宋鑫

（山西大同大學(xué)，山西 大同037009）

1 概述

1.1 溫室溫濕度控制的背景

隨著社會(huì)的進(jìn)步,人們的生活質(zhì)量越來(lái)越高。在庭院建造溫室種植農(nóng)作物或者養(yǎng)花,既可以豐富閑暇時(shí)間,也可以陶冶情操。但是在生活中人們總會(huì)因?yàn)楣ぷ魈?或者出差、旅游等原因而沒有時(shí)間打理的時(shí)候。好不容易種植的農(nóng)作物,因?yàn)闆]有及時(shí)加溫或者通風(fēng),導(dǎo)致了種植物的損壞。

PLC 作為一種通用工業(yè)控制器,擁有可靠性高,使用靈活方便,控制精度高,控制功能完善等特點(diǎn),因此基于PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)較為通用的溫濕度控制系統(tǒng)具有重要意義。

1.2 溫室溫濕度控制的研究意義

溫室種植業(yè),由于可控程度高,植物生長(zhǎng)環(huán)境容易調(diào)節(jié),可以有效減少病蟲害,以及化肥的使用等優(yōu)點(diǎn)具有十分大的潛力。我國(guó)由于工業(yè)化水平相對(duì)較為落后, 因此溫室自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展也相對(duì)滯后, 在上世紀(jì)末期才逐漸引進(jìn)國(guó)外技術(shù),并在世紀(jì)之交開始加大對(duì)農(nóng)業(yè)科技的研發(fā)投入,并且快速發(fā)展。因此我國(guó)的溫室自動(dòng)控制技術(shù)并沒有經(jīng)歷其所有的發(fā)展階段, 而是在一定的基礎(chǔ)水平上開始發(fā)展的, 并且現(xiàn)在仍然在自主發(fā)展的基礎(chǔ)上注重引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

溫室大棚可以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部溫度濕度等因素, 給植物生長(zhǎng)提供一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部的環(huán)境狀況,從而達(dá)到最適宜植物生長(zhǎng)的環(huán)境要求,溫室大棚可以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度,濕度以及光照等條件,其中溫度和濕度又是最主要的因素,溫濕度的檢測(cè)包括三個(gè)模塊,數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行模塊。本設(shè)計(jì)采用西門子PLC 工業(yè)控制器,以及數(shù)字溫濕度傳感器,可以有效減少在溫室中安裝的組件以及電纜,同時(shí)還具有抗干擾能力強(qiáng),測(cè)量精度高,安裝簡(jiǎn)單方便,可維護(hù)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)功能

該系統(tǒng)以控制溫室內(nèi)溫濕度為背景,西門子S7-200 系列PLC CPU 224 為控制芯片,PKTH100S智能溫濕度傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù),PLC將測(cè)量信號(hào)與預(yù)設(shè)值比較, 如不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)則發(fā)出控制信號(hào),控制相應(yīng)的繼電器開斷進(jìn)而控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)組件,以保證在相應(yīng)時(shí)間段溫室內(nèi)溫濕度在預(yù)設(shè)值內(nèi)。

2.2 PLC的選擇方案

S7-200 是西門子公司產(chǎn)的可編程控制器, 該系列在自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能, 使用范圍從簡(jiǎn)單的代替繼電器控制到復(fù)雜的自動(dòng)化控制都有覆蓋,S7-200 系列PLC 有4 個(gè)不同的基本型號(hào)8 種CPU可供用戶根選取。還有著眾多的擴(kuò)展模塊方便實(shí)際應(yīng)用中的擴(kuò)展。

由于本設(shè)計(jì)中需要分時(shí)段控制溫室內(nèi)溫濕度, 而S7-200 系列PLC 中部分不具備時(shí)鐘功能,在使用時(shí)還需裝時(shí)鐘卡,最終選取西門子S7-200 PLC 224XP,包括了中央處理單元、電源、3 個(gè)模擬量輸入輸出點(diǎn)、24 個(gè)數(shù)字量輸入輸出點(diǎn),兩個(gè)通訊口,擁有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。

