基于PLC的温度控制系统设计毕业论文.doc

作为世界第一农业大国，农业生产在我国国民经济中有着举足轻重的地位。人们对绿色农产品的需求也随着生活水平的提高日益增强，因此我国农业由粗放式向集约式、精细式发展已经成为一种必然趋势，而设施农业作为其中的一个重要途径，越来越受到重视。作物生长主要受温度、湿度、光照强度、CO2浓度等环境因素的影响，建造智能温室的目的就是为了对这些环境参数进行自动控制。通过对温室控制对象和温室环境的特点的分析，确定了控制系统的结构和控制方案，本文设计了以 PLC 为下位机，以装有组态王软件的 PC 机为上位机的分布式智能温室监控系统。硬件主要包括 PLC 及其特殊功能模块、各种传感器电路、电源和执行部件，软件主要是组态王软件和三菱 PLC 编程软件 GX Works。 控制系统有手动控制和自动控制两种控制方式。在自动控制模式下，下位机PLC 通过传感器采集环境参数，并与用户设定的环境参数上限下限比较，控制相应执行部件启停，调节温室环境参数。在手动控制模式下，用户根据需要控制上位机组态王手动画面的模拟开关，控制 PLC 发出开关指令控制对应执行机构，对温室环境进行调节。上位机 PC 的组态软件与下位机 PLC 通信，完成人机交互的功能。通过组态王实时显示下位机采集的环境参数当前值、执行部件状态、故障报警等，同时可以进行趋势曲线查看、数据库操作等。另外用户设定环境参数、手动自动控制切换、手动控制模式下控制模拟开关也在组态王上进行。 通过系统的测试实验，智能温室监控系统基本达到了预期的设计目标，但是还需要继续完善才能运用于实际温室。关键词：智能温室，PLC，组态王ABSTRACTABSTRACT As the biggest agricultural country in the world, Chinas agricultural production Hasa pivotal position in national economy.With the improvement of living standards,demand for green vegetables are growing,therefore our country agriculture overdevelopment extensive to intensive has become an inevitable trend,and as one of the importancy of the developing,agricultural facilities are receiving much more attention. Crop growth is mainly affected by temperature, humidity, light intensity, carbon concentrations and other environmental factors, so the purpose of building Intelligence is to automatically control these environmental parameters. Through the analysis of controlled object and environmental quality greenhorn,we determine the structure of the control system and control programs. In this paper, we design a distributed intelligent greenhouse control system,which ha slower computer-programmable logic controller and upper computer-a personal with King. Hardware mainly includes the PLC and its special function module, all kinds of sensor circuit, power supply and execution unit;software maidenlinesses King and Mitsubishi PLC programming software-GX Developer. The control system has two control modes-manual control and automatic control. In