1、3、按系统的控制要求，设计系统的梯形图；4、上机调试、完善程序；5、按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在 4000 字以上。技术参数：（1） 土壤湿度测点数量：6 处（2） 测湿精度：3RH；（3） 显示时间：秒级进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2 天）2、确定系统的输入/输出信号和类型，选择 PLC 主机和扩展模块，选择传感器型号。（1 天）3、建立 I/O 分配表，完成 PLC 与输入输出信号的外部接线。4、按系统的控制要求，设计系统的梯形图。（3 天）5、上机调试、修改程序、答辩。6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时：
2、 论文质量： 答辩：总成绩： 指导教师签字： 年月日III注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算摘 要本设计通过使用西门子S7-200可编程逻辑器件PLC通过模块扩展等手段，设计实现了一个具有自动功能和手动功能的冲水系统，采用模拟量湿度采集传感器JWSL-3AT传来的湿度信息，通过把经标度变换后的采集数值与设定值的比较， 最终实现在不同湿度下对电磁阀开度时间长短的控制，达到了自动和手动控制的目的。手动控制的意义是在自动控制失效后能有效控制生产线运作部中断；自动控制的意义在于控制精准、快速、节省人力，在高举节能减排旗帜的发展环境下为可持续发展做出一部分贡献，可以作为一系列节能产
3、品的参考和典范。在未来节能节水领域具有很广泛的应用和发展价值，迎合发展趋势。关键词： PLC；湿度传感器；智能控制技术；土壤湿度检测目 录第 1 章 绪论1第 2 章 系统分析22.1 系统功能分析22.2 农作物的水分需要2第 3 章 器件选型33.1 传感器介绍33.2 CPU 选择及扩展模块 EM23133.3 电磁阀的选型43.4 LED 数码管器件选型5第 4 章 程序设计64.1 I/O 分配64.2 外部接线图74.3 梯形图程序7第 5 章 系统调试12第 6 章 课程设计总结14参考文献15第 1 章 绪论PLC 的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新
4、技术的发展息息相关，正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。从控制来看，可编程控制器的发展大致经历了 4 个阶段： 1、初级阶段：第一台 PLC 问世到 20 世纪 70 年代中期由于第一代 PLC 是为了取代继电器，因此主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。CPU 由中小规模说数字集成电路构成主要产品有：MODICON 公司的084，AB 公司的 PDQ-IL，DEC 公司的 PDP-14，日立公司的 SCY-022 等第一阶段采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但形成了工厂的编程标准。2、扩展阶段:从 20 世纪 70 年代中期到 70 年代末期这一阶段 PLC 产品的控制功
5、能得到很大发展。扩展功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。3、通信阶段：20 世纪 70 年代末期到 80 年代中期这一阶段产品与计算机通信的发展有关，形成了分布式通信网络。但是，由 于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。由于在很短的时间内，PLC 就已经从汽车行业迅速发展到其他行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工等行业。其次，产品功能也得到很大的发展。其次，产品功能也得到很 大的发展。同时，可靠性进一步提高。4、开放阶段：从 20 世纪 80 年代中期开始由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型 OSI，使 PLC 在开放功能上有较大发展。主要
6、表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以通信， 通信协议开始标准化，使用户得益。此外，PLC 开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。这一阶段的产品有西门子公司的 S7 系列等。15第 2 章 系统分析2.1 系统功能分析现实生活中很多农作物温度、湿度和光照需要保持在一个既定值，超出或者低于这个预定值将对农作物的生长产生影响，该系统需要用 PLC 测控系统来实现农作物生长环境因子信息进行数据的实时采集和处理，而后输出控制执行机构， 以实现环境湿度的测控，达到节水节能，省时省工的效果：1、实现按需灌溉功能。按照农作物的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。具
