基于PLC的温控系统的研究

-1-基于PLC的智能温控系统内容摘要：本文主要介绍以PLC为核心，以温度、湿度等传感器为主要外围元件的智能温控系统，详细介绍了系统的特点、组成、硬件设计、实时动态监控系统。对温室的温度、湿度、光照度和CO2浓度等参数进行实时监测，由PLC对这些参数进行实时控制，使之能满足系统的控制要求，节省了人力，提高了控制质量，产生了良好的经济效益，不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。关键词：智能温室、可编程控制器PLC、组态王、传感器一、概述1.1、硬件系统的组成采用上位机计算机和下位机可编程控制器组成分布式智能温控系统的硬件部分，即两级监控系统。上级控制系统负责对智能温室进行监控和参数的设定。下级是以PLC为核心的控制单元，负责温室参数的信息采集，系统逻辑运算，并对调控设备进行控制。PLC在工业控制中应用多年，属于大批量生产的产品，其在生产、调试、应用、服务等方面都有一套完备的标准，所以产品质量稳定、可靠性高。采用PLC成本虽然比单片机高，但要考虑到稳定性、可维护性等综合因素，采用PLC比单片机具有较高的性价比。当上位机发生故障时，PLC控制器可以自行实现数据采集、显示和输出等控制，不影响温室的自动运行。1.2、系统软件的编制智能温室监控系统软件包括上位机监控软件和下位机系统软件。上位机监控软件的编制采用组态王6.02。下位机系统软件则采用三菱SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件（或西门子s7-200）来开发。系统软件不-2-仅可以完成上位机和下位机之间的通信，而且可以满足用户对温室环境数据的实时查询和监测，尽可能满足操作简单、界面友好、通用性和适应性强的软件开发原则，为系统功能的扩充和进一步开发留下接口。二、智能温控系统总体设计2.1系统分析本系统可以模拟基本的生态环境因子—温度、光照、水分、CO2等，以满足不同的作物生长的需要，它由相关的智能控制单元组成，按照事先设定的程序，精确测量温室气候和土壤参数，并启动或关闭不用的电动外围设备，程序所需的参数通过传感器采集所得。2.2系统的特点1、预测性：通过对气候参数的分析，可以预测控制设备的运行情况，提高设备的利用率，降低能耗。2、较强的扩展功能：通过控制不同的外围设备，可以控制环境及灌溉、施肥等。3、完善的资料处理功能：通过中央控制软件，可以不间断的记录各种传感器的信息以及各种控制设备的动作记录等。4、远程监控功能：即工作人员不在现场，也可以通过远程监控系统对温室内的设备的参数进行监控和控制。2.3.通信单元计算机上的通信接口是标准的RS-232C接口，FX2N系列PLC上的通信接口为RS-422，因此必须在PLC与计算机之间增加一个RS-232C/RS-422接口转换模块，再用适配电缆进行连接就可以实现通信了。在这里我们选用SC-09通信模块，这个模块结构简单、使用方便、性能可靠、价格低廉。2.4.变频器驱动降温排湿风扇的设计-3-目前，在国内外温室的降温排湿风扇基本采用传统的开一关控制方式，即风扇以恒速间歇式运行。基于变频技术的风扇变风量通风技术可以为温室通风量优化运行和节能性运行创造条件，因此采用了变频器驱动排湿风扇设计。（1）变频器型号的选择由于该排湿风扇容量为600W，并且连续运转，风机的机械特性具有二次方律特性，即转矩与转速的平方成正比，故选用普通的控制方式的变频器。选择的变频器为日本松下电工的BFV00154型，该变频器为3相380伏0．75KW，额定电流10A。(2)变频器参数的设置①上限频率因为风机的机械特性具有二次方律特性，所以，当转速超过额定转速时，阻转矩将增大很多，容易使电动机和变频器处于过载状态，因此，上限频率不应超过额定频率。②下限频率从特性或工作状况来说，风机对下限频率没有要求，但转速太低时，风量太小，在多数情况下无实际意义。一般可预置为。