集散控制系统设计.

机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
系统总体框图
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
系统的工作原理
• 本温室大棚控制系统由PLC系统、传感器系统、执行部件 等几个部分组成。该温室控制系统以PLC为控制中心，通 过温度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器采集 温室中环境因子的有关参数，经变送转换为标准电流信 号（4~20mA）后经由S7-200的模拟量输入模块EM235送 入PLC控制器，PLC再通过PID控制算法将采集的参数与已 设定的值进行分析处理，输出开关量，对执行机构进行 控制。在此系统中还可以通过串口的形式与PC机相连， 从而实现实时数据的管理与存储，为以后植物生长的研 究带来宝贵资料。
ห้องสมุดไป่ตู้
设计任务
• 本温室控制系统就是依据室内外装设的温度传感器、 光照传感器、CO2传感器等采集或观测的温室内的 温度、光照强度、CO2浓度等环境参数信息，通过 控制设备对温室通风窗、加热器、发光体、遮阳帘、 CO2添加器等执行机构的控制，对温室环境环境因 素进行调节控制以达到栽培作物生长发育的需要， 为作物生长发育提供最适宜的生态环境，以大幅度 提高作物的产量和品质。
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
PlC基本结构图
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
PlC的工作原理
• PLC的工作方式是循环扫描的方式。每一次扫描所 用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一 条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户 程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
具体选型
• CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点，可连接7 个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟 量I/O 点，具有13K字节程序和数据存储空间，6个独立的 30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有 PID控制器，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、 MPI通讯协议和自由方式通讯能力。此控制系统的I/O点 数为14输入9输出，在既能实现该系统控制要求，又能满 足以后发展的前提下，选用的S7-200系列的 CPU226。
温室大棚集散控制系统设计
—《集散控制系统》课程设计
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
项目分析及项目负责
• 背景分析 • 存在问题 • 需求分析 • 课题研究 • 器件选择 • 宏观设计
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
背景介绍
温室又称暖房，是用来栽培植物的设施。温室的作用 是用来改变植物的生长环境 ,避免外界四季变化和恶劣气 候对作物生长的不利影响，为植物生长创造适宜的条件。 温室环境指的是作物在地面上的生长空间 ,它是由光 照、温度、湿度、二氧化碳浓度等因素构成的。温室控制 主要是通过控制温室内的温度、湿度、通风与光照，使得 它可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物， 从而达到对农作物调节产期、促进生长发育、防治病虫害 及提高产量的目的。现代化温室中具有控制温湿度、光照 等条件的设备，并采用电脑进行自动控制，以此创造植物 生长所需的最佳环境条件。
系统主电路设计
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
系统控制电路设计
• 从系统主电路图中，可以看出执行机构系统包括遮 阳帘、通风扇、热风机、冷风机、加热器、发光体 和CO2添加器等部分。通常，温室的执行机构可分 为两大类:一类是正反转运行电机，如通风扇、遮 阳帘等，这些电机需要正转、反转和停止，必须有 限位开关；另一类是开关控制设备，如风机、水泵 等。
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
考虑实际因素设计
• 如果测量值低于设定值，则打开加热器和热风机对温室 进行加温。当温室的光照低于设定值时，系统打开遮阳 帘或开启发光体；当温室的光照高于设定值时，系统关 闭遮阳帘或发光体。当温室的二氧化碳浓度低于设定值， 系统开启二氧化碳添加器。通过温度，光照和二氧化碳 浓度的设定与调节达到适应不同植物生长的需求，从而 广泛应用到实际中。本设计的特点是成本低廉，节约资 源，提高产量，实现经济价值最大化。
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
宏观设计
• 温室大棚的作用是改变植物的生长因子，从而避免四季的气候变 化和恶劣气候对植物生长的不良影响，为植物提供一个良好的生 长环境。在植物的生长过程中，温室中的温度，光照，湿度， CO2浓度，土壤酸碱度等环境参数对植物的生长起着重要作用。 本次研究采用可编程控制器PLC作为控制核心。通过传感器检测 温室中的环境参数，经变送转换为标准电流信号（4～20mA）后 送入S7-200的模拟量输入模块EM235，PLC通过分析处理，输出开 关量，通过驱动电路控制通风扇、遮阳帘、风机等多种执行机构。
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
需求分析
• 农业想要发展，就必须走现代化农业这条道路。随着国 民经济的迅速发展，农业的研究和应用技术越来越受到 重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组 成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产 环境的一些重要参数进行检测和控制。在实际的农业种 植中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换等有着 密切的关系。作为实现温室生产管理自动化、科学化的 基本保证，环境测控可通过对监测数据的分析，并结合 作物生长发育规律，从而控制环境条件，使作物达到优 质、高产、高效的栽培目的。实际上生产生活中，以蔬 菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥 着巨大的作用。
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
课题研究
• 现阶段随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高， 特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。 随着社会的进步和科学的发展，我国设施农业将向着地域化、节 能化、专业化发展，向着高科技、自动化、机械化、规模化、产 业化的工厂型农业发展，为社会提供更加丰富的无污染、安全、 优质的绿色健康食品。所以，进行温室大棚温度PLC 控制系统的 研究设计具有重要的现实意义。本课题通过对PLC可编程控制器、 组态软件、传感器、数据采集系统的学习与研究，完成了利用西 门子PLC与PC机构组成温室大棚温度监控系统。
