基于PLC小型气象站设计毕业设计.docx

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基于PLC小型气象站设计毕业设计

基于PLC小型气象站设计（毕业设计）

基于PLC小型气象站设计

摘要

本论文着重介绍了以西门子公司生产的S7-200系列的PLC为主要控制元件，实现对外部环境的风速、大气压、温度和湿度进行实时监测和显示，以及当某项或多项空气指数超出设定的范围时系统会作出报警以警示人们当前环境对人某方面的危害；当这四种空气指数都符合舒适度的设定时，系统会输出显示为舒适。

以上这些功能都是我们通过对PLC的编程实现的。

本设计采用多种传感器，包括温湿度传感器、风速传感器以及大气压力传感器。

这些传感器具有反应速度快、测量精度高、耗能低、自身功能强大和价格低廉等优点。

当外部传感器监测到外部环境所对应的空气指数后通过变送器将电阻电流信号转换成标准模拟信号输入到模拟量输入扩展模块，然后输入模块通过计算和处理这些数据传输到CPU中，并储存在内部寄存器中；最后系统通过以太网模块的传输将测得的温湿度、风速和大气压传到上位机得到显示，当数值超过限定范围时会做出相应的报警。

本设计的小型气象站的测量精度非常高，实时性也比较高，所以完全可以应用到日常生活中去。

关键词：

PLC，编程，传感器，显示

BasedonPLCsmallstationdesign

ABSTRACT

ThispaperintroducestheSiemensS7-200seriesPLCasthemaincontrolcomponents,realizetheexternalenvironmentofwindspeed,atmosphericpressure,temperatureandhumidityforreal-timemonitoringanddisplay,andwhenoneormoreoftheairindexwasbeyondthescopeofsettingthesystemwillalarmtowarnpeopleaboutthedangersofthecurrentenvironmentofacertainaspect;Whenthefourairindexmeetthecomfortsetting,systemwilldisplaytheoutputforcomfort.ThesefunctionsarebasedonPLCprogramming.

ThisdesignUSESavarietyofsensors,includingtemperatureandhumidity,windspeedsensor,andtheatmosphericpressuresensor.Thesesensorshavereactionspeed,highprecision,lowconsumption,anditspowerfulfunctionsandthepriceislowwaitforanadvantage.Whenanexternalsensorstodetecttheexternalenvironmentoftheairindexafterthroughthetransmitterconvertsresistancecurrentsignalintostandardextensionmoduleanalogsignalinputtotheanaloginput,andtheninputmodulethroughcalculationandprocessingthesedatatotheCPU,andstoredintheinternalregister.FinallysystemthroughEthernetmoduleoftransmissionofthemeasuredtemperatureandhumidity,windspeedandatmosphericpressureisdisplayedtotheuppermachine,makesthecorrespondingalarmwhennumericalexceedsthelimits.Thedesignofsmallstationshashighmeasurementprecision,andhasahighrealtimecapability,soitcanbeappliedtodailylife.

KEYWORDS:

PLC，Programming，Thesensor，Display

目　录

前　言

大气是人类赖以生存的环境之一，但是由于工业化的推进，我们大部分城市的大气已经受到了不容忽视的污染[1]。

而大气污染同时也给人们的日常出行和日常工作造成了不同程度的干扰，因此我设计了一款小型气象站，本设计的气象站可以实时、准确的监测大气中温湿度、风向和大气压等指数。

它不仅可以监测到具体数据，还能够根据所检测到的具体数据做出相应的输出反应。

比如当温度远超过系统所设定的舒适值时，系统的温度报警器就会做出反应，相对于的温度蜂鸣器就会发出警报，提醒人们当前室外温度对人体可能造成危害。

从20世纪40年代以来，许多国家都开始对自动化气象站进行了研究和论证。

过了10年到了50年代中期，电子工业的飞速发展，不少国家开始出现了各种类型的气象观测站。

到了60年代中期，气象观测技术又得到了一步提高，这次是观测精度得到了提高，运行可靠性上面得到了加强。

随后的几十年，不论是在监测精度上还是在数据传输可靠性行上等问题都得到很大的提高。

我国是在20世纪50年代后期开始对自动气象观测站开始了研究，至今已经有50多年的历史了。

自动气象站已经在我国运行很多年了，在这期间气象工作者不断的积累经验，在错误中成长，如今我国的自动气象技术也在逐步和世界最先进技术拉近距离，缩短差距。

我们存在的问题也不少，比如大部分都采用集中结构，由于数据采集器的生产厂家不同，各个厂家的生产标准不一样，这就给气象站的维修和维护带了很大的困扰；我国的自动气象站主要还是采用进口的产品，由于技术和工艺的原因，很多产品不能直接进行升级，这就造成了很大的浪费。

