基于plc的温度控制系统的设计与制作

STYLEREF"标题1"7结论与展望PAGE32PAGE31基于plc的温度控制系统的设计与制作摘要中国是一个农业大国，农村人口众多。农业产量决定了14亿人口的粮食问题。同时，农业经济在我国国民经济中具有不可动摇的地位。随着我国人民生活质量的提高，从温饱迈向了小康，随之而来人们对粮食、蔬菜、水果的质量要求也逐步提高。为了获得质量好产量高的蔬菜水果，为了获得更优质的农作物品种，世界多数发达国家大力开展了智能温室技术的研究。在智能温室中，操作者可以手动调节温室内的各种环境因素，使其适应作物的生长范围，避免外界环境的影响，使作物生长得更好，质量好，产量高。智能温室适用于蔬菜、水果和农作物的种植。本文主要介绍了基于西门子S7-1200系列可编程控制器（PLC）和MCGS组态软件的温室温度PLC控制系统的设计方案。本研究采用温度传感器对温室内的环境指标进行检测，并将测量值送至PLC，并与设定值进行比较，然后发出相应的指令驱动温室内的环境指标。执行。温室环境参数调节设备，实现温室智能化。化学和自动控制。在此基础上，利用MCGS组态软件完成了控制系统的组态设计。实现了动态演示、过程监控、数据记录和曲线显示等功能。实现了控制系统的人性化和过程的可视化，为温室的发展提供了新的方向。关键词：PLC；智能温室控制系统；MCGS组态

DesignandmanufactureoftemperaturecontrolsystembasedonPLCABSTRACTOurcountryisanagriculturalcountry,ruralpopulation,agriculturedependsonapopulationof1.4billionfoodproductionproblems,andtheagriculturaleconomyinourcountry,withanunshakablepositioninthenationaleconomy.Withtheimprovementofpeople'squalityoflifeinourcountry,fromfoodandclothingtothewell-off,followedbypeopleforfood,vegetables,fruitqualityrequirementalsograduallyimprove.Inordertoobtaingoodqualityhighyieldoffruitsandvegetables,inordertoobtainbettercropvarieties,mostdevelopedcountriesintheworldtodeveloptheintelligentgreenhousetechnologyresearch.Inintelligentgreenhouse,operatorscanadjustthevariousenvironmentalfactorsingreenhouseartificialinaccordwiththecropgrowth,avoidtheinfluenceoftheexternalenvironment,thusmakeplantsgrowbetter,goodqualityandhighyield.Intelligentgreenhouseissuitableforgrowingvegetables,fruitsandselectivebreedingofcropsbreedingwork.ThisarticlemainlyintroducedbasedonSiemensS7-1200seriesprogrammablecontroller(PLC)andtheMCGSconfigurationsoftwareinthegreenhousetemperaturePLCcontrolsystemdesign.Inthisstudy,usingtemperaturesensors,lightsensors,CO2concentrationsensorinthegreenhouseenvironmentindicatorsfortesting,andthemeasuredvalueissenttoPLC,comparedwiththesetvaluebyPLC,andthenacorrespondinginstructionwithinthedriverexecutiondevicetoregulategreenhouseenvironmentparameters,soastorealizetheintelligent,automaticcontrolofgreenhouse.Onthisbasis,adopttheMCGSconfigurationsoftwaretocompletetheconfigurationofthecontrolsystemdesign,hasrealizedthedynamicdemonstration,processmonitoring,datarecord,curvedisplay,andotherfunctions,soastorealizethehumanizationofthecontrolsystemoperationandvisualizationoftheprocess,providesanewdirectionforthedevelopmentofgreenhouses.Keywords:PLC;Intelligentgreenhousecontrolsystem;TheMCGSconfiguration

