郭峰

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　陜西　西安　710014）

基于西門子S7-300系列PLC的溫濕度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)研究

郭峰

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710014）

溫濕度檢測(cè)儀在我國(guó)所擁有的類型與數(shù)量并不是很多，無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的需求，所以希望通過(guò)進(jìn)行溫濕度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)難度，增長(zhǎng)使用率與將其優(yōu)勢(shì)更好的展現(xiàn)給我國(guó)更多的企業(yè)。對(duì)此，本文針對(duì)基于西門子S7-300系列PLC溫濕度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究與探討，并詳細(xì)講述PLC技術(shù)的概念與優(yōu)勢(shì)和西門子S7-300系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，也包括PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與檢測(cè)儀的硬件組成等，借此完成溫濕度檢測(cè)儀的整體設(shè)計(jì)，同時(shí)，利用環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)工作，以供參考。

西門子S7-300系列PLC；濕度檢測(cè)儀；傳感器

溫濕度雙參數(shù)測(cè)試儀具有顯示現(xiàn)階段的水蒸氣的飽和度、溫度走向、濕度變化等功能。而溫度與濕度作為生活中的基礎(chǔ)，與我們生活與工作中的許多項(xiàng)目有著密切的關(guān)系，同時(shí)，溫濕度也作為工業(yè)生產(chǎn)中最為基礎(chǔ)而重要的工藝參數(shù)，包括機(jī)械、電子、能源、石油、化工等許多行業(yè)都需要針對(duì)溫度與濕度進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)與控制。伴隨我國(guó)居民生活水準(zhǔn)的快速提高，人們對(duì)自身的生活與工作環(huán)境越發(fā)重視，空氣中不斷變化的溫濕度也會(huì)直接影響到人們的感官體驗(yàn)與情緒變化，因此，對(duì)于溫度與濕度的檢測(cè)與控制就有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，溫濕度測(cè)試儀的出現(xiàn)就有了必要的需求。

1　S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與PLC的概念與特色

1.1S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電源、CPU與其他組成部分都屬于獨(dú)立的模塊［1］，可以利用U形總線將電源、CPU與其他組成部門緊密相連，并與西門子S7-300的標(biāo)準(zhǔn)軌道相融合。不同的模塊都擁有總線連接器，總線連接器通常位于不同模塊的背后［2］。其中，機(jī)架的左側(cè)通常用于安裝電源模塊，而CPU模塊則與電源模塊相連接，CPU的右測(cè)則可以用于安裝IM接口模塊，同時(shí)，也可只選用主架導(dǎo)軌而無(wú)需安裝擴(kuò)IM接口模塊。在S7編程軟件進(jìn)行組態(tài)主架導(dǎo)軌硬件過(guò)程中，電源、CPU與IM接口模塊則分別位于導(dǎo)軌的1之3號(hào)槽之中，而一條導(dǎo)軌共含有11個(gè)槽號(hào)［3］，在從1至11號(hào)槽之間，4至11號(hào)槽可用于快速安裝電源、CPU與其他部件或拆除，而1至3號(hào)槽則不允許隨意進(jìn)行安裝與拆除工序。

1.2PLC的概念與特色

PLC技術(shù)的概念核心作為一種可編程的控制器，可通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行新型工業(yè)各類設(shè)備與控制的裝置系統(tǒng)。PLC作為一項(xiàng)可用于多種環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作技術(shù)專用電子設(shè)備。其通過(guò)編制程序中含有的存儲(chǔ)器，用以開(kāi)展內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行工序［4］，并進(jìn)行邏輯運(yùn)算、計(jì)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)與計(jì)數(shù)等項(xiàng)目的操作指令，并可利用數(shù)字式與模擬式完成輸入與輸出，并針對(duì)各類型的設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。

