摘要

洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

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基于PLC小型氣象站設(shè)計(jì)

摘要

本論文著重介紹了以西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列的PLC為主要控制元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的風(fēng)速、大氣壓、溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，以及當(dāng)某項(xiàng)或多項(xiàng)空氣指數(shù)超出設(shè)定的范圍時(shí)系統(tǒng)會(huì)作出報(bào)警以警示人們當(dāng)前環(huán)境對(duì)人某方面的危害；當(dāng)這四種空氣指數(shù)都符合舒適度的設(shè)定時(shí)，系統(tǒng)會(huì)輸出顯示為舒適。以上這些功能都是我們通過對(duì)PLC的編程實(shí)現(xiàn)的。

本設(shè)計(jì)采用多種傳感器，包括溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器以及大氣壓力傳感器。這些傳感器具有反應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、耗能低、自身功能強(qiáng)大和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)外部傳感器監(jiān)測(cè)到外部環(huán)境所對(duì)應(yīng)的空氣指數(shù)后通過變送器將電阻電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸入到模擬量輸入擴(kuò)展模塊，然后輸入模塊通過計(jì)算和處理這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU中，并儲(chǔ)存在內(nèi)部寄存器中；最后系統(tǒng)通過以太網(wǎng)模塊的傳輸將測(cè)得的溫濕度、風(fēng)速和大氣壓傳到上位機(jī)得到顯示，當(dāng)數(shù)值超過限定范圍時(shí)會(huì)做出相應(yīng)的報(bào)警。本設(shè)計(jì)的小型氣象站的測(cè)量精度非常高，實(shí)時(shí)性也比較高，所以完全可以應(yīng)用到日常生活中去。

關(guān)鍵詞：PLC，編程，傳感器，顯示

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

前言

目錄

前言

1

第1章概述

2

1.1本課題研究的意義

2

1.1.1國(guó)外發(fā)展歷程

3

1.1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

3

1.2小型氣象站的應(yīng)用情況

4

1.2.1在農(nóng)業(yè)反面的應(yīng)用

4

1.2.2在防災(zāi)和電力運(yùn)輸方面的運(yùn)用

4

1.2.3本設(shè)計(jì)的應(yīng)用

4

1.3研究的主要工作

5

第2章控制方案

6

2.1控制原理分析

6

2.2控制要求

7

第3章設(shè)備的選型

9

3.1傳感器的選型

9

3.1.1大氣壓力傳感器

9

3.1.2風(fēng)速傳感器

10

3.1.3溫濕度傳感器

10

3.2PLC的選型

11

3.2.1PLC的I/O點(diǎn)分析

11

3.2.2PLC擴(kuò)展模塊的選型

12

3.3設(shè)備清單

13

3.4PLC的I/O接線圖

14

第4章軟件設(shè)計(jì)

16

4.1主程序流程圖

16

4.2程序梯形圖

17

4.2.1主程序

17

4.2.2壓力處理

18

4.2.3濕度處理

21

4.2.4風(fēng)速處理

23

4.2.5溫度處理

28

4.2.6舒適度判斷

30

第5章仿真

31

5.1仿真軟件的確定

31

5.2程序的仿真

31

結(jié)論

40

謝辭

41

參考文獻(xiàn)

42

外文資料翻譯

44

前言

大氣是人類賴以生存的環(huán)境之一，但是由于工業(yè)化的推進(jìn)，我們大部分城市的大氣已經(jīng)受到了不容忽視的污染[1]。而大氣污染同時(shí)也給人們的日常出行和日常工作造成了不同程度的干擾，因此我設(shè)計(jì)了一款小型氣象站，本設(shè)計(jì)的氣象站可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)大氣中溫濕度、風(fēng)向和大氣壓等指數(shù)。它不僅可以監(jiān)測(cè)到具體數(shù)據(jù)，還能夠根據(jù)所檢測(cè)到的具體數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的輸出反應(yīng)。比如當(dāng)溫度遠(yuǎn)超過系統(tǒng)所設(shè)定的舒適值時(shí)，系統(tǒng)的溫度報(bào)警器就會(huì)做出反應(yīng)，相對(duì)于的溫度蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒人們當(dāng)前室外溫度對(duì)人體可能造成危害。

從20世紀(jì)40年代以來，許多國(guó)家都開始對(duì)自動(dòng)化氣象站進(jìn)行了研究和論證。過了10年到了50年代中期，電子工業(yè)的飛速發(fā)展，不少國(guó)家開始出現(xiàn)了各種類型的氣象觀測(cè)站。到了60年代中期，氣象觀測(cè)技術(shù)又得到了一步提高，這次是觀測(cè)精度得到了提高，運(yùn)行可靠性上面得到了加強(qiáng)。隨后的幾十年，不論是在監(jiān)測(cè)精度上還是在數(shù)據(jù)傳輸可靠性行上等問題都得到很大的提高。

我國(guó)是在20世紀(jì)50年代后期開始對(duì)自動(dòng)氣象觀測(cè)站開始了研究，至今已經(jīng)有50多年的歷史了。自動(dòng)氣象站已經(jīng)在我國(guó)運(yùn)行很多年了，在這期間氣象工作者不斷的積累經(jīng)驗(yàn)，在錯(cuò)誤中成長(zhǎng)，如今我國(guó)的自動(dòng)氣象技術(shù)也在逐步和世界最先進(jìn)技術(shù)拉近距離，縮短差距。我們存在的問題也不少，比如大部分都采用集中結(jié)構(gòu)，由于數(shù)據(jù)采集器的生產(chǎn)廠家不同，各個(gè)廠家的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)不一樣，這就給氣象站的維修和維護(hù)帶了很大的困擾；我國(guó)的自動(dòng)氣象站主要還是采用進(jìn)口的產(chǎn)品，由于技術(shù)和工藝的原因，很多產(chǎn)品不能直接進(jìn)行升級(jí)，這就造成了很大的浪費(fèi)。

由于目前的環(huán)境變幻莫測(cè)、愈發(fā)的惡劣，因此本設(shè)計(jì)的小型氣象站要解決的問題第一是可以監(jiān)測(cè)戶外的惡劣環(huán)境，第二是將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過計(jì)算和系統(tǒng)的分析，PLC控制輸出這些數(shù)據(jù)和當(dāng)環(huán)境影響到戶外的一些活動(dòng)時(shí)發(fā)出一些警報(bào)提醒人們注意防范，為人們的戶外工作提供安全上的保障。