目录摘要 IABSTRACT II1绪论 11.1研究背景 11.2研究意义 12理论概述 32.1PLC控制系统的工作原理 32.2PLC的编程语言及特点 33控制系统的总体设计方案 43.1系统的设计任务 43.2系统的控制方案 43.3系统的工作原理 54控制系统的硬件设计 64.1电气控制系统设计 64.1.1系统主电路设计 64.1.2系统控制电路设计 64.2PLC硬件电路的设计 104.2.1PLC型号选择 104.2.2PLCI/O地址分配 104.2.3硬件接线图设计 114.3EM235模拟量输入/输出模块 125控制系统的软件设计 155.1PLC程序设计的方法 155.2编程软件STEP7-Micro/WIN概述 155.3控制系统的程序设计 165.3.1程序的设计思路 165.3.2控制程序流程图 165.3.3控制程序设计及分析 175.4控制程序的仿真与调试 225.4.1仿真软件简介 225.4.2控制程序的仿真与调试 236组态画面的设计方案 246.1组态软件概述 246.1.1组态的定义 246.1.2组态软件的系统构成 246.1.3组态软件的功能和特点 256.2温室大棚控制系统的组态设计 266.2.1新建工程 266.2.2定义变量 266.2.3设计画面 276.2.4编写程序 286.2.5运行调试 316.2.6报表输出 316.2.7曲线显示 327结论与展望 33参考文献 34致谢 361绪论1.1研究背景在温室中，我们可以人为的对环境条件进行相应的控制，例如最常见的对温室内的温度、湿度、土壤含水量调节。温室的建设与发展，大大的促进了世界农业技术的进步与发展。如今科学的进步科技的发展，我国的智能温室也有了一定的规模，2011年初我国已拥有了100万平方百米的温室，通过智能温室种植的农作物给我国经济的提高带来了很大的帮助，全国已经将农业技术发展的重点放在了智能温室领域上，各种措施的结合，更会推动我国农业的发展。同时，在第二次全国农业普查中，我国温室面积比以往大幅度增加，同比增长23%，占全国温室总面积的67%，多跨温室的综合利用率较高。科技含量达到33万平方米。过去温室里没有智能温室，只有一个温室。在温室内的某个地方放置温度计和湿度计，只能采集温室内的两个数据，测量误差很大。测量时必须人工读取，因为视角等原因再次产生误差，而且大棚中不会始终有工作人员，因此无法做都实时采集。但如今智能温室技术的逐步发展，智能温室中环境监控的技术不断的进步，不仅实现是实时监测，更进一步的实现了调控。我国虽然是一个农业大国，但是仍然处于发展中，没有发达国家那么高的技术含量，导致我国农产品的产量与质量相比之下都差一些。随着我国逐渐向国外发达国家学习，虽然已经拥有了一定的成效，但是在智能温室中环境调控的准确性、设备的可靠性耐久性、环境信息采集的精准度上、农作物培育与选种上还是跟国外有很大的差距。为了提高我国农业生产力，需要大力发展智能温室。智能温室是一种先进的农业生产数字化和通信技术。它完全不同于普通的温室。智能温室集传感技术、通信技术、控制技术于一体，形成新型智能温室，保证作物生长。它与植物有更适宜的生长环境。智能监控系统可以对温度、湿度、二氧化碳浓度进行监控，实现数据存储、管理和分析。1.2研究意义任何农作物生长都需要一定的环境条件，如适合的温湿度，白天要有一定的光照强度同时吸收二氧化碳完成光合作用，作物的生长同样离不开水，土壤中还需要一定的水，而且要适量。而智能温室设计的目的就是在不适宜的环境下，为各类农作物提供一个适合其生长的环境。智能温室控制系统将实现农作物的精确管理。通过智能检测仪，实时监测温室总温湿度、植物表面光照、空气中二氧化碳浓度、作物土壤含水量等。与原有的液体温度计和金属湿度计相比，效果更好、方便、准确。工作人员通过这些监测手段实时准确地了解温室内环境情况，避免了因环境因素造成产量的损失。智能温室将多种技术结合在了农业中，为农业科研提供了相应的技术条件。智能温室中的检测器可以自动采集数据并记录数据，方便相关工作者对作物的生长环境进行研究，了解不同环境因素对作物的生长、品质影响，以及对相应作物种植技术的改进，都提供了很大的帮助。我国人口众多，而且主要为农村人口，虽然国土面积较大，但是人口居住较为密集，又有崇山峻岭，耕地面积少，随着人口的增长，人均耕地面积还会减少，所以提高现有耕地的产量是解决这一矛盾的主要方法。基于以上问题，本课题将结合PLC可编程控制技术、数字通信与传感等技术，设计即可手动控制又可以自动控制的智能温室环境监控系统，对提高农作物产量与质量，育种选种的培育工作有着重要的意义。

