小鸡孵化箱温度检测的PLC控制设计

毕业设计（论文）
（成教）
题目：小鸡孵化箱温度检测的PLC控制
院 (系)：机电工程学院
专业：机械制造与自动化
姓名：成胜强
学号： 2009031834 指导教师：邓文亮
二〇一二年三月十五日
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摘要
随着现代信息技术的飞速发展，温度检测控制系统在工业、农业及人们的日常生活扮演着一个越来越重要的角色，他对人们的生活具有很大的影响，所以温度检测与控制系统的设计与研究有十分重要的意义。

孵化设备是仿生学的一种应用，通过PLC 控制，PID温控器，传感器等并通过模数和数模转换来实现温度检测控制，模拟自然界的孵化环境，提供胚胎发育适宜的条件，用于家禽种蛋的孵化。

当前孵化设备的不足之处在于：温度控制精度不高，导致孵化管理效率不高。

关键词：PLC；PID温控器；温度检测控制
目录
第一章孵化箱的发展 (1)
第一节研究背景 (1)
第二节国内外研究现状 (1)
第二章系统概述 (3)
第一节系统设计任务 (3)
第二节系统总体设计 (3)
第三节温度条件 (7)
第四节系统工作原理 (8)
第三章系统的硬件设备 (10)
第一节PLC简介 (10)
第二节I/O接口简介 (11)
第三节温度传感器 (14)
第四节PID简介 (15)
第五节S7-215程序设计梯形图 (19)
结论 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
附件 (29)
第一章孵化箱的发展
第一节研究背景
随着生化水平的提高，人们对物质生活的要求越来越高，尤其是日用饮食，与前几十年相比，有了明显的改善。

鸡肉鸡蛋以营养价值高、价格便宜等优点，始终是人们日常生活中不可缺少的农产品。

为了能够生产出高质量的鸡肉，在养殖过程中对种蛋的选择以及种蛋孵化过程中的各种影响因素提出了更高的要求。

不仅要保证禽蛋的出雏率，而且还要保证键雏率。

随着我国加入WTO，养殖业与世界接轨，竞争将会更加激烈。

竞争的结果，必将是养殖业沿着产业化、规模化得方向发展。

而与之相配套的孵化设备必将迎来新的挑战和机遇。

伴随着当前部分农产品价格的持续上涨，养鸡产业将会出现一个较为广阔的发展空间。

第二节国内外研究现状
孵化设备是养禽业的重要技术设备，她是根据家禽孵化的生物学原理，利用经济合理的工程手段，创造孵化及出雏的人工控制生态环境的一种放生设备。

国外孵化孵化机制造业发展比较早，其特色是设计科学化、机型多样化、规格标准化、部件通用化、电脑自动化。

辅助仪器、设备、工具系列化，而且用材考究，制造工艺精致，操作安全简便，运作程序完善，其装演与质量都堪称上乘。

国际著名的孵化机厂家和公司有美国“鸡王”孵化器公司、比利时“皮特森”公司、加拿大的“詹姆斯威”公司、荷兰“派司雷风”公司、丹麦的“富基”公司、澳大利亚的“哈利森”公司等。

部分公司的产品已经实现网络化和无线通信化。

管理人员可以通过手持掌机监控孵化设备的运行，也可以通过Iternet远程访问孵化场甚至修改某个孵化箱的控制参数。

我国孵化设备的制造比外国起步晚。

1980年以前，只有少数鸡场从日本引进少量的设备，并仿制了部分产品，谈不上有设计能力。

80年代初期北京市平谷电系机
械厂生产出了云峰牌孵化机，对当时养禽业有很大的促进，同时北京西山孵化设备厂等也开始从事专业的孵化设备生产。

80年代末90年代初，养禽业有了极大地发展，国内孵化设备已不能满足需要，于是大型养鸡场开始大量从国外引进先进的孵化设备。

这一来，对我国孵化设备的研究产生了深远的影响，许多生产厂家从中吸收先进技术改进自己的设计，设计水平有了很大程度的提高。

经过多年的发展，我国目前以形成具有一定规模的从事孵化机设计和制造的专业队伍，基本上满足我国养禽业的需要。

纵观国内外孵化设备研究和制造现状，国内在这一方面取得了一定的成果，有一些具有竞争力的产品，但与发达国家相比，我们的孵化设备还存在着很大差距：1在控制技术方面，国内先进机型性能指标已达到了较高水平控制效果良好，孵化效果以及对环境的适宜能力也较好，但产品的可靠性与国外先进水平有一定的差距。