PLC技術(shù)可集中于下述幾點(diǎn)鐘：第1點(diǎn)，具有較強(qiáng)的通用性、靈活性與多功能性，PLC技術(shù)是專為各種環(huán)境下的工業(yè)行業(yè)進(jìn)行設(shè)備等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)而應(yīng)運(yùn)而生的新技術(shù)［5］，具備很強(qiáng)的工業(yè)項(xiàng)目控制能力，并可利用選配相應(yīng)的控制模塊達(dá)到面對(duì)各種情況下工業(yè)控制系統(tǒng)的需求；第2點(diǎn)，具有很高的可靠性與抗干擾能力。為保障PLC可以在環(huán)境較為惡劣的工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行可靠而高效的工作［6］，在其設(shè)計(jì)之處并特意加強(qiáng)PLC技術(shù)的抗干擾能力，使其不易受到來(lái)自噪聲、電源波動(dòng)、電磁波與振動(dòng)等因素的影響；第3點(diǎn)，其具有模塊化結(jié)構(gòu)、安裝操作簡(jiǎn)便、測(cè)試操作難度較低等優(yōu)勢(shì)。在PLC的各部件中［7］，包含CPU、電源與I/O等模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)在于可快速將機(jī)架與電纜和各模塊相連接，使其在安裝與擴(kuò)展、維護(hù)之時(shí)更加快速而簡(jiǎn)便。

2　溫濕檢測(cè)儀傳感器的選型

2.1溫度傳感器

溫度傳感器需要符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求標(biāo)準(zhǔn)，而LM35型號(hào)溫度傳感器是眾多型號(hào)中性能最為符合要求的裝置。這種溫度傳感器利用溫度系數(shù)作為其溫敏元件［8-10］，而其中的芯片則使用差分對(duì)管等線性化為主要技術(shù)，基本滿足傳感器的線性化要求，也可有效提升溫度傳感器的精度性與熱敏電阻能力［11］，與過(guò)去的溫度傳感器相比，其具備線性化能力較好、精準(zhǔn)度高、校準(zhǔn)簡(jiǎn)便、外圍電路構(gòu)造單一等優(yōu)勢(shì)，非常適用于LIC系統(tǒng)中進(jìn)行溫度采集時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)量與收集。

2.2濕度傳感器

現(xiàn)階段，濕度傳感器使用的型號(hào)最為廣泛的是由美國(guó)公司所銷售的 HIH-3610型號(hào)傳感器、法國(guó)公司所銷售的HF3223型號(hào)傳感器與HM1500型號(hào)傳感器等3種型號(hào)的濕度傳感器［12-13］，其中，HM1500型號(hào)濕度傳感器所具備的優(yōu)勢(shì)相較于其他兩種型號(hào)更為明顯，因此本次設(shè)計(jì)采用HM1500型號(hào)濕度傳感器作為主要的部件［14-15］。

3　溫濕檢測(cè)儀的PLC設(shè)計(jì)

3.1溫濕度檢測(cè)儀的硬件電路接線圖

溫濕度檢測(cè)儀的硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，以西門子S7-300系列PLC作為其溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中，圖1為控制系統(tǒng)I/O外部接線圖。

圖1　控制系統(tǒng)I/O外部接線圖

3.2溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配

在溫濕度檢測(cè)儀進(jìn)行工作中，其控制系統(tǒng)共需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)量為4項(xiàng)輸入與8項(xiàng)輸出，其輸出與輸入點(diǎn)包含在CPU所設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，因此對(duì)在分析工作完成后進(jìn)行I/O點(diǎn)的分配工作。應(yīng)用于I/O點(diǎn)分配的PLC系統(tǒng)并不是單獨(dú)存在部件，而是是作為一項(xiàng)硬件模塊，左側(cè)為輸入模板，右側(cè)為輸出模板，而其中，輸出模板與繼電器線圈相連接，并利用繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行與交流接觸器線圈連接的工序。表1所示為I/O點(diǎn)分配。

表1　I/O點(diǎn)分配

3.3溫濕度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

選擇西門子S7-300系列的PLC作為本次設(shè)計(jì)的程序控制核心，選擇溫度、濕度傳感器作為溫濕度檢測(cè)儀系統(tǒng)的檢測(cè)裝置，選擇蜂鳴器與指示燈作為系統(tǒng)的報(bào)警裝置，系統(tǒng)輸出口連接空調(diào)裝置與加濕器。通過(guò)檢測(cè)裝置采集感知信號(hào)，獲取環(huán)境信息。通過(guò)PLC程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)及環(huán)境溫濕度控制，以輸出口連接的蜂鳴器與指示燈作為報(bào)警指示，以WINCC組態(tài)系統(tǒng)作為模擬現(xiàn)實(shí)溫濕度檢測(cè)儀的畫(huà)面控制器，從而形成完整的基于PLC程序控制的溫濕度檢測(cè)儀系統(tǒng)。