第1章標(biāo)題

第1章概述

1.1本課題研究的意義

隨著工業(yè)的發(fā)展，我們所生活的環(huán)境也發(fā)生了很大的變化，空氣質(zhì)量越來越差，各種極端氣候也層出不窮，因此我設(shè)計(jì)了一款小型氣象站，它可以通過對(duì)空氣的監(jiān)控而給人們提供一些實(shí)時(shí)環(huán)境回饋。自20世紀(jì)40年代以來，許多國(guó)家都開始對(duì)地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化進(jìn)行了許多研究。發(fā)展到如今，所研究的小型氣象站可以應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，例如：現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力監(jiān)測(cè)、交通、大氣監(jiān)測(cè)、通信、科研等領(lǐng)域。并且在這些領(lǐng)域都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，給人們提供了更加舒適和安全的生活環(huán)境。在氣象站建設(shè)、農(nóng)林氣象監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、溫室控制、公路鐵路運(yùn)營(yíng)及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等多種領(lǐng)域提供了可靠的保證，使其在惡劣的環(huán)境條件下也能穩(wěn)定工作。尤其是在某些高科技行業(yè)，例如能源行業(yè)，為產(chǎn)品提供了有力的支撐，起著舉足輕重的作用。小型氣象站的應(yīng)用不僅可以檢測(cè)多種影響電力運(yùn)輸?shù)牧恐?，保證電力的正常、安全運(yùn)輸，避免事故的發(fā)生，保持經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)提高，促使相關(guān)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化，進(jìn)而對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生良好的促進(jìn)和提高。

氣象參數(shù)自動(dòng)采集系統(tǒng)具備以自動(dòng)收集溫度、濕度、風(fēng)速、光照等氣象數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。其最大優(yōu)點(diǎn)是能夠快速有效的監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)天氣，可以提供更加準(zhǔn)確的天氣數(shù)據(jù)。同時(shí)，小型氣象站所監(jiān)測(cè)到的天氣數(shù)據(jù)比人工觀測(cè)的誤差更小。

小型氣象站采用220V交流電供電，通過各種各樣的傳感器對(duì)所檢測(cè)的區(qū)域的溫濕度、風(fēng)速、大氣壓力等進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，然后將所監(jiān)測(cè)和處理過的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。最后人們通過計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)可以做出氣象判斷，為防災(zāi)做出預(yù)警，并保證人們的安全。在電力運(yùn)輸方面，可以很好的確保輸電線路各段的安全運(yùn)輸。氣象站的建立，可以很好的預(yù)測(cè)出天氣狀況，并能夠通過對(duì)天氣狀況的監(jiān)測(cè)做出防災(zāi)預(yù)警，可以有效的減少氣象災(zāi)害對(duì)人們生命和財(cái)產(chǎn)的損害，使人們的生活質(zhì)量得到保障，出行和生活更加美好。

本設(shè)計(jì)是基于西門子S7-200系列PLC為主要控制元件而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，可編程控制器(PLC)是綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的一種通用的、新型的自動(dòng)控制裝置。它具有可靠性高、功能強(qiáng)、使用靈活方便，易于編程和適應(yīng)工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用等一系列優(yōu)點(diǎn)。最近幾年的工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)電一體化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)等方面應(yīng)用越來越廣，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱產(chǎn)業(yè)之一。PLC的終極目標(biāo)是用于實(shí)踐、提高生產(chǎn)力。如今，PLC應(yīng)用在許多行業(yè)和設(shè)備。綜上所述，所以我們本設(shè)計(jì)采用PLC為主要控制元件。

1.1.1國(guó)外發(fā)展歷程

從20世紀(jì)50年代末開始，世界各國(guó)已經(jīng)開始對(duì)自動(dòng)氣象站進(jìn)行了設(shè)計(jì)和嘗試，而美國(guó)和蘇聯(lián)率先設(shè)計(jì)出了不同型號(hào)的自動(dòng)氣象站，為以后的氣象站發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。而到了60年代中后期，又出現(xiàn)了第二代自動(dòng)氣象站，這種氣象站已經(jīng)基本可以適應(yīng)比較不好的天氣狀況，但是技術(shù)上仍然有一些缺陷。到了70年代，第三代產(chǎn)品利用集成電路很好的解決了第二代所存在的問題，開辟了新篇章。最后進(jìn)入90年代以來，隨著科技的日新月異自動(dòng)氣象站進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)期，自動(dòng)氣象站已經(jīng)可以完成它所需要完成的各項(xiàng)使命。

1.1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

我國(guó)自動(dòng)氣象站的研發(fā)和世界第一代的研發(fā)是同步的，也是20世紀(jì)50年代后期開始的，至今已有50多年的歷史。在60年代初，開始了自動(dòng)氣象站的研發(fā)和設(shè)計(jì)，發(fā)展到70年代不僅設(shè)計(jì)出了自動(dòng)氣象站，而且還在多地進(jìn)行了試點(diǎn)，在試驗(yàn)了十多年以后到了80年代中期，我國(guó)采用先進(jìn)的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)在多地又進(jìn)行了一年的測(cè)試，并通過了技術(shù)鑒定。到了90年代中期，中小尺度天氣自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站網(wǎng)在長(zhǎng)江三角洲，珠江三角洲地區(qū)建站運(yùn)行。前后經(jīng)過幾十年的研究和測(cè)試到90年代后期，我國(guó)第一代自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)定型，并可以在日常中使用。截至2003年，全國(guó)有1000多個(gè)臺(tái)站使用了自動(dòng)氣象站，并實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)。

1.2小型氣象站的應(yīng)用情況

1.2.1在農(nóng)業(yè)反面的應(yīng)用

農(nóng)用氣象站用于對(duì)大氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、氣壓、太陽輻射、土壤溫度、土壤濕度、能見度等眾多氣象要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，是一種集氣象數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸于一體的無人值守的氣象測(cè)量系統(tǒng)，可以通過多種通訊方法與氣象中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，將氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)綒庀笾行挠?jì)算機(jī)氣候數(shù)據(jù)庫中，用于對(duì)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和處理。這種小型氣象站主要采用ATmega16單片機(jī)，Atmega16是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低能耗8位CMOS微控制器。它的系統(tǒng)主要包括各種氣象站用傳感器，如風(fēng)速風(fēng)向傳感器、大氣溫濕度傳感器、光照溫度傳感器、氣壓傳感器、太陽輻射傳感器、土壤溫濕度傳感器等。

1.2.2在防災(zāi)和電力運(yùn)輸方面的運(yùn)用

加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)，加快建立環(huán)境和地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，是國(guó)家在“十二五規(guī)劃”中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[2]。沿海和山區(qū)縣的野外環(huán)境，由于它們所處的環(huán)境和地質(zhì)面貌的關(guān)系，發(fā)生的自然災(zāi)害比較多。特別是每年的6月~9月間，是暴雨和臺(tái)風(fēng)的多發(fā)季節(jié)，頻繁發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、特別是實(shí)時(shí)雨量和歷史雨量有密切的關(guān)系[3]。因此，對(duì)空氣指數(shù)的數(shù)據(jù)采集，可以有效的降低自然災(zāi)害和提前預(yù)防自然災(zāi)害對(duì)人們生活的影響。

