基于plc小型气象站设计毕业设计(编辑修改稿)

基于plc小型气象站设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

选型 传感器的选型 传感器是本设计最重要的部件之一，它的选取对于整个系统而言，非常重要。 随着计算机技术、电子技术和分子合成技术的发展，传感器正向集成化、智能化、网络化、系统化的方向飞速发展，使其性能、可靠性及稳定性得到了显著的提高 [6]。 现在生产传感器的公司很多，所研制的传感器类型也很多 ，但其性能差异不是太大。 由于本设计中传感器需要安装在室外的环境中，所以我们选择的传感器对环境中各种恶劣条件都要有一个很好的适应性，要能够抵抗 腐蚀和高温日晒以及低温考验。 要能够适应各种天气状况，所以对于传感器的耐久性要求就应该放在首位考虑。 因此 本设计在选择传感器上掌握的基本原则是稳定性好，价格低廉，使用方便。 大气压力传感器 我们首先对大气压力传感器进行选型。 我们首先应该了解下气压是怎么计量的。 在国际上，气压就是单位面积上的具体气压值，单位面积上的垂直 向上延伸的气压 柱的分量。 而气压的单位用 hPa 分度 表示。 一般认为 ，760mmHg=。 我设计的气象站采用的是瑞士原装芯片封装的LCQA1 型大气压力传感器 ,误差小，受温度的影响小 ,具备高精度﹑高灵敏度的特征。 可 用于测量大气压力和海拔高度 是 它的基本功能。 传感器是 将所测量到的外部空气中的大气压通过一系列转换变为电压组信 号 ，然 后 经过 放 大电 路 将电 压 信号 转 换 成能 使 用的 电 信号 即4~20mA/1~5VDC 的信号。 它的分辨率比较高为 ，它的工作温度能够符合设计要求为 40~+85℃ ，它的输出形式为 电流： 4~20mA。 电压：1~5VDC，丈量规模为 450~1100hP。 我们采用的大气压力传感器完全能够胜任小型气象站的监测要求，不论它的精度还是对于环境的要求都是符合洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 要求的。 风速 传感器 我们第二个要介绍的是风速传感器，我所设计的小型气象站不仅能够监测大气压力而且还能够监测外部环境的风速，我们将风速等级分为 10个等级，这样可以更好、 一目了然 的 对风速有一个明确的了解。 本设计采用 的是由 武汉新惠普科技有限公司提供的 PHWS/WD 风速风向传感器。 风速传感器采用 的材质为碳纤维材料，这种材料强度好能够适应恶劣的外部环境；而且精度高能够更 精确的将所监测到的风速进行细化，对风速等级进行更精确的显示；而且他的量程也大，并且具有抗雷击能力稳定可靠，完全可以应用到气象观测上来，也完全符合本设计的要求。 风速传感器 他是通过一个叫三杯的结构元件对空气中的风力进行感应，并作出判断，当风杯因为风力的作用而旋转时，他通过旋转产生了电流然后输出信号，当内部感应到频率信号以后可以向外输出电阻信号，从而得知目前的风速有多大，就完成风速传感器的任务。 由于传感器所处的环境，所以 首先我们要考虑的是能否在恶劣的环境中使用，因此本设计所采用的传感器一定要能够适应严酷的环境 ，它能够在温度为 60℃ ～ 50℃ 和湿度为 0～ 100%RH 的范围内工作，然后我们对它的测量范围也有要求为 0~70m/s；它的输出是 5V 方波、 4～ 20mA 完全符合本设计的要求。 温湿度传感器 我们最后要介绍的是温湿度传感器，它集温度传感器和湿度传感器为一体，不仅能够监测温度而且还能够对空气中的湿度进行测量。 还能够对湿度进行监测。 本设计选用 的是由 北京赛亿科技有限公司生产的 STH 系列的 温湿度 传感器 ，这种传感器是温湿一体的，它体积小，安装方便而且使用与比较恶劣的环境，符合本设计要求。 它对温度的测量范围 是 40～ 70℃ ，对湿度的测量范围是 0～ 100%RH，由于本设计所采用的是 S7200，所以洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 它的输出信号为 4～ 20mA、 0～ 10V。 它的精度也不错，误差仅为177。 3%。 