2理论概述2.1PLC控制系统的工作原理PLC是可编程存储器。在其内部存储程序中，用于执行面向用户的指令，如逻辑操作、顺序控制、定时、计数和算术操作，并控制各种类型的机械或生产过程。通过数字或模拟输入/输出。可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式。（1）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。（2）输入刷新过程。当输入端口关闭时，当程序处于执行阶段时，无法读取输入的新状态。新状态仅在程序的下一次扫描中读取。（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。（5）扫描周期的长短由三条决定。=1\*GB3①CPU执行指令的速度；=2\*GB3②指令本身占有的时间；=3\*GB3③指令条数。（6）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。2.2PLC的编程语言及特点（1）PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言等等。（2）梯形图语言特点：=1\*GB3①每个梯形图由多个梯级组成。=2\*GB3②梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。=3\*GB3③继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。=4\*GB3④每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。=5\*GB3⑤输入继电器受外部信号控制。只出现触点，不出现线圈。

3控制系统的总体设计方案3.1系统的设计任务温室中的温度、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。本设计的主要控制对象是温室内的温度、光照和二氧化碳浓度。温度传感器、光传感器和二氧化碳浓度传感器用于检测环境因素。温度调节主要由通风窗和加热器的作用来解决，照明主要由发光体和遮光帘来调节，二氧化碳浓度主要由二氧化碳加法器来补偿。温室控制系统基于安装在室内和室外的温度传感器、光传感器和二氧化碳传感器。通过控制设备采集或观测温室温度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数，可以控制温室温度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数。温室通风窗、加热器、发光体、遮阳帘、二氧化碳加法器等执行机构。根据栽培作物生长发育的需要，调整和控制温室环境因子，为作物生长发育提供最适宜的生态环境，大大提高作物的产量和质量。3.2系统的控制方案在温室大棚中，上述控制任务的实现需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。考虑到实际生产生活中的安全性与可靠性，本控制系统设有手动、自动两种工作模式，自动方式是指周期性地进行PLC控制的方式；而手动方式则是指在出现应急情况等一些突发事件时，通过手动操作控制执行器件的工作。自动工作中，如果被检测量温度高于设定值，PLC就会发出相应的指令控制开启通风窗和冷风机；如果测量值与设定值相等，则关闭通风窗和冷风机；如果测量值低于设定值，则打开加热器和热风机对温室进行加温。当温室的光照低于设定值时，系统打开遮阳帘或开启发光体；当温室的光照高于设定值时，系统关闭遮阳帘或发光体。当温室的二氧化碳浓度低于设定值，系统开启二氧化碳添加器。通过温度，光照和二氧化碳浓度的设定与调节达到适应不同植物生长的需求，从而广泛应用到实际中。本设计的特点是成本低廉，节约资源，提高产量，实现经济价值最大化。该温室控制系统的总体框图如下所示。图3-1系统总体框图3.3系统的工作原理该温室大棚控制系统由PLC系统、传感器系统、执行部件等几个部分组成。通过S7-1200的模拟输入模块EM235滚动。然后，PLC由PID控制。该方法对采集的参数和设定值进行分析和处理，输出开关量，并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，为以后植物生长的研究带来宝贵资料。

4控制系统的硬件设计在掌握了PLC的硬件构成、工作原理、指令系统以及编程环境后，就可以以PLC作为主要控制器来构造PLC控制系统。PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分。本章主要从硬件设计的角度对温室控制系统进行硬件设计。本章主要介绍本工程电气控制系统的设计、PLC硬件电路及外部配置。4.1电气控制系统设计4.1.1系统主电路设计图4-1系统主电路图系统主电路如图所示。除功率不同外，风扇电机和遮光罩电机（遮光罩风扇配有限位开关）需要向前、向后和停止电机，以完成相应机构的开关，因此它们的主电路相似。热风机、冷风机、加热器、发光体、CO2添加器则属于开/关设备。QK为刀开关，用于控制整个主电路的启停；FU1～FU7为熔断器，分别对各个分线路实施短路和过载保护；FR1～FR5为热继电器，对电机、加热器起过载保护的作用。KM1～KM9为交流接触器的主触头，用其实现电机的正反转、停止以及风机等开/关设备的启停控制。4.1.2系统控制电路设计从系统主电路图可以看出，执行机构系统包括遮阳帘、风扇、热风机、冷风机、加热器、发光体和二氧化碳加法器。