1.2.3本設(shè)計(jì)的應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展，我們生活所處的環(huán)境也越來越惡劣。因此我設(shè)計(jì)了一款小型氣象站?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)戶外的溫濕度、大氣壓力和風(fēng)速風(fēng)向，通過對(duì)空氣指數(shù)的測(cè)量，可以給人們出行和戶外工作人員工作提供一個(gè)參考和警示。可以通過監(jiān)測(cè)戶外的環(huán)境因數(shù)，而及時(shí)做出防護(hù)判斷和對(duì)人們出行給出合適的建議。環(huán)境監(jiān)測(cè)主要是在典型氣象區(qū)域安裝小型氣象站，加強(qiáng)大氣溫度、濕度、空氣中大氣壓和風(fēng)向的監(jiān)測(cè)，在人們的日常生活中，往往比較關(guān)心溫度、濕度的變化對(duì)人體健康的影響，而很少有人關(guān)心大氣壓力的變化對(duì)人體健康的影響[4]。大氣壓力通常簡(jiǎn)稱氣壓，其實(shí)氣壓變化對(duì)人體生理的影響是個(gè)十分復(fù)雜的問題，主要表現(xiàn)在影響人體內(nèi)氧氣的供給，而缺氧會(huì)加快呼吸和血循環(huán)，出現(xiàn)呼吸急促、心率加快的現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)頭疼、頭暈、惡心、嘔吐和乏力的癥狀。低氣壓嚴(yán)重的還會(huì)造成心臟病發(fā)作，所以本設(shè)計(jì)中專門加入大氣壓力測(cè)量，給戶外工作人員一個(gè)參考，讓工作人員有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)的防范措施。

1.3研究的主要工作

1.首先前期先進(jìn)行相關(guān)資料的查詢和了解，對(duì)所要研究的東西進(jìn)行一個(gè)深入的剖析。

2.第二步講訴課題研究的意義和小型氣象站在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的歷程，以及講訴小型氣象站都應(yīng)用在哪些方面和其所具有的功能。

3.第三步通過原理分析提出控制要求和指標(biāo)。并對(duì)控制方案作出分析。

4.第四步主要介紹硬件選型，講解各個(gè)傳感器的功能和其他的設(shè)備選型。并且列出設(shè)備清單。并寫出I/O點(diǎn)分析以及PLC所加的模塊。

5.第五步主要是根據(jù)設(shè)備選型做出相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，比如寫出程序梯形圖的編寫和仿真。講解各段程序所要完成的動(dòng)作和是如何完成的。

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第2章控制方案

2.1控制原理分析

氣象和人們的生活息息相關(guān)，對(duì)鐵路、農(nóng)業(yè)、航空、工業(yè)等各個(gè)行業(yè)的發(fā)展有著很大的影響。因此小型氣象站廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、交通、工業(yè)和易發(fā)災(zāi)的地方。本設(shè)計(jì)主要目的是通過小型氣象站對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)而給戶外工作人員提供一個(gè)良好、準(zhǔn)確的參考，以便讓工作人員可以通過氣象的監(jiān)測(cè)而做出相應(yīng)的準(zhǔn)備和措施。

本設(shè)計(jì)我們選用PLC作為主體，各種傳感器作為信息采集，并增加模擬量輸入模塊對(duì)所采集的信息作出計(jì)算和處理，然后將計(jì)算出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU中。還增加了數(shù)字輸出模塊，將CPU中所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)用以太網(wǎng)模塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里。

可編程序控制器（PLC）的主要工作過程可以分為輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、通信處理、CPU診斷和輸出刷新5個(gè)掃描循環(huán)（ScanCycle）且不斷重復(fù)執(zhí)行[5]。

本設(shè)計(jì)是外部傳感器接收到的空氣中的數(shù)據(jù)利用電信號(hào)傳輸?shù)絇LC的CPU中，然后PLC利用它的輸入采樣功能來處理傳感器所采集到的信息。

外部各個(gè)傳感器將所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過電信號(hào)傳送到PLC中，然后PLC通過邏輯運(yùn)算、算數(shù)運(yùn)算將溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力、風(fēng)速計(jì)算出來，并保存在內(nèi)部寄存器里面。

CPU診斷主要是防止程序錯(cuò)誤引起的死循環(huán)，PLC的自檢是將PLC的硬件檢測(cè)、工作電壓檢查、存儲(chǔ)器校驗(yàn)。如果出現(xiàn)異常PLC就會(huì)發(fā)出報(bào)警并作出相應(yīng)的處理，例如停止或者復(fù)位PLC。

通信處理，當(dāng)自檢結(jié)束以后，PLC需要進(jìn)行通信請(qǐng)求檢查，決定PLC是否需要與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行通信。本設(shè)計(jì)中PLC的數(shù)據(jù)輸入是指CPU接受來自通信接口的輸入數(shù)據(jù)，比如溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器和風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過電信號(hào)傳輸過來的數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中。而數(shù)據(jù)輸出是指CPU通過通信接口向外部發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)行狀態(tài)顯示。例如本設(shè)計(jì)中是PLC接收到傳感器傳入的信號(hào)后，根據(jù)當(dāng)前的溫度、濕度、風(fēng)速、大氣壓與日期，計(jì)算出當(dāng)日舒適度，并且會(huì)在當(dāng)前環(huán)境對(duì)人體有危險(xiǎn)性的情況下，發(fā)出警報(bào)；系統(tǒng)會(huì)根據(jù)大氣壓力計(jì)算出海拔高度；系統(tǒng)會(huì)根據(jù)風(fēng)速測(cè)出當(dāng)日風(fēng)速等級(jí)。將結(jié)果寫入指定的寄存器中并且通過以太網(wǎng)模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

總體來說就是本設(shè)計(jì)的小型氣象站，它是通過大氣壓力傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器和溫濕度傳感器送出4~20mA模擬信號(hào)進(jìn)到控制系統(tǒng)中的，CPU通過模擬量擴(kuò)展模塊EM231讀取數(shù)值，并進(jìn)行分析和處理該數(shù)值，在超過幾個(gè)指定的大氣壓力值、風(fēng)速值、溫度以及濕度的限定時(shí)，輸出信號(hào)去控制相應(yīng)的設(shè)備發(fā)出報(bào)警信號(hào)。并且相應(yīng)的海拔、風(fēng)速風(fēng)向和溫濕度通過以太網(wǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里面。

2.2控制要求

本設(shè)計(jì)選擇的PLC可編程控制器是SIMATICS7-200。PLC具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，可用于非常惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在電源瞬間斷電的情況下依然可以正常工作，具有很強(qiáng)的抗空間電磁干擾能力，可以抗峰值高達(dá)1000V、脈寬10us的矩形波空間電磁干擾，具有良好的抗震能力和抗沖擊能力。能夠比較精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)，測(cè)溫范圍-20℃~50℃。測(cè)量濕度范圍為（0%~100%）RH能夠比較精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境濕度的檢測(cè)。能實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度、大氣壓力和風(fēng)速風(fēng)向的同時(shí)顯示，并且能實(shí)現(xiàn)溫濕度、大氣壓和風(fēng)速的報(bào)警。