the automatic control mode, lower computer-PLC collected environmental parameter sensors and compared with the minimum maximum environmental parameters which are set by the users to control the start and stop of the corresponding execution unit adjusted the parameters of greenhouse environment. In manual control mode, overcontrol analogue switch in the Glenviews manually screen according to the need，controllership PLC to give out switch order to con troll the corresponding execution immunoregulation the greenhouse environment. Upper computer communicate with computerist-PLC to complete the function of the human-computer interaction. Anticaking real-time display the current environment parameter values collected by computerist-PLC , the states of the execution units ,alarms and so on. In themeantime,users can view the trend curves,operate report forms or Access data base Longview. Users setting the minimum maximum environmental parameters,switchingmanual/automatic control and controlling analogue switch in manual control mode are also can be operated in King. Through system testing experiment,the intelligent greenhouse monitoring system achieves the expected design requirements,but it also need to continue to improve Borden to be used in practical greenhouse.Keywords: Intelligent Greenhouse，Environmental parameters，Programmable Logic Controller，King摘 要2第一章 绪 论61.1 课题研究背景61.2 智能温室的国内外研究现状及发展趋势61.2.1 国外研究现状61.2.2 国内研究现状71.3 智能温室的发展趋势71.4 论文的结构和主要研究内容81.4.1 论文的结构81.4.2 论文主要研究内容8第二章 系统整体方案分析92.1 温室整体概况92.1.1 温室控制对象92.1.2 温室整体结构92.2 系统的整体方案102.2.1 系统控制方案102.2.2 系统结构与技术手段112.3 PLC 和组态软件简介122.3.1 PLC 简介122.4.2 组态王简介152.5 本章小结15第三章 下位机硬软件设计163.1 系统功能需求163.2 PLC 选型与 I/O 分配173.2.1 PLC 选型173.2.2 模拟量输入模块183.2.3 I/O 点的分配183.3传感器的选型与设计213.3.1 传感器的选择213.3.2 温度传感器213.3.3 湿度传感器223.3.4 光照强度传感器223.5 编程环境与注意事项243.5.1 编程环境243.5.2 编程步骤和注意事项253.5.3 编程线缆与通讯设置263.6 软件模块划分273.7 环境参数采集模块283.7.1 数据采集283.7.2 线性转换283.8 控制模块设计293.8.1 控制系统数学模型的建立303.9 