SIMATIC WINCC software platform, the all-Chinese interface, friendly man-machine dialogue. Managers and operators can be observed through a PC, shown in the various kinds of information to understand the present and past the ice-storage operation of the automatic control system and all the parameters, and through the mouse to print equipment management and implementation tasks. WINCC software in the field of automation can be used for all the operators? control and monitoring tasks. Can be controlled in the process of the events clearly show, and shows the current status and order records, the recorded data can show all or select summary form, or may be required for editing, printing and output statements and trends . WINCC able to control the critical situation in the early stages of the report, and the signal can be displayed on the screen, can also use sound to be felt. It supported by online help and operational guidelines to eliminate failure. WINCC a workstation can be devoted to the process control to the process so that important information not is shielded. Software-assisted operation strategy ensures that the process was not illegal to visit and to provide for non-industrial environment in the wrong operation. WINCC is MICRSOFT WINDOWS98 or WINDOWS NT4.0 operating system, running on a PC object-oriented class 32-bit applications, OLE through the window and ODBC standard mechanism, as an ideal partner to enter the communications world WINDOWS, it can be easily WINCC To integrate a company-wide data processing system. Seven、Communications Communications are vital to an individual automation cell and to the automated factory as a whole. We've heard a lot about MAP in the last few years, and a lot of companies have jumped on the band wagon. Many, however were disappointed when a fully-defined and completed MAP specification didn?t appear immediately. Says Larry Kumara:”Right now , MAP is still a moving target for the manufacturers specification that is not final. Presently, for example, people are introducing products to meet the