PLC與其他微型計(jì)算機(jī)相比，更適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行，而且數(shù)據(jù)處理功能大大增強(qiáng)，具有強(qiáng)大的功能指令，編程也極為方便簡(jiǎn)單編程指令具有模塊化功能，能夠解決就地編程、監(jiān)控、通訊等問題。PLC的梯形圖語言清晰、直觀、可讀性強(qiáng)，易于掌控。PLC還具有豐富的功能指令，能夠?qū)崿F(xiàn)加減乘除四則運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送比較移位功能，還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘指令，可方便的實(shí)現(xiàn)定時(shí)及時(shí)間和年月日的設(shè)置與顯示。系統(tǒng)顯示原理框圖如下圖2-1所示。

PLC

S7-200

溫濕度傳感器

顯示

裝

置

外部信號(hào)源

壓力傳感器

報(bào)警

裝置

風(fēng)速風(fēng)向傳感器

舒適度輸出

自鎖性平頭開關(guān)

圖2-1系統(tǒng)顯示原理圖

第3章

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洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

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第3章設(shè)備的選型

3.1傳感器的選型

傳感器是本設(shè)計(jì)最重要的部件之一，它的選取對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，非常重要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和分子合成技術(shù)的發(fā)展，傳感器正向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化的方向飛速發(fā)展，使其性能、可靠性及穩(wěn)定性得到了顯著的提高[6]?，F(xiàn)在生產(chǎn)傳感器的公司很多，所研制的傳感器類型也很多，但其性能差異不是太大。

由于本設(shè)計(jì)中傳感器需要安裝在室外的環(huán)境中，所以我們選擇的傳感器對(duì)環(huán)境中各種惡劣條件都要有一個(gè)很好的適應(yīng)性，要能夠抵抗腐蝕和高溫日曬以及低溫考驗(yàn)。要能夠適應(yīng)各種天氣狀況，所以對(duì)于傳感器的耐久性要求就應(yīng)該放在首位考慮。因此本設(shè)計(jì)在選擇傳感器上掌握的基本原則是穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，使用方便。

3.1.1大氣壓力傳感器

我們首先對(duì)大氣壓力傳感器進(jìn)行選型。我們首先應(yīng)該了解下氣壓是怎么計(jì)量的。在國(guó)際上，氣壓就是單位面積上的具體氣壓值，單位面積上的垂直向上延伸的氣壓柱的分量。而氣壓的單位用hPa分度表示。一般認(rèn)為，760mmHg=1032.25hPa。我設(shè)計(jì)的氣象站采用的是瑞士原裝芯片封裝的LC-QA1型大氣壓力傳感器,誤差小，受溫度的影響小,具備高精度﹑高靈敏度的特征?？捎糜跍y(cè)量大氣壓力和海拔高度是它的基本功能。

傳感器是將所測(cè)量到的外部空氣中的大氣壓通過一系列轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷航M信號(hào)，然后經(jīng)過放大電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成能使用的電信號(hào)即4~20mA/1~5VDC的信號(hào)。它的分辨率比較高為0.1hPa，它的工作溫度能夠符合設(shè)計(jì)要求為-40~+85℃，它的輸出形式為電流：4~20mA;電壓：1~5VDC，丈量規(guī)模為450~1100hP。我們采用的大氣壓力傳感器完全能夠勝任小型氣象站的監(jiān)測(cè)要求，不論它的精度還是對(duì)于環(huán)境的要求都是符合要求的。

3.1.2風(fēng)速傳感器

我們第二個(gè)要介紹的是風(fēng)速傳感器，我所設(shè)計(jì)的小型氣象站不僅能夠監(jiān)測(cè)大氣壓力而且還能夠監(jiān)測(cè)外部環(huán)境的風(fēng)速，我們將風(fēng)速等級(jí)分為10個(gè)等級(jí)，這樣可以更好、一目了然的對(duì)風(fēng)速有一個(gè)明確的了解。本設(shè)計(jì)采用的是由武漢新惠普科技有限公司提供的PHWS/WD風(fēng)速風(fēng)向傳感器。風(fēng)速傳感器采用的材質(zhì)為碳纖維材料，這種材料強(qiáng)度好能夠適應(yīng)惡劣的外部環(huán)境；而且精度高能夠更精確的將所監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速進(jìn)行細(xì)化，對(duì)風(fēng)速等級(jí)進(jìn)行更精確的顯示；而且他的量程也大，并且具有抗雷擊能力穩(wěn)定可靠，完全可以應(yīng)用到氣象觀測(cè)上來，也完全符合本設(shè)計(jì)的要求。

風(fēng)速傳感器他是通過一個(gè)叫三杯的結(jié)構(gòu)元件對(duì)空氣中的風(fēng)力進(jìn)行感應(yīng)，并作出判斷，當(dāng)風(fēng)杯因?yàn)轱L(fēng)力的作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，他通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了電流然后輸出信號(hào)，當(dāng)內(nèi)部感應(yīng)到頻率信號(hào)以后可以向外輸出電阻信號(hào)，從而得知目前的風(fēng)速有多大，就完成風(fēng)速傳感器的任務(wù)。

由于傳感器所處的環(huán)境，所以首先我們要考慮的是能否在惡劣的環(huán)境中使用，因此本設(shè)計(jì)所采用的傳感器一定要能夠適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境，它能夠在溫度為-60℃～50℃和濕度為0～100%RH的范圍內(nèi)工作，然后我們對(duì)它的測(cè)量范圍也有要求為0~70m/s；它的輸出是5V方波、4～20mA完全符合本設(shè)計(jì)的要求。

3.1.3溫濕度傳感器

我們最后要介紹的是溫濕度傳感器，它集溫度傳感器和濕度傳感器為一體，不僅能夠監(jiān)測(cè)溫度而且還能夠?qū)諝庵械臐穸冗M(jìn)行測(cè)量。還能夠?qū)穸冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)選用的是由北京賽億科技有限公司生產(chǎn)的STH系列的溫濕度傳感器，這種傳感器是溫濕一體的，它體積小，安裝方便而且使用與比較惡劣的環(huán)境，符合本設(shè)計(jì)要求。它對(duì)溫度的測(cè)量范圍是-40～70℃，對(duì)濕度的測(cè)量范圍是0～100%RH，由于本設(shè)計(jì)所采用的是S7-200，所以它的輸出信號(hào)為4～20mA、0～10V。它的精度也不錯(cuò)，誤差僅為±3%。

3.2PLC的選型

小型氣象站控制系統(tǒng)的控制核心是PLC，在創(chuàng)建一個(gè)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，有哪些信號(hào)要輸入至PLC，PLC需要驅(qū)動(dòng)哪些負(fù)載，以及采用何種編程方式，都會(huì)對(duì)其內(nèi)部I/O點(diǎn)數(shù)的分配造成影響，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入和輸出數(shù)量確定下來，然后按照所需確定各種控制動(dòng)作的順序和各個(gè)控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。