PLC 的选型 小型气象站控制系统的控制核心是 PLC，在创建一个 PLC 控制系统时，有哪些信号要输入至 PLC， PLC 需要驱动哪些负载，以及采用何种编程方式，都会对其内部 I/O 点数的分配造成影响，必须首先把系统需要的输入和输出数量确定下来，然后按照所需确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。 如今生产 PLC 的公司多种多样 ，有松下 FP1 系列 PLC、三菱 FX2N 系列 PLC 产品以及西门子 S7200 系列 PLC 等等。 本设计采用有西门子公司生产的 SIMATIC S7200 系列 PLC。 S7200 的应用比较广泛，可扩展模块也比较多，适合多种多样的控制系统选择 ，本设计简单对 SIMATIC S7200系列产品进行一个结构分析。 综合上述情况考虑开关量输入输出的数量，模拟量输入，选用型号为 CPU222，这种 PLC 不仅小型、紧凑，在 CUP中还配有 EEPROM，可永久性的储存用户程序和其他重要的系统参数；它还有大容量的电容器，可供长时间存储 所有的数据。 PLC 的 I/O 点分析 在整个 PLC 外部硬件接线图中，包括数字量、模拟量的输入接线和 数字量输出接线三个部分。 （ 1）数字量输入 数字量输入点有 2 个分别为 和。 和 均为关闭按钮，当系统检测到大气环境不适宜人的生活，蜂鸣器就会发出警报。 例如：当气象站检测出目前的温度有可能会对人体造成危害，温度检测相对于的蜂鸣器就会发出警报，让工作人员提前知道并作出相应的防范措施。 而当工作人员得知这一情况后，就会按下 和 关闭警报和蜂鸣器。 （ 2）模拟量的输入 模拟量的输入通过 PLC 的扩展模块得到实现。 模拟量的输入点有 4 个洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 分别为 AI0、 AI AI2 和 AI3。 其中 AI0 是大气压力传感器接收到空气中的数据 通过变送器转换成 420mA 的电信号接入到模块 EM231 中；同理AI AI AI3 均是通过相应的传感器将空气中接收到的相对湿度、风速风向和室外温度以电信号的模式接入到模块 EM231 中。 通过编制程序可以直接从模拟量转换 EM231 中的变量寄存器中读取数据。 （ 3）数字量输出 数字量输出包括。 它们分别为 是大气压力 报警蜂鸣器， 是湿度报警 蜂鸣器， 是风速报警蜂鸣器， 是温度报警蜂鸣器， 是舒适指示灯， 是警告指示灯。 当压力、湿度、风速和温度某一项超过一定数值时，系统会做出相应的报警，给工作人员以提醒。 系统还会通过当日温度湿度情况做出判断今日是否为舒适一天。 PLC 扩展模块的选型 因为 PLC 选用的是 SIMATIC S7200，所以本设计选用的 CPU 本体是CPU222，它采用 AC100/240V 电源， DC24V 输入。 它是接收模拟 量输入模块所监测到的数据并储存到内部寄存器里面，并且还能做出相应的反应。 模拟量输入模块是 EM231，它是 4 通道 DC10~10V/0~20mA 输入， 12为 A/D 转换。 它是接收由外部传感器所采集到的数据并传送到 CPU 中。 最后一个扩展模块是以太网模块，我们选用的是 CP2431，它的接口类型是 RJ45，通信频率是 10/100Mbit/s，最大同时通信数量为 8 个。 它是将 CPU 的内部寄存器所储存的数据通过以太网传送到计算机里面。 表 31PLC 配置 主机 6ES7 2121BB230XB8 数字量输出 扩展模块 6GK7 2431EX000XE0 模拟量输入扩展模块 6ES7 2310HC220XA0 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 表 32 输入输出分配表 输入点地址 内容 输出点地址 内容 关闭蜂鸣器 大气压力报警 关闭警报 湿度报警 AI0 大气压力输入 风速报警 AI1 相对湿度输入 温度报警 AI2 风速风向输入 舒适度指示灯 AI3 室外温度输入 警告指示灯 设备清单 表 33 设备清单 序号 名称 用途 订货号 数量 核计 总计 01 CPU222 处理和存储数据，并作出反应 6ES7 2121BB230XB0 1 1 1 02 EM231模拟量输入模块 