利用觸摸屏和PLC實現溫室大棚溫度自動控制

【摘 要】本文介紹了利用觸摸屏、PLC和模擬量輸入輸出模塊實現蔬菜大棚溫度控制系統的硬件結構，及使用PLC功能指令設計實現的基本原理，并給出了關鍵程序。系統設計結構簡單、可靠性高，通過擴展可以實現對多個蔬菜大棚實現溫度的自動控制。

【關鍵詞】PLC 觸摸屏 溫度控制

近年來，農業作為國家優先發展的產業，增加農民收入已成為我們國家的基本國策。因此，農業現代化越來越受到各級政府的重視。基于自動控制技術的溫室大棚，是農業現代化的重要標志。

PLC作為現代自動控制關鍵技術之一，具有功能強、速度快、可靠性高的特點，已廣泛應用在我國國民經濟的各個領域中。塑料大棚首先是為了提高溫度，延長植物生長期，擴大植物的種植范圍。白天使植物光合作用旺盛，制造大量氧氣，晚上植物通過呼吸作用再釋放二氧化碳。促進白天的光合作用。通過溫度傳感器采集溫度信息，利用PLC來控制冷、熱風機進而實現大棚內的溫度自動控制。

一、系統硬件組成

1.系統框圖

為實現對大棚溫度的自動控制，構建一個以PLC為核心的監控系統。系統由觸摸屏、PLC、模擬量輸入輸出模塊及溫度傳感器構成。溫度傳感器采集溫室大棚內的實時溫度，并通過模擬量輸入輸出模塊（A/D轉換器）將模擬量信號轉換成數字信號送入PLC中進行比較，PLC通過運算，根據比較結果驅動輸出繼電器完成對溫室大棚的溫度進行調節；而觸摸屏實時顯示溫度傳感器采集的溫度、設定溫度的上下限值及冷、熱風機的運行狀態、系統報警信息等實時狀態，并可以通過觸摸屏進行溫度上下限值的實時設置。系統框圖如下圖。

圖1 系統框圖

2.系統硬件選擇及設計

整個系統電路的總控制環節可以采用安裝方便的空氣斷路器，冷、熱風機采用三相異步交流電動機，并采用熱繼電器實現電動機的過載保護；溫度傳感器采用TS118，輸出4～20mA的電流模擬信號；A/D模塊則采用三菱的FXON-3A；觸摸屏選擇三菱公司生產的產品——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。

系統控制電路設計如下圖。

圖2 PLC控制電路圖

3.PLC輸入輸出I/O分配

根據確定的輸入/輸出點數，開關量輸入點4個，分別為啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2、電動機M1、M2過載保護FR1、FR2，對應在輸入繼電器分別為X0～X1；開關量輸出點6個，分別為電動機M1、M2的控制接觸器，對應的輸出繼電器為Y0、Y1，狀態指導燈HL1（低于18℃報警）、HL2（高于28℃報警）、HL3（正常狀態）、HL4（工作狀態指示），對應的輸出繼電器為Y4～Y7。

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

二、PLC功能指令的應用

根據系統的控制要求，可以將系統程序分為溫度檢測與轉換、溫度數值的變換、溫度數值的輸出比較和D/A轉換四部分。

1.溫度檢測與轉換程序設計

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到的數據，通過轉換，PLC將傳感器傳送的數值存放到寄存器D200單元中，當檢測并轉換的數值次數達到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用于計數（M132大于、M133等于、M134小于）；D110存入溫度平均值；D200為溫度的實時值。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.溫度數值的變換程序設計

溫度數值的變換可以根據如下公式進行編程：

Ax=Nx×（Amax-Amin）÷M+Amin

式中，Ax：計算結果；

Nx：測量值（A/D轉換器轉換后的數據）；

Amax：傳感器測量的最大值；

Amin：傳感器測量的最小值；

M：A/D轉換后數值的最大數。指令表如下：

LD M8000 MUL D110 K11 D120

DIV D120 K25 D122 SUB D122 K40 D124

3.溫度數值的輸出比較程序設計

X0、X1及過載保護X2、X3構成了本系統的控制程序。按下啟動按鈕SB1，M1自保持輸出；按下停止按鈕SB2或者電動機M1、M2過載，則M1停止輸出。

經過數值轉換后的溫度值存放在D124中，與參考值K18、K28（18℃與28℃）比較，當溫度小于18℃時，Y0和Y4輸出；當溫度在18℃與28℃之間時，Y5輸出；當溫度大于28℃時，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轉換程序設計

D/A轉換是將0～250的數值轉換成0～10V的電壓，是線性關系，所以需要輸出10V時，對應的PLC內的數據是250；需要輸出5V時，對應PLC內的數據是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

通過使用三菱FX系列PLC的MOV、CMP、ADD等功能指令，實現對溫度測量值的采集、比較、判斷、傳送，從而實現對系統溫度的實時調控，并實現了簡化控制程序的目的。

三、觸摸屏的組態編程

1.觸摸屏的界面設計

觸摸屏界面主要設計了登錄、主操作、手動操作、監控和報警顯示等界面。登錄界面要求操作員登錄前輸入密碼；主操作界面進行參數設置、手/自動切換等操作及實時溫度顯示等；監控和故障顯示界面對設備的運行參數及故障狀況進行實時顯示。

通過顯示畫面的設計，將可編程控制器的定時器、計數器、寄存器等元件的當前值在畫面上顯示，同樣通過畫面制作，將系統及外圍信號的故障信息在觸摸屏上顯示。

2.地址設定與程序下裝

整個操作畫面設計完成后，通過電腦傳送到觸摸屏，這樣就可通過觸摸屏對系統進行操作。為了實時監控一些重要的數據，比如實時溫度、風機狀態等，必須將溫度傳感器等設備所測得的數據通過通訊電纜輸送到PLC控制器上，使數據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品，所以觸摸屏與PLC的地址設定是一致的，硬件上只需要用一根內置協議驅動卡的電纜線連接二者的串行端口，就可以達到數據實時顯示的目的。

四、結束語

經過實驗驗證，基于觸摸屏和PLC的溫度控制系統能夠滿足控制要求，實現對溫室大棚溫度的自動控制；同時，使用PLC功能指令，能夠有效地減少程序設計時間、提高系統運行和反應速度，能夠有效地減少勞動者的勞動強度，提高勞動效率，降低能耗。

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