如今生產(chǎn)PLC的公司多種多樣，有松下FP1系列PLC、三菱FX2N系列PLC產(chǎn)品以及西門子S7-200系列PLC等等。本設(shè)計(jì)采用有西門子公司生產(chǎn)的SIMATICS7-200系列PLC。S7-200的應(yīng)用比較廣泛，可擴(kuò)展模塊也比較多，適合多種多樣的控制系統(tǒng)選擇，本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單對(duì)SIMATICS7-200系列產(chǎn)品進(jìn)行一個(gè)結(jié)構(gòu)分析。綜合上述情況考慮開關(guān)量輸入輸出的數(shù)量，模擬量輸入，選用型號(hào)為CPU-222，這種PLC不僅小型、緊湊，在CUP中還配有EEPROM，可永久性的儲(chǔ)存用戶程序和其他重要的系統(tǒng)參數(shù)；它還有大容量的電容器，可供長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)所有的數(shù)據(jù)。

3.2.1PLC的I/O點(diǎn)分析

在整個(gè)PLC外部硬件接線圖中，包括數(shù)字量、模擬量的輸入接線和數(shù)字量輸出接線三個(gè)部分。

（1）數(shù)字量輸入

數(shù)字量輸入點(diǎn)有2個(gè)分別為I0.0和I0.1。I0.0和I0.1均為關(guān)閉按鈕，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到大氣環(huán)境不適宜人的生活，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)。例如：當(dāng)氣象站檢測(cè)出目前的溫度有可能會(huì)對(duì)人體造成危害，溫度檢測(cè)相對(duì)于的蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，讓工作人員提前知道并作出相應(yīng)的防范措施。而當(dāng)工作人員得知這一情況后，就會(huì)按下I0.0和I0.1關(guān)閉警報(bào)和蜂鳴器。

（2）模擬量的輸入

模擬量的輸入通過PLC的擴(kuò)展模塊得到實(shí)現(xiàn)。模擬量的輸入點(diǎn)有4個(gè)分別為AI0、AI1、AI2和AI3。其中AI0是大氣壓力傳感器接收到空氣中的數(shù)據(jù)通過變送器轉(zhuǎn)換成4-20mA的電信號(hào)接入到模塊EM231中；同理AI1、AI2、AI3均是通過相應(yīng)的傳感器將空氣中接收到的相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向和室外溫度以電信號(hào)的模式接入到模塊EM231中。通過編制程序可以直接從模擬量轉(zhuǎn)換EM231中的變量寄存器中讀取數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)字量輸出

數(shù)字量輸出包括Q0.0-Q0.5。它們分別為Q0.0是大氣壓力報(bào)警蜂鳴器，Q0.1是濕度報(bào)警蜂鳴器，Q0.2是風(fēng)速報(bào)警蜂鳴器，Q0.3是溫度報(bào)警蜂鳴器，Q0.4是舒適指示燈，Q0.5是警告指示燈。當(dāng)壓力、濕度、風(fēng)速和溫度某一項(xiàng)超過一定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)做出相應(yīng)的報(bào)警，給工作人員以提醒。系統(tǒng)還會(huì)通過當(dāng)日溫度濕度情況做出判斷今日是否為舒適一天。

3.2.2PLC擴(kuò)展模塊的選型

因?yàn)镻LC選用的是SIMATICS7-200，所以本設(shè)計(jì)選用的CPU本體是CPU222，它采用AC100/240V電源，DC24V輸入。它是接收模擬量輸入模塊所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存到內(nèi)部寄存器里面，并且還能做出相應(yīng)的反應(yīng)。

模擬量輸入模塊是EM231，它是4通道DC-10~10V/0~20mA輸入，12為A/D轉(zhuǎn)換。它是接收由外部傳感器所采集到的數(shù)據(jù)并傳送到CPU中。

最后一個(gè)擴(kuò)展模塊是以太網(wǎng)模塊，我們選用的是CP243-1，它的接口類型是RJ-45，通信頻率是10/100Mbit/s，最大同時(shí)通信數(shù)量為8個(gè)。它是將CPU的內(nèi)部寄存器所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到計(jì)算機(jī)里面。

表3-1PLC配置

主機(jī)

6ES7212-1BB23-0XB8

數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊

6GK7243-1EX00-0XE0

模擬量輸入擴(kuò)展模塊

6ES7231-0HC22-0XA0

表3-2輸入輸出分配表

輸入點(diǎn)地址

內(nèi)容

輸出點(diǎn)地址

內(nèi)容

I0.0

關(guān)閉蜂鳴器

Q0.0

大氣壓力報(bào)警

I0.1

關(guān)閉警報(bào)

Q0.1

濕度報(bào)警

AI0

大氣壓力輸入

Q0.2

風(fēng)速報(bào)警

AI1

相對(duì)濕度輸入

Q0.3

溫度報(bào)警

AI2

風(fēng)速風(fēng)向輸入

Q0.4

舒適度指示燈

AI3

室外溫度輸入

Q0.5

警告指示燈

3.3設(shè)備清單

表3-3設(shè)備清單

序號(hào)

名稱

用途

訂貨號(hào)

數(shù)量

核計(jì)

總計(jì)

01

CPU222

處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并作出反應(yīng)

6ES7212-1BB23-0XB0

1

1

1

02

EM231模擬量輸入模塊

將傳感器信號(hào)傳送到CPU中

6ES7231-0HC22-0XA0

1

1

1

03

CP243-1以太網(wǎng)模塊

將CPU中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中

6GK7243-1EX00-0XE0

1

1

1

04

自鎖型平頭按鈕

常開開關(guān)，用于關(guān)閉警報(bào)

XA2EH031

2

2

2

05

蜂鳴器

根據(jù)CPU的指令發(fā)出警報(bào)

XB2BSBC

4

4

4

06

指示燈

黃、綠各一個(gè)，顯示舒適度

XB7EVB5LC

1,1

2

2

07

溫濕度傳感器

測(cè)量溫濕度

STH-TDRHT2OAP2S0

1

1

1

08

風(fēng)速風(fēng)向傳感器

測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向

PHWS

1

1

1

09

大氣壓力傳感器

測(cè)量大氣壓力

LC-QA1

1

1

1

14

3.4PLC的I/O接線圖

圖3-1PLC的I/O接線圖

第3章標(biāo)題

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第4章軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序流程圖

接通電源

PLC自檢

無故障

模擬量

啟動(dòng)

傳送數(shù)據(jù)到上位機(jī)

數(shù)據(jù)讀取

Y

關(guān)閉監(jiān)控

N

模擬量計(jì)算

N

大于警報(bào)值

Ｙ

Y

取消警報(bào)？

N

報(bào)警輸出

圖4-1主程序流程圖

4.2程序梯形圖

4.2.1主程序

當(dāng)接通電源以后，PLC開始工作，主程序依次開始調(diào)用子程序，如壓力處理、濕度處理、風(fēng)速處理、溫度處理和舒適度判斷，當(dāng)壓力處理相應(yīng)的子程序完成工作以后依次濕度的信息采集和計(jì)算及輸出隨即開始工作，同理風(fēng)速處理和溫度處理隨后進(jìn)行，然后根據(jù)當(dāng)前的空氣指數(shù)做出舒適度的判斷。按照這個(gè)循環(huán)一直進(jìn)行下去，數(shù)據(jù)不斷的采集和處理以及存儲(chǔ)和做出反應(yīng)，循環(huán)往復(fù)。由于小型氣象站的自身特點(diǎn)，我們視為接通電源氣象站就開始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，所以電源始終接通。

