基于PLC的蔬菜大棚控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10034基于PLC的蔬菜大棚控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1264881.1電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 176551.1.1系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 133931.1.2各控制電路的設(shè)計(jì) 3240501.2PLC簡(jiǎn)介 6193481.2.1PLC的產(chǎn)生和系統(tǒng)組成 6286051.2.2PLC的工作原理 7224021.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及步驟 843881.3.1設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的基本原則 821401.3.2PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 944911.4PLC硬件電路設(shè)計(jì) 11225011.4.1PLC型號(hào)的選擇 1150791.4.2傳感器的選型 11217461.4.3模擬量輸入模塊EM235 1233271.4.4PLCI/O地址分配表 1492611.4.5PLC硬件接線圖設(shè)計(jì) 161.1電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1.1系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖是蔬菜大棚控制系統(tǒng)的電路的設(shè)計(jì)圖。由圖我們不難看出，換氣扇、遮陽(yáng)簾的工作電路是差不多的，剩下三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作電路圖也是差不多的。如果換氣扇和遮陽(yáng)簾想要完成工作，都需要經(jīng)歷啟動(dòng)和停止的過(guò)程。二者的不同在于它們有著不同功率的電動(dòng)機(jī)。除此之外，遮陽(yáng)簾使用的是一種具有限位開關(guān)的電動(dòng)機(jī)。其它系統(tǒng)中選用的設(shè)備均為開關(guān)設(shè)備，在此不展開詳細(xì)論述，其它設(shè)備均具有相似的工作原理，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。圖3-1溫室大棚控制系統(tǒng)主電路原理圖從圖3-1中我們不難得到，K是一種刀開關(guān)，它只擁有打開和閉合兩種模式。當(dāng)K打開時(shí)，電路斷開；當(dāng)K閉合時(shí)，電路導(dǎo)通。刀開關(guān)的斷開和閉合代表了系統(tǒng)啟動(dòng)和停止的兩種狀態(tài)。FR1、FR2、FR3、FR4、FR5五個(gè)組成部件選用的相同的器材，它們均為熱繼電器，熱繼電器大多被應(yīng)用于電氣設(shè)備上，可以用來(lái)避免設(shè)備發(fā)生燒毀的現(xiàn)象，可以起到保護(hù)電路的作用。FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6、FU7七個(gè)部件選用了相同的器材，它們均是熔斷器。當(dāng)電路中電流過(guò)大，電線開始發(fā)燙，此時(shí)熔斷器也開始發(fā)燙，當(dāng)熔斷器自身的溫度達(dá)到一定的值的時(shí)候，熔斷器就會(huì)斷開，熔斷器也可以起到保護(hù)電路的作用。1.1.2各控制電路的設(shè)計(jì)1、開關(guān)設(shè)備加熱器、CO2添加器、熱風(fēng)機(jī)、等都是開關(guān)設(shè)備，這些設(shè)備的控制電路都與比較類似，后文我將以熱風(fēng)機(jī)為例，分析開關(guān)設(shè)備的工作流程及工作原理：（1）熱風(fēng)機(jī)的主電路下面的圖是熱機(jī)的基本示意圖：圖熱風(fēng)機(jī)主電路圖（2）熱風(fēng)機(jī)控制電路控制電路的原理圖如圖。我們可以通過(guò)SB1來(lái)選擇手動(dòng)操作，起動(dòng)開關(guān)SB2，KM10通電，KM10的常開點(diǎn)閉合。如果選擇手動(dòng)操作，則必須將SB1按鈕（旋鈕）設(shè)置為手動(dòng)位置，然后將SB6按鈕設(shè)置為斷開位置，此時(shí)KM5通電，常開觸點(diǎn)閉合，風(fēng)扇閉合，通電并旋轉(zhuǎn)。將SB6轉(zhuǎn)到停止位置，KM5不再通電，這個(gè)時(shí)候，原本閉合的觸點(diǎn)就會(huì)隨著KM5的不再導(dǎo)通而斷開，熱風(fēng)機(jī)就會(huì)隨之停止。如將SB1反向轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇手動(dòng)操作，系統(tǒng)將完全交由PLC進(jìn)行自動(dòng)化控制，不再受到操作人員手動(dòng)控制的影響。自動(dòng)情況時(shí)，KM5導(dǎo)通，熱風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。圖熱風(fēng)機(jī)控制電路圖2、正反轉(zhuǎn)設(shè)備正反轉(zhuǎn)設(shè)備是一種非常特別的設(shè)備，這種設(shè)備可以通過(guò)限位開關(guān)來(lái)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，來(lái)進(jìn)行一種需求中兩種目標(biāo)相反的控制。遮陽(yáng)簾和換氣扇兩個(gè)設(shè)備的控制電路是非常相似的。（1）遮陽(yáng)簾主電路下圖為遮陽(yáng)簾的主電路圖。圖遮陽(yáng)簾主電路圖（2）遮陽(yáng)簾的控制電路遮陽(yáng)簾控制電路的原理圖如圖所示。