一般来说，温室执行机构可分为两类：一类是正、负运行电机，如风扇、遮阳帘等，这些电机需要正、反转、停止，必须有限位开关；另一类是开关控制设备，如风机、水泵等。（1）正反转设备通风扇、遮阳帘均属于正反转设备，其控制电路相似，现以遮阳帘为例，做以下介绍。=1\*GB3①遮阳帘主电路其电路中的保险丝fu2起过流保护作用，热继电器fr2起电机过载保护作用。主要针对因外部原因无法打开或关闭遮阳帘的情况。而KM3、KM4在电路中起到控制电机正转与反转的功能，即遮阳帘的拉开与关闭。图4-2遮阳帘主电路图=2\*GB3②遮阳帘控制电路图4-3遮阳帘控制电路原理图遮阳帘控制电路原理图如图4-3所示，SB1为手动/自动的切换开关,SB2为总启动按钮，SB3为总停止按钮。按下总启动按钮SB2，交流接触器KM10的线圈得电，同时KM10的常开触点闭合，起自锁作用。在手动状态下，SB4是打开和关闭窗帘的开关按钮。当SB4切换到断开模式时，交流接触器KM3线圈通电。此时，电机向前转动，遮阳板打开。当遮阳板打开到最大位置时，触摸限位开关SQ1。其正常闭合触点断开。km3线圈失电，电机停止转动；同理当SB4切换至关帘模式，遮阳帘关闭，到关闭的最大位置后，电机停转；按下按钮SB3，KM10的线圈失电，遮阳帘停止动作，用于急停操作。在自动状态下，由PLC控制器实现控制，中间接触器KM3的线圈得电时，其常开触点闭合，遮阳帘开启；中间接触器KM4的线圈得电时，其常开触点闭合，遮阳帘闭合。遮阳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，在下面章节中将着重介绍。（2）开/关设备热风机、冷风机、加热器、发光体、二氧化碳加法器均为开/关装置。它们的控制电路相似。以热风机为例，介绍了以下内容。=1\*GB3①热风机主电路风机的运行主要通过电机的开关来实现。风扇可以由继电器控制。电路中必须增加短路保护、过流保护和过载保护，通过热继电器和熔断器实现。由以上要求可以设计如下的电路：图4-4热风机主电路图=2\*GB3②热风机控制电路图4-5热风机控制电路图热风机控制电路原理图如图4-5所示，SB1为手动/自动的切换开关。按下按钮SB2，交流接触器KM10的线圈得电，同时KM10的常开触点闭合，起自锁作用。在手动状态下，SB6为启停旋钮。将旋钮SB6旋至启动状态，此时热风机运转；将旋钮SB6旋至停止状态，热电机停止工作。在自动状态下，由PLC控制器实现控制，中间接触器KM5得电时，其常开触点闭合，热风机运行。热风机等开/关设备的启停同样由硬件、算法和程序共同决定，在下面章节中将作详细介绍。4.2PLC硬件电路的设计4.2.1PLC型号选择（1）PLC的I/O点数根据系统的控制要求，可确定系统所需的所有输入装置和输出装置（如接触器、电磁阀、信号指示器等执行机构），以确定与PLC有关的输入输出装置，最终确定了PLC的输入输出点为14位数字输入、10位数字输出和3位模拟输入。（2）PLC的选型SIMATICS7-1200是一款紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务。单机小规模自动化系统的完美解决方案。设计和实现自动化系统简单，需要网络通讯功能和单屏或多屏人机界面。具有支持小运动控制系统和过程控制系统的先进应用功能。新模块化的SIMATICS7-1200控制器是我们新产品的核心，它可以实现简单但高精度的自动化任务。SimaticS7-1200控制器实现了模块化、紧凑化设计。功能强大，投资安全，完全适合各种应用。本设计具有较强的扩展性和高度的灵活性，能够实现最高标准的工业通信的通信接口和一套强大的集成技术功能，使控制器成为一个完整、全面的自动化解决方案的重要组成部分。该控制系统的I/O点为14个输入和9个输出。选择S7-1200既能满足系统的控制要求，又能满足未来的发展。4.2.2PLCI/O地址分配根据系统的控制要求，控制系统的I/O地址如下表分配。表4-1输入端口分配表序号输入口信号名称备注符号0102030405060708091011121314I0.0手动/自动切换旋钮SB1I0.1总启动按钮SB2I0.2总停止按钮SB3I0.3遮阳帘开限位限位开关SQ1I0.4遮阳帘关限位限位开关SQ2I0.5遮阳帘开帘单刀双掷开关SB4I0.6遮阳帘关帘单刀双掷开关SB4I0.7通风扇正转单刀双掷开关SB5I1.0通风扇反转单刀双掷开关SB5I1.1热风机启停旋钮SB6I1.2冷风机启停旋钮SB7I1.3加热器启停旋钮SB8I1.4补光灯启停旋钮SB9I1.5CO2添加器启停旋钮SB10151617AIW0温度传感器AIW2光照度传感器AIW4CO2浓度传感器表4-2输出端口分配表序号输出口控制信号备注符号01020304050607080910Q0.0通风扇正转接触器KM1Q0.1通风扇反转接触器KM2Q0.2遮阳帘开帘接触器KM3Q0.3遮阳帘关帘接触器KM4Q0.4热风机接触器KM5Q0.5冷风机接触器KM6Q0.6加热器接触器KM7Q0.7补光灯接触器KM8Q1.0CO2添加器接触器KM9Q1.1启动指示灯接触器KM104.2.3硬件接线图设计本次设计选用S7-1200系列的CPU226，硬件接线图如图4-6所示。