4.2.2壓力處理

這一段程序是將模擬量通道AIW0的數(shù)據(jù)通過I_DI指令轉(zhuǎn)換為雙整型數(shù)據(jù)，并存放在AC0中，然后將AC0中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)使用DI_R轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，因?yàn)槲鏖T子不允許整型數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，所以這樣做是為了提升計(jì)算精度。所以壓力處理首先要經(jīng)過這2步的轉(zhuǎn)換。在計(jì)算的過程中為了保持各個(gè)數(shù)據(jù)的獨(dú)立型，所以在計(jì)算運(yùn)行的時(shí)候我們暫時(shí)關(guān)閉監(jiān)控。

將AC0-6400，因?yàn)?~20mA的采集在西門子200系列中是通過坐標(biāo)移動(dòng)進(jìn)行的，也就是因?yàn)閷?duì)于0~20mA來說，西門子S7-200的采集數(shù)據(jù)在0~32000，也就是說每mA對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為32000/20=1600，那么4~20mA就是對(duì)應(yīng)于采集的數(shù)據(jù)6400~32000，因此要將輸入值減6400來完成坐標(biāo)的移動(dòng)。

然后經(jīng)過除以（DIV_R）25600來得到輸入值占用整個(gè)輸入范圍的百分比，32000-6400=25600，因此25600就是4~20mA對(duì)應(yīng)的輸入范圍。因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)的小型氣象站要求能夠測(cè)量出0~1300hPa的壓力值，所以網(wǎng)絡(luò)5就是將網(wǎng)絡(luò)4得到的每份的值乘以（MUL_R）1300就得了0~1300hPa的數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)5得到的壓力值VD30在網(wǎng)絡(luò)6中比較，當(dāng)VD30≤800hPa，PLC就會(huì)給相對(duì)于的蜂鳴器一個(gè)信號(hào)1使大氣壓力報(bào)警裝置發(fā)出大氣壓力警報(bào)。

網(wǎng)絡(luò)7是將傳感器測(cè)量到的實(shí)數(shù)溫度轉(zhuǎn)換成整數(shù)溫度，然后根據(jù)海拔計(jì)算公式H=8000（1+T/273）/P將整數(shù)溫度除以273得到VD40=T/273；第二個(gè)邏輯計(jì)算是將得到的T/273+1=VD44；VD44乘以8000得到VD48；最后將VD48除以壓力顯示VD30就輸出最后需要的結(jié)果海拔高度VD52。

4.2.3濕度處理

網(wǎng)絡(luò)1是將模擬量通道AIW2的數(shù)據(jù)通過I_DI指令轉(zhuǎn)換為雙整型數(shù)據(jù)類型，并存放進(jìn)AC1中，網(wǎng)絡(luò)2是將網(wǎng)絡(luò)1中所轉(zhuǎn)換得到的AC1轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)數(shù)，利于后面的計(jì)算。

因?yàn)闈穸葘?duì)應(yīng)的是0~5V，所以將網(wǎng)絡(luò)2中得到的實(shí)數(shù)除以（DIV_R）16000得到每份濕度所對(duì)應(yīng)的的值，然后帶入網(wǎng)絡(luò)4中通過MUL_R運(yùn)算即乘以100得到0~100%的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，并輸出（out）相對(duì)濕度顯示VD10。

最后將網(wǎng)絡(luò)4里面得到的相對(duì)濕度值進(jìn)行邏輯計(jì)算，當(dāng)VD10≥70時(shí)，則相對(duì)應(yīng)的濕度報(bào)警蜂鳴器會(huì)發(fā)出濕度報(bào)警。提示人們當(dāng)前監(jiān)測(cè)環(huán)境中的濕度嚴(yán)重影響到人們的出行和生活。

4.2.4風(fēng)速處理

和其他類別的處理一樣，網(wǎng)絡(luò)1是先將傳感器測(cè)得的整型數(shù)據(jù)ALW1通過I_DI指令轉(zhuǎn)換成雙整型數(shù)據(jù)，并隨即放入AC2中。網(wǎng)絡(luò)2是將AC0中的數(shù)據(jù)通過DI_R轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)是為了提高計(jì)算精度。因?yàn)轱L(fēng)速對(duì)應(yīng)的是4~20mA的值，所以將AC2除以（DIV_R）25600就得到了每份風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的值，再乘以（MUL_R）32.6得到0~32.6的相對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)。

從網(wǎng)絡(luò)1到網(wǎng)絡(luò)4的運(yùn)算可以得到相對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)，然后通過比較可以得出當(dāng)風(fēng)速VD20≤0.2的時(shí)候，系統(tǒng)輸出的是M0.0（無風(fēng)）；當(dāng)風(fēng)速0.3≤VD20≤1.5，輸出結(jié)果為M0.1，我們定義為軟風(fēng)（1級(jí)風(fēng)）；當(dāng)風(fēng)速1.6≤VD20≤5.4時(shí)，輸出為M0.2，定義為輕風(fēng)（2級(jí)風(fēng)）；風(fēng)速5.5≤VD20≤10.7時(shí)，輸出為M0.3，定義為微風(fēng)（3級(jí)風(fēng)）；當(dāng)監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速為10.8≤VD20≤20.7時(shí)，輸出為M0.4，定義為強(qiáng)風(fēng)（4級(jí)風(fēng)）；當(dāng)監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速為20.8≤VD20≤24.4時(shí)，輸出為M0.5，定義為大風(fēng)（5級(jí)風(fēng)）；當(dāng)監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速為24.5≤VD20≤28.4時(shí)，輸出為M0.6，定義為狂風(fēng)（6級(jí)風(fēng)）；當(dāng)監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速為28.5≤VD20≤32.6時(shí)，輸出為M0.7，定義為暴風(fēng)（7級(jí)風(fēng)）。最后，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速VD20≥32.7的時(shí)候，PLC就會(huì)給相應(yīng)的蜂鳴器發(fā)出信號(hào)1使風(fēng)速報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)，提醒人們當(dāng)前風(fēng)速等級(jí)有可能對(duì)人的出行造成很大影響，請(qǐng)慎重考慮。

4.2.5溫度處理

前兩步同要是將模擬量通道ALW6的溫度數(shù)據(jù)通過I_DI指令轉(zhuǎn)換成雙整型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到AC1中，為了提高計(jì)算精度而進(jìn)一步將AC0中的數(shù)據(jù)通過DI_R轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)。

因?yàn)镾7-200系列的PLC所采集的數(shù)據(jù)是0～32000，而對(duì)應(yīng)的輸入電流是0～20mA，因此將上一步得到的數(shù)據(jù)除以（DIV_R）32000可以得到輸入值所占整個(gè)輸入范圍的百分比。

