基于S7- 200 PLC 的溫室溫濕度控制系統

宋鑫

（山西大同大學，山西 大同037009）

1 概述

1.1 溫室溫濕度控制的背景

隨著社會的進步,人們的生活質量越來越高。在庭院建造溫室種植農作物或者養花,既可以豐富閑暇時間,也可以陶冶情操。但是在生活中人們總會因為工作太忙,或者出差、旅游等原因而沒有時間打理的時候。好不容易種植的農作物,因為沒有及時加溫或者通風,導致了種植物的損壞。

PLC 作為一種通用工業控制器,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,因此基于PLC 技術設計較為通用的溫濕度控制系統具有重要意義。

1.2 溫室溫濕度控制的研究意義

溫室種植業,由于可控程度高,植物生長環境容易調節,可以有效減少病蟲害,以及化肥的使用等優點具有十分大的潛力。我國由于工業化水平相對較為落后, 因此溫室自動控制技術的發展也相對滯后, 在上世紀末期才逐漸引進國外技術,并在世紀之交開始加大對農業科技的研發投入,并且快速發展。因此我國的溫室自動控制技術并沒有經歷其所有的發展階段, 而是在一定的基礎水平上開始發展的, 并且現在仍然在自主發展的基礎上注重引進國外的先進技術和先進經驗。

溫室大棚可以調節溫室內部溫度濕度等因素, 給植物生長提供一個適宜的生長環境。調節溫室內部的環境狀況,從而達到最適宜植物生長的環境要求,溫室大棚可以調節溫室內的溫度,濕度以及光照等條件,其中溫度和濕度又是最主要的因素,溫濕度的檢測包括三個模塊,數據采集,數據處理和執行模塊。本設計采用西門子PLC 工業控制器,以及數字溫濕度傳感器,可以有效減少在溫室中安裝的組件以及電纜,同時還具有抗干擾能力強,測量精度高,安裝簡單方便,可維護性強的特點。

2 系統總設計方案

2.1 設計功能

該系統以控制溫室內溫濕度為背景,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據,PLC將測量信號與預設值比較, 如不在預設范圍內則發出控制信號,控制相應的繼電器開斷進而控制相應的調節組件,以保證在相應時間段溫室內溫濕度在預設值內。

2.2 PLC的選擇方案

S7-200 是西門子公司產的可編程控制器, 該系列在自動化系統中充分發揮其強大的功能, 使用范圍從簡單的代替繼電器控制到復雜的自動化控制都有覆蓋,S7-200 系列PLC 有4 個不同的基本型號8 種CPU可供用戶根選取。還有著眾多的擴展模塊方便實際應用中的擴展。

由于本設計中需要分時段控制溫室內溫濕度, 而S7-200 系列PLC 中部分不具備時鐘功能,在使用時還需裝時鐘卡,最終選取西門子S7-200 PLC 224XP,包括了中央處理單元、電源、3 個模擬量輸入輸出點、24 個數字量輸入輸出點,兩個通訊口,擁有實時時鐘功能。

2.3 調節方式

溫室內的熱源來自太陽光輻射,增加了光照強度就相應地增加了溫度,所以增加光照強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溫室承受范圍時,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,在實際中極少應用。溫室生產主要依靠控制升溫和通風來間接地控制空氣相對濕度。

在溫室中溫度與濕度是相互影響的, 當溫室內溫度升高時,溫室內的相對濕度就會降低。當溫室中溫度較低,相對濕度較高的時候,可以采用升溫的方式進行除濕。當溫室中溫度與濕度同時較高時可以使用通風換氣的方法來降低溫室中的空氣濕度, 但是必須在溫室內溫度較高時進行通風換氣, 否則會引起棚內溫度劇烈下降,導致溫室內作物遭受冷害或者凍害。

3 系統硬件設計

3.1 概述

此設計主要由四部分構成,分別是PLC 控制、傳感器、按鍵開關控制和被控繼電器。采用S7-200 CPU 224XP 為控制核心,利用它接受傳感器的數據并對其進行處理從而控制繼電器對溫室進行調節實現功能。通過對溫度的實時檢測,查閱資料獲取植物生長適宜的溫度與濕度,設定時段與上下區間,實現越限自動調節。傳感器部分用于溫室內實時溫濕度的檢測, 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。繼電器負責接通相應的升降溫與增減濕度設備, 調節溫室內部環境。