温湿度控制精度及稳定性有待进一步提高，孵化设备中使用的电子元件的质量要高。

2 在生产工艺方面，我国整体生产工艺水平欠缺，产品外观与结构与国外先进水平有一定的差距。

第二章系统概述
第一节系统设计任务
1）温度控制范围：35℃~40℃；
2）温度控制精度：温度误差不超过-0.15~+0.15℃；
3）机内各点温度不大于0.3℃
4）温度显示分辨率：-0.1~+0.1℃
第二节系统总体设计
2.1 PLC的选择
由于德国SIEMENS系列产品具有功能强大，可靠灵活等特点，从系统设计的整体性，一致性出发，考虑到经济性，功能性等各方面的原因，我们选用西门子公司的产品，以最优的性价比/价格比进行系统的配置。

被系统可以实现各个子系统的单独调控，通过通讯网络由总控室进行统一的管理，便于实现群控化控制。

系统配置上各个子系统选择了SIEMENS系列S7-215PLC,这是因为在200系列plc中，只有215具有Profibus -DP口,可上以连到Profibus上进行高速数据传输。

S7-215本机14个输入点和10个输出点，内存13k字节。

扩展模块em231可以实现3路模拟量转化的A/D 转化1路模拟量输出的D/A转化，可以根据需要方便地进行多功能的扩展。

另外调节相应系统的硬件设备或者对应的用户子程序，可以方便地改变对参数的设置。

系统通过开关量传感器、模拟量传感器对温室内的温度、湿度、光照等进行检测。

通过D/A 通道要实现对各种执行和调节机构的控制，以及各种环境设备的启停和电机等设备的保护。

各个系统选用plc的主机内部带有存储程序的EPROM，停电后程序不会丢失。

总控室选择s7-315，它集成有数据通信接口，可以方便地同过profibus-dp口实现
和其他子系统的通信 ,进行集中管理。

在这里通过动态监控画面可以动态地了解各种参数的变化。

各个子系统可以实现独立运行 ,当网络出现意外或其他子系统出现问题也不会引起瘫痪。

环境控制子系统配置硬件原理图如图 2-1所示。

图2-1系统组成框图
2.2 PLC通信配置与通信方式
1)并行数据传送：并行数据传送时所有数据位是同时进行的，以字或字节为单位传送。

并行传输速度快，但通信线路多、成本高，适合近距离数据高速传送。

2)串行数据传送：串行数据传送时所有数据是按位(bit)进行的。

串行通信仅需要一对数据线就可以。

在长距离数据传送中较为合适。

PLC网络传送数据的方式绝大多数为串行方式，而计算机或PLC内部数据处理、存储都是并行的。

若要串行发送、接收数据，则要进行相应的串行、并行数据转换，
即在数据发送前，要把并行数据先转换成串行数据；而在数据接收后，要把串行数据转换成并行数据后再处理。

2.3 通信系统设计
通信系统实现对整个孵化箱运做的信线,RXD(收) 、TXD(发) 、GND(地) 。

选用可保证波特率在9 600 bps时 ,通信距离可达到112 km。

设计采用主从方式管理 ,主机通过RS- 232/ RS485通信接口转换器完成信号之间的转换 ,从机采用 MAX485 接口可以实现RS/485 与 TTL 电平的转换。

信号通信程序分为初始化、接收和发送三个部分。

本设计中所选 PLC都是 SIEMENS的产品 ,本身都集成了 PROFIBUS接口 ,可以方便可靠的连接成一个现场总线网络。

本机主站和从站的分配情况如下: ①在本系统中选用了带有Profibus接口的 S7 - 315 为主站 ,它为每一个站点分配一个地址 ,在预定的信息周期内与分散的站点交换信息。