7、有简单，操作方便的优点。2、通过土壤湿度传感器检测农作物的环境湿度，依据假定的植物要求的湿度的上下限值，由 PLC 来控制灌溉的开关，从而调节湿度，当土壤湿度高于上限值自动关闭灌溉开关，或手动关闭。2.2 农作物的水分需要根据不同农作物对水分的需求量的不同，土壤湿度的不同，求出水分偏差值， 再根据农民的经验，不同作物的水分偏差对应的电磁阀开的时间设计表格。表 2-1 不同作物的水分偏差对应的电磁阀开的时间设计表格农作物水分偏差开关时间玉米10%30s20%60s30%90s水稻15%120s180s黄瓜40%第 3 章 器件选型3.1 传感器介绍土壤湿度传感器又名土壤水分传感器，主要用来测量土
8、壤的容积含水量，做土壤的水分检测及农业灌溉和林业防护，目前常用的土壤湿度传感器有 FDR 型和TDR 型。目前最流行的是 FDR 型FDR 型频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理， 根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤容积的含水量，FDR 具有简便安全，快速准确，定点连续，自动化，宽量程，少标定等优点，是一种值得推荐的土壤水分测量仪器。选用传感器为 JWSL-3AT。稳定时间：通电约 10s响应时间：0.5s 内对 99%的变化有响应工作电压：DC 2030V.工作电流：20MA 左量，FDR 具有简便安全，快速准确，定点连续，自动化， 宽量程
9、，少标定等优点，是一种值得推荐的土壤水分测量仪器。测量参数：土壤容积含水量测量精度： 2%量程： 0 100%输出信号；DC420mA 电流信号3.2 CPU 选择及扩展模块 EM231CPU：1、 CPU224 的供电电压为直流 24V 和交流 220V 供电电源2、 输出方式有两种，包括晶体管输出方式和继电器输出方式3、 集成电源：主机集成有 24V 直流电源，可以直接用于传感器和执行机构供电4、 高速脉冲计数。可累计从普通输入端子输入的高速脉冲，其高速脉冲的频率可以比 CPU 扫描频率高很多，输入脉冲频率可达 200KHz。5、 CPU224 的输入输出 I/O 为 14/10。扩展：当
10、 CPU 的 I/O 点数不够或者需要进行特殊功能的控制时，就要进行系统扩展。系统扩展包括 I/O 点数的扩展和功能扩展。S7-200 系统最多可扩展 7 个模块，不 同 CPU 可连接的扩展模块数量不同，这些主要受到 CPU 功能的限制。PLC 输入为数字量，输出为模拟量，将输入的模拟量湿度转换为电流信号420mA，再转换为数字量 640032000 传给 PLC。根据要求，需要控制 12 个电磁阀，湿度或时间需要两位显示，但可以省略小数点 h 段，因此每个数码管需要 7 个输出口控制，两个即需要 14 个输出口。报警灯一个，开启指示灯一个，因此 PLC 外部需要扩展 18 位，需要一个 E
11、M223 和 EM222 即可。由于有 6 处湿度检测点，每处监测点的输入数据是模拟量，因此需要扩展 6个模拟量输入口，即需要扩展两个 EM231 模块。EM231 （AI4）CPU224（DI14/DO10）EM222 （DO4）EM223 （DO16）图 2.1系统模块扩展图3.3 电磁阀的选型电磁阀是用来控制液体的方向的自动化基础元件，属于执行器；通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。电磁阀常与空气过滤器 ，回信器连接叫气动三联件。本系统的电磁阀主要用于农业用水，可以选用电磁阀 DP-10，下表为 DP-10的介绍：表 3-2电磁阀 DP-10型号
12、DP-10适用流体空气、蒸汽、水、其它非危害性流体适用压力0.051.0Pa（0.510Kgf/cmG）最低动作压差0.05MPa（0.5Kgf/cm最高温度180电压规格AC100/200V 结线方法选择形 50/60Hz AC110/220V 结线方法选择形 50/60Hz AC120/240V 结线方法选择形 50/60Hz动作方式通电开动形连接方式JIS Rc（PT）螺丝材料阀箱青铜活塞不锈钢阀体氯化乙烯树脂3.4 LED 数码管器件选型选择 LG5011Ah 共阴极数码管，驱动电流 20mA，采用动态点亮方式，驱动电路采用 PLC 内部驱动。第 4 章 程序设计4.1 I/O 分配I