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
PLC I/O地址分配------输入端口分配表
序号
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13
输入口
I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
器件选型
• 可编程控制器(PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为 一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛应用于工业控 制的各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱(PLC、工业机器 人、CAD/CAM)之一。PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的 将来PLC技术在我国将得到更全面的推广和应用。 • 本课题研究的是PLC技术在温室控制系统上的应用。从整体上分 析和研究了控制系统的电路设计、硬件设计、软件设计，控制对 象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定，人机界面的 设计等。
• 一、分析被控对象并提出控制要求、制定控制方案 • 二、确定I／O设备 • 三、选择PLC • 四、分配I/O点并设计PLC外围硬件线路 • 五、程序设计 • 六、硬件实施 • 七、联机调试 • 八、整理和编写技术文件
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
PLC控制系统 设计步骤框图
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
考虑实际因素设计
• 考虑到实际生产生活中的安全性与可靠性，本控制 系统设有手动、自动两种工作模式，自动方式是指 周期性地进行PLC控制的方式；而手动方式则是指在 出现应急情况等一些突发事件时，通过手动操作控 制执行器件的工作。自动工作中，如果被检测量温 度高于设定值，PLC就会发出相应的指令控制开启通 风窗和冷风机；如果测量值与设定值相等，则关闭 通风窗和冷风机；
10
Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1
冷风机 加热器 补光灯 CO2添加器 启动指示灯
接触器 接触器 接触器 接触器 接触器
KM6 KM7 KM8 KM9 KM10
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
硬件及电路设计
• 主电路及控制电路设计 • 硬件设计及配置
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
一、正反转设备
• 通风扇、遮 阳帘均属于 正反转设备， 其控制电路 相似，现以 遮阳帘为例， 做以下介绍。
遮阳帘主 电路图
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
遮阳帘控制电路
遮阳帘控制 电路原理图
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
遮阳帘电路说明
• SB1为手动/自动的切换开关,SB2为总启动按钮，SB3为总停止按钮。按 下总启动按钮SB2，交流接触器KM10的线圈得电，同时KM10的常开触 点闭合，起自锁作用。在手动状态下，SB4为开帘、关帘切换按钮，当 SB4切换至开帘模式，交流接触器KM3的线圈得电，此时电机正转，遮 阳帘打开，当遮阳帘开启到最大位置后触碰到限位开关SQ1，其常闭 触点断开，KM3的线圈失电，电机停止转动；同理当SB4切换至关帘模 式，遮阳帘关闭，到关闭的最大位置后，电机停转；按下按钮SB3， KM10的线圈失电，遮阳帘停止动作，用于急停操作。在自动状态下， 由PLC控制器实现控制，中间接触器KM3的线圈得电时，其常开触点闭 合，遮阳帘开启；中间接触器KM4的线圈得电时，其常开触点闭合， 遮阳帘闭合。遮阳帘等正反转设备何时开启或闭合由硬件、算法和程 序共同决定
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
PLC的运 行框图
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
电气控制系统的设计原则
• 一、最大限度地满足控制要求 • 二、保证系统的安全可靠 • 三、力求简单、经济、使用与维修方便 • 四、适应发展的需要
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
PLC控制系统设计的步骤
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
系统的控制方案
• 在温室大棚中，上述控制任务的实现需要有 一套完善的硬、软件温室系统进行控制。该 温室大棚控制系统以PLC为控制中心，采用传 感器对温室温度、光照、二氧化碳浓度等环 境因素进行测量，并将结果送到PLC中。由 PLC对结果进行处理，然后调控各设备对环境 因子进行补尝。
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
存在的问题
• 我国的设施园艺绝大部分用于蔬菜生产。80年代以来，温室、大 棚蔬菜的种植面积连年增加。目前的栽培设施中，有国家标准的 装配式钢管塑料大棚和玻璃温室仅占设施栽培面积的少部分，大 多数的农村仍然采用自行建造的简单低廉的竹木大小棚，只能起 到一定的保温作用，根本谈不上对温光水气养分等环境条件的调 控，抗自然环境的能力极差。即使那些数量不多的装配式塑料大 棚和玻璃温室也缺乏配套的调控设备和仪器，仅仅依靠经验和单 因子定性调控，所以，我国设施栽培的智能化程度非常低。除此 之外，我国设施农业目前还存在着诸如土地利用率低、盲目引进 温室、设施结构不合理、能源浪费严重、运营管理费用高、管理 技术水平低、劳动生产率低及单位面积产量低等诸多问题。
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
PLC型号选择
• PLC的 I/O点数 • 根据系统的控制要求，可确定系统所需的全部输入设备 （如：按纽、限位开关、单刀双掷开关及各种传感器等） 和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它 执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，最终 确定PLC的I/O点数为14个数字量输入，10个数字量输出， 3个模拟量输入。
信号名称
手动/自动切换 总启动 总停止 遮阳帘开限位 遮阳帘关限位 遮阳帘开帘 遮阳帘关帘 通风扇正转 通风扇反转 热风机启停 冷风机启停 加热器启停 补光灯启停 CO2添加器启停
备注
旋钮 按钮 按钮 限位开关 限位开关 单刀双掷开关 单刀双掷开关 单刀双掷开关 单刀双掷开关 旋钮 旋钮 旋钮 旋钮 旋钮
符号
SB1 SB2 SB3 SQ1 SQ2 SB4 SB4 SB5 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10
14
15 16 17
AIW0 AIW2 AIW4
温度传感器 光照度传感器 CO2浓度传感器
机械与动力工程学院过程装备与控制工程专业
输出端口分配表
序号 01 02 03 04 05 06 07 08 09 Q0.3 Q0.4 遮阳帘关帘 热风机 接触器 接触器 KM4 KM5 Q0.1 Q0.2 输出口 Q0.0 控制信号 通风扇正转 通风扇反转 遮阳帘开帘 备注 接触器 接触器 接触器 符号 KM1 KM2 KM3