图4-6硬件接线图4.3EM235模拟量输入/输出模块在控制系统中，传感器将检测到的温度转换为标准电压或电流信号。系统需要配置模拟量输入模块，将电压或电流信号转换成数字信号，送PLC处理。在这里我们选择西门子的EM235模拟量输入/输出模块。（1）EM235模拟量输入/输出模块简介EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块。EM235模块具有4路模拟量输入/1路模拟量输出。EM235需要直流24V的工作电源。它利用DIP开关设置输入信号的量程。表4-3所示为如何用DIP开关设置EM235模块。通过开关1～6可选择模拟量输入范围。DIP开关SW6决定模拟输入的单极性。当SW6开启时，模拟输入为单极输入。当SW6关闭时，模拟输入为双极输入。SW4和SW5决定输入模拟的增益选择。SW1、SW2和SW3共同决定模拟量输入的衰减选择。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中，ON为接通，OFF为断开。表4-3EM235选择模拟量输入范围和分辨率的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5μVOFFONOFFONOFFON0到100mV25μVONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250μVONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5μAOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV根据温室控制系统的控制模块，传感器测量的温度、光照和二氧化碳是单极的。选择0到10V的范围，因此DIP开关设置为010001。（2）EM235模拟量输入输出模块的使用EM235模拟量输入输出混合模块输入信号整定的步骤：=1\*GB3①在模块脱离电源的条件下，通过DIP开关选择需要的输入范围。=2\*GB3②接通CPU及模块电源，并使模块稳定15分钟。=3\*GB3③用一个电压源或电流源，给模块输入一个零值信号。=4\*GB3④调节偏置电位器，使模拟量输入寄存器的读数为零或所需要的数值。=5\*GB3⑤将一个满刻度的信号加到模块输入端，调节增益电位器，直到读数为32000，或所需要的数值。经上述调整后，若输入最大值为0～10V的模拟量信号，则对应的数字量结果应为32000或所需数字，其关系如图所示。图4-8EM235转换曲线（3）EM235模块模拟量I/O接线示意图如图所示为EM235模块模拟量I/O接线示意图。24VDC电源正极接入模块左下方L+端子，负极接入M端子。EM235模块的上部端子排为标注A、B、C、D的四路模拟量输入接口，可分别接入标准电压、电流信号。为电压输入时，如A口所示，电压信号正极接入A+端，负极接入A-端，RA端悬空。为电流输入时，如B口所示，须将RB与B+短接，然后与电流信号输出端相连，电流信号输入端则接入B-借口。若4个接口未能全部使用，如C口所示，未用的接口要将C+与C-端用短路子短接，以免受到外部干扰。下部端子为一路模拟量输出端的3个接线端子MO、VO、IO，其中MO为数字接地接口，VO为电压输输出接口，IO为电流输出接口。若为电压负载，则将负载接入MO、VO接口，若为电流负载则接入MO、IO接口。图4-5EM235接线图

5控制系统的软件设计PLC控制系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分。本章在硬件设计的基础上，详细介绍了本项目的软件设计，包括软件设计的基本步骤和方法、编程软件step7micro/win的介绍以及本项目的程序设计。5.1PLC程序设计的方法PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、电路转换梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。（1）经验设计法：即根据前人总结的典型控制电路程序，再按照设计中被对象的具体要求，把典型程序进行重新组合，而且需要反复调试和修改，得到现在系统所需要的梯形图，有时仅仅这些还不能满足要求，还需要增加中间环节，才能得出符合要求的系统。这种方法没有一定的规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，故称为经验设计法。（2）继电器控制电路转换为梯形图法：用PLC的外部硬件接线和梯形图软件来实现继电器控制系统的功能。（3）顺序控制设计法：根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。（4）逻辑设计法：通过中间量把输入和输出联系起来。实际上就找到输出和输入的关系，完成设计任务。本次设计采用的就是经验设计法。5.2编程软件STEP7-Micro/WIN概述Step7Micro/Win32编程软件基于Windows应用软件。西门子为S7-1200系列可编程控制器设计开发。功能强大。它可用于开发用户程序并实时监控用户程序的执行状态。编程软件的具体功能如下。（1）可以用梯形图、语句表和功能块图编程。