将传感器信号传送到CPU 中 6ES7 2310HC220XA0 1 1 1 03 CP 2431以太网模块 将 CPU中存储的数据传输到计算机中 6GK7 2431EX000XE0 1 1 1 04 自锁型 常开 开 XA2EH031 2 2 2 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 平头按钮 关，用于关闭警报 05 蜂鸣器 根据CPU 的指令发出警报 XB2BSBC 4 4 4 06 指示灯 黄、绿各一个 ，显示舒适度 XB7EVB5LC 1,1 2 2 07 温湿度传感器 测量温湿度 STHTDRHT2OAP2S0 1 1 1 08 风速风向传感器 测量风速风向 PHWS 1 1 1 09 大气压力传感器 测量大气压力 LCQA1 1 1 1 14 PLC 的 I/O 接线图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 P L CC P U 2 2 2附 加 模 块E M 2 3 12 4 V D C传 感 器电 源 输 出2 2 0 VA C 电 源大 气 压 力 蜂 鸣 器湿 度 蜂 鸣 器风 速 蜂 鸣 器温 度 蜂 鸣 器舒 适 度 指 示 灯警 告 指 示 灯2 4 V D C2 4 V D C2 4 V D C大 气 压 力 传 感 器湿 度 传 感 器温 度 传 感 器风 速 传 感 器S 1S 21 M2 M3 ML +LL0 . 00 . 11 . 01 . 11 . 21 . 30 . 00 . 10 . 20 . 30 . 40 . 5 图 31 PLC 的 I/O 接线图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 第 4 章 软件设计 主 程序流程图 图 41 主程序流程图 N 无故障 N N Ｙ 接通电源 PLC 自检 启动 数据读取 关闭监控 模拟量计算 大于警报值 模拟量 传送数据到上位机 报警输出 Y Y 取消警报。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 程序 梯形图 主程序 洛阳理工学院毕业设计（论文） 18 当接通电源以后， PLC 开始 工作，主程序依次开始调用子程序，如压力处理、湿度处理、风速处理、 温度处理 和舒适度判断 ，当压力处理相应的子程序完成工作以后依次湿度的信息采集和计算及输出随即开始工作，同理风速处理和温度处理随后进行， 然后根据当前的空气指数做出舒适度的判断。 按照这个循环一直进行下去，数据不断的采集和处理以及存储和做出反应，循环往复。 由于小型气象站的自身特点，我们视为接通电源气象站就开始工作，进行数据采集和处理，所以电源始终接通。 压力处理 洛阳理工学院毕业设计（论文） 19 这一段程序是将模拟 量通道 AIW0 的数据通过 I_DI 指令转换为双整型数据，并存放在 AC0 中，然后将 AC0 中所存储的数据使用 DI_R 转换为浮点数，因为西门子不允许整型数据直接转换为浮点数，所以这样做是为了提升计算精度。 所以压力处理首先要经过这 2 步的转换。 在计算的过程中为了保持各个数据的独立型，所以在计算运行的时候我们暂时关闭监控。 将 AC06400，因为 4~20mA 的采集在西门子 200 系列中是通过坐标移动进行的，也就是因为对于 0~20mA 来说，西门子 S7200 的采集数据在0~32020，也就是说每 mA 对应的数据为 32020/20=1600，那么 4~20mA 就是对应于采集的数据 6400~32020，因此要将输入值减 6400 来完成坐标的移动。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 20 然后经过除以（ DIV_R） 25600 来得到输入值占用整个输入范围的百分比， 320206400=25600，因此 25600 就是 4~20mA 对应的输入范围。 因为我们设计的小型气象站要求能够测量出 0~1300hPa 的压力值，所以 网络5 就是将网络 4 得到的每份 的值乘以（ MUL_R） 1300 就得了 0~1300hPa的数据。 网络 5 得。