利用觸摸屏和PLC實(shí)現(xiàn)溫室大棚溫度自動(dòng)控制

【摘 要】本文介紹了利用觸摸屏、PLC和模擬量輸入輸出模塊實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，及使用PLC功能指令設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本原理，并給出了關(guān)鍵程序。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，通過(guò)擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)蔬菜大棚實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。

【關(guān)鍵詞】PLC 觸摸屏 溫度控制

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)作為國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，增加農(nóng)民收入已成為我們國(guó)家的基本國(guó)策。因此，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化越來(lái)越受到各級(jí)政府的重視?；谧詣?dòng)控制技術(shù)的溫室大棚，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。

PLC作為現(xiàn)代自動(dòng)控制關(guān)鍵技術(shù)之一，具有功能強(qiáng)、速度快、可靠性高的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中。塑料大棚首先是為了提高溫度，延長(zhǎng)植物生長(zhǎng)期，擴(kuò)大植物的種植范圍。白天使植物光合作用旺盛，制造大量氧氣，晚上植物通過(guò)呼吸作用再釋放二氧化碳。促進(jìn)白天的光合作用。通過(guò)溫度傳感器采集溫度信息，利用PLC來(lái)控制冷、熱風(fēng)機(jī)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)的溫度自動(dòng)控制。

一、系統(tǒng)硬件組成

1.系統(tǒng)框圖

為實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫度的自動(dòng)控制，構(gòu)建一個(gè)以PLC為核心的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、模擬量輸入輸出模塊及溫度傳感器構(gòu)成。溫度傳感器采集溫室大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，并通過(guò)模擬量輸入輸出模塊（A/D轉(zhuǎn)換器）將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入PLC中進(jìn)行比較，PLC通過(guò)運(yùn)算，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動(dòng)輸出繼電器完成對(duì)溫室大棚的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；而觸摸屏實(shí)時(shí)顯示溫度傳感器采集的溫度、設(shè)定溫度的上下限值及冷、熱風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)報(bào)警信息等實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行溫度上下限值的實(shí)時(shí)設(shè)置。系統(tǒng)框圖如下圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.系統(tǒng)硬件選擇及設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)電路的總控制環(huán)節(jié)可以采用安裝方便的空氣斷路器，冷、熱風(fēng)機(jī)采用三相異步交流電動(dòng)機(jī)，并采用熱繼電器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)；溫度傳感器采用TS118，輸出4～20mA的電流模擬信號(hào)；A/D模塊則采用三菱的FXON-3A；觸摸屏選擇三菱公司生產(chǎn)的產(chǎn)品——F940GOT；控制核心PLC采用三菱的FX2N-48MR系列的PLC；指示燈顯示工作狀態(tài)。

系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)如下圖。

圖2 PLC控制電路圖

3.PLC輸入輸出I/O分配

根據(jù)確定的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)4個(gè)，分別為啟動(dòng)按鈕SB1、停止按鈕SB2、電動(dòng)機(jī)M1、M2過(guò)載保護(hù)FR1、FR2，對(duì)應(yīng)在輸入繼電器分別為X0～X1；開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)6個(gè)，分別為電動(dòng)機(jī)M1、M2的控制接觸器，對(duì)應(yīng)的輸出繼電器為Y0、Y1，狀態(tài)指導(dǎo)燈HL1（低于18℃報(bào)警）、HL2（高于28℃報(bào)警）、HL3（正常狀態(tài)）、HL4（工作狀態(tài)指示），對(duì)應(yīng)的輸出繼電器為Y4～Y7。

模擬量輸入信號(hào)I1，用于溫度信號(hào)輸入；模擬量輸出信號(hào)A01，用于5V、10V信號(hào)輸出。

二、PLC功能指令的應(yīng)用

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，可以將系統(tǒng)程序分為溫度檢測(cè)與轉(zhuǎn)換、溫度數(shù)值的變換、溫度數(shù)值的輸出比較和D/A轉(zhuǎn)換四部分。

1.溫度檢測(cè)與轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

FX0N-3A的模擬通道1或通道2（8位A/D）輸入溫度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，通過(guò)轉(zhuǎn)換，PLC將傳感器傳送的數(shù)值存放到寄存器D200單元中，當(dāng)檢測(cè)并轉(zhuǎn)換的數(shù)值次數(shù)達(dá)到10次，取平均值，然后將這一平均值放于D110中。

其中，D114，用于存放溫度；D118用于計(jì)數(shù)（M132大于、M133等于、M134小于）；D110存入溫度平均值；D200為溫度的實(shí)時(shí)值。指令表如下：