PID控制程序设计313.9.1PID控制模型的建立313.9.2PID控制及参数整定313.10 故障报警模块343.11 本章小结35第四章 上位机系统的设计364.1 上位机功能需求364.2 组态王与数据库的通信364.3 组态王与下位机通信384.4 监控系统功能设计404.4.1 监控画面设计414.4.2 编写命令语言42第五章 系统可靠性分析和测试445.1 干扰分析与抗干扰措施445.2 系统测试与实验445.2.1 传感器校准445.2.2 系统功能测试455.2.3 故障报警485.3 本章小结49第六章 总结与展望496.1 论文工作总结496.2 展望50致谢50参考文献51附录52第一章 绪 论1.1 课题研究背景我国作为世界第一农业大国，农业生产在我国国民经济中有着举足轻重的地位。作为一个占全世界人口 1/5 的大国，可耕地面积却只占世界可耕地面积的 7%，人均可耕地面积仅为世界平均水平的 1/3，土地资源较为匮乏。同时由于环境污染和农产品消费需求的转变，人们对绿色食品的需求也大大增加。因此我国农业由粗放式向集约式、精细式发展已经成为一种必然趋势，设施农业作为其中的一个重要途径，越发受到重视。作物生长主要受温度、湿度、光照强度等因素的影响，而建造智能温室的目的就是为了对这些环境参数进行自动控制。温室农业避免了作物受自然环境因素的限制，能够使作物按照自身的最佳模式生长，让作物与环境统一起来，对农业的发展有重要的意义。智能温室控制是基于传统温室，结合了计算机技术，自动控制技术，传感器技术等高科技手段而发展起来的，能够为各种各样的作物提供无关地域、季节的良好自然环境。从而提高土地产出率，实现无污染，高效，高产，优质的目标。本文将探讨并设计实现一种可靠性高，实用性强，控制精准的智能温室监控系统。1.2 智能温室的国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国外研究现状 在国外，温室的起源可以追溯到罗马帝国时期。结合了计算机技术的现代智能温室始于 20 世纪 70 年代，先是现场采集后进行记录和指挥控制，而后发展成为分布式控制系统。现在世界各国的智能温室控制技术发展迅猛，在欧美，荷兰、美国、加拿大、西班牙、意大利、法国、德国、英国、比利时、以色列都是温室农业的强国；在亚洲，韩国和日本的智能温室发展较为突出1。 荷兰以其先进的鲜花生产技术闻名于世，温室产业在其农业产业中份量极重。荷兰玻璃温室面积占世界的 20%以上，其温室的控制系统全部由计算机完成操作。荷兰本国蔬菜生产的绝大部分来自温室，其中绝大部分又销往世界各地，同时荷兰的蔬菜种子出口，温室农业技术出口和温室建造出口也在世界市场处于绝对领先地位。 美国和加拿大是规模化、机械化、人力节约型温室农业的代表。农业机械化和现代温室技术在农业的应用，提高了作物的产量，如在美国温室番茄的产量从50kg/2m 提高到 70kg/2m ,体现了温室技术的最高水平。加拿大在温室病虫害防治方面处于世界领先水平。 以色列也走在了现代温室农业发展的前列，享有“欧洲冬季厨房”美誉，其先进的一体化智能光照控制温室、配套监控系统软件平台及其相关设备均为世界领先水平，极大程度的弥补了其本国农业资源、气候环境的先天不足，实现了花卉蔬菜大量出口创汇。地处伊比利亚半岛的西班牙由于受到地中海气候的影响，土质较差且缺乏水资源，该国积极利用滩涂发展设施蔬菜，也取得了良好的经济效益。 以中日韩为代表的亚洲是当今世界温室农业发展最快的区域，其中尤以日韩的温室技术较为发达。日本的自身自然环境相对恶劣，也催生了他世界领先的温室技术。日本对农业的重视使得其有限的生产资源得到了充分利用,农业生产效率和科技水平都处于世界领先水平。日本的蔬菜大棚利用计算机控制温室环境因素的方法，当某一环境因素发生变化时，其余因素自动做出相应调整，使得温度、湿度、光照强度这三个主要环境因素随时处于最适宜作物生长的状态。韩国的温室产品在韩国加入世贸组织之后由普通的粮食蔬菜产品向有高附加值的鲜花园艺产品转变，对其温室技术的发展也起到了推动作用，温室管理水平也有了长足的进步。1.2.2 国内研究现状 我国温室的起源可以追溯到先秦时期。改革开放以来，我国的温室面积发展迅猛，作物种类和与之对应的设施类型也日趋多样化。20 多年的时间里，我国从一个设施农业面积不足 1 万2hm 发展到 2010 年的 362.7 万2hm 的设施农业大国。自 1999 年以来我国一直保持世界设施农业第一大国，占世界设施农业面积的 85%以上，设施农业人均面积为 272m ，仅次于以色列，居世界第二位。我国的设施农业主要集中在山东、辽宁、河北、江苏、浙江、宁夏等地。