2.3 調(diào)節(jié)方式

溫室內(nèi)的熱源來(lái)自太陽(yáng)光輻射,增加了光照強(qiáng)度就相應(yīng)地增加了溫度,所以增加光照強(qiáng)度的措施都有利于提高溫度。合理利用采光可以有效的保持溫室溫度, 但是極端低溫天氣超過(guò)溫室承受范圍時(shí),就需要采用人工加溫,常用的加熱方式有爐火加溫、電熱線加溫等。

溫室由于人工灌溉以及植物葉面的蒸騰作用,空氣濕度與外界相比常處在較高的水平,基本不需要輔助加濕措施。直接控制空氣濕度成本較高且具有一定難度,在實(shí)際中極少應(yīng)用。溫室生產(chǎn)主要依靠控制升溫和通風(fēng)來(lái)間接地控制空氣相對(duì)濕度。

在溫室中溫度與濕度是相互影響的, 當(dāng)溫室內(nèi)溫度升高時(shí),溫室內(nèi)的相對(duì)濕度就會(huì)降低。當(dāng)溫室中溫度較低,相對(duì)濕度較高的時(shí)候,可以采用升溫的方式進(jìn)行除濕。當(dāng)溫室中溫度與濕度同時(shí)較高時(shí)可以使用通風(fēng)換氣的方法來(lái)降低溫室中的空氣濕度, 但是必須在溫室內(nèi)溫度較高時(shí)進(jìn)行通風(fēng)換氣, 否則會(huì)引起棚內(nèi)溫度劇烈下降,導(dǎo)致溫室內(nèi)作物遭受冷害或者凍害。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 概述

此設(shè)計(jì)主要由四部分構(gòu)成,分別是PLC 控制、傳感器、按鍵開關(guān)控制和被控繼電器。采用S7-200 CPU 224XP 為控制核心,利用它接受傳感器的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理從而控制繼電器對(duì)溫室進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)功能。通過(guò)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè),查閱資料獲取植物生長(zhǎng)適宜的溫度與濕度,設(shè)定時(shí)段與上下區(qū)間,實(shí)現(xiàn)越限自動(dòng)調(diào)節(jié)。傳感器部分用于溫室內(nèi)實(shí)時(shí)溫濕度的檢測(cè), 由于PKTH100S 智能溫濕度傳感器采用二線制RS-485 接口,可以直接與PLC 的通訊口相接。繼電器負(fù)責(zé)接通相應(yīng)的升降溫與增減濕度設(shè)備, 調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境。

3.2 控制核心設(shè)計(jì)

S7-200 CPU 224XP 簡(jiǎn)介：

S7-200 CPU 將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個(gè)緊湊的外殼中,從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的小型PLC。

在CPU 的本體上,集成了相應(yīng)數(shù)量的I/O 點(diǎn)數(shù),本體帶有兩個(gè)485 的通訊口,在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí),可以使用其中一個(gè)連接觸摸屏,另外一個(gè)接口則可以與其他modbus 設(shè)備進(jìn)行通訊。

3.3 溫濕度傳感器設(shè)計(jì)

3.3.1 PKTH100S智能溫濕度傳感器簡(jiǎn)介

PKTH100S智能溫濕度傳感器采用瑞士進(jìn)口數(shù)字傳感器,性能可靠, 精度高, 年漂移小, 響應(yīng)速度快。帶有RS485 接口,MODBUS-RTU協(xié)議,廣泛適用于機(jī)房,辦公室,車間,倉(cāng)庫(kù),醫(yī)院,溫室大棚等環(huán)境的溫濕度測(cè)量。

3.3.2 PKTH100S 智能溫濕度傳感器的RS458 通訊：a. 標(biāo)準(zhǔn)二線制RS-485 接口,MODBUS-RTU協(xié)議, 數(shù)據(jù)格式為1 個(gè)起始位,8個(gè)數(shù)據(jù)位,1 個(gè)停止位,無(wú)校驗(yàn)。b.通訊地址和速率可以根據(jù)商家提供的配置軟件設(shè)置,地址范圍1-255,速率為1200～19200bps。c.支持MODBUS-RTU 協(xié)議中的03(保持型寄存器讀取),06 功能碼(寫單一寄存器)。