SB1進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)切換。按SB2，整個(gè)電路開始運(yùn)行，所有設(shè)備啟動(dòng)工作，接觸器KM10通電，然后常開觸點(diǎn)將關(guān)閉，電路將自行鎖定；如果切換到手動(dòng)操作，則必須將SB1按鈕設(shè)置為手動(dòng)，而SB4按鈕是打開和關(guān)閉窗簾的。按鈕SB4轉(zhuǎn)到開關(guān)，將向接觸器KM3供電，這時(shí)，常開觸點(diǎn)閉合，電路斷開，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)窗簾開度達(dá)到上限時(shí)，SQ1就打到了上限開關(guān)，因?yàn)榇虻搅讼尬婚_關(guān)，常閉觸點(diǎn)就無(wú)法繼續(xù)閉合，就開始打開。這時(shí)的KM3也不再導(dǎo)通，電路中電流不再正常流通，電動(dòng)機(jī)將不再運(yùn)行。當(dāng)SB4切換到開簾時(shí)，將電源供應(yīng)給相應(yīng)的KM4，通常情況下，打開的觸點(diǎn)閉合，電路斷開，并且電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。碰到閉合遮陽(yáng)簾的限位開關(guān)時(shí)，SQ2就不再導(dǎo)通，KM4因?yàn)镾Q2的不再導(dǎo)通而無(wú)法正常運(yùn)作，它的電動(dòng)機(jī)也就不再轉(zhuǎn)動(dòng)。如果在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)SB1返回到自動(dòng)位置，則遮陽(yáng)的操作將僅由PLC控制，當(dāng)中間接觸器通電時(shí)，原始的常開觸點(diǎn)將閉合，并且電動(dòng)機(jī)將首先正轉(zhuǎn)。如果KM4導(dǎo)通，常開觸點(diǎn)就會(huì)閉合，使電路導(dǎo)通，執(zhí)行設(shè)備開始工作，這個(gè)時(shí)候電路中設(shè)備開始運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)會(huì)反方向運(yùn)行，遮陽(yáng)簾就關(guān)閉。圖遮陽(yáng)簾控制電路原理圖1.2PLC簡(jiǎn)介1.2.1PLC的產(chǎn)生和系統(tǒng)組成1969年，世界上第一個(gè)PLC在美國(guó)誕生，這代表了在進(jìn)行工業(yè)控制的實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們有了更多的選擇。PLC技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)逐漸變得更為成熟和適應(yīng)更多系統(tǒng)。它已逐漸從最初的1位機(jī)器變成了8位機(jī)器。隨著微處理器CPU和微計(jì)算機(jī)技術(shù)在PLC中的應(yīng)用，它有了更多功能[11]?，F(xiàn)在，PLC使用16或32位高性能微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)多處理器多通道處理。PLC的本質(zhì)是用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)。PLC和計(jì)算機(jī)的配置相似，與常規(guī)計(jì)算機(jī)相比，PLC連接到工業(yè)的接口更好，編程語(yǔ)言更合適。PLC的硬件組成如下圖所示：圖PLC控制系統(tǒng)示意圖1.2.2PLC的工作原理用16個(gè)字來(lái)概括：循環(huán)掃描、順序執(zhí)行、集中輸入、集中輸出[12]。PLC的工作過(guò)程如圖：圖PLC運(yùn)行框圖1.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及步驟1.1.1設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的基本原則每一種設(shè)計(jì)都有需要遵守的設(shè)計(jì)原則，PLC系統(tǒng)也不例外。在利用PLC進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，有許多方面都需要考慮到。這之中，有4點(diǎn)作為基礎(chǔ)，是一定要考慮到的。1、最大限度的滿足要求[13]；2、保證系統(tǒng)的安全可靠PLC系統(tǒng)的原則之二就是需要保證PLC系統(tǒng)的運(yùn)行能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定；3、維修方便、方便簡(jiǎn)單的使用與經(jīng)濟(jì)效益在完成了設(shè)計(jì)提出的必須要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)后，我們還需要獲得盡可能多的經(jīng)濟(jì)收益，給系統(tǒng)留出一定的裕量，在需要進(jìn)行補(bǔ)充和拓展時(shí)，不用太費(fèi)力就能夠?qū)崿F(xiàn)。在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，維修起來(lái)簡(jiǎn)便且價(jià)格低廉[14]。1.1.2PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖：圖3-8PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟步驟為：1、了解需求，制定方案2、確定I／O設(shè)備3、選擇PLC4、分配I/O點(diǎn)并設(shè)計(jì)PLC外圍硬件線路5、程序設(shè)計(jì)6、硬件實(shí)施7、整理和編寫文件1.4PLC硬件電路設(shè)計(jì)1.4.1PLC型號(hào)的選擇1、控制系統(tǒng)所需要的I/O點(diǎn)數(shù)根據(jù)蔬菜大棚要實(shí)現(xiàn)的要求不難得出，這個(gè)系統(tǒng)要有個(gè)數(shù)字量輸入，個(gè)模擬量輸入以及個(gè)數(shù)字量輸出。