近年来，我国设施农业得到长足的发展，势头迅猛；涉及的领域也更加广泛，从蔬菜种植发展到了花卉、水果、中草药等更多高附加值的经济作物的种植；设施农业的面积也在大幅增加，开展设施农业的省份也大幅增加，设施农业生产遍布全国所有省、市、自治区。设施农业的发展也因地域的特点呈现区域化分布的态势，北方因气候寒冷以发展高效节能温室为主；南方则以夏季简易设施农业为主；在经济发达的大中型城市的郊区，现代化自控温室作为都市农业的载体得以发展。据 2008 年的调查显示，设施农业的投入产出比高达 1 比 4.5，由于其高产量和上市时机可控等因素，比相应露地农业的收入高 30%以上。近年来，我国也根据各地不同的气候特点，在消化吸收国外先进温室技术的基础上，自主研发了许多高水平的智能温室系统。不断将最新的传感器技术和控制算法应用于智能温室的控制，大大提高了智能温室的控制水平。为真正实现发展高效、节能的智能温室的目标而努力。科研人员和从业人员的不断努力，对温室各个环境要素的控制和控制执行部件开展了卓有成效的研究，形成了中国特色的温室产业与技术。1.3 智能温室的发展趋势 随着科学技术的飞速发展，科技含量和技术水平的提高已成为温室发展的必然趋势。温室的发展总体有以下态势：（1）标准化 标准化有两层含义，第一是根据地域特点，即当地的水土资源，气候条件，设计适合当地条件的标准化温室，并健全温室配套设施的设计、安装、使用标准；第二是对温室内各种作物的生长模型进行标准化处理，在模型中作物生长的每一个环节都量化，做到及时精确管理，保证作物最适合的生长条件。（2）规模化、多样化 温室产业也随着生产力的发展由粗放型向集约型转变，逐渐走上规模化、产业化的道路，更多的大型智能温室将出现在人们的视野。温室种植的作物也由单一的蔬菜向附加值更高的经济作物转变，这些都是市场经济的选择。（3）智能化 温室控制技术是智能温室的重点所在。现代智能温室中，所有环境因子都由计算机来监测、控制。现在已经由对单一环境因子的控制发展到对多个环境因子综合控制，并且控制算法也在不断进步中。（4）节能环保 农业的发展与自然界和谐一致，是新世纪农业发展的要求。通过对温室水资源、营养液的循环利用，节能 LED 灯，优化温室结构，余热回收，雨水回收，精确施肥等方式有效实现温室的节能环保。（5）温室工厂化植物工厂是在全封闭设施内全年进行作物生产的高度自动化控制体系。近年来，无土栽培技术的应用使农业工厂化变为了可能。无土栽培可以让作物在保证质量的同时生长更加快速，从而提高产量，一般蔬菜无土栽培的产量为土壤栽培的数倍甚至数十倍。同时无土栽培也可以充分利用空间，通过多层立体种植提高了单位面积的栽培效率。1.4 论文的结构和主要研究内容1.4.1 论文的结构 本论文介绍了基于 PLC2 和组态王的智能温室监控系统的设计，主要内容结构如下： 第一章 绪论部分首先介绍课题研究的背景，然后概述了国内外智能温室的研究现状以及发展趋势。 第二章 首先介绍温室控制对象和温室整体结构，然后提出温室监控系统整体方案，最后对 PLC 和组态王软件进行了介绍。 第三章 首先分析系统功能需求，然后分别从硬件软件设计整个下位机系统。 第四章 介绍组态王软件和利用组态王开发工程的一般流程，然后根据温室监控的需要对上位机组态进行了设计。 第五章 对智能温室监控系统进行了的抗干扰分析并进行系统整体测试。 第六章 对全文工作进行总结，并提出展望。1.4.2 论文主要研究内容（1）分析温室控制对象的特点和温室整体结构。（2）根据温室概况，分析现有工业控制方案，以选择温室控制系统的方案。（3）根据控制系统的方案选择 PLC 及其特殊功能模块、各类传感器、上位机监控软件。（4）完成基于组态王软件的上位机监控系统设计和和基于 PLC 的下位机软硬件设计，从而通过上位机下位机的分布式控制，实现对环境参数采集、参数上限下限的设置、执行部件状态显示、温室环境自动/手动控制等功能。第二章 系统整体方案分析2.1 温室整体概况2.1.1 温室控制对象 温室控制系统是对温室环境参数进行控制的系统，在设计监控系统之前，需要对控制的对象有较深的了解。影响植物生长的因素很多，为了保证作物的高产高质，掌握植物生长环境中的这些因素是很重要的。下面简单分析本系统所关注的环境参数温度、湿度、光照度对植物的影响。（1）温度温度对植物的影响是综合的，它可以通过气温、土温、水温、植物体温等从各个方面影响植物的生长发育。每种植物的生长发育都有其最高温度、最低温度和最适温度。植物只能生存在最低温度到最高温度的范围内。在最适温度，植物生长最快，但却会因为植物的呼吸作用使有机物消耗过多，长得细长柔弱。要想植物健壮生长，就需要植物生长在其协调的最适温度，这个温度常比最适温度略低。