3.3.3 PKTH100S智能溫濕度傳感器接線

由于PKTH100S智能溫濕度傳感器采用二線制RS-485 接口,所以在實(shí)際使用中只需連接電源正負(fù)與PLC通信端口即可。但是當(dāng)一個(gè)PLC 與多個(gè)傳感器進(jìn)行通信時(shí),就要根據(jù)距離,地點(diǎn)分布、布置節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)選取連接方式。簡(jiǎn)單的RS-485 直接并聯(lián)連接,這種直接并聯(lián)就是將RS-485 端直接并聯(lián)在一起。距離受到最遠(yuǎn)1200米的限制,節(jié)點(diǎn)32 個(gè)的限制。手拉手的RS-485 連接看起來(lái)似乎與直接并聯(lián)差不多,但是必須要注意RS-485 通訊的設(shè)備都會(huì)有一個(gè)輸出一個(gè)輸入。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 S7-200 Modbus RTU 通信

4.1.1 Modbus RTU簡(jiǎn)介

Modbus 通信協(xié)議是電子控制器中使用的一種通用語(yǔ)言。經(jīng)過(guò)大多數(shù)公司的實(shí)際使用,逐漸被認(rèn)可成為了一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)該協(xié)議,控制器可以彼此通信,并且控制器可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備通信。它使得不同制造商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連接到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控,為設(shè)備實(shí)施提供了極大的便利。

4.1.2 西門子S7-200 SMART作為MODBUS主站

S7-200 通過(guò)以下方式支持Modbus RTU 通信協(xié)議：a.S7-200 PLC 上的通信端口0 和1 通過(guò)指令庫(kù)支持Modbus RTU 主站模式。b. S7-200 PLC上的通信端口0 通過(guò)指令庫(kù)支持Modbus RTU從站模式。

4.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)

4.2.1 時(shí)鐘指令

西門子S7-200 PLC 其時(shí)鐘讀寫指令有讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘指令READ_RTC 和設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘指令SET_RTC,讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘指令是從PLC中讀取當(dāng)前時(shí)間和日期, 并將其放入一個(gè)以T 開始的8 個(gè)字節(jié)的緩沖區(qū),設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘是將當(dāng)前日期和時(shí)間寫入到指定的8個(gè)字節(jié)的緩沖區(qū)中。S7-200 PLC的實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以提供年、月、時(shí)、分、秒的日期/時(shí)間數(shù)據(jù)。但是部分型號(hào)不具備實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能,在實(shí)際使用中如需要使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能,必須在可選卡插槽插入日期/時(shí)鐘電池卡才能獲取實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能, 在初次上電時(shí),PLC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘為系統(tǒng)默認(rèn)值。S7-200PLC實(shí)時(shí)時(shí)鐘的精度是2 分鐘/月,最大誤差7 分鐘/月。S7-200 實(shí)際上可以讀取的最小時(shí)間單位為1s。

4.2.2 設(shè)置時(shí)鐘

當(dāng)PLC需要使用時(shí)鐘功能時(shí),必須先與PC 通信連接建立編程通信,然后可以在編程軟件Micro/WIN 菜單欄選擇“PLC ＞實(shí)時(shí)時(shí)鐘”命令,打開“PLC 時(shí)鐘操作”對(duì)話框：在打開的對(duì)話框中可以直接修改輸入框中的數(shù)字來(lái)設(shè)置日期與時(shí)間,單擊“讀取PC”按鈕可以讀取PC機(jī)上的實(shí)時(shí)時(shí)間。單擊“讀取PLC”按鈕讀取PLC時(shí)鐘?？梢宰x取與PC建立通訊的PLC 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)需要選擇夏時(shí)制調(diào)整選項(xiàng)。打開或關(guān)閉夏至?xí)r功能,在設(shè)置好日期與時(shí)間后,單擊“設(shè)置”按鈕即可將所設(shè)置好的實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)寫入與PC建立通信的PLC中。