MAP 2.1standard.Yet 2.1-based products will be obsolete when the new standard for MAP,3.0is introduced.” Because of this, many PLC vendors are holding off on full MAP implementations. Omron, for example , has an ongoing MAP-compatibility program, but Frank Newborn, vice president of Omron?s Industrial Division, reports that because of the lack of a firm definition, Omron's PLCs don't yet talk to MAP. Since it?s unlikely that an individual PLC would talk to broadband MAP anyway, makers are concentrating n proprietary networks. According to Sal Provanzano, users fear that if they do get on board and vendors withdraw from MAP, they „ll pulse width modulation control system be the ones left holding a communications structure that?s not supported. 翻译 一、PLC概述 可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC (Programmable Logic Controller)，目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、 计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基本设计思想 是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、 价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将 控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。 70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和 外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有 逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委 员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。 ?可靠性高，抗干扰能力强; ?编程直观、简单; ?适应性好; ?功能完善，接口功能强 二、PLC的历史 1968年，Richard E. Morley创造出了新一代工业控制装置可编程逻辑控制器(PLC),现在，PLC已经被广泛应用于工业领域，包括机械制造也、运输系统、化学过程设备、等许多其他领域。初期可编程控制器只是用一种类似于语言的软件逻辑于代替继电器硬件逻辑，并且使开发时间由6个月缩短到6天。 虽然计算机控制技术已经产生，但是PLC控制因为它的高性能、成本低、并且对恶劣的环境有很强的适应能力而在工业控制的广泛应用中保持优势。而且，尽管硬件的价格在逐渐下跌，据估计，根据Frost和Sullivan对PLC市场的调查研究表明，每年销售硬件的价格要比销售PLC的价格(一千五百万)至少多出八十亿美元。PLC的创造者Richard E. Morley十分肯定的认为目前PLC市场是一个价值五十亿的工业 虽然PLC广泛应用于工业控制中，PLC控制系统的程序依然和语法有关。和软件过程一样，PLC的软件设计也以同样的方式会遇到软件错误或危机。Morley在演讲中着重强调了这个方面。 如果房子建造的像软件过程一样，那么仅仅一只啄木鸟就可以摧毁文明。特别的，PLC程序要解决的实际问题是消除软件错误和减少老式梯形逻辑语言的花费。尽管PLC的硬件成本在继续下降，但是在工业控制上减少梯形逻辑的扫描时间仍然是一个问题，以至于可以用到低耗时的PLC。 一般来说，和其他领域相比生产PLC的周期要短很多。例如，在实践中，VISI设计是一种有效的计算机辅助设计。PLC不需要使用目前的以软件设计为基础软件工程方法论，因为PLC程序要求对软件和硬件搜都要考虑到。