網(wǎng)絡(luò)3已經(jīng)求得每份溫度的百分比了，因?yàn)槲覀儥z測(cè)的溫度范圍為-20℃～50℃，為70份，因此我們將AC1乘以（MUL_R）70得到0℃～70℃，所以通過網(wǎng)絡(luò)5將網(wǎng)絡(luò)4得到的數(shù)據(jù)減去（SUB_R）20就得到了-20℃～50℃的最終值。

當(dāng)我們測(cè)得的溫度VD0≥50℃時(shí)，PLC就會(huì)給蜂鳴器發(fā)出信號(hào)1使溫度報(bào)警裝置報(bào)警，以警示人們注意防范。

4.2.6舒適度判斷

當(dāng)某一個(gè)循環(huán)里面的溫度、濕度和風(fēng)速的數(shù)值都已經(jīng)測(cè)得并保存以后，通過比較當(dāng)溫度20.0≤VD0≤28.0；濕度40.0≤VD10≤60.0；風(fēng)速0.1≤VD20≤0.3同時(shí)滿足的時(shí)候系統(tǒng)就會(huì)輸出舒適度，此時(shí)舒適指示燈亮。

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第5章仿真

5.1仿真軟件的確定

由于本設(shè)計(jì)所采用的PLC是西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列，所以為了更好的做出仿真，我們采用的組態(tài)軟件是SIMATICWINCC。之所以采用這個(gè)組態(tài)軟件，是因?yàn)樗目删庉嫹秶貏e廣，它能夠?qū)Ω鞣N控制系統(tǒng)進(jìn)行編輯和配置；還能夠處理相關(guān)的一些數(shù)據(jù)還有報(bào)警系統(tǒng)；還能夠存儲(chǔ)以往的一些歷史數(shù)據(jù)并且最重要的是還可以查詢這些歷史數(shù)據(jù)。而本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)小型氣象站的，剛好就是涉及了數(shù)據(jù)處理方面和報(bào)警系統(tǒng)方面的應(yīng)用，至于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)方面也可以為以后查詢提供的方便。因此我采用了WINC軟件進(jìn)行了仿真。由于我們是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬仿真，所以我們需要相應(yīng)的軟件進(jìn)行配合，因此我們采用了PLCSIM軟件。本設(shè)計(jì)是利用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，就是我們利用WINCC和PLCSIM兩者的結(jié)合模擬出小型氣象站的基本流程。PLCSIM可以模擬PLC的寄存器，我們可以先用STEP7進(jìn)行硬件方面的組態(tài)給系統(tǒng)，然后將程序分為較小的、可以自稱體系的程序，然后通過組織塊對(duì)程序進(jìn)行編寫。PLCSIM軟件還可以對(duì)變量進(jìn)行監(jiān)控。菜單中有許多命令指令：比如inputvariable是對(duì)輸入變量的監(jiān)控，outputvariable是對(duì)輸出變量的監(jiān)控，memoryvariable是對(duì)內(nèi)部變量的監(jiān)控,對(duì)定時(shí)器變量進(jìn)行監(jiān)控的是timervariable，countervariable是對(duì)計(jì)數(shù)器的監(jiān)控。

5.2程序的仿真

本設(shè)計(jì)的仿真過程圖如下：

圖5-1WINCC主畫面

圖5-1就是本設(shè)計(jì)小型氣象站的組態(tài)仿真主畫面。首先是氣象站最重要的就是對(duì)實(shí)時(shí)溫度、實(shí)時(shí)濕度、實(shí)時(shí)氣壓和實(shí)時(shí)風(fēng)速的監(jiān)控和顯示，從主畫面中可以清晰的看到這4種指數(shù)的顯示。由于本設(shè)計(jì)的目的不僅是給人們以直觀的天氣顯示，當(dāng)溫度、濕度或風(fēng)速超出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的范圍時(shí)，就還會(huì)輸出相應(yīng)的警報(bào)，提醒人們要做出防范。還有風(fēng)速的顯示不能明確直觀的讓人了解到到底風(fēng)速有多高，所以我們?cè)O(shè)計(jì)中還給出了風(fēng)速等級(jí)的顯示，當(dāng)前系統(tǒng)就設(shè)計(jì)出了九個(gè)風(fēng)級(jí)分別為0-8級(jí)。當(dāng)四種指數(shù)都輸出都在舒適度規(guī)定的范圍時(shí)就會(huì)輸出舒適的指令，即舒適指示燈會(huì)亮。

圖5-2仿真器主畫面

本設(shè)計(jì)仿真器里面的控制變量有許多，不同的變量控制著不同的數(shù)據(jù)顯示。變量表如下表：

表5-1變量表

輸出

進(jìn)制

符號(hào)

輸出

進(jìn)制

符號(hào)

溫度顯示

無符號(hào)32位數(shù)

MD0

風(fēng)力7級(jí)

二進(jìn)制變量

M50.7

濕度顯示

無符號(hào)32位數(shù)

MD4

風(fēng)力超8級(jí)

二進(jìn)制變量

M51.0

風(fēng)速顯示

無符號(hào)32位數(shù)

MD8

溫度報(bào)警

二進(jìn)制變量

M51.1

大氣壓力顯示

無符號(hào)32位數(shù)

MD12

濕度報(bào)警

二進(jìn)制變量

M51.2

舒適

二進(jìn)制變量

M50.0

風(fēng)速報(bào)警

二進(jìn)制變量

M51.3

風(fēng)力1級(jí)

二進(jìn)制變量

M50.1

大氣壓力報(bào)警

二進(jìn)制變量

M51.4

風(fēng)力2級(jí)

二進(jìn)制變量

M50.2

關(guān)閉監(jiān)控

二進(jìn)制變量

M51.5

風(fēng)力3級(jí)

二進(jìn)制變量

M50.3

關(guān)閉蜂鳴器報(bào)警

二進(jìn)制變量

M51.6

風(fēng)力4級(jí)

二進(jìn)制變量

M50.4

海拔高度

無符號(hào)32位數(shù)

MD16

風(fēng)力5級(jí)

二進(jìn)制變量

M50.5

風(fēng)力0級(jí)

二進(jìn)制變量

M52.0

風(fēng)力6級(jí)

二進(jìn)制變量

M50.6

下面將小型氣象站監(jiān)測(cè)到的溫度、濕度、風(fēng)速和大氣壓力的變化趨勢(shì)如下面圖所示：

圖5-3溫度趨勢(shì)圖

圖5-4濕度趨勢(shì)圖

圖5-5大氣壓力趨勢(shì)圖

圖5-6風(fēng)速趨勢(shì)圖

圖5-7風(fēng)速等級(jí)輸出

圖5-8風(fēng)速等級(jí)輸出

圖5-7和圖5-8均為風(fēng)速等級(jí)輸出圖，從圖中不難看出本設(shè)計(jì)的風(fēng)速輸出的特點(diǎn)是不同的風(fēng)速等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的顏色，這樣也可以讓人可以一目了然的看出風(fēng)速變化。各個(gè)等級(jí)顯得更加鮮明。