②本系统中总控室的上位 PC机属于第二类主站 ,选用带 PROFIBUS - DP 网卡(CP5611) 接口的工控机。

③从站为各个子系统的 S7 - 215。

④PLC与 PC之间的通讯 ,二者进行数据交换 ,各站周期性地交换 1 字节数据。

主站发送命令信息 ,从站上通过DP - RECV(read) ,调用DP - RECV 功能从主站读取数据并存储到从站 DB11 中 ,然后通过DP - SEND(write) ,调用DP - SEND 功能存储在 DB11 中的数据写入到主站的输入区。

1 PLC与上位机的通讯协议
通讯协议包括两方面的内容：一是通讯接口；二是通讯方式。

PLC 与上位机一般采用 RS-232Ｃ接口的异步串行通讯方式。

CQM1 的 CPU 单元本身带有RS-232Ｃ接口,可直接使用该端口与上位机进行RC-232Ｃ串行通讯。

通讯方式有两种:一种是上位机始终具有初始传送优先权,所有的通讯均由上位机来启动，CQM1 总是处于被动状态；另一种是 PLC 具有优先权,命令由 PLC 发送至上位机。

笔者设计的监控系统采用的是第一种通讯方式。

PLC 与上位机的数据通讯是以“帧”为单位进行的，帧的格式如图 2-2 和图 2-3 所示。

命令帧由上位机发送给 PLC，响应帧为 PLC 接收到命令帧后自动向上位机发送的应答信号。

图2-2命脉令锁
起始符节点号标题码结束代码数据 FCS 结束符
图2-3响应锁
2通讯过程
通讯开始，先由上位计算机对 PLC 发出一串字符的测试帧命令。

在帧的传送格式中，“@”为起始符；节点号为 PLC 的编号,用于标识和上位机通讯的PLC，由 PLC 中 DM6648 设定。

在这个温室环境检测控制系统中，只有一个下位 PLC，其节点号为 00;标题码为一个 2 字符的命令代码,用来标明帧的功能。

例如RD、WD 分别为读、写 DM 数据区的标题码FCS 为一个 2 字符的帧检查次序代码，即从帧起始位@到帧数据结束（FCS 前）之前的数据进行“异或运算的结果，用来检查帧的传送结果。

例如，计算机发送一命令帧@00RR00?0143 CR，帧中 43 为 FCS的值，它是由命令帧中@、0、0、R、R、0、0?1 分别转化为 ASCⅡ码,再转化为 8 位二进制数进行“异或”运算后转化为十六进制的结果；CR 表示帧结束响应帧中结束代码为“00”，标明通讯有效。

为充分利用上位机 CPU 的时间，可使上位机与PLC 并行工作,在上位机等待 PLC 回答信号的同时，使 CPU 处理其它任务或线程。

某 PLC 在接到上位机的一个完整帧以后，首先判断是不是自己的代号，若不是，就不予理睬；若是，就发送呼叫回答信号上位机接到
回答信号后，与发送测试的数据比较。

若两者无误，发出可以进行数据通讯的信号，转入正常数据通讯；否则，提示用户检查线路重新测试或通讯失败。

第三节温度条件
温度是孵化过程中最重要的条件，保证胚胎正常发育所需的适宜温度，才能获得高孵化率和优质雏鸡。

孵化期间出现高温，胚胎发育增快，孵化期缩短，胚胎死亡率增加，初生雏鸡质量下降。

当孵化温度超过42℃时，胚胎会在2~3小时内死亡。

如果孵化的头两天温度过高，在孵化的5~6天时就会出现粘壳，发育畸形增多。

如果孵化第3~8天温度过高，尿囊合拢提前，出雏时间会提前，可见孵化温度过低过高都会使其质量下降和死亡。

通过查阅资料可得最适温度如下：
表2-4不同胚龄期孵化室与孵化箱内温度关系
表2-5立体孵化分批入孵所取的温度
第四节
系统工作原理
系统由温度传感器、plc 系统（含键盘和液晶显示）、加热设备组成。