因此，软件设计越来越成为花费动力。在许多的工业设计工程中，多数人力分配给了控制系统设计和安装，并 且他们被要求对PLC进行程序测试和错误排除。 再者，PLC控制系统不适合设计对适应性和重构有越来越多要求的生产系统。一个更深入的问题是在大规模的工程中软件越来越复杂，促使要有一个系统化的设计方法论。 主题的客观性是为PLC自动控制系统建立一个系统化的软件设计方法论。这个设计方法论包括以状态转换模型为基础的精确的描述，这个转台转换模型是自动控制系统的抽象系统。方法论还包括一个逐步的设计过程，并且要设置一个设计规则，这样才能为一个成功的设计提供导向和方法。这项研究的真正目的是找到一个减少控制软件发展过程的不稳定性的方法，也就是说，减少程序和调试时间以及他们的变化，以增强自动控制系统的适应性，并且通过调整软件使得软件可以再度使用。这样的目的是为了克服目前程序策略的不足之处，而目前的程序策略是以个人软件开发者的经验为基础的。 三、现今的PLC 从结构上分，PLC分为固定式和模块式两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。 运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 中央处理器(CPU)是PLC控制器的大脑。通常CPU本身就是一个微控制器。起先是8位微控制器例如8051,现在发展为16位和 32位微控制器。你会发现大部分由日本制造商制造的PLC中是日立和Fujicu的微控制器,西门子的微控制器多应用在欧洲的PLC中,摩托罗拉生产的微控制器则独占美国市场。CPU同样关注通信, PLC控制器,操作程序的执行,监督记忆设置的输入和输出等部分的关联性。 PLC使用系统存储器(现在大部分采用闪存技术了)用于过程控制系统。除了这个操作系统之外，它还包括一个由梯形图翻译成而进制形式的用户程序。快擦型存储器(FLASH memory)的内容只有在改变用户程序的时候可以被改变。PLC控制器比快擦型存储器使用得更早，EPROM存储器比快擦型存储器也更早，快擦型存储器必须用紫外线(UV，Ultra-Violet Ray)灯擦除，并在编程器上进行编程。由于快擦型存储器技术的应用，使得这个过程大大缩短了。在应用程序开发中，通过一个串行电缆 可以对程序存储器进行重新编程。 用户存储器被分成具有特殊功能的块。一部分存储器用来存储输入和输出状态。一个输入的实际状态存储状态存储在专用存储器位上，为“1”或者“0”。每一个输入和输出在存储器中都有一个相应的位。另外一部分存储器用来存储用户程序中的变量的内容。例如，定时器值，或者记数器值存放在存储器的这个部分。 PLC控制器可以通过计算机(通常方式)重新编程，但是也可以通过人工编程器9控制台)编程。实际上，这意味着，如果你有编程所需要的软件，早期PLC控制器可以通过计算机进行编程。今天的传输计算机是工厂自己对PLC控制器进行重新编程的理想设备。这对于工业企业来说是非常重要的。一旦系统修改结束，将正确的程序重新读入PLC控制器也是非常重要的。定期检查PLC中的程序是否改变是非常好的事情。这有助于避免车间发生危险情况(一些汽车制造商已经建立了通信网络，可以定期检查PLC中的程序，以保证运行的程序都是正确的)。 几乎所有用于为PLC控制器编程的程序都拥有各种不同的选项，例如系统输入 /输出(I/O线)的强制开关，程序实时跟踪以及图表验证。图表验证对于理解、定义失败和故障非常必要。程序员可以添加标记，书日和输出设备名称，以及对于查找错误或者对于系统维护很有用的注释。添加注释和标记可以使技术人员(不仅仅是开发人员)很快理解梯形图。注释和标记甚至还可以准确地引用零件号，如果需要更换零件的话。这将加快由于损坏零件而引起的任何问题的修理速度。响应的旧方法是这样的，开发系统的人必须保护这个程序，他旁边再没有人知道系统是怎样完成的。正确的、备有证明文件的梯形图使任何技术人员都能彻底理解系统的功能。 电源是为中央处理单元提供电源的。大部分PLC控制器的工作电压为24VDC或者220VAC。在有些PLC控制器上，你可以看见作为独立模块的电源。用户必须确定从I/O模块取出多大电流来保证电源提供适当的电流。不同的模块使用不同的电流量。 该电源一般不用于启动外部输入或输出。用户必须提供独立的电源来启动PLC控制器的输入和输出，因为这样可以保证PLC控制器的所谓“纯电源”。使用纯电源意味着工业环境中的电源不会严重影响它。有些较小的PLC控制器从与PLC控制器集成在一起的小电源为它们的输入提供电压源。 四、PLC的设计标准 一个系统化的设计PLC程序的方法可以克服传统程序生产控制系统的缺点，并且在一些工业应用总有很大的不同。自动控制系统是状态模型用公式语言或等价的语言描述的。公式描述对被控制的系统的行为提供一个精确的描述。