由于目前的环境变幻莫测、愈发的恶劣，因此本设计的小型气象站要解决的问题第一是可以监测户外的恶劣环境，第二是将监测到的数据通过计算和系统的分析，PLC控制输出这些数据和当环境影响到户外的一些活动时发出一些警报提醒人们注意防范，为人们的户外工作提供安全上的保障。

第1章概述

1.1本课题研究的意义

随着工业的发展，我们所生活的环境也发生了很大的变化，空气质量越来越差，各种极端气候也层出不穷，因此我设计了一款小型气象站，它可以通过对空气的监控而给人们提供一些实时环境回馈。

自20世纪40年代以来，许多国家都开始对地面气象观测自动化进行了许多研究。

发展到如今，所研究的小型气象站可以应用到各个领域，例如：

现代化农业生产、电力监测、交通、大气监测、通信、科研等领域。

并且在这些领域都有了长足的发展，给人们提供了更加舒适和安全的生活环境。

在气象站建设、农林气象监测、生态环境监测、温室控制、公路铁路运营及地质灾害监测等多种领域提供了可靠的保证，使其在恶劣的环境条件下也能稳定工作。

尤其是在某些高科技行业，例如能源行业，为产品提供了有力的支撑，起着举足轻重的作用。

小型气象站的应用不仅可以检测多种影响电力运输的量值，保证电力的正常、安全运输，避免事故的发生，保持经济的平稳提高，促使相关产业的优化，进而对国民经济产生良好的促进和提高。

气象参数自动采集系统具备以自动收集温度、湿度、风速、光照等气象数据的特点。

其最大优点是能够快速有效的监测到实时天气，可以提供更加准确的天气数据。

同时，小型气象站所监测到的天气数据比人工观测的误差更小。

小型气象站采用220V交流电供电，通过各种各样的传感器对所检测的区域的温湿度、风速、大气压力等进行全方位监测，然后将所监测和处理过的数据通过以太网传输到计算机。

最后人们通过计算机上的数据可以做出气象判断，为防灾做出预警，并保证人们的安全。

在电力运输方面，可以很好的确保输电线路各段的安全运输。

气象站的建立，可以很好的预测出天气状况，并能够通过对天气状况的监测做出防灾预警，可以有效的减少气象灾害对人们生命和财产的损害，使人们的生活质量得到保障，出行和生活更加美好。

本设计是基于西门子S7-200系列PLC为主要控制元件而进行设计的，可编程控制器（PLC）是综合计算机技术、自动控制技术的一种通用的、新型的自动控制装置。

它具有可靠性高、功能强、使用灵活方便，易于编程和适应工业环境下应用等一系列优点。

最近几年的工业自动化、机电一体化、传统产业技术等方面应用越来越广，成为现代工业控制的三大支柱产业之一。

PLC的终极目标是用于实践、提高生产力。

如今，PLC应用在许多行业和设备。

综上所述，所以我们本设计采用PLC为主要控制元件。

1.1.1国外发展历程

从20世纪50年代末开始，世界各国已经开始对自动气象站进行了设计和尝试，而美国和苏联率先设计出了不同型号的自动气象站，为以后的气象站发展奠定了基础。

而到了60年代中后期，又出现了第二代自动气象站，这种气象站已经基本可以适应比较不好的天气状况，但是技术上仍然有一些缺陷。

到了70年代，第三代产品利用集成电路很好的解决了第二代所存在的问题，开辟了新篇章。

最后进入90年代以来，随着科技的日新月异自动气象站进入了飞速发展的时期，自动气象站已经可以完成它所需要完成的各项使命。

1.1.2国内发展历程

我国自动气象站的研发和世界第一代的研发是同步的，也是20世纪50年代后期开始的，至今已有50多年的历史。

在60年代初，开始了自动气象站的研发和设计，发展到70年代不仅设计出了自动气象站，而且还在多地进行了试点，在试验了十多年以后到了80年代中期，我国采用先进的卫星监测技术，通过先进的科学技术在多地又进行了一年的测试，并通过了技术鉴定。