③加、减速时间风机的惯性很大，加速时间过短，容易产生过电流；减速时间过短，容易引起过电压。一般风机起动和停止的次数很少，起动和停止时间不会影响正常生产。所以加、减速时间可以设置长些，具体时间可根据风机的容量大小而定。通常是风机容量越大，加、减速时间设置越长。④加、减速方式风机在低速时阻转矩很小，随着转速的增高，阻转矩增大得很快；反之，在停机开始时，由于惯性的原因，转速下降较慢。所以，加、减速方式以半S方式比较适宜。⑤回避频率风机在较高速运行时，由于阻转矩较大，容易在某一转速下发生机械谐振。遇到机械谐振时，极易造成机械事故或设备损坏，因此必须考虑设置回避频率。可采用试验的方法进行预置，即反-4-复缓慢地在设定的频率范围内进行调节，观察产生谐振的频率范围，然后进行回避频率设置。⑥起动前的直流制动为保证电动机在零速状态下起动，许多变频器具有“起动前的直流制动”功能设置。这是因为风机在停机后，其风叶常常因自然风而处于反转状态，这时让风机起动，则电动机处于反接制动状态，会产生很大的冲击电流。为避免此类情况出现，要进行“起动前的直流制动功能设置。三、智能温控系统的软件设计3.1温控系统PLC软件的设计3.1.1控制系统软件设计要求根据基本要求和技术要求列出以下几点:(l)防止接点误动作:可利用自锁电路加以解决。(2)系统自诊断功能:PLC本身具有此项功能。(3)风机控制:温室设有一组风机，能同时启动与停止，当温室内的温度超出预定值时，受PLC的控制先是4个侧窗自动打开，延时5秒后风机启动，再延时5秒后湿帘水泵启动，从而使温室的温度降低。(4)侧窗控制:温室中设有4个侧窗，侧窗受电机控制，通过电机限位的设定来控制侧窗行程。解决方法类似上一点，但考虑到程序的精炼性，可配合PLC的中断功能命令加以解决。(5)系统自动/手动控制:可利用一个开关量作为PLC的输入信号，实现控制程序的转换。(6)在非工作时间自动断开PLC的电源：利用定时控制器可达到此功能。(7)可扩展性:在PLC中预留一定的存储空间和端口即可解决。3.1.2控制系统中的地址分配-5-1、PLC输入端子的地址分配范围见表3-1表3-1PLC输入端子地址分配表输入端子的地址分配输入端子的地址分配启动X000手动X003停止X001内遮阳网开X004自动X002内遮阳网关X005内遮阳网开到位X006内遮阳网关到位X007外遮阳网开X010外遮阳网关X011外遮阳网开到位X012外遮阳网关到位X013湿帘水泵开X014湿帘水泵关X015天窗开X016天窗关X017天窗开到位X020天窗关到位X021侧窗开X022侧窗关X023侧窗开到位X024侧窗关到位X025环流风机开X026环流风机关X027降温排湿风扇开X030降温排湿风扇关X031补光灯开X032补光灯关X033二氧化碳补气阀开X034二氧化碳补气阀关X035报警消除开关X036备用X0372、PLC输出端子的地址分配范围见表3-2表3-2PLC输出端子地址分配表输出端子的地址分配输出端子的地址分配报警指示灯Y000补光灯Y001天窗电机正转Y002天窗电机反转Y003侧窗电机正转Y004侧窗电机反转Y005湿帘水泵Y006内遮阳网电机正转Y007内遮阳网电机反转Y010外遮阳网电机正转Y011外遮阳网电机反转Y012环流风机电机Y013二氧化碳补气阀Y014备用Y0153、模拟量输入/输出模块地址分配范围见表2-3表2-3A/D、D/A模块地址分配表模拟量输入模块地址分配模拟量输出模块地址分配温度传感器CH1驱动降温排湿风扇的变频器CH1湿度传感器CH2二氧化碳浓度传感器CH3光照度传感器CH4-6-3.1.3控制系统软件设计系统中对降温排湿风扇、天窗、侧窗、环流风机、内外遮阳网和湿帘水泵的控制是通过PLC发出开关指令，通过交流接触器控制相关机构的启停。由于PLC检测系统具有较高的灵敏度，能够把温室内的扰动快速反应出来，同时由于温室较大的传递滞后，执行机构动作频繁，从而影响使用寿命。为此，在程序中加有时间可调的延时模块，使用时可根据具体情况调整延时，使控制效果达到最佳。