LD M8002 MOV K0 D114

LD M133 MOV K0 D118

LD M8012 TO K0 K17 H0 K1

TO K0 K17 H2 K1 FROM K0 K0 D200

INC D118 ADD D114 D200 D114

CMP D118 K10 M132 AND M133

DIV D114 D118 D110

2.溫度數(shù)值的變換程序設(shè)計(jì)

溫度數(shù)值的變換可以根據(jù)如下公式進(jìn)行編程：

Ax=Nx×（Amax-Amin）÷M+Amin

式中，Ax：計(jì)算結(jié)果；

Nx：測(cè)量值（A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)）；

Amax：傳感器測(cè)量的最大值；

Amin：傳感器測(cè)量的最小值；

M：A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值的最大數(shù)。指令表如下：

LD M8000 MUL D110 K11 D120

DIV D120 K25 D122 SUB D122 K40 D124

3.溫度數(shù)值的輸出比較程序設(shè)計(jì)

X0、X1及過(guò)載保護(hù)X2、X3構(gòu)成了本系統(tǒng)的控制程序。按下啟動(dòng)按鈕SB1，M1自保持輸出；按下停止按鈕SB2或者電動(dòng)機(jī)M1、M2過(guò)載，則M1停止輸出。

經(jīng)過(guò)數(shù)值轉(zhuǎn)換后的溫度值存放在D124中，與參考值K18、K28（18℃與28℃）比較，當(dāng)溫度小于18℃時(shí)，Y0和Y4輸出；當(dāng)溫度在18℃與28℃之間時(shí)，Y5輸出；當(dāng)溫度大于28℃時(shí)，Y1和Y6輸出。

指令表如下：

LD X0 OUT M0

LD MO OR M1

ANI X1 ANI X2

ANI X3 OUT M1

LD M1 CMP D124 K18 M100

CMP D124 K28 M103 LD M1

AND M102 OUT Y0

OUT Y4 LD M1

ANI M102 ANI M105

OUT Y5 LD M1

AND M105 OUT Y1

OUT Y6

4.D/A轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

D/A轉(zhuǎn)換是將0～250的數(shù)值轉(zhuǎn)換成0～10V的電壓，是線性關(guān)系，所以需要輸出10V時(shí)，對(duì)應(yīng)的PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)是250；需要輸出5V時(shí)，對(duì)應(yīng)PLC內(nèi)的數(shù)據(jù)是125。

指令表如下：

LD M1 ANI M102

ANI M105 MOV K125 D129

LD M1 AND M105

MOV K250 D129 LD M1

TO K0 K16 D129 K1

TO K0 K17 H4 K1

TO K0 K17 H0 K1

通過(guò)使用三菱FX系列PLC的MOV、CMP、ADD等功能指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度測(cè)量值的采集、比較、判斷、傳送，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的實(shí)時(shí)調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化控制程序的目的。

三、觸摸屏的組態(tài)編程

1.觸摸屏的界面設(shè)計(jì)

觸摸屏界面主要設(shè)計(jì)了登錄、主操作、手動(dòng)操作、監(jiān)控和報(bào)警顯示等界面。登錄界面要求操作員登錄前輸入密碼；主操作界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、手/自動(dòng)切換等操作及實(shí)時(shí)溫度顯示等；監(jiān)控和故障顯示界面對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及故障狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

通過(guò)顯示畫面的設(shè)計(jì)，將可編程控制器的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、寄存器等元件的當(dāng)前值在畫面上顯示，同樣通過(guò)畫面制作，將系統(tǒng)及外圍信號(hào)的故障信息在觸摸屏上顯示。

2.地址設(shè)定與程序下裝

整個(gè)操作畫面設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)電腦傳送到觸摸屏，這樣就可通過(guò)觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控一些重要的數(shù)據(jù)，比如實(shí)時(shí)溫度、風(fēng)機(jī)狀態(tài)等，必須將溫度傳感器等設(shè)備所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)通訊電纜輸送到PLC控制器上，使數(shù)據(jù)能夠在觸摸屏上得以顯示。由于我們選用的PLC也是日本三菱公司的產(chǎn)品，所以觸摸屏與PLC的地址設(shè)定是一致的，硬件上只需要用一根內(nèi)置協(xié)議驅(qū)動(dòng)卡的電纜線連接二者的串行端口，就可以達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的目的。

四、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于觸摸屏和PLC的溫度控制系統(tǒng)能夠滿足控制要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚溫度的自動(dòng)控制；同時(shí)，使用PLC功能指令，能夠有效地減少程序設(shè)計(jì)時(shí)間、提高系統(tǒng)運(yùn)行和反應(yīng)速度，能夠有效地減少勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，降低能耗。

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