生物疫苗溫室溫度控制系統(tǒng)的設計2

1、摘 要本設計是基于西門子可編程邏輯控制器s7-300的溫室溫度控制系統(tǒng)，它實現(xiàn)了對某獸醫(yī)研究所多個溫室的溫度控制。具體方法是：可編程控制器通過每個溫室中的溫度變送器來采集溫度，通過與實際要求的設定值作比較來控制每個溫室中的加熱器的運行狀態(tài)。本設計對象共分三個控制區(qū)，其中，一區(qū)和四區(qū)為控制1區(qū)，二區(qū)和三區(qū)為控制2區(qū)冷庫為控制區(qū)三。其中，控制的方式又分為手動控制和自動控制。并實現(xiàn)故障報警和溫度設定值的獨立設定。在溫室溫度控制系統(tǒng)的硬件設計中，給出了主電路的設計方案和主電路的線路圖，進行了控制1區(qū)和控制2區(qū)的選型計算，并且給出了控制回路的設計以及線路圖。在溫室溫度控制系統(tǒng)的軟件設計中，上位機是基于組

2、態(tài)軟件mcgs來實現(xiàn)人機界面的設計，既直觀又方便地實現(xiàn)了操作窗口的制作和變量的連接。下位機則通過程序設計實現(xiàn)了溫度控制的自動控制功能。本設計由于采用工控組態(tài)軟件和可編程序控制器plc作為控制核心，使溫室控制系統(tǒng)具有界面友好、易于操作、運行可靠、便于更改、擴充、升級等優(yōu)點。經(jīng)現(xiàn)場測試證明性價比高、運行可靠，具有很強的應用性。關鍵詞：溫室控制；組態(tài)軟件；plc控制 abstractthis system is a greenhouse automatic control project controlled on the basis of siemens s7-300 plc. it realiz

3、es the temperature control for every greenhouse since having powerful function. specific method is that: may programming controller changes through the temperature in every greenhouse send ware gathered temperature, by asking with reality set temperature make a comparison for every greenhouse in the

4、 operating condition of heater.in which, the objects of design are thord control areas.no.1 and no.4 are the first control area; no.2 and no.3 are the second control area. refrigeratory is the thord control area. the control mode classified as the automatic control and control of by hand. and implem

5、ent malfunction alarm and enactment of the temp sv alone.in the design of hardware software of the regulation the greenhouse temperature,there are the design proposal and the circuit diagram of the main circuit. to calculate lectotype of the first control area and the second control area and provide

6、 the design proposal and main circuit of duct pilot.in the design of hardware software of the regulation the greenhouse temperature, up position has adopted group form software mcgs to complete the design of man-machine interface,it is convenient and directviewing to make the operation windows and t

7、o attach the variable machine-under through the design process to achieve a temperature-controlled automatic control functions. as a result of industrial design of the configuration software and plc control as the core of the plc, the greenhouse control system has a user-friendly, easy to operate, r

8、eliable and easy to change, expand, upgrade, and other advantages. after field testing to prove cost-effective, reliable operation, has a strong application.keywords: greenhouse automatic control , configuration software, plc control目 錄第1章 緒 論1.1設計背景自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設

9、計方法發(fā)展的推動下，國內外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，一日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都產(chǎn)生了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行各業(yè)廣泛應用。溫度控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用雖然十分廣泛，但從國內生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體水平處于20實際80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的pid控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還

10、不十分成熟。形成商品化并在儀表控制系統(tǒng)參數(shù)的自整定方面，還沒開發(fā)性能可靠的自整定軟件。參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(xiàn)場調試來確定。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內外必然發(fā)展趨勢。1.1 課題來源及研究意義溫室控制系統(tǒng)是一種以節(jié)約能源，提高產(chǎn)品質量為目的的高效工業(yè)發(fā)展技術。溫室控制系統(tǒng)主要通過計算機控制和外部執(zhí)行機構具體操作，創(chuàng)造與季節(jié)無關的適宜特殊工業(yè)產(chǎn)品的人為環(huán)境，實現(xiàn)產(chǎn)品的質量，降低能耗的大規(guī)模生產(chǎn)。目前溫室生產(chǎn)現(xiàn)場使用的溫室控制系統(tǒng)普遍為集中式控制，這種結構中的現(xiàn)場設施和通信接口距離較遠，系統(tǒng)的可擴充性差，不能順應溫室

11、大型化的發(fā)展趨勢。本設計在消化吸收了國內外技術的基礎上，采用plc和組態(tài)軟件設計了分布式溫室控制系統(tǒng)。本設計是基于西門子s7-300plc的溫室的溫度控制。它具有強大的功能來實現(xiàn)對每個溫室的溫度控制。具體方法是：可編程控制器通過每個溫室中的溫度變送器來采集溫度，通過與實際要求的設定值作比較來實現(xiàn)對每個溫室中加熱器的控制。在設計中，上位采用了組態(tài)軟件mcgs來完成人機界面的設計，既直觀又方便地實現(xiàn)了上位的控制。整個設計中，主電路、控制回路、上位和下位的連接主要是通過各個環(huán)節(jié)的相關變量的連接來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的正常運行。所以，其中的控制變量是整個系統(tǒng)設計的一條主線。該系統(tǒng)由于采用工控組態(tài)軟件和可編程序

12、控制器plc作為控制核心，使溫室控制系統(tǒng)具有界面友好，易于操作，運行可靠，便于更改、擴充、升級等優(yōu)點。經(jīng)現(xiàn)場測試證明性價比高、運行可靠，具有很強的應用性。1.2 相關技術國內外研究現(xiàn)狀國內外傳統(tǒng)的溫室小氣候建模，多是基于傳熱學、傳質學等物理學定律和蒸騰作用、呼吸作用等作物生理學原理進行機理分析，通過能量平衡和物質平衡建立溫室小氣候機理模型。機理模型未知參數(shù)多，測量這些參數(shù)需要昂貴的儀器，試驗成本高；有些參數(shù)的測量費時費力，測量方法不易掌握；由于溫室材料老化或損壞等原因，很多模型參數(shù)隨時間變化，模型本身也是時變的。因此，傳統(tǒng)的溫室小氣候機理模型可移植性差、適應性差、成本高、不易被缺乏經(jīng)驗的溫室管

13、理者掌握，難以低成本地建立先進適用的溫室小氣候計算機控制系統(tǒng)。試驗建模方面，國內外都有研究人員利用神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立溫室小氣候模型，但這種方法存在幾個主要缺點：需要大量訓練數(shù)據(jù)、模型訓練時間長、過擬合、局部極小、網(wǎng)絡結構確定依賴主觀經(jīng)驗等。這些缺點，限制了神經(jīng)網(wǎng)絡方法應用于溫室小氣候的計算機實時控制。隨著電子技術的發(fā)展，可編程序控制器(plc)已經(jīng)由原來簡單的邏輯量控制，逐步具有了計算機控制系統(tǒng)的功能。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，plc占有了很重要的地位，它可以和計算機一起組成控制功能完善的控制系統(tǒng)。在許多行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，溫度控制都是要解決的問題之一【】。工控組態(tài)軟件是利用系統(tǒng)軟件提供的工具，通過簡

14、單形象的組態(tài)工作，即可構成所需的軟件功能。組態(tài)軟件正在以提高系統(tǒng)的成功率和可靠性、縮短項目開發(fā)周期、減少開發(fā)費用等優(yōu)勢代替著各種計算機語言的軟件開發(fā)，受到了越來越多的科技人員的重視和青睞，并已顯示出形成計算機控制系統(tǒng)軟件主導地位的趨勢。本設計以溫室內溫度為輸出，分析了溫室溫度系統(tǒng)的機理模型，經(jīng)合理簡化后，采用基于plc和組態(tài)軟件控制的溫度系統(tǒng)，使得模型的通用性較好；模型遞推辨識耗時少，模型參數(shù)更新快，具有較好的自適應性，易于在線應用；并且不需要某些昂貴的儀器測量機理參數(shù)，降低了成本。上述優(yōu)點，使得該設計方法實現(xiàn)了在溫室監(jiān)控中的應用。1.3 本文主要研究內容1 控制系統(tǒng)主機的選型2 設備及儀表選

15、擇3 硬件設功能:1、實現(xiàn)獸醫(yī)研究所一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)共二十五個溫室的自動溫度控制，故障報警。2、實現(xiàn)獸醫(yī)研究八個冷庫的溫度檢測，高溫報警。 第1章 緒論。包括課題的背景、意義以及相關技術和國內外研究現(xiàn)狀。第2章控制系統(tǒng)的組成及方案選擇。首先對溫室自動控制系統(tǒng)作了簡要的介紹，然后對溫室自動控制系統(tǒng)提出了具體的控制要求：兩種工作方式（手動和自動）的描述，溫度控制中溫度的變松和加熱器的控制。故障報警以及獨立值的設定。第3章控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計。給出了主電路的設計方案和主電路的線路圖，進行了控制1區(qū)和控制2區(qū)的選型計算，并且給出了控制回路的設計以及線路圖。第四章總結與展望。對全文進行了總結，指出

16、了設計中的不足之處，并對未來的行業(yè)前景進行了展望。第2章 控制系統(tǒng)的組成及方案選擇2.1 1plc控制柜組成plc獨立的安裝在弱電控制柜中，plc由中央主機架、cpu315-2dp（本機自帶2dp接口，64k工作，位操作時間0.05s，輸入輸出地址區(qū)各為2k，數(shù)據(jù)塊數(shù)量為1024，di/dq通道各為16384，ai/aq通道各為1024），一區(qū)擴展模擬量輸入331ai/83個，擴展數(shù)字量輸入模塊sm321 di/642個，數(shù)字量輸出模塊dq/64 2個在弱電控制柜上還設計了一套全手動控制備用功能，當上位機pc平臺失效時，可以靠這套備用手動功能開啟系統(tǒng)的所有設備（電加熱器，風扇）。一般情況下這套

17、手動不使用。2.2動力控制柜組成動力配電室為所有的控制設備及電機提供，在控制柜上都設有本地操作（配電室控制柜面板操作）和就地操作（現(xiàn)場操作顯示盤）和遠程操作功能，當選用遠程操作時由中央plc根據(jù)程序操作各加熱器和風扇的起停，在遠程操作時在本地和就地都可用緊急停止功能停止各個加熱器和風扇的運行，同時plc上會顯示在本地或就地發(fā)生了緊急停止同時發(fā)出警告和報警信息?？刂乒駥ⅲㄟ\行信號、故障信號、本地遠程信號、緊急停止、）連接到中央plc弱電控制柜，通過這些信號可以在中央控制室對各個設備的運行情況進行監(jiān)測、控制、診斷。2.3上位機平臺組成上位監(jiān)控系統(tǒng)設計在控制室中央，上位機pc選用研華工控機，21寸液

18、晶監(jiān)視器，一臺hp打印機。其中一臺pc設置為工程師站，工程師站主機完成與弱電plc控制中的s7300通訊，通訊方式為西門子標準通訊網(wǎng)絡（通訊速率18.7k），界面控制邏輯的處理、各種運行界面的顯示與發(fā)布，另一臺pc機設為操作員站，操作員站與工程師站之間用以太網(wǎng)連接，操作員站的所有操作及監(jiān)視數(shù)據(jù)都是來自工程師站事先發(fā)布出來的，且操作員站上只能監(jiān)視不能發(fā)送控制指令。2.4 系統(tǒng)的設計方案及選擇2.4.1系統(tǒng)的設計方案實現(xiàn)溫室溫度工藝控制系統(tǒng)設計的方案有多種。常用技術方案選項有單片機（mcs）、工業(yè)計算機（ipc）、可編程計算機控制器（pcc）、可編程控制器（plc）等。近幾十年來，ipc、單片機和

19、plc三者在技術上都有了長足的發(fā)展，在微電子技術發(fā)展的背景下，它們之間也有許多相同之處。例如，從硬件的角度來看，它們都是由微電子元件，微處理器，大容量半導體存儲器和i/o模件等組成。在軟件編程方面，也有很多相同點。因此，這三類自動化控制裝置在技術，功能和應用領域上不斷地相互滲透，在很多場合下可以相互補充或替代。但是，由于ipc、單片機和plc三者的技術起源不同，在技術發(fā)展的側重點和主要應用背景上也有差異，它們又保持著各自的特點和優(yōu)勢，適合的應用場合也不完全一樣。24.1.1：單片機所謂單片機系統(tǒng)就是采用單片機cpu及其它外圍芯片，根據(jù)不同系統(tǒng)設計電路板，最終設計成一臺簡易的計算機系統(tǒng)，并在此基

20、礎上設計程序以達到所要求的控制功能。單片機是由工業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來，目前形成了以工業(yè)控制計算機為中心的集散系統(tǒng)。所以，單片機在模擬量處理、回路調節(jié)方面具有一定優(yōu)勢，主要用在連續(xù)過程控制，側重回路調節(jié)功能。 由于單片機的所有器件均不是工業(yè)級的，抗干擾性，特別是抗電源干擾能力很弱，可能引起單片機系統(tǒng)的不穩(wěn)定。而且一旦單片機系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，操作人員必須翻閱說明書方能發(fā)現(xiàn)故障所在，按說明書指示排除故障，這樣排除故障的時間相對較長。最簡單的方法是更換整個系統(tǒng)，這樣就會增加維修成本?？傊?，這樣的人機對話不夠友善。由于單片機的線路是根據(jù)一定的功能要求特別設計的，所以要增加一個功能

21、就要重新設計線路，而且對應的程序都要重新設計。一般單片機系統(tǒng)的操作均采用自動設計的鍵盤，設定數(shù)據(jù)用撥碼開關，顯示用led，整個面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設計時往往一鍵多用，操作人員很難脫開說明書操作。單片機系統(tǒng)在80年代國內很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目前除了儀表上仍然采用外，在工業(yè)現(xiàn)場的應用已逐步被plc所代替。單片機的顯著優(yōu)勢在于單片機要改變控制規(guī)律和被控參數(shù)，只需要改變其程序就可以了，但同時也是它的劣勢，因為工程技術人員必須具備有較高的計算機專業(yè)知識才能對控制規(guī)律和被控參數(shù)進行修改。鑒于這個原因且按照工程上的慣例，眾多工程技術人員還是喜歡采用plc進行控制。ip

22、c單片機溫度給定溫度反饋di/do ai/aq2.4.1.2：工業(yè)計算機（ipc）所謂ipc系統(tǒng)就是采用工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，在此基礎上設計程序以達到所設計的功能。工控機由普通計算機發(fā)展起來，是為了滿足快速大量數(shù)據(jù)處理要求的設備。在硬件結構方面，總線標準化程度高，兼容性強；在軟件開發(fā)方面，軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持。因此，ipc在要求快速、實時性強、模型復雜和計算工作量大的工業(yè)對象的控制方面占有優(yōu)勢。由于ipc的主要器件均不是工業(yè)級的，相對單片機系統(tǒng)，抗干擾性特別是抗電源干擾能力雖然有一定提高，但變頻調速對電源的干擾很大，因此也可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。一旦工控機系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷

23、出故障元件，這樣維修周期增加，而且非專業(yè)人員不能維修，如果故障由于程序設計不合理引起，如果缺乏合適的調試工具，要找出故障原因也很困難。系統(tǒng)若要增加一個功能就要重新設計對應的程序，而ipc的編程又相對比較復雜，這樣對于現(xiàn)場操作人員的要求就比較高，雖然操作的界面較為友善，但對于不熟悉計算機系統(tǒng)的人來說，仍然不夠簡便易學。 工業(yè)計算機ipc用于工業(yè)現(xiàn)場的個人計算機系統(tǒng)，具有功能強大、軟件豐富和界面友好等優(yōu)點。但是ipc軟件開發(fā)周期長，接口模塊少，布線不靈活，安裝體積大，擴展性差。在本系統(tǒng)中，控制現(xiàn)場環(huán)境相對不是較惡劣（高溫、多煙塵等），控制器的高度可靠性是工程師在設計中首先要考慮的問題。且ipc的價

24、格相對較高。2.4.1.3：可編程計算機控制器（pcc）pcc是一種不同于plc和ipc的新一代控制器，代表了當今工業(yè)控制技術。它不僅吸收了plc和ipc的優(yōu)點，而且自身優(yōu)勢也很明顯。它采用了分時多任務操作系統(tǒng)，可十分靈活的利用操作系統(tǒng)調度和管理整個系統(tǒng)， pcc模式和ipc模式相比，優(yōu)勢在于設計時能提供面向工業(yè)的專業(yè)化標準，符合軟件及硬件的模塊化的設計。此外，pcc還能方便的處理設計中的開關量和模擬量、靈活的進行回路調節(jié)、能使用高級語言編程。 但作為新興的控制器，廣大工程技術人員對其可靠性和廠商能否提供優(yōu)良的后續(xù)服務和技術支持抱懷疑的態(tài)度。同時，作為先進的控制技術，工廠維護人員對之知之甚少，

25、不利于維護。而pcc的技術成本也是我們不得不考慮的因素。 2.4.1.4：可編程邏輯控制器(簡稱plc)可編程邏輯控制器(簡稱plc)是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術與自動化控制技術而開發(fā)的新一代工業(yè)控制器產(chǎn)品，廣泛應用于各種生產(chǎn)機械的過程控制中，被認為是構成機電一體化產(chǎn)品的重要裝置。plc是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下而設計，采用了可編程的存儲器，用來在其內部存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字或模擬輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌渫鈬O備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴展其功能的原則設計。由于其面向用戶的指令系統(tǒng)

26、、具有數(shù)字量或模擬量的輸入輸出能力，使得其應用非常方便，特別適用于各種工業(yè)設備的控制。plc之所以得到迅速發(fā)展和廣泛應用，主要是由于它具有以下特點：（1）. 可靠性高、抗干擾能力強、用軟件實現(xiàn)大量的開關量邏輯運算，克服了因繼電器觸頭不良而造成的故障；輸入采用直流低電壓，更加可靠、安全；面向工業(yè)環(huán)境設計，采用濾波、屏蔽、隔離等抗干擾措施，適應各種惡劣的工業(yè)環(huán)境，遠遠超過了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)和一般的計算機控制系統(tǒng)。（2）. 編程簡單、易于掌握 plc采用梯形圖方式的編程，與繼電器邏輯控制的設計相似，具有直觀、簡單、易于掌握等優(yōu)點。（3）. 功能完善、使用靈活方便 隨著plc技術的不斷發(fā)展，其功能

27、更加完善，不僅具有開關量邏輯控制功能、步進和計數(shù)功能，還具有模擬量處理、溫度控制、網(wǎng)絡通信等功能。既可單機使用，也可聯(lián)網(wǎng)運行；既可集中控制，也可分布控制。運行過程中可隨時修改控制邏輯，增減系統(tǒng)的功能。（4）. 體積小、質量輕、功耗低 由于采用了單片機等集成芯片，其體積小、 質量輕、結構緊湊、功耗低。進入90年代后，plc機的性能價格比大幅度地提高，尤其是plc機較過去的繼電器回路，其硬件配置靈活，組態(tài)方便，控制系統(tǒng)簡單明了，接線簡單、可靠，便于查找故障點，使得plc已經(jīng)成為新一代工業(yè)控制機的首選裝置。ipcplc溫度給定溫度反饋di/do ai/aq2.4.2方案的論證及確定由于本次設計的系統(tǒng)

28、要在現(xiàn)場使用，且通過對以上幾種控制方案的對比，我發(fā)現(xiàn)采用可編程序控制器(簡稱plc)不但能達到溫室溫度工藝控制系統(tǒng)需要的控制要求，而且控制精度和可靠性能也都令人滿意， plc這項控制技術在工程實際中應用的時間較長，范圍較廣，技術已經(jīng)相當成熟，在工程技術人員心目中有不可替代的地位。最重要的是plc可根據(jù)電流保護的要求適時輸出，控制斷路器的脫扣跳閘裝置完成保護動作。綜合比較以上四種方案，從本設計的設計要求來看，從其輸入、輸出來看，用到的基本上都是數(shù)字量，模擬量很少；從編程的角度來看，plc編程簡單、靈活；從可靠性、維修等方面來說，plc具備高可靠性、便于維修的優(yōu)點；通過以上的分析，本設計采用方案四

29、較好，故我決定采用plc控制。2.5 控制方案的選擇：對于plc控制的方案還有以下多種2.5.1由一臺plc的控制三個控制區(qū)西門子s7-300控制1區(qū)加熱器控制2區(qū)控制3區(qū)pc機串型通信接口加熱器風扇風扇加熱器風扇西門子s7-300西門子s7-3002.5.2由三臺plc各控制一個控制區(qū)西門子s7-300可編程控制器控制1區(qū)加熱器控制2區(qū)控制3區(qū)pc機串型通信接口加熱器風扇風扇加熱器風扇2.5.3由溫控儀表控制加熱器和風扇西門子s7-300控制1區(qū)加熱器控制2區(qū)控制3區(qū)pc機串型通信接口加熱器風扇風扇西門子s7-300西門子s7-30011個溫控表14個溫控表冷庫區(qū)考慮到經(jīng)濟性，每個區(qū)的距離，

30、故選擇第一種方案2.6控制系統(tǒng)的控制要求2.6.1 工作方式的描述溫室的控制分為自動和手動兩種工作方式，以保證在計算機系統(tǒng)故障時，可以切換到手動操作方式。2.6.1.1手動控制手動控制是電器的手動控制。在溫室需要開啟或關閉加熱器的時候，必須到溫室的控制現(xiàn)場操作盤進行對加熱器的操作。這種方式一般不常用，因為它需要人到每個溫室現(xiàn)場操作，耗時又耗力。只有在計算機系統(tǒng)有故障出現(xiàn)或暫停使用的情況下，為確保整個溫室控制系統(tǒng)的正常運作，可以把控制系統(tǒng)切換到電器控制的手動狀態(tài)，在每個操作盤上每一個溫室中的加熱器都對應著自己的開關按鈕，需要加溫時，直接按按鈕操作就可以實現(xiàn)。所以這是在特殊情況下的，以免整個控制系

31、統(tǒng)癱瘓的保護措施或以應急之用防止在控制系統(tǒng)故障的情況下對溫室的溫度控制失控，造成較大的損失。2.6.1.2自動控制在自動控制中分為基于plc的自動控制和手動控制。由附錄的流程圖可以清楚的了解本設計中的自動控制和電器的手動控制之間的轉換。自動控制的系統(tǒng)原理下面的系統(tǒng)原理圖可以清楚了解到上位機和下位機組成的控制系統(tǒng)對各個溫室、冷庫的溫度控制和加熱控制。上位機現(xiàn)場操作盤1現(xiàn)場操作盤2控制區(qū)1加熱器控制區(qū)2風扇控制區(qū)2加熱器控制區(qū)1風扇冷庫區(qū)現(xiàn)場操作盤3自動控制系統(tǒng)原理圖基于plc的自動控制自動控制在正常情況下，溫室自控工程中央控制室是無人值守的工作方式。所以，在此情況下，系統(tǒng)在上位程序的自動控制程序

32、下工作。計算機會按呈現(xiàn)自動根據(jù)溫度變送器所檢測的溫度以及所設定值之間的差距來實現(xiàn)對溫度加熱器的開關。其中大小溫室的不同之處是，大溫室有兩個變送器需求其平均值與實際溫度的比較，而小溫室無需求平均值，直接與實際溫度作比較就行，這樣的自動化管理操作，既實現(xiàn)里人力資源的節(jié)省，又提高了工作的效率，符合現(xiàn)代化的控制理念【】?；趐lc的手動控制在上位控制的時候，程序一旦出現(xiàn)故障，是必對溫室控制產(chǎn)生誤導，不利于溫室的控制，所以，設計中還增加了上位的手動控制。在上位程序自動控制出現(xiàn)錯誤時，切換到上位手動方式。溫室中的每個加熱器與上位上設定的按鈕相對應，在需要加溫開啟加熱器時，按下對應按鈕，上位燈亮表示加熱器可

33、是工作。這種控制方式相比電器控制的優(yōu)點是節(jié)省了人力，無需到現(xiàn)場每個溫室操作，直接在控制室就能完成手動控制。綜上所述，設計中的控制方式充分體現(xiàn)了現(xiàn)代化和人性化兩種特點的管理操作模式，既減少了人力物力的消耗，又相應減低成本，提高了效益，為一種合理的控制方式。實現(xiàn)獸醫(yī)研究所一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)共二十五個溫室的自動溫度控制，故障報警和冷庫的溫度檢測，報警指示。2.6.2 溫度控制的工藝描述2.6.2.1溫度的變送在每一個溫室中都有溫度變送器，大溫室2個，小溫室1個，它們隨時對溫室內溫度檢測，把數(shù)據(jù)送到上位程序，上位程序根據(jù)檢測值與實際溫度或設定值的比較來控制加熱器的開關，以次來調節(jié)溫度(其中大溫室有

34、2個檢測值，取其平均值與實際值或設定值作比較)。在大溫室中有3個加熱器，在小溫室中有2個加熱器，所以大溫室有3個設定值，小溫室有2個設定值。2.6.2.2加熱器的控制這里介紹一下大溫室的加熱器與設定值之間的關系:三個溫度設定值與實際溫度值有一個差值n(這個差值n可以自定義)，當所檢測溫度大于實際溫度值時，三個加熱器都處在關閉狀態(tài)，打開室內通風裝置降溫;當檢測值大于設定值1小于實際值，三個加熱器仍處于關閉狀態(tài);當檢測值小于設定值1大于設定值2，加熱器1打開;當檢測值小于設定值2大于設定值3，加熱器1、2同時打開;當檢測值小于設定值3時，三個加熱器都打開加熱，溫度直線上升。同理，在溫度上升時，變送

35、器吧檢測信息傳送給上位作比較:溫度在設定值3之下，三個加熱器繼續(xù)工作;溫度介于設定值2與設定值3之間時，關斷加熱器3;溫度介于設定值1與設定值2之間，關斷加熱器2、3；溫度介于實際與設定值1之間或大于實際值，關斷所有加熱器。在此設計中，實際值和設定值都可以自定義設定，方便于調節(jié)到任何理想的溫度值，以保證溫室中的培養(yǎng)物的成功培養(yǎng)。2.6.3 故障報警在溫室處在自動控制狀態(tài)時，會發(fā)生超溫，變送器的掉線等故障。所以，要對此作出相應的措施。2.6.3.1超溫報警當溫度檢測值大于或等于報警溫度最高值時，高溫報警燈亮，報警鈴聲響起。此時，急停開關啟動，切斷所有加熱器。2.6.3.2變送器掉線當發(fā)生變送器掉

36、線，使得plc沒有了輸入，無法進行溫度的比較，就不能控制加熱器的的開關，實現(xiàn)溫室的自動控制。在此情況下，一旦plc沒有輸入，掉線燈亮，開啟急停按鈕，停止溫室的一切電器操作。2.6.4 八個固定及活動冷庫的溫度檢測，高溫報警。2.6.4.1溫度檢測在每一個冷庫中，有一個測定點，溫度變送器把測溫值傳送給上位，在上位可以實現(xiàn)或者在冷庫的現(xiàn)場操作顯示盤上，有溫度計顯示的冷庫溫度。2.6.4.2高溫報警溫度變送器把所測溫度送給上位，上位根據(jù)所設定的溫度報警上限值作比較，一旦溫度達到或超過它時，報警燈亮起，并伴以報警鈴聲。報警鈴聲在沒有作出任何措施時一直報以鈴聲，直到按下急停按鈕或溫度回落到報警值一下的時

37、候，鈴聲消失【】。2.6.5 設定值的獨立設定（1）各個的溫度設定值(30-50度)，超溫報警值，以及各個溫室自控啟?？刂埔謩e獨立設定和操作。各溫室的溫度設定值(3050度)和調整設定值都是可以更改，并獨立設計的，每個溫度都對應著同類型不同的上位程序來控制溫室溫度。在溫度超過報警值時每個溫度上都有獨立的報警燈作報警，在顯示盤上顯示。每個溫度上都還獨立擁有啟/停按鈕，隨時控制溫室的開關狀態(tài)。（2）要求各個溫度的溫度控制精度設定值分別設定，精度設定值最小可達0.01度。在各溫度的實際溫度的設定值以及調整溫度的設定值，都采取了浮點數(shù)值型，精度完全可達0.01。但是，在溫度超過調整設定值1或實際值時

38、，3個加熱器都停止工作，為了保證溫度不會立即下降或下降速度過快，影響了控制的精度，所以在溫度的硬件配置上要采取一定的措施。首先，要在溫室的墻壁上都裝上溫度隔熱膜，這樣一來，可以大大減少溫度的散發(fā)，減緩溫度的下降;其次，在溫室中裝上風扇，用它來攪勻空氣以此達到溫室各個部分溫度勻衡，減小溫度差，也可以減緩溫度下降，提高了精度;最后選定的溫度變送器儀器要求靈敏度相對比較高，可以滿足精度設定值最小可達0.01。綜上所述，完成精度設定值最小可達0.01度是可以實現(xiàn)的。（3）要求各個溫室的高溫報警值(-10+10度)能夠分別設定。 每個冷庫相對應有一個高溫報警值的設定，在溫度達到或超過10度時，在每個溫度

39、顯示盤上的報警燈會亮起。第4章 控制系統(tǒng)硬件設計4.1 主電路的設計4.1.1 主電路的設計方案（1）主電路的設計中對各個溫室的加熱器的供電1）對控制1區(qū)的加熱器的供電一、四區(qū)組成的控制1區(qū)內一共有28個加熱器，每個加熱器由三相交流電供電，為了使三相電源上負載均勻，兩相上分配9個加熱器，另一相上分配10個加熱器。2）對控制2區(qū)的加熱器的供電二區(qū)、三區(qū)組成的控制區(qū)二一共有33個加熱器，同理為了保持電源每相上的負載均衡，。所以各項上接有11個加熱器。在主電路設計內，由冷庫組成的控制3區(qū)類似控制1,2區(qū)的設計，與控制1.2區(qū)區(qū)別在于冷庫無加熱器，所以無需考慮它的供電。（2）主電路的設計中對電路的保護

40、1）對電源的保護在本設計中采用的是220v三相交流電給主電路供電，為了對主線路的保護，有空氣開關的保護，也有熔斷器的保護。在選擇熔斷器的時候，注意到加熱器的頻繁啟動或者同時工作的個數(shù)的多少，必須考慮到需用系數(shù)。但是，在實際溫室的溫度控制中加熱器并不會頻繁地啟動，同時全部開啟的機率也不是很高。所以，在設計中，把需要系數(shù)設為1來考慮。 2）對加熱器的保護每個加熱器上都有熔斷器的保護，以防止過流造成加熱器的損壞。4.2 選型計算4.2.1 控制2區(qū)的選型計算熔斷器1的選擇：在本設計中，所有溫室的加熱器都是兩千瓦的，而三相交流電的每一相都是220v。根據(jù)計算：2000w/220v=9.091a （每一

41、個加熱器的電流容量）一共有28個加熱器，為了在三相電源上每一相的負載均衡，有兩相分別分配9個加熱器，另一相分配10個加熱器。電源各相負載電流的計算：9.091a*9=81.819a ，9.091a*9=81.819a9.091a*10=90.91a；為了符合最大負載電流90.91的要求，所以 在設計中選擇的空氣開關的型號為rt0，額定電流為100a。（2）熔斷器2的選擇如熔斷器1的選擇，每個加熱器的電流容量：2000w/220v=9.091a，所以，設計中選擇的熔斷器2的型號是rl1-10，電流容量是10 a。（3）熔斷器3的選擇熔斷器3是針對plc每相輸出的保護，它的要求是1-2a 的熔斷器

42、。所以，在設計中選擇的熔斷器3的型號是rl1-2，電流容量是2a。（4）接觸器的選擇如熔斷器2的選擇，每個加熱器的電流容量：2000w/220v=9.091a。 所以，設計中選擇的接觸器的型號是ct10-10，額定電流19a，額定電壓380v。（5）中間繼電器的選擇plc每相輸出的電流在1-2a之間。所以，在設計中選擇的中間繼電器的型號為jz7-22，額定電流5a，額定電壓380v。（6）空氣開關1的選擇每個加熱器的電流容量：2000w/220v=9.091a ；交流電源每一相的容量：9.091a*11=100.001a；所以，在設計中選擇的空氣開關的型號為dz10-100/330，額定電流為

43、100a，三極。（7）空氣開關2的選擇在plc的電源輸入上，為了保護plc，加了空氣開關2，它的電流容量為2a。所以，在設計中選擇的空氣開關2的型號為dz1-2，額定電流為2a。（8）加熱器的選擇任務要求加熱器的額定功率為2000w，所以在設計中選擇的是便于用在實驗室溫室培養(yǎng)的加熱器dh-35，它的額定電壓為220v，功耗為2000w。（9）溫度變送器的選擇任務要求溫室的溫度范圍為30-58度，精度為0.01。所以，選擇的溫度變送器的型號為stwb-pt100，精度0.1%，溫度范圍0-100度，符合要求。（10）直流電源的選擇：因為變送器的電源和plc的輸入電源都為24v，所以在設計中選擇的

44、是額定電壓是220v，輸出電壓是24v的電源【】。4.2.2 控制區(qū)二的選型計算（1）熔斷器1的選擇在本設計中，所有溫室的加熱器都是兩千瓦的，而三相交流電的每一相都是220v。根據(jù)計算：2000w/220v=9.091a （每一個加熱器的電流容量）一共有33個加熱器，為了在三相電源上每一相的負載均衡，每一相分配有十個加熱器。9.091a*11=100.001a，所以每一相的電流容量為90.91a ，在設計中選擇熔斷器1的型號是rt0，額定電流為100a。其他的電器的選型與控制1區(qū)一樣，這里不再重復。以下是所選的選型表：4.2.3 控制區(qū)三的選型計算4.2.3.1溫度變送器的選擇任務要求溫室的溫

45、度范圍為30-58度，精度為0.01。所以，選擇的溫度變送器的型號為stwb-pt100，精度0.1%，溫度范圍0-100度，符合要求。4.2.3.2直流電源的選擇：因為變送器的電源和plc的輸入電源都為24v，所以在設計中選擇的是額定電壓是220v，輸出電壓是24v的電源【】。表3-1 控制1區(qū)選型表名稱型號特性位置量備注接觸器cj10-10額定電流10a，額定電壓220v28三常開觸點中間繼電器jz7-22額定電流5a，額定電壓220v28兩常開，兩常閉空氣開關1dz10-100/330額定電流100a，3極，復式脫扣器1不帶附件空氣開關2dz1-2/額定電流2a1不帶附件熔斷器1rt0熔

46、斷額定電流100afu1-fu33斷流容量50000a熔斷器2rl1-10熔斷額定電流10afu4-fu3328斷流容量2000a熔斷器3rl1-2熔斷額定電流2afu34-fu363斷流容量2000a選擇按鈕zb2-bj233兩位鎖定鑰匙按鈕zb2-bs9341防竄動指示燈可編程控制器siemens s7-300 cpu315-2dp1,024; db 1 db 16000容量最大64kb1機架最大4個每個機架最多8個模塊模擬量擴展模塊sm3318路模擬量輸入，電壓+24/243模擬量輸入點數(shù) 8數(shù)字量輸入模塊sm321輸入點數(shù)64，功耗7w2端子排可拆卸數(shù)字量輸出模塊sm322輸出點數(shù)64

47、，功耗7w2端子排可拆卸新型培養(yǎng)皿加熱器dh-35電壓220v，功耗2000w28dh-35加熱器與組織培養(yǎng)皿配套使用溫度變送器stwb-pt100精度0.2%，溫度范圍0-50度28冷端自動補償，直流電源額定電壓220v，輸出電壓24v1表3-2 控制2區(qū)選型表名稱型號特性位置量備注接觸器cj10-10額定電流10a，額定電壓220v33三常開觸點中間繼電器jz7-22額定電流5a，額定電壓220v33兩常開，兩常閉空氣開關1dz10-100/330額定電流100a，3極，復式脫扣器1不帶附件空氣開關2dz1-2/額定電流2a1不帶附件熔斷器1rt0熔斷額定電流100afu1-fu33斷流容

48、量50000a熔斷器2rl1-10熔斷額定電流10afu4-fu2233斷流容量2000a熔斷器3rl1-2熔斷額定電流2afu23-fu242斷流容量2000a選擇按鈕zb2-bj233兩位鎖定鑰匙按鈕zb2-bs9341防竄動指示燈可編程控制器siemens s7-300 cpu315-2dp1,024; db 1 db 16000容量最大64kb1機架最大4個每個機架最多8個模模擬量擴展模塊sm3314 個通道組電壓+24/24v3模擬量輸入點數(shù) 8數(shù)字量輸出擴展模塊sm321輸出點數(shù)64，功耗7w2端子排可拆卸數(shù)字量輸入擴展模塊sm322輸入點數(shù)64，功耗7w3端子排可拆卸新型培養(yǎng)皿加

49、熱器dh-35電壓220v，功耗2000w33dh-35加熱器與組織培養(yǎng)皿配套使用溫度變送器stwb-pt100精度0.2%，溫度范圍0-50度，33冷端自動補償，電源極性反接保護直流電源額定電壓220v，輸出電壓24v1表3-3 控制3區(qū)選型表可編程控制器siemens s7-300 cpu315-2dp1,024; db 1 db 16000容量最大64kb1機架最大4個每個機架最多8個模模擬量擴展模塊sm3314 個通道組電壓+24/24v1模擬量輸入點數(shù) 8溫度變送器stwb-pt100精度0.2%，溫度范圍0-50度28冷端自動補償，直流電源額定電壓220v，輸出電壓24v14.3

50、控制回路的設計4.3.1 模塊選擇simatic s7-300是一種通用型的plc，適合用于自動化工程中的各種應用場合，尤其是可編程序控制器為模塊化結構設計，其各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合用以擴展。s7-300 plc系統(tǒng)總線直接集成在各個模塊上，它們采用總線連接器把各模塊的總線從物理上和電氣上連接起來。1. plc模塊的選擇： 可編程控制器是微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產(chǎn)物，是一種以微處理器為核心的用作數(shù)字控制的特殊計算機。它的硬件配置與一般微機裝置類似，主要由中央處理單元(cpu)、輸入單元、輸出單元、編程器、電源和特殊輸入輸出單元等組成。 電源模塊總是安裝在機架的最左邊，cp

51、u模塊緊靠電源模塊。如果有接口模塊，它放在cpu模塊的右側。i/o模塊和通信模塊可以不受限制地插到任何一個槽上，系統(tǒng)可以自動分配模塊的地址。每個機架最多只能安裝8個i/o模塊、功能模塊或通信模塊。如果系統(tǒng)需要的模塊數(shù)超過8塊，則可以增加擴展機架。帶有cpu模塊的機架稱為中央機架（cr），plc系統(tǒng)最多可以擴展3個擴展機架（er）,4個機架最多可以安裝32個模塊i/o模塊、功能模塊或通信模塊。機架的最左面是1號槽，最右面是11號槽，電源模塊總是在1號槽的位置。中央機架（cr）的2號槽上是cpu模塊，3號槽是接口模塊。這3個槽號被固定占用，信號模塊、功能模塊和通信處理器使用4-11號槽。每個擴展機

52、架需要一個外部dc24v電源，向擴展機架上的所有模塊供電。接口模塊是自組態(tài)的，無需進行地址分配。0號機架：電源模塊cpu模塊接口模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊1號機架：電源模塊接口模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊輸入輸出模塊2. cpu模塊在可編程控制器系統(tǒng)中，cpu模塊相當于人的大腦，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。cpu是plc的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套plc至少有一個cpu，它按plc的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方

53、式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和plc內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。cpu主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構成，cpu單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是plc不可缺少的組成單元。cpu速度和內存容量是plc的重要參數(shù)，它們決定著plc的工作速度，i/o數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。本設計的控制系統(tǒng)的控制對象都是數(shù)字量，但是，控制的點數(shù)比較少（數(shù)字量

54、輸入為32點；數(shù)字量輸出為18點）；為了給上位機提供一個profibus的接口，設計中我選擇的是直接選擇帶有接口的cpu模塊；另外，當i/o模塊多于8個時就必須選擇具有擴展功能的cpu。s7-300plc有20種不同型號的cpu，分別適用于不同等級的控制要求。本設計中我選擇了標準型cpu315-2dp；這種cpu可以滿足我設計的要求。選擇型號： cpu315-2dp 6es7 315-2af00-0ab0這種cpu占用1個槽，它自身不帶有i/o點（所有的輸入輸出點都是通過擴展i/o模塊來實現(xiàn)的）。規(guī)格：128kb主存儲器，24vdc電源，mpi；profibus dp主站/從站接口；需要mcc；從l+吸取的電流為60ma。3.數(shù)字量輸入模塊 sm 321；di 64 x dc