因此，将温室温度控制在协调最适温度的一定范围内对作物的生长将具有重要意义。（2）湿度影响水汽的来源、水汽输送的条件、空气保持水汽能力的条件都可能影响空气的相对湿度。当空气湿度过小，会因为干旱造成植物缺水，影响植物生长；长时间湿度过大也会抑制植物的生长，并且过大的湿度会带来许多病虫害，如小麦锈病和小麦吸浆虫等；只有空气湿度较小且土壤水份充足，才是植物生长的较好条件。因此，将温室的相对湿度保持在一个最适宜的范围内对温室内作物的生长和病虫防治具有重要意义。（3）光照强度一切绿色植物都必须在光照下才能进行光合作用。通常根据植物对光的不同要求，分为阳性植物、中性植物、阴性植物。阳性植物在低光照下难以正常生长，阴性植物在高光照下生长会受到抑制，但即使对光照强度要求最低的阴性植物也要达到其光补偿点才能生长。对于同一种植物，不同的光照强度和光谱特性也影响着各器官的生长速度和发育比例。此外，光照还能抑制某些病菌的活动。因此，针对不同的作物，提供合适的光照强度将有利于作物的生长。2.1.2 温室整体结构 本文所设计监控系统针对的温室如下文所述，温室为 9.6m 跨三屋脊文洛式温室，南北向长 9.6m，东西向长 8m；面积 76.8m2，为独栋温室；三角形顶棚，肩高4m，顶高 5m，外遮阳高 6m；温室骨架为轻钢结构，顶部使用聚碳酸酯板（PC 板）为透光材料，四面使用玻璃材料。温室顶部开有天窗，在屋脊两边面积相同，天窗大小 2m1m2；四周开有侧窗，侧窗高 2m，宽 1.5m。根据温室内所需控制的环境参数的种类，用以下几种执行设备调节温室环境，包括外遮阳幕，内保温幕，湿帘系统，天窗，侧窗，循环风机，通风风机，补光灯和加温装置。2.2 系统的整体方案2.2.1 系统控制方案 本系统采用的是可以在手动自动之间切换的控制模式，在开关量输入设置一个变量作为 PLC 的输入信号，即可实现控制模式的转换。（1）自动控制 将温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器3采集到的环境参数信息，与用户设定的上限下限值比较后，如果某一个传感器采集到的实际值在用户所设置的环境参数目标值下限到上限的区间之外，则会通过 PLC 发出开关指令，来控制天窗电机、侧窗电机、湿帘、遮阳幕、保温幕、加温锅炉等这些执行部件中的相应部件的启停，使实际环境参数回到目标值下限到上限的区间之间。本系统所针对的温室面积较大，光照强度分布均匀性较好，一组传感器采集可以满足要求，但是温度、湿度的分布均匀性较难保证，固而需要多组传感器。本系统设计了 4 组温度、湿度传感器分别从温室顶部、底部，靠南、靠北来检测温度、湿度，这样的情况下，温度、湿度控制方案为，将各组传感器采集实时参数与用户设置的上限下限值比较，一旦有某一个传感器采集到得实时参数在下限到上限的区间外，就触发相应执行部件。考虑到温室内温度差、湿度差不会大于相应上限与下限之差（用户应尽量避免这种情况出现），所以若同时出现温度传感器 1 采集的实时值小于下限，温度传感器 2 采集的实时值大于上限的情况，触发故障报警。4 组传感器的传感器的放置如下图所示，其中 1 号组包含 4种传感器，24 号组只包含温度、湿度传感器。图 2-3 传感器组放置示意图 当实际温度低于目标下限，控制保温幕展开，加温设备开启，循环风设备开启；当实际温度高于目标上限，控制湿帘系统开启，遮阳幕展开，循环风设备开启。当实际湿度低于目标下限，控制湿帘系统开启，循环风开启；当实际湿度大于目标上限，控制通风风机开启，侧窗开启。当实际光照度低于目标值下限，打开补光灯；当实际光照度高于目标值上限，展开遮阳幕。另外由于 PLC 检测系统反应灵敏，能够迅速反应实际环境值的变化。当环境实际值在上限、下限值附近扰动时，PLC 会频繁发出开关指令，造成执行部件的频繁动作，会减少执行部件的使用寿命，并且由于温室环境的时延特性，也不需要对执行部件进行即时控制，所以在程序中加入延时模块，并且根据实际情况修改延时的长短，以优化控制的效果。（2）手动控制手动模式则是通过点击组态王手动控制画面中的开窗、关窗,打开通风电机、关闭通风电机等模拟开关，从而控制这些执行部件来改变环境参数，达到手动控制的目的。2.2.2 系统结构与技术手段系统采用组态王6.53的计算机作为上位机，通过串行通信接口与下位机 PLC 进行通信，采集温室当前环境参数，进而根据控制方案通过输出接口对执行机构进行控制。系统还具有手动/自动的切换功能，当需要时直接通过手动开关控制执行机构，使系统更具可靠性。通过系统结构可知，需要用到温度、湿度、光照强度 3 种传感器，并设计信号变送电路；对 PLC 编程进行数据采集和控制执行机构；通过组态王软件开发人机交互界面，对环境参数和执行机构状态进行显示，进行手动控制等。总结起来需要用到得技术有，传感器电路设计、PLC 硬件连接和软件编程、组态王开发。上位机（计算机）串行通信接口输出接口下位机(PLC)输入接口执行机构模拟量输入模块反馈输入手动开关光敏传感器湿度传感器温度传感器图 2-4 系统硬件结构框图2.3 PLC 和组态软件简介2.3.1 PLC 简介（1）PLC 的基本概念 PLC 是一种带有指令存储器、数字或模拟输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，面向机器或生产过程的自动控制装置。（2）PLC 的特点与功能 PLC 与其他工业控制装置相比，有两大特点：可靠性高、通用性好。温室现场环境一般都比较恶劣，因此温室控制对控制系统的可靠性要求很高。PLC 设计和制造过程中采取了一系列有效措施保证 PLC 可靠运行。在硬件设计上：PLC 所有的输入输出接口都采用光耦合器件，使 PLC 内部与外部电路直接在电气上隔离；PLC 的电源与 I/O 回路设计有多重滤波电路（如 RC 滤波器、LC 滤波器、数字滤波器等）；采用了性能优良的开关电源。在软件设计上：PLC 程序一次性采入，循环方式执行，在循环执行期间改变输入也不会影响程序的执行；PLC 程序采用的都是面向用户的专用编程语言，简单直观，在编译过程中还可以进行错误自动检查，保证了程序的正确性；PLC 的用户程序与系统程序相对独立；以上这些措施都大大提高了程序执行的可靠性。通用性好，使用方便，是 PLC 之所以能够得到普及的重要原因。PLC 大多都采用了基本单元加扩展或者特殊模块的结构形式，在需要时可以随时更换或增减I/O 模块，温室中 I/O 设备的更换和增减也较为频繁。特殊功能模块也越来越多，可以满足不同的控制要求。PLC 的 I/O 连接简单，工作量和出错可能性都小，维护和维修也非常方便。PLC 的编程语言简单明了，程序形象直观，即使没有计算机知识的人也非常容易掌握，推广与普及相对其他工业控制装置容易。PLC 首先具备满足顺序控制要求的基本逻辑运算功能。随后，由于 PLC 应用范围的扩大，又不断开发了可以满足各种控制要求的特殊控制功能。近年来，为了适应信息、网络技术的发展，网络与通信能力已经成为 PLC 的一项重要功能。PLC 的功能如图 2-5 所示：图 2-5 PLC 功能图（3）PLC 的组成 PLC 性能根据其种类而异，但是在硬件组成上大致相同如图 2-6 所示：图 2-6 PLC 的硬件设备组成 CPU 是直接决定 PLC 基本性能的最核心部件，它采用了 PLC 独特的循环扫描方式，在操作系统的控制下，不断重复输入采样、执行用户程序、通信处理、内部诊断、输出刷新扫描循环。PLC 的存储器用于存储程序和程序执行时的中间状态与信息。输入接口的主要作用是完成外部信号到 PLC 内部信号的转换。输出接口的主要作用是完成 PLC 内部信号到外部信号的转换。输入输出接口电路的形式根据输入输出信号的类型的不同，可以选择不同类型的输入输出模块，以实现 PLC与不同现场输入输出信号之间的连接。通信接口的主要作用是实现 PLC 与外部设备之前的数据交换，最基本的有 USB、RS-232、RS-422/RS-485 等标准串行接口。PLC 的输入电源有交流输入和直流输入两种基本形式。PLC 的软件组成总体上可分为系统程序和应用程序两大部分。PLC 系统程序是指控制 PLC 自身运行的控制程序，主要由管理程序、指令译码程序、标准程序块等部分组成。应用程序是指 PLC 用户根据各种控制要求与控制条件编制的设备控制程序。（4）PLC 的工作原理 由于操作系统和系统软件之间的差异，PLC 的工作过程与通用计算机有很大的不同。PLC 的主要工作过程可以分为输入采样、执行程序、通信处理、CPU 诊断、输出刷新 5 个扫描循环且不断重复。扫描时有两个状态：停止状态（STOP）和运行状态（RUN）。处于停止状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容；处于运行状态时，则进行 5 个扫描循环的不断重复。输入采样是 PLC 输入的集中批处理过程，读入的输入映像状态将一直保持到下次输入采样来到。执行程序是 PLC按用户程序指令的要求，结合 PLC 输入映像、输出映像及辅助继电器等的状态，完成相应的逻辑运算、算术运算、数据处理操。CPU 诊断是指 CPU 对 PLC 硬件、模块的连接状态、存储器状态、用户程序等进行的检查与监控。