可以通过分析估计看状态模型是否达到想要的目标。第二，为状态模型的描述提供结构描述，这个结构描述可以说明逻辑要求和如细节安全规则的限制。第三，好的控制系统设计是对自动控 制代码生成有益的——一种能够产生可执行的控制软件的能力，不同的逻辑控制器可以减少程序扫描时间和执行那个时间。特别的，这个主题与随后的部分的是有关的。 在现代制造业中，系统是用过程和结果的革新来描述的，并且因此不得不改变系统性能以快速做出反应。因此，一个大的挑战是提供技术以限制自动控制系统对变化需要和新机会的反应，所以，设计和操作知识可以实时的被再次利用，在工业实践中提供了一个重要的竞争面。 研究表明，在自动化系统中，程序实现的方法已经与计算机资源应用的急速增长不能匹配。例如，可编程逻辑控制器(,,,)程序仍然依靠一种方便的有逻辑梯形图的程序实现模式。结果，程序上的延迟和资源成了生产工业过程的主要绊脚石。在可编程逻辑控制器程序设计过程中，测试和调试可能会占用超过百分之五十的人力。在发展和传播“,,,,,,,,,,,,,,,,”已经形成标准[IEC 60848, 1999; IEC-61131-3, 1993; IEC 61499, 1998; ISO 15745-1, 1999]，但是，基本上这些标准都不能参与有效的程序和系统设计方面知识的革新。 系统的方法通过使用原有的软件模块，有助于增加设计自动化的水平，同时也将提供一种可管理的大规模系统设计的方法。同样的，它也将改善软件的质量的可靠性，以及关系到系统的较高安全标准，尤其是这些对环境有危害影响的，比如:机场控制、公共铁路运输。 软件工业被认为是系统性能的破坏者和系统复杂性的产生者。逐渐下降的硬件价格，破坏了对通过优化程序获得的软件性能的需要。其结果是，一方面造成了大量而低效率的程序代码，另一方面并没有获得高的硬件性能。其次，软件变得难以掌握其程度的复杂;在现代自动化系统中，软件设计和保持系统本质几乎变得不可能。尤其是，可编程逻辑控制器(,,,)程序设计从二十五年前的两条主线，发展到现在的成千上万条。现在安全性增加了，例如，关于防火的新措施，以及现代自动化系统的柔韧性增加了程序设计过程的复杂性。因此，软件的使用周期花费是总共花费的一个固定不变的增长部分。百分之八十到九十的花费用于软件维护、调试、优化(改进)、和扩展以满足不断变换的需求。 目前，大部分设计研究的主要焦点都集中在机械和电子产品上。这种有目的性的研究产生了一个副产品，就是通过推广这中研究到系统工程设计领域，从而加固了我们对设计理论和技巧的基本理解。针对大规模和复杂系统的系统设计理论并没有成熟。尤其是，对如何简化一个繁冗而复杂的设计任务这一问题，仍然没有被科学的处理。而且，正在设计理论和代表计算机科学及运筹学研究的认识论结果之间构建一条桥梁，这样的具体应该是逻辑硬件电路设计。 从逻辑学的角度来看，可编程逻辑控制器(PLC)的软件设计类似与集成电路的硬件设计。现代超大规模集成电路设计(Very Large Scale Integration--VLSI)是 及其复杂的，一个集成电路一般有几百万个晶体管，而且产品开发周期大都三年左右。设计过程一般都分成局部功能块设计和系统设计两个阶段。在局部功能块设计阶段，单个功能将被设计出来，并予以验证。在系统设计阶段，所有功能块都将被整合起来，整个系统行为特性和功能将会通过仿真形式加以测试。一般来说，所有部分都完全的验证是不可能的。因此，统计学可以作为可编程逻辑控制器(PLC)设计的一个例子，并有可能影响逻辑硬件设计。 五、AK 1703 ACP AK 1703 ACP凭借着一贯创新的精神与稳定的技术，在以稳定为基础的产品平台中，拥有高级的功能性和适应性。 ACP(自动化，控制和保护)系统概念保证了AK 1703 ACP功能的实现。稳定的功能性使得自动化控制，远程控制和通信协议三者完美结合。可升级的性能与多种冗余结构，使得AK1703 ACP可以完美处理各种功能要求。 AK 1703 ACP拥有适合现代化自动控制的综合的远程控制技术: • 水电站远程控制与中控设备 • 拥有自治功能的自动控制单元 • 数据节点, 设备控制站, 尖端科技 • 拥有现场或远程外围设备 • 为后面板安装而设计的19英寸设备 • 专为多种现场应用和高产品要求设计的中间产品 • 多种通信手段 • 简洁的编程 • 唯一的设备插座 • 开放型系统体系结构 • 可升级的冗余 • 智能终端- TM 1703 AK 1703 ACP基本外部设备原件拥有两个基本系统原件CP-2010/CPC25(主控原件)和CP-2012/PCCE25(处理和通信原件)，一个总线最多可以连接16个外围设备原件。 