正个系统的工作原理如图2-6所示。

图2-6 系统工作原理
该温度控制系统是利用 PLC 把传感器采集的有关参数 (如温度 )转换为数字信号,并把这些数据暂存起来 ,与给定值进行比较 ,经一定的控制算法后 ,给出相应的控制信号进行控制。

系统还可以经过串行通信接口将数据送至上位机 ,从而完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能 ,并可以对数据进行显示、编
辑、存储及打印输出。

传感器把与生物有关的参量 (温度、湿度等 )转换为电压信号 ,经运算放大器组成的信号处理电路变换成压频转换器 (V/F)需要的电压信号。

其中温度传感器的输出电流与绝对温度成正比 ,且具有温度响应快、线性度好及高阻抗电流输出等特点 ,适于长距离传输 ,可把 - 5～55 ℃的温度转换成 1～4 V的电压。

温室控制系统的执行机构包括风机、气泵、水帘、遮阴帘、电磁阀等设备。

系统工作时 , PLC通过温湿度传感器来测量温室内的温湿度并与设定值相比较 ,如果温室内的温度超出了设定范围的上下限值 , PLC就输出指令 ,控制接通相应的设备;当温室的温度都在范围内时 , PLC就输出指令 ,切断设备的电源。

系统工作流程图2-7。

图2-7系统工作原理图
第三章系统的硬件设备
第一节PLC简介
S7-215系列PLC可以满足多样化的控制要求，由于具有紧凑的设计，良好的扩展性，低廉的价格以及强大的指令系统，使得可以近乎完美的满足小规模控制要求。

S7200 PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC。

3.1 S7-215系列PLC系统结构
1 基本单元
基本单元有时又称CPU模块，也有时成主机或本机，它包括CPU，存储器，基本输入输出点和电源等，时PLC的主要部分。

2 扩展单元
当主机I/O数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O 模块，所能连接的扩展单元数量和实际所能使用的I/O点数是有多种因素共同决定的。

3 特殊功能模块
当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可与s7-200主机相联，以完成某种特殊的控制任务的一种装置。

4相关设备
主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。

5工业软件
工业软件是为了更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要由标准工具、运行软件、和人机接口等几大类构成。

第二节I/O接口简介
3.1 接口分类
I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起，按照电路和设备的复杂程度，I/O接口的硬件主要分为两大类：
（1）I/O接口芯片
这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O 电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时计数器、中断控制器、DMA 控制器、并行接口等。

（2）I/O接口控制卡
由若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与CPU同在主板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。

按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等。

3.2 接口的功能
由于计算机的外围设备品种繁多，几乎都采用了机电传动设备，因此，CPU在与I/O设备进行数据交换时存在以下问题：
速度不匹配：I/O设备的工作速度要比CPU慢许多，而且由于种类的不同，他们之间的速度差异也很大，例如硬盘的传输速度就要比打印机快出很多。

时序不匹配：各个I/O设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得统一。

信息格式不匹配：不同的I/O设备存储和处理信息的格式不同，例如可以分为串行和并行两种；也可以分为二进制格式、ASCII编码和BCD编码等。

信息类型不匹配：不同I/O设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，而有些是模拟信号，因此所采用的处理方式也不同。

基于以上原因，CPU与外设之间的数据交换必须通过接口来完成，通常接口有以下一些功能：
（1）设置数据的寄存、缓冲逻辑，以适应CPU与外设之间的速度差异，接口通常由一些寄存器或RAM芯片组成，如果芯片足够大还可以实现批量数据的传输；
（2）能够进行信息格式的转换，例如串行和并行的转换；
（3）能够协调CPU和外设两者在信息的类型和电平的差异，如电平转换驱动器、数模或模数转换器等；
（4）协调时序差异；
（5）地址译码和设备选择功能；
（6）设置中断和DMA控制逻辑，以保证在中断和DMA允许的情况下产生中断和DMA请求信号，并在接受到中断和DMA应答之后完成中断处理和DMA传输。