通信处理是 PLC自检结束后，需要进行通信请求检查，以决定 PLC 是否需要与编程器等外部设备或网络设备进行通信。输出刷新时 PLC 的输出集中批处理过程。CPU 根据用户程序的处理结果，将输出暂存器的状态一次性输出到外部，控制执行部件动作。PLC的工作过程如图 2-7 所示：图 2-7 循环扫描工作过程（5）PLC 的编程语言 PLC 的编程语言主要五种，梯形图、顺序功能图、逻辑功能块图式图形编程语言，指令表和结构化文本是文字语言。梯形图是一种沿用了继电器的触点、线圈、连线等图形与符号的编程语言，也是最为常用的 PLC 编程语言。指令表是一种是用助记符的 PLC 编程语言。逻辑功能块图是一种沿用了数字电子线路的逻辑门电路、触发器、连线等图形与符号的编程语言。指令表程序是一种与汇编语言中的指令相似的助记符表达式组成的程序。顺序功能图是一种新颖的、按照工艺流程图进行编程的编程语言。2.4.2 组态王简介（1）组态王的组成和特点 组态王由工程管理器、工程浏览器和运行系统三部分构成。其中工程管理器是用于创建和管理工程；工程浏览器是工程的开发设计工具；运行系统是人机运行界面，把采集的数据通过与画面对象的关联显示于画面。 组态王的功能特点如下： 人机界面功能丰富； 通信能力强大；报警和事件管理先进；强大的网络和冗余功能。（2） 组态王创建工程的一般步骤 创建工程，利用组态王工程创建向导，指定工程路径，输入工程名称、工程描述等，并设置新建工程为当前工程。 画面组态，组态王采用的是面对对象的编程技术，用户可以为每个工程建立多个画面，这些画面都是由组态王提供的类型丰富的图形组合而成。 定义变量，主要包括变量名，变量类型，如果变量类型是 I/O 型，则还需要选择连接设备，寄存器和数据类型。 动画连接，关联画面与变量，当变量的实际值发生改变时，画面也相应变化。运行和调试，在组态王开发系统中通过菜单命令进入组态王运行系统。显示出组态王实际运行时的画面，并与设计要求对比，如果不合要求，再进入开发系统修改，反复如此，优化界面直到满足要求。2.5 本章小结 本章首先介绍了温室控制对象的特点，然后通过比较几种系统解决方案的优缺点，提出了智能温室监控系统的整体方案，即上位机采用组态王开发人机界面，下位机使用 PLC 控制。最后介绍了上位机和下位机所采用的组态王软件和 PLC。第三章 下位机硬软件设计3.1 系统功能需求 温室监控系统主要起到的是监视和控制的作用，通过传感器将温度、湿度、光照强度的信息传输到主控制器 PLC，主控制器根据控制方案控制执行部件动作，系统自动采集执行部件运行状况，对异常情况进行报警4。系统主要实现的功能有：（1）实时检测温室中的温度、湿度、光照强度参数。（2）实时显示温室执行部件的状态。（3）在线设定温度、湿度等参数的上限下限值以及设备执行的延迟时间。（4）各参数的实时趋势曲线、历史趋势曲线。（5）实时数据库、历史数据报表的查询和打印功能。（5）具有用户管理功能，不同操作人员有各自账号密码，有不同操作权限。（6）自动控制功能，PLC 输出控制信号控制执行部件，使环境参数在用户所设区间内。（7）故障报警功能，当数据出错，执行部件状态显示出错时故障报警。 整个控制系统功能需要上位机下位机协同完成，有些功能需要通过上位机设计实现，比如数据存储、状态显示、打印查询、生成趋势曲线、用户管理等。还有一些功能需要下位机来实现，比如监测数据的采集，控制信号的输入输出等。本系统设计的流程图如图 3-1 所示，首先分析系统需求，然后对系统硬件进行设计，然后设计 PLC 程序，最后进行上位机设计和系统调试。图 3-1 温室系统设计流程3.2 PLC 选型与 I/O 分配3.2.1 PLC 选型 PLC 的选用是根据系统设计的具体要求，统计输入/输出（I/O）点数。系统 的I/O 点数是根据所设计温室监控系统的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的裕量来确定，从而选择合适的 PLC。系统所关注的温室参数有温度、光照强度，因此也就有与之对应的执行部件。本系统的开关量输入输出点估算如下表所示。（1） 开关量输入输出点估算输入点输出点端口说明端口数量端口说明端口数量自动/手动切换开关1故障报警灯1故障报警消除1天窗/侧窗电机5天窗状态反馈2加湿水泵1侧窗状态反馈6遮阳幕展开/合拢2加湿水泵状态反馈1保温幕展开/合拢2遮阳幕状态反馈2加温系统1保温幕状态反馈2补光灯1补光灯状态反馈1循环风机1循环风机状态反馈1通风风机1合计20合计16（2）用户程序存储容量估算通常来讲估算程序存储容量按照式 3-1，并加上 20%30%的裕量来计算：存储容量 (字 节)= 开关量I /O点数10+模拟量I/O通道数100 （3-1）本系统同时采集温度 1、湿度 1、温度 2、湿度 2、温度 3、湿度 3、温度 4、湿度 、4温度4、光照强度 9 路模拟量，合计 43 个开关量输入输出点，所以存储容量=1430B，再考虑裕量和其他因素，初步估计需要 1600B。