到了90年代中期，中小尺度天气自动气象监测站网在长江三角洲，珠江三角洲地区建站运行。

前后经过几十年的研究和测试到90年代后期，我国第一代自动气象站设计定型，并可以在日常中使用。

截至2003年，全国有1000多个台站使用了自动气象站，并实现了组网。

1.2小型气象站的应用情况

1.2.1在农业反面的应用

农用气象站用于对大气温度、相对湿度、风向、风速、雨量、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度、能见度等众多气象要素进行全天候现场监测，是一种集气象数据采集、存储、传输于一体的无人值守的气象测量系统，可以通过多种通讯方法与气象中心计算机进行通讯，将气象数据传输到气象中心计算机气候数据库中，用于对气象数据统计分析和处理。

这种小型气象站主要采用ATmega16单片机，Atmega16是基于增强的AVRRISC结构的低能耗8位CMOS微控制器。

它的系统主要包括各种气象站用传感器，如风速风向传感器、大气温湿度传感器、光照温度传感器、气压传感器、太阳辐射传感器、土壤温湿度传感器等。

1.2.2在防灾和电力运输方面的运用

加强防灾减灾体系建设，加快建立环境和地质监测预警体系，是国家在“十二五规划”中的一项重要内容[2]。

沿海和山区县的野外环境，由于它们所处的环境和地质面貌的关系，发生的自然灾害比较多。

特别是每年的6月~9月间，是暴雨和台风的多发季节，频繁发生滑坡、崩塌等地质灾害，严重威胁人民的生命财产安全，造成巨大经济损失和人员伤亡。

地质灾害的发生与当地的气候条件、特别是实时雨量和历史雨量有密切的关系[3]。

因此，对空气指数的数据采集，可以有效的降低自然灾害和提前预防自然灾害对人们生活的影响。

1.2.3本设计的应用

随着工业的发展，我们生活所处的环境也越来越恶劣。

因此我设计了一款小型气象站。

可以实时监测户外的温湿度、大气压力和风速风向，通过对空气指数的测量，可以给人们出行和户外工作人员工作提供一个参考和警示。

可以通过监测户外的环境因数，而及时做出防护判断和对人们出行给出合适的建议。

环境监测主要是在典型气象区域安装小型气象站，加强大气温度、湿度、空气中大气压和风向的监测，在人们的日常生活中，往往比较关心温度、湿度的变化对人体健康的影响，而很少有人关心大气压力的变化对人体健康的影响[4]。

大气压力通常简称气压，其实气压变化对人体生理的影响是个十分复杂的问题，主要表现在影响人体内氧气的供给，而缺氧会加快呼吸和血循环，出现呼吸急促、心率加快的现象，还会出现头疼、头晕、恶心、呕吐和乏力的症状。