（2）可以进行符号编程，通过符号表分配符号和绝对地址，即对编程元件定义符号名称，增加程序的可读性，并可打印输出。（3）支持三角函数，开方，对数运算功能。（4）具有易于使用的组态向导。（5）可用于CPU硬件配置。（6）可以将STEP7-Micro/WIN正在处理的程序与所连接的PLC中的程序进行比较。5.3控制系统的程序设计5.3.1程序的设计思路本控制系统设有手动、自动两种工作模式，自动模式为正常运行状态，手动模式用于应对一些突发情况。在自动工作模式下，当PLC运行时，将温室温度、照明、二氧化碳浓度等环境因素传感器的测量值与温室控制系统的设定值进行比较。如果温度的测量值高于设定值，PLC将发出相应的指令来控制冷却风扇和强制通风风扇的打开。转向（将温室中的空气排出）；如果测量值低于设定值，则打开加热器和热风机，对温室进行加温，并使通风扇反转（将外界的空气引入温室）。当温室的光照低于设定值时，系统打开遮阳帘和补光灯；当温室的光照高于设定值时，系统关闭遮阳帘。当温室的二氧化碳浓度低于设定值，系统开启二氧化碳调节阀。如果温室中的测量值与设定值相等，则关闭关闭相应设备，保持温室中的环境参数。5.3.2控制程序流程图（1）温度控制流程图温室大棚的温度控制流程图如图5-1所示。图5-1温度控制流程图（2）光照控制流程图温室大棚的光照控制流程图如图5-2所示。 图5-2光照控制流程图（3）CO2浓度控制流程图温室大棚的CO2浓度控制流程图如图5-3所示。图5-3CO2浓度控制流程图5.3.3控制程序设计及分析（1）自动/手动切换I0.0为自动/手动切换，I0.1为总启动，当I0.1=1时，Q1.1得电，启动灯亮，I0.2为总停止，当I0.0=1，I0.1=1时，中间继电器M0.0得电，系统的运行方式为自动模式；当I0.0=0，I0.1=1时，中间继电器M0.1得电，系统的运行方式为手动模式。（2）温度控制当中间继电器M0.0得电时，系统的运行方式为自动模式。在自动状态下，温度传感器测得的模拟量通过模拟量输入模块EM235送入PLC。通过整数比较指令，将温度传感器检测到的测量值aiw0与设定值“25度”进行比较。当aiw0>25时，中间继电器m0.2通电，启动冷却设备；当AIW0<25时，中间继电器M0.3得电，启动升温设备。中间继电器M0.1上电时，系统运行方式为手动。手动控制温室温度可以通过控制相应的按钮来实现-风扇前进I0.7，风扇后退I1.0，热风扇I1.1，冷风扇I1.2，加热器I1.3。在温室温度控制过程中，在自动模式下，当温度传感器测得的温度高于设定温度值时，中间继电器m0.2通电，风扇向前旋转。温室内的热空气排放到外界，与外界进行空气交换。在手动模式下，控制风扇前进和后退的单刀双掷被丢弃。关闭并转到“风扇向前转”。中间继电器m0.4通电，风扇向前转动。在温室温度控制过程中，在手动模式下，当温度传感器测得的温度值低于设定的温度值时，中间继电器m0.3通电，通风机向前转动，将室外空气引入温室，使室内温度下降。外送风；手动模式下，打开控制通风机正反转的单刀双掷开关。为了“风扇反转”，中间继电器m0.5通电，风扇反转。温室温度控制过程中，手动模式下，当温度传感器测得的温度值低于设定温度值时，中间继电器m0.3通电，热风机启动；手动模式下，热风机按S启动。启动按钮，中间继电器M0.6通电，热风机启动。温室温度控制过程中，在自动模式下，当温度传感器测得的温度高于设定温度值时，中间继电器M0.2通电，冷风扇启动；在手动模式下，按下冷风扇启动按钮，中间继电器YM0.7通电，冷风机启动。温室温度控制过程中，在手动模式下，当温度传感器测得的温度值低于设定温度值时，中间继电器M0.3通电，加热器启动；在手动模式下，按下加热器启动按钮，中间介质TE继电器M1.0通电，加热器启动。（3）光照控制中间继电器m0.0通电后，系统以自动模式运行。在自动状态下，照明传感器测量的模拟量通过模拟量输入模块EM235送入PLC，温度传感器检测到的测量值AIW2通过整数比较指令与设定值“20”进行比较。当AIW0>20时，中间继电器M2.0通电，补光装置启动；当AIW2<20时，中间继电器动作。电气M2.1通电并启动补光设备。中间继电器M0.1上电时，系统运行方式为手动。通过控制相应的按钮，如遮阳帘开度为0.5、遮阳帘关度为0.6、补充光为1.4，可实现温室光照强度的手动控制。在温室光控制过程中，在自动模式下，当光传感器测得的光强低于设定的光强值时，中间继电器M2.1通电，遮阳帘打开补偿光；在手动模式下，单极e控制遮阳帘的双掷开关转到“遮阳帘打开”位置，得到中间继电器m2.2。遮阳帘打开以补光。在温室灯光控制过程中，在自动模式下，当光传感器测得的光强高于设定的光强时，中间继电器M2.0通电，遮阳帘关闭；在手动模式下，单刀双掷开关，可在自动模式下对光传感器测得的光强进行控制。控制遮阳帘设为“遮阳帘”，中间继电器M2.3通电。窗帘关上窗帘。在温室大棚的光照控制过程中，自动模式下，当光照传感器测量的光照强度低于设定的光照值时，中间继电器M2.1得电，补光灯开启补光；手动模式下，按下补光灯的启停按钮，中间继电器M2.4得电，补光灯开启补光。（4）CO2浓度控制当中间继电器M0.0得电时，系统的运行方式为自动模式。