13、/O 点的扩展和编址：S7-200PLC 有一定数量的本机 I/O，本机 I/O 有固定的地址，可用扩展模块来增加 I/O 点数，扩展模块接法有两种：水平连接时主机在最左边，垂直连接时主机在最下边。其 I/O 点的地址由模块的类型和该模块链中所处的位置决定。编址方法是同种类型输入或输出的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。I/O 分配见表 4-1。表 4-1 I/O 分配变量I/O 分配S1S8I0.0I0.7阀 9阀 10Q3.0Q3.1S9S12I1.0I1.3阀 11阀 12Q4.0Q4.1开启/结束按钮I1.4湿度检测处 1AIW0手/
14、自动切换按钮I1.5湿度检测处 2AIW2十位数码管 a 段g 段Q0.0Q0.6湿度检测处 3AIW4个位数码管 a 段g 段Q1.0Q1.6湿度检测处 4AIW6报警指示灯Q0.7湿度检测处 5AIW8开启指示灯Q1.7湿度检测处 6AIW10阀 1阀 8Q2.02.7假设为玉米种植地，有偏差出现则打开两个电磁阀，根据偏差不同，设定电磁阀的打开时间，假设满量程湿度为 500，即 100%，一般湿度在 60%70%之间为宜，故湿度在 300350 是为合适。JWSL-3AT4.2 外部接线图指指指1指2指3指4指5指6指7指8指9指1024Vabcdefg24V Q2.0Q2.1Q2.2Q2
15、.3Q2.4Q2.5Q2.6Q2.7Q3.0Q3.11L2L3LL+Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6Q1.71L2L3LL+CPU224I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.41M2MML+EM223ML+s1s2s3s4s5s6s7s8s9s10s11s12s13指11指12AIW0AIW2AIW4AIW6AIW8AIW101LL+EM231Q4.0Q4.1EM222GND图 4.1PLC 外部接线图4.3 梯形图程序程序 1；湿度显示程序
16、2：倒计时显示程序 3：手动程序 4：自动程序 5：定时中断初始化程序 6：冲水时间选择程序第 5 章 系统调试测试时首先进行 PLC 与计算机的通信连接测试，连接方法为点击编程环境下的“communication”按钮，选择 PLC 地址即可。然后将实现写好的程序输入到编程环境中，检查无误后调整程序格式，下载到 PLC 中，下载时保证 PLC 处于 STOP 模式下。随后将线连好，注意 L 和 M 不能直接连在一起。数码管和按键区域使用前必须加电压，即把该区域内的 L+和PLC 的 L+连接，M 与 PLC 的 M 相连。最后是调试程序，各个模块可以分别严重，最后再组合验证。经修改无误后进行
17、记录。测试过程中首先测试了数码管的倒计时的显示功能，将时基中断设置好后的数据送入显示，如图 5.1 所示图 5.1 调试现场图片图 5.2 调试现场图片图 5.3 调试现场图片第 6 章 课程设计总结本设计通过使用可编程逻辑器件 PLC 设计实现了一个具有自动功能和手动功能的冲水系统，采用模拟量采集传感器传来的湿度信息，通过标度变换和数字变换，将采集转换后的数据与设定值进行比较，最终实现的对水阀的控制。在实验模拟过程中，存在一定局限性，因为无法模拟实际现场中的情况和环境，只能用LED 发光二极管代替水阀的动作，因此没有完全测试出预想的结果。在模拟过程中初步实现了预计功能，验证了本系统方案的可行
18、性，可以在生产生活中得以应用，并且对比与手动控制，自动控制和智能化的控制已经成为今后生产中的一个趋势，其具有操作灵活、精准、节省人力的特点，对于提高生产效率具有一定的优势。在当今水资源严重短缺的大环境下，节约用水、重复利用水资源已经成为全球性生产的关键环节，因此该系统在节能减排中具有一定的使用价值和意义，也为今后类似的节水系统提供参考和佐证。利用 PLC 作为该系统的控制核心，充分发挥了 PLC 抗干扰能力强、I/O 点数多、模块可扩展等特点，对比于单片机具有很强大的优势和使用空间。在今后可以基于本系统继续发展功能更加强大的节水系统，不光可以检测控制湿度，更可以检测温湿度，也可以应用于蔬菜大棚
19、的节水控温系统中。具有应用范围之广、发展前景之深远的特点。参考文献1 梅丽凤，郑海英.电气控制与 PLC 应用技术.机械工业出版社，2011 年:246-2552 王永华.现代电气控制及 PLC 应用技术.北京航空航天大学出版社，2011,年:300-3113 西门子官方网站，4 电控学习网，5 Programming with STEP 7 M.德国.西门子自动化集团.20066 梁绵鑫.WinCC 基础及应用开发指南M.北京：机械工业出版社M.20097 崔坚. 西门子工业网络通信指南.北京.机械工业出版社M.20058 洪大起.关于引进国外大型温室设施的探讨J.农村机械化，1998（4）:7-8.9 刘锴，周海，深入浅出西门子 S7-300 PLC M. 北京航空航天大学出版社:2005（8）:153-17410 滕光辉.分布式网络控制技术在温室中的应用J.温室园艺,2003（11）:24-25.11 李莉，张彦娥等.现代通信技术在温室中的应用J.农业机械学报,2007,38（2）:195-200.