CP-2010/CPC25 特征与功能 系统功能: • 核心元件，协调所有系统功能 连接所有基本功能原件的中心站点 • 时间管理 自动控制单元的中控时钟 设定并保持自身时钟的时间，分辨率为10ms 通过互联网或当地的服务通信进行同步 • 冗余 在处理与通信中为自动控制单元选择并转变冗余单元 通过SCA-RS外部冗余开关支持选择与转变功能 通过外接系统实现选择与支持,例如控制系统 • 与SAT TOLLBOX||连接 在闪存卡里存储固件和参数 通信: • 通过相应的协议原件与高级或附属自动控制单元进行通信 • 为数据流自动选择路径 • 优先基本数据的传输(优先级控制) • 为每个联检站设立自己的循环缓冲器和处理信息(数据保持) • 为冗余通信提供路径 与对方站的冗余进行通信 • 通过拨号上网方式对特殊应用实施特殊功能 为可进行冗余的站点进行测试 具有处理功能的外围设备: • 通过Ax 1703外围设备串口总线自发地将信息传输到外围设备单元 自动控制功能: • 通过CAEX+按照IEC 61131-3协议创建的可自由定义的拥有开闭环控制功 能的用户程序 512KB的用户程序空间 大约50000个可变信号源,2000个常用信号源 10ms的循环时间 网上测试 可随时下载 • 冗余的开闭环功能控制 通过冗余线路进行同步 通过Ax 1703外围设备串口总线在开闭环控制功能与外围接口单元之间不断 传输处理信息 五、2.1.2 SIEMENS可编程序控制器 SIMATIC S7-300系列PLC适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及控制的 自动化，其强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 该产品具有光电隔离，高电磁兼容;具有很高的工业适用性，允许的环境温度达60?;具有很强的抗干扰、抗振动与抗冲击性能，因此在严酷的工作环境中得到了广泛的应用。 自由通讯口方式也是S7-300型PLC的一个很有特色的功能，它使S7-300型PLC可以与任何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯，即S7- 300型PLC可以由用户自己定义通讯协议(例ASCII协议)，波特率为1。5Mbit/s(可调整)。因此使可通讯的范围大大增加，使控制系统配置更加灵活、方便。任何具有串行接口的外设，例如:打印机或条形码阅读器、变频器、调制解调器(Modem)、上位PC机等都可连接使用。用户可通过编程来编制通讯协议、交换数据(例如:ASCII码字符)，具有RS232接口的设备也可用PC/PPI电缆连接起来进行自由通讯方式通讯。 当上位机脱机时，在下位机控制下，整个系统能正常运行。 上位机即图文控制中心，主要由PC机和激光打印机组成，采用SIMATIC WINCC软件平台，采用全中文操作界面，人机对话友好。管理人员和操作者，可以通过观察PC机所显示的各种信息来了解当前和以往整个冰蓄冷自控系统的运行情况和所有参数，并且通过鼠标进行设备管理和执行打印任务。 WINCC软件在自动化领域中可用于所有的操作员控制和监控任务。可将过程控制中发生的事件清楚地显示出来，可显示当前状态并按顺序记录，所记录的数据可以全部显示或选择简要形式显示，可连续或按要求编辑，并可输出打印报表和趋势图。 WINCC 能够在控制过程中危急情况的初发阶段进行报告，发出的信号既可以在屏幕上显示出来，也可以用声音表现出来。它支持用在线帮助和操作指南来消除故障。某一 WINCC工作站可专门用于过程控制以使那些重要的过程信息不被屏蔽。软件辅助操作策略保证过程不被非法访问，并提供用于工业环境中的无错操作。 WINCC 是MICRSOFT WINDOWS98或WINDOWS NT4。0操作系统下，在PC机上运行的面向对象的一流32位应用软件，通过OLE和ODBC视窗标准机制，作为理想的通讯伙伴进入WINDOWS世界，因此WINCC可容易地结合到全公司的数据处理系统中。 七、通信 通信对于个人自动单元是很重要的。在过去的几年里，我们听到许多关于生产自动化协议的事情，并且许多公司已经加入大有成功希望的事业。然而，当一个完整的生产自动化协议说明书没有及时出现时许多公司都很失望。Larry Kotare说:”现在，生产自动化协议仍然是生产中一个发展的对象，一个说明书并不是最终的结果。例如， 虽然当新的生产自动化协议MAP3.0版本使用之时以MAP2.1版本为基础的产品将会被汰，但是现在人们仍然将产品用于MAP2.1版。” 由于这些原因，许多PLC厂家紧盯着MAP的最新结果。如欧姆龙公司正在进行一个有关MAP兼容性的项目。但是欧姆龙生产部门总经理Frank Newborn说由于缺少一个固定的标准，欧姆龙的产品并不涉及到MAP。 由于工业PLC无论何时不可能广泛的涉及到MAP，生产厂家正在考虑专用网络。根据Sal Probanzano说法，用户担心如果他们广泛的应用生产厂家将会收回MAP，这样将会留下一个不支持通信的交流框架。 附录一:程序梯形图 报警梯形图: 远程手动程序: 自动程序: