基于S7- 200 PLC 的温室温湿度控制系统

宋鑫

（山西大同大学，山西 大同037009）

1 概述

1.1 温室温湿度控制的背景

随着社会的进步,人们的生活质量越来越高。在庭院建造温室种植农作物或者养花,既可以丰富闲暇时间,也可以陶冶情操。但是在生活中人们总会因为工作太忙,或者出差、旅游等原因而没有时间打理的时候。好不容易种植的农作物,因为没有及时加温或者通风,导致了种植物的损坏。

PLC 作为一种通用工业控制器,拥有可靠性高,使用灵活方便,控制精度高,控制功能完善等特点,因此基于PLC 技术设计较为通用的温湿度控制系统具有重要意义。

1.2 温室温湿度控制的研究意义

温室种植业,由于可控程度高,植物生长环境容易调节,可以有效减少病虫害,以及化肥的使用等优点具有十分大的潜力。我国由于工业化水平相对较为落后, 因此温室自动控制技术的发展也相对滞后, 在上世纪末期才逐渐引进国外技术,并在世纪之交开始加大对农业科技的研发投入,并且快速发展。因此我国的温室自动控制技术并没有经历其所有的发展阶段, 而是在一定的基础水平上开始发展的, 并且现在仍然在自主发展的基础上注重引进国外的先进技术和先进经验。

温室大棚可以调节温室内部温度湿度等因素, 给植物生长提供一个适宜的生长环境。调节温室内部的环境状况,从而达到最适宜植物生长的环境要求,温室大棚可以调节温室内的温度,湿度以及光照等条件,其中温度和湿度又是最主要的因素,温湿度的检测包括三个模块,数据采集,数据处理和执行模块。本设计采用西门子PLC 工业控制器,以及数字温湿度传感器,可以有效减少在温室中安装的组件以及电缆,同时还具有抗干扰能力强,测量精度高,安装简单方便,可维护性强的特点。

2 系统总设计方案

2.1 设计功能

该系统以控制温室内温湿度为背景,西门子S7-200 系列PLC CPU 224 为控制芯片,PKTH100S智能温湿度传感器采集温湿度数据,PLC将测量信号与预设值比较, 如不在预设范围内则发出控制信号,控制相应的继电器开断进而控制相应的调节组件,以保证在相应时间段温室内温湿度在预设值内。

2.2 PLC的选择方案

S7-200 是西门子公司产的可编程控制器, 该系列在自动化系统中充分发挥其强大的功能, 使用范围从简单的代替继电器控制到复杂的自动化控制都有覆盖,S7-200 系列PLC 有4 个不同的基本型号8 种CPU可供用户根选取。还有着众多的扩展模块方便实际应用中的扩展。

由于本设计中需要分时段控制温室内温湿度, 而S7-200 系列PLC 中部分不具备时钟功能,在使用时还需装时钟卡,最终选取西门子S7-200 PLC 224XP,包括了中央处理单元、电源、3 个模拟量输入输出点、24 个数字量输入输出点,两个通讯口,拥有实时时钟功能。

2.3 调节方式

温室内的热源来自太阳光辐射,增加了光照强度就相应地增加了温度,所以增加光照强度的措施都有利于提高温度。合理利用采光可以有效的保持温室温度, 但是极端低温天气超过温室承受范围时,就需要采用人工加温,常用的加热方式有炉火加温、电热线加温等。

温室由于人工灌溉以及植物叶面的蒸腾作用,空气湿度与外界相比常处在较高的水平,基本不需要辅助加湿措施。直接控制空气湿度成本较高且具有一定难度,在实际中极少应用。温室生产主要依靠控制升温和通风来间接地控制空气相对湿度。

在温室中温度与湿度是相互影响的, 当温室内温度升高时,温室内的相对湿度就会降低。当温室中温度较低,相对湿度较高的时候,可以采用升温的方式进行除湿。当温室中温度与湿度同时较高时可以使用通风换气的方法来降低温室中的空气湿度, 但是必须在温室内温度较高时进行通风换气, 否则会引起棚内温度剧烈下降,导致温室内作物遭受冷害或者冻害。

3 系统硬件设计

3.1 概述

此设计主要由四部分构成,分别是PLC 控制、传感器、按键开关控制和被控继电器。采用S7-200 CPU 224XP 为控制核心,利用它接受传感器的数据并对其进行处理从而控制继电器对温室进行调节实现功能。通过对温度的实时检测,查阅资料获取植物生长适宜的温度与湿度,设定时段与上下区间,实现越限自动调节。传感器部分用于温室内实时温湿度的检测, 由于PKTH100S 智能温湿度传感器采用二线制RS-485 接口,可以直接与PLC 的通讯口相接。继电器负责接通相应的升降温与增减湿度设备, 调节温室内部环境。