2、選擇PLC的型號(hào)西門子PLCS7系列包括、、系列。它的功能強(qiáng)大，依照功能劃分又可分為小型、中型、大型。依據(jù)該系統(tǒng)提出的控制要求，我們選擇系列[15]。我們所設(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)需要14個(gè)輸入以及10個(gè)輸出，但是我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)也要考慮日后功能的完善。為了使日后進(jìn)行功能完善時(shí)更便捷，同時(shí)也為了節(jié)省資源，我們?cè)谶@次的設(shè)計(jì)中留出一定的裕量，故選擇CPU226。1.4.2傳感器的選型1、溫度傳感器根據(jù)蔬菜溫室管理的要求，本課題中選擇的溫度傳感器是HMD40型的產(chǎn)品。該傳感器測(cè)量精度高，安裝簡(jiǎn)便，響應(yīng)速度快，可靠性高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，時(shí)延小且不受來(lái)自灰塵和化學(xué)氣體的影響。這款傳感器的性能指標(biāo)如下：（1）溫度檢測(cè)范圍：℃；（2）工作電壓：VDC；（3）輸出信號(hào)：mA（4）測(cè)量精度：2、光照傳感器光照傳感器控制遮陽(yáng)簾開關(guān)。這樣能夠使蔬菜得到適宜光照并增強(qiáng)植物的光合作用。（1）量程：、、三種可選（2）供電電壓：24VDC／12VDC（3）輸出信號(hào)：，（4）精度：3、二氧化碳濃度傳感器二氧化碳控制是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CO2的含量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)棚內(nèi)的CO2量小于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的含量值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)打開CO2儲(chǔ)蓄或者選用CO2發(fā)生器釋放CO2。二氧化碳濃度的傳感器選擇弗加羅公司TGS4160型CO2傳感器，該傳感器為固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件。這種傳感器的個(gè)頭很小，但是十分耐用，是一款表現(xiàn)出色，非常穩(wěn)定的傳感器。同時(shí)它在面對(duì)惡劣的環(huán)境條件時(shí)也有著非常優(yōu)秀的表現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)面對(duì)通風(fēng)換氣的場(chǎng)合，或者有需要控制二氧化碳濃度的場(chǎng)合，都會(huì)選擇這款傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。我們是預(yù)計(jì)通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)二氧化碳含量的控制的。如果棚中的CO2含量小于系統(tǒng)中設(shè)置的含量值，則系統(tǒng)將打開CO2儲(chǔ)存器或選擇CO2發(fā)生器釋放CO2。對(duì)于二氧化碳濃度傳感器，選擇Fogarro公司的TGS4160CO2傳感器，它是固體電化學(xué)氣體傳感器。該二氧化碳傳感器體積小，壽命長(zhǎng)，選擇性和穩(wěn)定性優(yōu)異、耐高濕和低溫。廣泛用于自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)和長(zhǎng)期監(jiān)控二氧化碳?xì)怏w的場(chǎng)合。的參數(shù)如下：（1）測(cè)量范圍：（2）對(duì)二氧化碳CO2濃度有高靈敏度（3）壽命長(zhǎng)（4）使用溫度：1.4.3模擬量輸入模塊EM2351、模擬量輸入模塊EM235的簡(jiǎn)介EM235將被測(cè)的交流電流直接改變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將該信號(hào)送至接收部位。該模塊需要24V的直流電源來(lái)進(jìn)行工作，并且包含四個(gè)輸入和一個(gè)輸出，通過(guò)DIP來(lái)設(shè)定量程。表3-1表示了通過(guò)DIP設(shè)置EM235模塊的輸入量程范圍的過(guò)程。

表3-1DIP開關(guān)設(shè)置單極性滿量程輸入分辨率12.5μV25μV125μV250μV5μA因?yàn)樵撌卟舜笈镏械臏y(cè)量值都是單極性，故選擇0-20mA的量程和0-5V量程。2、模擬量輸入模塊EM235的使用說(shuō)明校準(zhǔn)輸入時(shí)，其步驟如下：（1）關(guān)閉模塊電源，選擇滿足系統(tǒng)要求的輸入范圍。（2）讓CPU通電十五分鐘。（3）通過(guò)變送器把零信號(hào)送入輸入端。（4）讀取測(cè)量值。（5）調(diào)節(jié)電位計(jì)，直至讀數(shù)為需要的數(shù)值。（6）把一個(gè)信號(hào)接入到一個(gè)輸入端中，讀出CPU數(shù)值。（7）調(diào)節(jié)電位計(jì)，直到讀數(shù)為。（8）如果還不準(zhǔn)確，就進(jìn)行二次校準(zhǔn)。進(jìn)行以上步驟直至輸入模擬量信號(hào)，對(duì)應(yīng)數(shù)字量是零到或設(shè)定值。1.4.4PLCI/O地址分配表依照系統(tǒng)的要求，I/O地址的部分分配表如表、

表輸入端口地址分配表序號(hào)輸入口信號(hào)名稱符號(hào)01手動(dòng)/自動(dòng)切換02總啟動(dòng)03總停止04遮陽(yáng)簾開限位0