3.3 接口的控制方式
CPU通过接口对外设进行控制的方式有以下几种：
（1）程序查询方式
这种方式下，CPU通过I/O指令询问指定外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进行数据的输入或输出，否则CPU等待，循环查询。

这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可，缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低
（2）中断处理方式
在这种方式下，CPU不再被动等待，而是可以执行其他程序，一旦外设为数据交
换准备就绪，可以向CPU提出服务请求，CPU如果响应该请求，便暂时停止当前程序的执行，转去执行与该请求对应的服务程序，完成后，再继续执行原来被中断的程序。

中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。

但需要为每个I/O设备分配一个中断请求号和相应的中断服务程序，此外还需要一个中断控制器（I/O接口芯片）管理I/O设备提出的中断请求，例如设置中断屏蔽、中断请求优先级等。

此外，中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行中断，启动中断控制器，还要保留和恢复现场以便能继续原程序的执行，花费的工作量很大，这样如果需要大量数据交换，系统的性能会很低。

（3）DMA（直接存储器存取）传送方式
DMA最明显的一个特点是它不是用软件而是采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入，大大提高CPU的工作效率。

在进行DMA数据传送之前，DMA控制器会向CPU申请总线控制权，CPU如果允许，则将控制权交出，因此，在数据交换时，总线控制权由DMA控制器掌握，在传输结束后，DMA控制器将总线控制权交还给CPU
3.4 I/O分配表
表3-1 I/O分配表
第三节温度传感器
温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。

温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。

温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。

从17世纪初人们开始利用温度进行测量。

在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC 温度传感器。

IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。

接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。

温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。

一般测量精度较高。

在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。

但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。

它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。

在日常生活中人们也常常使用这些温度计。

随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。

低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。

利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

根据本设计的要求采用芬兰维萨拉公司生产的温湿度传感器，型号是 HMW 40Y。

此传感器具有测量精度高、响应时间短、对环境要求低、易于安装等特点。

其主要性能指标如下：
温度: - 5～55 ℃
测量精度: ±3 %RH/ ±0.1℃
输出信号: 4～20 mA
第四节PID简介
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

4.1 PID在PLC中的回路指令
西门子S7-215系列PLC中使用的PID回路指令，见表3-2
表3-2 PID回路指令
名称PID运算
指令格式PID
指令表格式PID TBL,LOOP
梯形图
使用方法：当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。

指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，本文采用的是VB100，因为一个PID回路占用了32个字节，所以VD100到VD132都被占用了。

LOOP是回路号，可以是0～7，
不可以重复使用。

PID回路在PLC中的地址分配情况如表3-3所示：
表3-3 PID指令回路表
4.2 PID参数整定
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和和微分时间Td，
改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。

一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。

目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。

经验法又叫现场凑试法，它不需要进行事先的计算和实验，而是根据运行经验，利用一组经验参数，根据反应曲线的效果不断地改变参数，对于温度控制系统，工程
上已经有大量的经验，其规律如表3-4所示
表3-4 温度控制器参数经验数据
4.3 内存地址分配与PID指令回路表
1）内存地址分配
表3-5 内存地址分配
2）PID指令回路表
表3-6 内存地址分配
4.4 程序设计流程图
图3-7流程图
主程序
子程序0
中断程序
第五节S7-215程序设计梯形图
5.1 初次上电
1)读入模拟信号，并把数值转化显示孵化箱的当前电压
2)判断炉温是否在正常范围，打亮正常运行指示灯/温度越上限报警指示灯
5.2 启动/停止阶段
启动过程：按下启动按钮后，开始标志位M0.1置位，M0.2复位。

打开运行指示灯Q0.0，熄灭并停止指示灯初始化PID。

开始运行子程序0。

停止过程：按下停止按钮后，开始标志位M0.1复位，点亮停止指示灯，熄灭运行指示灯。

并把输出模拟量AQW0清零，停止孵化箱继续加热。

停止调用子程序0，仍然显示孵化箱温度。