3.2 控制核心设计

S7-200 CPU 224XP 简介：

S7-200 CPU 将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中,从而形成了一个功能强大的小型PLC。

在CPU 的本体上,集成了相应数量的I/O 点数,本体带有两个485 的通讯口,在现场使用时,可以使用其中一个连接触摸屏,另外一个接口则可以与其他modbus 设备进行通讯。

3.3 温湿度传感器设计

3.3.1 PKTH100S智能温湿度传感器简介

PKTH100S智能温湿度传感器采用瑞士进口数字传感器,性能可靠, 精度高, 年漂移小, 响应速度快。带有RS485 接口,MODBUS-RTU协议,广泛适用于机房,办公室,车间,仓库,医院,温室大棚等环境的温湿度测量。

3.3.2 PKTH100S 智能温湿度传感器的RS458 通讯：a. 标准二线制RS-485 接口,MODBUS-RTU协议, 数据格式为1 个起始位,8个数据位,1 个停止位,无校验。b.通讯地址和速率可以根据商家提供的配置软件设置,地址范围1-255,速率为1200～19200bps。c.支持MODBUS-RTU 协议中的03(保持型寄存器读取),06 功能码(写单一寄存器)。

3.3.3 PKTH100S智能温湿度传感器接线

由于PKTH100S智能温湿度传感器采用二线制RS-485 接口,所以在实际使用中只需连接电源正负与PLC通信端口即可。但是当一个PLC 与多个传感器进行通信时,就要根据距离,地点分布、布置节点数来选取连接方式。简单的RS-485 直接并联连接,这种直接并联就是将RS-485 端直接并联在一起。距离受到最远1200米的限制,节点32 个的限制。手拉手的RS-485 连接看起来似乎与直接并联差不多,但是必须要注意RS-485 通讯的设备都会有一个输出一个输入。

4 系统软件设计

4.1 S7-200 Modbus RTU 通信

4.1.1 Modbus RTU简介

Modbus 通信协议是电子控制器中使用的一种通用语言。经过大多数公司的实际使用,逐渐被认可成为了一种通用工业标准。通过该协议,控制器可以彼此通信,并且控制器可以通过网络与其他设备通信。它使得不同制造商生产的控制设备可以连接到工业网络进行集中监控,为设备实施提供了极大的便利。

4.1.2 西门子S7-200 SMART作为MODBUS主站

S7-200 通过以下方式支持Modbus RTU 通信协议：a.S7-200 PLC 上的通信端口0 和1 通过指令库支持Modbus RTU 主站模式。b. S7-200 PLC上的通信端口0 通过指令库支持Modbus RTU从站模式。

4.2 实时时钟设计

4.2.1 时钟指令

西门子S7-200 PLC 其时钟读写指令有读取实时时钟指令READ_RTC 和设置实时时钟指令SET_RTC,读取实时时钟指令是从PLC中读取当前时间和日期, 并将其放入一个以T 开始的8 个字节的缓冲区,设置实时时钟是将当前日期和时间写入到指定的8个字节的缓冲区中。S7-200 PLC的实时时钟可以提供年、月、时、分、秒的日期/时间数据。但是部分型号不具备实时时钟功能,在实际使用中如需要使用实时时钟功能,必须在可选卡插槽插入日期/时钟电池卡才能获取实时时钟功能, 在初次上电时,PLC 实时时钟为系统默认值。S7-200PLC实时时钟的精度是2 分钟/月,最大误差7 分钟/月。S7-200 实际上可以读取的最小时间单位为1s。

4.2.2 设置时钟

当PLC需要使用时钟功能时,必须先与PC 通信连接建立编程通信,然后可以在编程软件Micro/WIN 菜单栏选择“PLC ＞实时时钟”命令,打开“PLC 时钟操作”对话框：在打开的对话框中可以直接修改输入框中的数字来设置日期与时间,单击“读取PC”按钮可以读取PC机上的实时时间。单击“读取PLC”按钮读取PLC时钟。可以读取与PC建立通讯的PLC 的实时时钟数据。用户可以根据需要选择夏时制调整选项。打开或关闭夏至时功能,在设置好日期与时间后,单击“设置”按钮即可将所设置好的实时时钟数据写入与PC建立通信的PLC中。