3.2 控制核心設計

S7-200 CPU 224XP 簡介：

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緊湊的外殼中,從而形成了一個功能強大的小型PLC。

在CPU 的本體上,集成了相應數量的I/O 點數,本體帶有兩個485 的通訊口,在現場使用時,可以使用其中一個連接觸摸屏,另外一個接口則可以與其他modbus 設備進行通訊。

3.3 溫濕度傳感器設計

3.3.1 PKTH100S智能溫濕度傳感器簡介

PKTH100S智能溫濕度傳感器采用瑞士進口數字傳感器,性能可靠, 精度高, 年漂移小, 響應速度快。帶有RS485 接口,MODBUS-RTU協議,廣泛適用于機房,辦公室,車間,倉庫,醫院,溫室大棚等環境的溫濕度測量。

3.3.2 PKTH100S 智能溫濕度傳感器的RS458 通訊：a. 標準二線制RS-485 接口,MODBUS-RTU協議, 數據格式為1 個起始位,8個數據位,1 個停止位,無校驗。b.通訊地址和速率可以根據商家提供的配置軟件設置,地址范圍1-255,速率為1200～19200bps。c.支持MODBUS-RTU 協議中的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,所以在實際使用中只需連接電源正負與PLC通信端口即可。但是當一個PLC 與多個傳感器進行通信時,就要根據距離,地點分布、布置節點數來選取連接方式。簡單的RS-485 直接并聯連接,這種直接并聯就是將RS-485 端直接并聯在一起。距離受到最遠1200米的限制,節點32 個的限制。手拉手的RS-485 連接看起來似乎與直接并聯差不多,但是必須要注意RS-485 通訊的設備都會有一個輸出一個輸入。

4 系統軟件設計

4.1 S7-200 Modbus RTU 通信

4.1.1 Modbus RTU簡介

Modbus 通信協議是電子控制器中使用的一種通用語言。經過大多數公司的實際使用,逐漸被認可成為了一種通用工業標準。通過該協議,控制器可以彼此通信,并且控制器可以通過網絡與其他設備通信。它使得不同制造商生產的控制設備可以連接到工業網絡進行集中監控,為設備實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 通過以下方式支持Modbus RTU 通信協議：a.S7-200 PLC 上的通信端口0 和1 通過指令庫支持Modbus RTU 主站模式。b. S7-200 PLC上的通信端口0 通過指令庫支持Modbus RTU從站模式。

4.2 實時時鐘設計

4.2.1 時鐘指令

西門子S7-200 PLC 其時鐘讀寫指令有讀取實時時鐘指令READ_RTC 和設置實時時鐘指令SET_RTC,讀取實時時鐘指令是從PLC中讀取當前時間和日期, 并將其放入一個以T 開始的8 個字節的緩沖區,設置實時時鐘是將當前日期和時間寫入到指定的8個字節的緩沖區中。S7-200 PLC的實時時鐘可以提供年、月、時、分、秒的日期/時間數據。但是部分型號不具備實時時鐘功能,在實際使用中如需要使用實時時鐘功能,必須在可選卡插槽插入日期/時鐘電池卡才能獲取實時時鐘功能, 在初次上電時,PLC 實時時鐘為系統默認值。S7-200PLC實時時鐘的精度是2 分鐘/月,最大誤差7 分鐘/月。S7-200 實際上可以讀取的最小時間單位為1s。

4.2.2 設置時鐘

當PLC需要使用時鐘功能時,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 ＞實時時鐘”命令,打開“PLC 時鐘操作”對話框：在打開的對話框中可以直接修改輸入框中的數字來設置日期與時間,單擊“讀取PC”按鈕可以讀取PC機上的實時時間。單擊“讀取PLC”按鈕讀取PLC時鐘。可以讀取與PC建立通訊的PLC 的實時時鐘數據。用戶可以根據需要選擇夏時制調整選項。打開或關閉夏至時功能,在設置好日期與時間后,單擊“設置”按鈕即可將所設置好的實時時鐘數據寫入與PC建立通信的PLC中。