低气压严重的还会造成心脏病发作，所以本设计中专门加入大气压力测量，给户外工作人员一个参考，让工作人员有相应的应对的防范措施。

1.3研究的主要工作

1.首先前期先进行相关资料的查询和了解，对所要研究的东西进行一个深入的剖析。

2.第二步讲诉课题研究的意义和小型气象站在国内外发展的历程，以及讲诉小型气象站都应用在哪些方面和其所具有的功能。

3.第三步通过原理分析提出控制要求和指标。

并对控制方案作出分析。

4.第四步主要介绍硬件选型，讲解各个传感器的功能和其他的设备选型。

并且列出设备清单。

并写出I/O点分析以及PLC所加的模块。

5.第五步主要是根据设备选型做出相应的软件设计，比如写出程序梯形图的编写和仿真。

讲解各段程序所要完成的动作和是如何完成的。

第2章控制方案

2.1控制原理分析

气象和人们的生活息息相关，对铁路、农业、航空、工业等各个行业的发展有着很大的影响。

因此小型气象站广泛应用于农业、交通、工业和易发灾的地方。

本设计主要目的是通过小型气象站对环境的监测而给户外工作人员提供一个良好、准确的参考，以便让工作人员可以通过气象的监测而做出相应的准备和措施。

本设计我们选用PLC作为主体，各种传感器作为信息采集，并增加模拟量输入模块对所采集的信息作出计算和处理，然后将计算出的数据传输到CPU中。

还增加了数字输出模块，将CPU中所储存的数据用以太网模块传输到计算机里。

可编程序控制器（PLC）的主要工作过程可以分为输入采样、执行用户程序、通信处理、CPU诊断和输出刷新5个扫描循环（ScanCycle）且不断重复执行[5]。

本设计是外部传感器接收到的空气中的数据利用电信号传输到PLC的CPU中，然后PLC利用它的输入采样功能来处理传感器所采集到的信息。

外部各个传感器将所检测到的数据通过电信号传送到PLC中，然后PLC通过逻辑运算、算数运算将温度、相对湿度、大气压力、风速计算出来，并保存在内部寄存器里面。

CPU诊断主要是防止程序错误引起的死循环，PLC的自检是将PLC的硬件检测、工作电压检查、存储器校验。

如果出现异常PLC就会发出报警并作出相应的处理，例如停止或者复位PLC。

通信处理，当自检结束以后，PLC需要进行通信请求检查，决定PLC是否需要与网络设备进行通信。

本设计中PLC的数据输入是指CPU接受来自通信接口的输入数据，比如温湿度传感器、大气压力传感器和风速风向传感器通过电信号传输过来的数据，并将其存储到对应的存储器中。

而数据输出是指CPU通过通信接口向外部发送数据，进行状态显示。

例如本设计中是PLC接收到传感器传入的信号后，根据当前的温度、湿度、风速、大气压与日期，计算出当日舒适度，并且会在当前环境对人体有危险性的情况下，发出警报；系统会根据大气压力计算出海拔高度；系统会根据风速测出当日风速等级。

将结果写入指定的寄存器中并且通过以太网模块传输到上位机。

总体来说就是本设计的小型气象站，它是通过大气压力传感器、风速风向传感器和温湿度传感器送出4~20mA模拟信号进到控制系统中的，CPU通过模拟量扩展模块EM231读取数值，并进行分析和处理该数值，在超过几个指定的大气压力值、风速值、温度以及湿度的限定时，输出信号去控制相应的设备发出报警信号。

并且相应的海拔、风速风向和温湿度通过以太网传输到计算机里面。

2.2控制要求

本设计选择的PLC可编程控制器是SIMATICS7-200。

PLC具有良好的环境适应性，可用于非常恶劣的工业现场，在电源瞬间断电的情况下依然可以正常工作，具有很强的抗空间电磁干扰能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10us的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗震能力和抗冲击能力。

能够比较精确的实现对环境温度的检测，测温范围-20℃~50℃。

测量湿度范围为（0%~100%）RH能够比较精确的实现对环境湿度的检测。

能实现环境温湿度、大气压力和风速风向的同时显示，并且能实现温湿度、大气压和风速的报警。

PLC与其他微型计算机相比，更适于在恶劣的工业环境中运行，而且数据处理功能大大增强，具有强大的功能指令，编程也极为方便简单编程指令具有模块化功能，能够解决就地编程、监控、通讯等问题。

PLC的梯形图语言清晰、直观、可读性强，易于掌控。

PLC还具有丰富的功能指令，能够实现加减乘除四则运算和数据传送比较移位功能，还具有实时时钟指令，可方便的实现定时及时间和年月日的设置与显示。

系统显示原理框图如下图2-1所示。

图2-1系统显示原理图

第3章设备的选型

3.1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。

3.1.1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=1032.25hPa。

我设计的气象站采用的是瑞士原装芯片封装的LC-QA1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0.1hPa，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要求的。

3.1.2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。

3.1.3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S7-200，所以它的输出信号为4～20mA、0～10V。

它的精度也不错，误差仅为±3%。

3.2PLC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S7-200系列PLC等等。

本设计采用有西门子公司生产的SIMATICS7-200系列PLC。

S7-200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SIMATICS7-200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CPU-222，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。

3.2.1PLC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I0.0和I0.1。

I0.0和I0.1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I0.0和I0.1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个分别为AI0、AI1、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4-20mA的电信号接入到模块EM231中；同理AI1、AI2、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Q0.0-Q0.5。

它们分别为Q0.0是大气压力报警蜂鸣器，Q0.1是湿度报警蜂鸣器，Q0.2是风速报警蜂鸣器，Q0.3是温度报警蜂鸣器，Q0.4是舒适指示灯，Q0.5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。

3.2.2PLC扩展模块的选型

因为PLC选用的是SIMATICS7-200，所以本设计选用的CPU本体是CPU222，它采用AC100/240V电源，