系统流程图如图3-1所示。注：图中的Tmin、Hmin、Cmin、Smin和Tmax、Hmax、Cmax、Smax分别为温度、湿度、CO2浓度及光照强度的上下限。-7-开始初始化TminTTmaxTTmax开风机加热HminHHmaxHHmax开窗喷淋CminCCmaxCCmax打开补气阀SminSSmaxSSmax打开补光灯打开遮阳网结束YNNYYNYNYNNYNYN故障检测报警手动控制NY-8-图3-1智能温控系统软件设计流程图1、温度控制NYYN图3-2温控子模块流程图当系统开始工作时，由温度传感器将温室内的温度测量参数传给PLC，再由PLC将其检测结果与事先设定好的温度进行对比，如果测量值等于设定值则保持原来的温室温度；如果测量值与设定值不等，在判断大于还是小于，当测量值大与设定值，则打开通风帘，当测量值小于设定值时，则打开供热系统。当测量温度达到设定值时就会关闭供热系统或通风帘。其工作流程图如图3-2所示温度检测测量值=设定范围？保持室内温度测量值设定范围？打开供热系统打开通风帘开始初始化-9-2、湿度控制NYYN图3-3湿控子模块流程图当系统开始工作时，由湿度传感器将温室内的湿度测量参数传给PLC，PLC将测量值与设定值进行比较，如果测量值等于或大与设定值，则关闭喷灌电磁阀；当小于设定值时，则打开喷灌电磁阀。其工作流程图如图3-3所示湿度检测测量值=设定范围？保持室内湿度测量值设定范围？打开湿帘水泵打开风机开始初始化-10-3、光照控制NYYN图3-4光控子模块流程图系统启动，光照度传感开始工作，将温室内的光照强度测量值参数传给PLC，由PLC将测量值与设定值进行比较，判断测量值是否等于设定值，如果等于，则保持室内光照强度；如果测量值与设定值不等，在判断大于还是小于，当测量值大与设定值，则关闭遮阳帘，当小于设定值时，则打开补光灯。其工作流程图如图3-4所示光照强度检测测量值=设定范围？保持室内光照强度测量值设定范围？打开补光灯打开遮阳网开始初始化-11-4、浓度控制NYYN图3-5CO2浓度控制子模块流程图系统启动，传感器开始工作，将温室内的浓度测量值参数传给PLC，由PLC将测量值与设定值进行比较，判断测量值是否等于设定值，如果等于，则保持室内浓度；如果测量值与设定值不等，在判断大于还是小于，当测量值大于设定值，则打开天窗，当小于设定值时，则打开补气阀。其工作流程图如图3-5所示浓度检测测量值=设定范围？保持室内浓度测量值设定范围？打开补气阀打开天窗开始初始化-12-5、故障检测图3-6故障检测子模块流程图系统启动后故障检测模块开始运作，检查各电器元件是否接触良好，是否有短路等严重的故障，若没有故障，可以顺利进行下一步，直接进行自动控制；若有一些小故障，可通过手动调节回到良好的工作状态并进行手动控制；若有非常严重的故障，则必须强制停止运行，并进行对设备的维修，以确保人身和设备的安全，以及生产的顺利进行。其工作流程图如图3-6所示3.2简单的PLC程序设计（1）自动第一时间段温度，湿度，光照，C02浓度检测程序编写开始故障检测是否有故障初始化自动控制是否是严重故障手动控制强制停止运行进行维修声光报警NYNY-13-（2）手动收放保温帘程序编写3.3系统的组态王监控软件的设计3.3.1组态王软件设计概述组态软件是可以从可编程控制器以及各种数据采集卡等设备中实时采集数据，然后发出控制命令并监控系统运行是否正常的一种软件包，组态王软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功-14-能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。本系统中的监控界面采用的是北京亚控公司开发的组态王kingview6.02，该软件是运行在Windw98/NT系统上，由工程浏览器TouChMaker和画面运行系统TouchViewer两部分组成。工程浏览器TouchMaker可以查看