圖2　溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)工藝流程圖

溫濕度檢測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。當(dāng)按下開(kāi)始按鈕后，PLC程序開(kāi)始運(yùn)行。傳感器上電，可實(shí)行周圍環(huán)境的信息采集。本次設(shè)計(jì)中的溫度和濕度傳感器分別采集周圍環(huán)境的溫濕度，采集到的數(shù)據(jù)在WINCC監(jiān)控組態(tài)中顯示出來(lái)，并將溫濕度信號(hào)由I/O口輸入到PLC系統(tǒng)當(dāng)中。根據(jù)編號(hào)的程序?qū)貪穸刃盘?hào)進(jìn)行處理。首先判斷溫度與濕度是否正常，假設(shè)正常溫度范圍設(shè)置在 25～30℃，濕度設(shè)定為相對(duì)濕度35%，當(dāng)檢測(cè)的溫度信號(hào)處于25～30℃范圍內(nèi)、濕度為35%時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)不執(zhí)行操作，繼續(xù)執(zhí)行傳感器檢測(cè)信號(hào)，收集周圍環(huán)境溫濕度信息。當(dāng)溫度檢測(cè)值超出30℃或者低于25℃時(shí)，溫度檢測(cè)程序動(dòng)作，發(fā)出高溫報(bào)警信號(hào)或低溫報(bào)警信號(hào)，對(duì)應(yīng)的指示燈亮起，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)空調(diào)設(shè)備，給予空調(diào)對(duì)應(yīng)的降溫或者升溫信號(hào)指令，通過(guò)空調(diào)控制溫度變化，恢復(fù)正常溫度范圍。當(dāng)濕度低于或者高于35%時(shí)，程序控制動(dòng)作執(zhí)行與溫度控制類似，濕度高指示燈或濕度低指示亮起，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)加濕器，根據(jù)信號(hào)指令調(diào)節(jié)環(huán)境濕度。當(dāng)溫濕度傳感器再次檢測(cè)到周圍溫濕度恢復(fù)到正常范圍后，停止輸出指令，報(bào)警信號(hào)熄滅，蜂鳴器停止報(bào)警，空調(diào)設(shè)備和加濕器停止工作。若檢測(cè)的恢復(fù)信號(hào)未達(dá)到正常值，系統(tǒng)自動(dòng)繼續(xù)執(zhí)行輸出動(dòng)作，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，調(diào)節(jié)溫濕度。全部過(guò)程通過(guò)WINCC組態(tài)顯示，便于人為干預(yù)。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)文中內(nèi)容的分析，可有效降低我國(guó)基于西門子S7-300系列PLC的溫濕度檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)難度，同時(shí)，這類儀器在我國(guó)相關(guān)類型較少，需求量較高，具有廣闊的市場(chǎng)前景與發(fā)展?jié)摿?。本文通過(guò)分析與探索基于PLC系統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到直接控制其效果與功能上可說(shuō)明西門子S7-300系列PLC具有較高的控制性與穩(wěn)定性，且擁有配置方案較多，編程操作簡(jiǎn)單，便于維修等優(yōu)勢(shì)存在，而且可根據(jù)不同情況改變當(dāng)前工藝要求，十分適用于新設(shè)備的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。

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Temperatureand hum idity detector based on SiemensS7-300 seriesPLC design research

GUO Feng
（Xi'an Railway Vocational and Technical College，Xi'an 710014，China）

The temperature and humidity detector type and quantity in our country have notmany，unable tomeet the growing domestic demand，so I hope through the design of the temperature and humidity detector，decrease the difficulty of developmentgrowth utilization and its advantages better showmore andmore enterprises in our country.To this，this paper is based on Siemens S7-300 series PLC study and discusses the design of the temperature and humidity detector，and the conceptand advantage of PLC technology in detailand Siemens S7-300 system structure，including hardware composition of PLC system design and detector，etc.，to complete the overalldesign of the temperature and humidity detector of，at the same time，the use ofenvironmental temperature and humidity foractual testingwork，foryour reference.

Siemens S7-300 series PLC；humidity detector；the sensor

TN99

A

1674-6236（2016）19-0038-03

2016-03-03稿件編號(hào)：201603033

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題（XTZY13G04）

郭 峰（1979—），男，陜西銅川人，講師。研究方向：機(jī)電一體化、數(shù)控技術(shù)。