（3）PLC 选择基于以上估算，本系统选择了日本三菱公司生产的 FX2N-48MR-001 型 PLC，该型号 PLC 是 AC 电源，DC 输入。FX2N-48MR-001型 PLC 基本单元有 24 个输入端子，24 个输出端子，可以满足开关量输入输出的需求，不再需要 I/O 扩展单元。FX2N-48MR-001 型 PLC 的外形如图 3-2 所示。图 3-2 FX2N-48MR-001型 PLC 的外形图3.2.2 模拟量输入模块对于温度、湿度、光照强度 3种环境参数，则需要模拟量输入功能模块来实现采集，最终选择了 FX2N-4AD 模拟量输入功能模块，4 组传感器同时采集，位于 PLC 的 0 号位置的 FX2N-4AD 采集1、温度 1、湿度 1、光照强度，位于 PLC 的 1 号位置的 FX2N-4AD 采集温度 2、湿度 2，位于 PLC 的 2 号位置的 FX2N-4AD 采集3温度 3、湿度 3，位于 PLC 的 3 号位置的 FX2N-4AD 采集4、温度 4、湿度 4。FX2N-4AD 通过扩展电缆与 PLC 基本单元（或扩展单元）连接，并由 PLC 内部总线传送数据。FX2N-4AD 的主要技术性能如表 3-2 所示：表 3-2 FX2N-4AD 主要技术性能项目参数备注电压输入电流输入输入点数4通道类型可选输入要求DC-1010VDC420mA数字输出12位11位包含符号位分辨率5mV20uA转换精度1%全范围电源要求DC 24V/55mA，5V/30mA3.2.3 I/O 点的分配PLC 的开关量输入输出端子与输入输出信号都是一对一的关系，输出控制执行部件，输入为其反馈，本温室系统中端子与信号的分配关系如图 所示。X0 Y0 X1 Y1X2 Y2X3 Y3X4 Y4X5 Y5X6 Y6X7 Y7X8 Y8X9 Y9X10 Y10X11 Y11X12 Y12X13 Y13X14 Y14COM COM24+FX2N-48MR SB1 T KM1 SB2 T KM2 SB3 T KM3 SB4 T KM4 SB5 T KM5 SB6 T KM6 SB7 T KM7 SB8 T KM8 SB9 T KM9 SB10 T KM10 KM11 KM12 KM13 KM14 电源24+ 24-V+ V+I+ I+V+ V+I+ I+V+ V+I+ I+V+ V+I+ I+FX2N-4AD图 3-3 PLC 开关量输入点分配图 3-4 PLC 开关量输出点分配3.3传感器的选型与设计3.3.1 传感器的选择传感器是信息系统的源头，通过传感器来感受物质世界是信息时代的一大标志。传感器的定义是指能够感受被测量并按照一定规律转化为可输出信号的装置。由传感器的定义可知，传感器的基本功能是信号检测和信号变换，一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路组成。敏感元件是能感受或响应被测量的部分，转换元件是将敏感元件感受到的被测量转换成电信号的部分，信号调理电路是将传感器输出的微弱电信号转换成易于处理的有用信号。信号调理电路转换元件敏感元件图 3-5 传感器的基本组成传感器选择时应考虑的事项很多，但根据传感器实际使用的目的、指标、环境和成本等限制条件，从不同的侧重点，优先考虑几个条件就可以了。传感器的选用原则如下：（1）与测量条件有关的因素测量的目的，被测量的选择，测量范围，输入信号的幅值和频带宽度，精度要求，测量所需要的时间。（2）与传感器有关的因素精度，稳定性，响应特性，模拟量或数字量，输出幅值，对被测物体产生的负载效应，校正周期，超标准过大的输入信号保护。（3）与使用环境有关的因素安装现场条件及情况，环境条件，信号传输距离，所需现场提供的功率容量。（4）与购买和维修有关的因素价格，零配件的储备，服务与维修制度、保修时间，交货日期。 综上所述，由于被测量是温室内的温度、湿度、CO2浓度、光照强度等环境因素，测量值的范围可以确定。温室环境参数有的时变时延特性，所以对传感器精度要求不高；但是温室环境复杂，干扰多，所以对传感器稳定性要求较高。并且由于所选用的特殊功能模块三菱 FX2N-4AD 模拟量输入模块需要模拟量信号，所以选用的均为模拟量输出的传感器。温度传感器选用了 AD590温度传感器，湿度传感器选用了 HS1101 湿度传