在自动情况下，CO2浓度传感器将测得的模拟量通过模拟量输入模块EM235送入PLC中，通过整数比较指令，将CO2浓度传感器检测到的测量值AIW4与设定值“1000”进行比较，当AIW4<1000时，中间继电器M3.0得电，添加温室中的CO2。当中间继电器M0.1得电时，系统的运行方式为手动模式。可通过控制CO2调节阀I1.5，进行温室大棚CO2浓度的手动控制。在温室二氧化碳浓度控制过程中，在自动模式下，当二氧化碳浓度传感器测得的浓度低于设定浓度时，中间继电器M3.0通电，打开二氧化碳调节阀，加入二氧化碳；手动模式下，按下CO2添加器的启停按钮，中间继电器M3.1得电，打开CO2调节阀添加CO2。5.4控制程序的仿真与调试5.4.1仿真软件简介在本次设计中，利用S7-1200仿真软件V3.0汉化版进行控制程序的仿真与调试。仿真软件可以模拟大量的S7-1200指令（除顺序控制指令、循环指令、高速计数器指令、通信指令等尚不支持的指令外），并支持公共位接触输入。构造、计时器指令、计数器指令、比较指令、逻辑操作指令和大多数数学操作。模拟软件还提供数字信号输入开关、两个模拟电位器和LED输出显示。同时，仿真软件还支持TD-200文本显示的仿真。在没有实验条件的情况下，可作为学习S7-1200的辅助工具。5.4.2控制程序的仿真与调试本部分主要介绍了温室大棚控制系统的软件调试过程，通过仿真与调试检验其是否符合设计初衷，能否达到相应的指标。控制程序的仿真步骤如下：1.准备工作仿真软件不提供源程序的编辑功能，必须与step7micro/win程序编辑软件配合使用，即在step7micro/win中编辑源程序后，加载到仿真程序中执行。（1）在STEP7Micro/Win中编辑好梯形图（2）利用File|Export命令将梯形图程序导出为扩展名为awl的文件，（3）如果程序中需要数据块，需要将数据块导出为txt文件。2.程序仿真（1）打开S7-1200仿真软件，选择CPU型号：CPU226，EM235，载入程序；（2）单击“RUN”键，绿色运行灯亮，按要求操作输入点，观测输出点的情况，发现相应的点绿色灯亮：（3）模拟仿真结果与控制要求完全一致，程序仿真成功。图5-4控制程序仿真图

6组态画面的设计方案6.1组态软件概述6.1.1组态的定义MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了完整的解决方案和开发平台，解决实际工程问题。可完成现场数据采集、实时历史数据处理、报警和安全机制、过程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出、企业监控网络功能。使用MCGS，用户无需掌握计算机编程知识，即可在短时间内轻松完成运行稳定、功能成熟、维护量小、专业水平高的计算机监控系统的开发。MCGS具有操作简单、可视性好、维修性强、性能高、可靠性高等特点。已成功应用于石油化工、钢铁工业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原料、农业自动化、航空航天等领域。长期实际运行，系统稳定可靠。6.1.2组态软件的系统构成(1)MCGS组态软件的整体结构MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境是根据配置环境中的配置工程构建的。它以用户指定的方式运行，并进行各种处理，以实现用户配置设计的目标和功能。MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。(2)MCGS组态软件五大组成部分由MCGS组态软件构建的项目由控制窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和操作策略五部分组成。如图7-1所示，各部分分别进行配置操作，完成不同的任务，具有不同的特点。1、主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要配置操作包括：定义项目名称、编译项目菜单、设计封面图形、确定窗口自动启动、设置动画的刷新周期、指定数据库文件名和存储时间等。2、设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在此窗口中，配置数据采集和控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接和驱动设备的数据变量。3、用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。4、实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。5、运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。图7-1MCGS组态软件五大部分6.2温室大棚控制系统的组态设计6.2.1新建工程进入MCGS组态环境，新建工程“温室大棚控制系统”，如图7-2所示。图6-2新建工程6.2.2定义变量在MCGS中，变量也被称为数据对象。在定义变量之前分配变量。变量分配是指在定义数据对象以确定所需变量之前，需要对系统进行分析。系统需要17个变量，如表所示。表6-1温室大棚控制系统变量分配表变量名类型初值注释启动按钮开关型0温室大棚启动信号，1有效复位按钮开关型0温室大棚复位信号，1有效温度数值型0温度传感器测定值光照数值型0光照传感器测定值CO2浓度数值型0CO2传感器测定值通风扇开关型01有效热风机开关型01有效冷风机开关型01有效加热器开关型01有效通风扇正转指示灯开关型01有效通风扇反转指示灯开关型01有效遮阳帘开关型01有效遮阳帘开帘指示灯开关型01有效遮阳帘关帘指示灯开关型01有效补光灯开关型01有效CO2调节阀开关型01有效进入“实时数据库”窗口页定义变量，定义结果如图图6-3所示。图6-3实时数据库6.2.3设计画面画面的设计分为画面建立、画面编辑、动画连接三个步骤。通过上述步骤，建立的“温室大棚控制系统”画面如图6-4所示。图6-4组态画面6.2.4编写程序该温室控制系统的控制要求如下：按下启动按钮，系统将温室温度、照明、二氧化碳浓度和其他环境因素的传感器测量值与温室控制系统的设定值进行比较。如果温度测量值高于设定值，PLC将发出相应的指令来控制冷却风扇的开启和通风机（温室）的正向旋转。空气中的空气向外界排放。；如果测量值低于设定值，则打开加热器和热风机，对温室进行加温，并使通风扇反转（将外界的空气引入温室）。当温室的光照低于设定值时，系统打开遮阳帘和补光灯；当温室的光照高于设定值时，系统关闭遮阳帘。当温室的二氧化碳浓度低于设定值，系统开启二氧化碳调节阀。如果温室中的测量值与设定值相等，则关闭关闭相应设备，保持温室中的环境参数。上述功能可以通过编写控制程序来实现。在MCGS中编写控制程序采用策略组态的形式。所谓运行策略，可以简单地理解为系统运行与控制的思想和方法。MCGS提供了许多“策略构件”，如定时器、计数器、脚本程序等供系统设计人员使用。正如画面设计是对MCGS提供的图形对象进行组态一样，编程就是根据系统的需要，对这些策略构件案进行组态。该温室大棚控制系统的脚本程序清单如下：'**********************复位控制***************************IF复位按钮=1THEN通风扇=0通风扇正转指示灯=0通风扇反转指示灯=0遮阳帘=0遮阳帘开帘指示灯=0遮阳帘关帘指示灯=0冷风机=0热风机=0加热器=0CO2调节阀=0补光灯=0ENDIF'**********************温度控制***************************IF启动按钮=1THENIF温度<20THEN热风机=1加热器=1通风扇=1通风扇正转指示灯=1冷风机=0温度=温度+0.5ENDIFIF温度>25THEN热风机=0加热器=0通风扇=1通风扇反转指示灯=1冷风机=1温度=温度-0.5ENDIFIF温度>=20AND温度<=25THEN热风机=0冷风机=0加热器=0通风扇=0通风扇正转指示灯=0通风扇反转指示灯=0ENDIF'****************光照控制*******************IF光照<15THEN遮阳帘=1遮阳帘开帘指示灯=1补光灯=1光照=光照+0.5ENDIFIF光照>25THEN遮阳帘=0遮阳帘关帘指示灯=1补光灯=0光照=光照-0.5ENDIFIF光照>=15AND光照<=25THEN遮阳帘开帘指示灯=0遮阳帘关帘指示灯=0补光灯=0ENDIF'**************CO2浓度控制*****************IFCO2浓度<1000THENCO2调节阀=1CO2浓度=CO2浓度+20ELSECO2调节阀=0ENDIFENDIF6.2.5运行调试在MCGS中，进入“运行环境”，如图6-5所示，通过点击画面上的控制按钮，观察温室大棚控制系统的运行情况是否与设计要求一致。在运行调试的过程中，通过不断地改进完善使得系统的运行情况与设计要求完全一致。图6-5运行画面6.2.6报表输出数据报表在工控系统中是必不可少的一部分，是对生产过程中系统监控对象状态的综合记录。在MCGS中，该控制系统的实时报表和历史报表将实时显示温室大棚中的温度、光照和CO2浓度，如图6-6所示。图6-6报表画面6.2.7曲线显示实时曲线可像笔绘记录仪一样以曲线形式实时显示一个或多个数据对象熟知的变化情况。历史曲线主要用于事后查看数据和状态、分析变化趋势和总结规律。在MCGS中，该控制系统的实时曲线和历史曲线将实时显示温室大棚中的温度、光照和CO2浓度变化曲线，如图6-7所示。图6-7曲线显示

7结论与展望本文运用西门子S7-1200系列PLC和MCGS组态软件，完成了温室大棚控制系统的设计。本控制系统设有手动、自动两种工作模式，自动模式为正常运行状态，手动模式用于应对突发状况。在自动工作模式下，当PLC运行时，将传感器检测到的温室温度、光照、二氧化碳浓度等环境因素的测量值与温室控制系统的设定值进行比较。如果温度测量值高于设定值，PLC将发出相应的指令来控制冷却风扇的开度和通风机的正转；如果测量值低于设定值，则打开加热器和热风机，对温室进行加温，并使通风扇反转。当温室的光照低于设定值时，系统打开遮阳帘和补光灯；当温室的光照高于设定值时，系统关闭遮阳帘。当温室的二氧化碳浓度低于设定值，系统开启二氧化碳调节阀。如果温室中的测量值与设定值相等，则关闭相应设备，保持温室中的环境参数。在完成上述设计的基础上，系统进行了改进：采用PID算法进行温室大棚的温度