圖5-9報(bào)警輸出

圖5-10海拔高度輸出

圖5-11舒適度輸出

同時(shí)設(shè)計(jì)的小型氣象站組態(tài)還實(shí)現(xiàn)報(bào)警輸出和海拔高度輸出以及舒適度輸出，這樣系統(tǒng)可以為人們的戶外活動(dòng)提供一個(gè)可靠、全面的監(jiān)控和推薦。我們?cè)O(shè)計(jì)的氣象站不僅可以檢測(cè)戶外大氣指數(shù)，而且還能夠智能的根據(jù)所檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)而做出相應(yīng)的反應(yīng)、輸出相應(yīng)的結(jié)果，可以使人很容易的就知道目前檢測(cè)范圍的實(shí)時(shí)情況如何，讓人更快捷的了解情況并根據(jù)所了解的現(xiàn)狀做出相應(yīng)的措施。

結(jié)論

結(jié)論

到這里，論文就已經(jīng)接近尾聲了。通過這段時(shí)間的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)到了很多，不僅是論文方面的學(xué)習(xí)還有在為人處世方面的感悟。

本設(shè)計(jì)是基于PLC小型氣象站設(shè)計(jì)，通過對(duì)空氣中溫濕度、風(fēng)向和大氣壓力的監(jiān)控，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的反應(yīng)。首先最基本的氣象站可以輸出實(shí)時(shí)溫濕度、實(shí)時(shí)風(fēng)速以及實(shí)時(shí)大氣壓力；當(dāng)某項(xiàng)空氣指數(shù)超過限定值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出相應(yīng)警報(bào)；同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所測(cè)量的大氣壓力輸出海拔高度。前期做了很多準(zhǔn)備，在圖書館和網(wǎng)上查找了許多關(guān)于設(shè)計(jì)方面的資料。程序設(shè)計(jì)以小型氣象站的控制系統(tǒng)為中心，首先對(duì)硬件做出來介紹，然后介紹軟件的選型。通過對(duì)硬件和軟件的介紹和說明，讓人一目了然的了解到了氣象站的工作原理和各項(xiàng)附加功能。

由于目前我們國(guó)家的自動(dòng)氣象站還處于飛速發(fā)展時(shí)期，所以本設(shè)計(jì)還存在一個(gè)更新?lián)Q代的問題，由于采用的元件大多都是國(guó)外的產(chǎn)品，所以對(duì)于后期得維護(hù)和維修存在很大局限性。因此我覺得我們今后的研究方向可以放在硬件和軟件的開發(fā)上面。

致謝

洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

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41

謝辭

本設(shè)計(jì)是在葛老師的指導(dǎo)和幫助下完成的。我非常感謝葛老師在論文的設(shè)計(jì)和研究的過程中給予了我很大的幫助和悉心的指導(dǎo)，更是給我指出了設(shè)計(jì)的方向，讓我有了一個(gè)清晰的頭緒。尤其是導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究精神和一絲不茍的工作態(tài)度一直在背后激勵(lì)這我前進(jìn)。由于所學(xué)不精，在設(shè)計(jì)初期我基本沒有頭緒，我曾去圖書館和網(wǎng)上查找了很多資料。但是仍有許多不懂的地方，期間老師和同學(xué)給了我很大的幫助，我請(qǐng)教的知識(shí)他們都耐心給了我很好的解答，使我逐漸對(duì)于設(shè)計(jì)有了一個(gè)大概得框架，然后通過努力最終完成了論文的圓滿完成。

都說嚴(yán)師出高徒，葛老師不僅在學(xué)習(xí)上嚴(yán)格要求我們，而且他淵博的知識(shí)總能給予我靈感，對(duì)我要完成的設(shè)計(jì)有了很大的觸動(dòng)。我覺得在葛老師的嚴(yán)格要求下我學(xué)到了很多，包括學(xué)習(xí)方面的同時(shí)也包括做人方面的。再次我謹(jǐn)向葛老師表達(dá)我心中誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。

在論文即將完成之際，我也同時(shí)要感謝在我寫論文期間給予我?guī)椭完P(guān)心的同學(xué)和朋友以及師長(zhǎng)，感謝他們無私的幫助和耐心的輔導(dǎo)。由于經(jīng)驗(yàn)欠缺和知識(shí)的積累，在設(shè)計(jì)方面難免有考慮不到的地方，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)

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附錄

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外文資料翻譯

Synopticweathertypingandregression-baseddownscalingapproacheshavebecomepopularinevaluatingtheimpactsofclimatechangeonavarietyofenvironmentalproblems,particularlythoseinvolvingextremeimpacts.Oneofthereasonsforthepopularityoftheseapproachesistheirabilitytocategorizeacomplexsetofmeteorologicalvariablesintoacoherentindex,facilitatingtheprojectionofchangesinfrequencyandintensityoffuturedailyextremeweathereventsand/ortheirimpacts.Thispaperillustratedthecapabilityofthesynopticweathertypingandregressionmethodstoanalyzeclimaticchangeimpactsonanumberofextremeweathereventsandenvironmentalproblemsforsouth–centralCanada,suchasfreezingrain,heavyrainfall,high-/low-streamflowevents,airpollution,andhumanhealth.Thesestatisticalapproachesarehelpfulinanalyzingextremeeventsandprojectingtheirimpactsintothefuturethroughthreemajorstepsoranalysisprocedures:(1)historicalsimulationmodelingtoidentifyextremeweathereventsortheirimpacts,(2)statisticaldownscalingtoprovidestation-scalefuturehourly/dailyclimatedata,and(3)projectingchangesinthefrequencyandintensityoffutureextremeweathereventsandtheirimpactsunderachangingclimate.Torealizethesesteps,itisfirstnecessarytoconceptualizethemodelingofthemeteorology,hydrologyandimpactsmodelvariablesofsignificanceandtoapplyanumberoflinear/nonlinearregressiontechniques.Becausetheclimate/weathervalidationprocessiscritical,aformalmodelresultverificationprocesshasbeenbuiltintoeachofthesethreesteps.Withcarefullychosenphysicallyconsistentandrelevantvariables,theresultsoftheverification,basedonhistoricalobservationsoftheoutcomevariablessimulatedbythemodels,showaverygoodagreementinallapplicationsandextremestestedtodate.Overall,themodeledresultsfromclimatechangestudiesindicatethatthefrequencyandintensityoffutureextremeweathereventsandtheirimpactsaregenerallyprojectedtosignificantlyincreaselatethiscenturyoversouth–centralCanadaunderachangingclimate.Theimplicationsoftheseincreasesneedbetakenintoconsiderationandintegratedintopoliciesandplanningforadaptationstrategies,includingmeasurestoincorporateclimatechangeintoengineeringinfrastructuredesignstandardsanddisasterriskreductionmeasures.Thispaperbrieflysummarizedtheseclimatechangeresearchprojects,focusingonthemodelingmethodologiesandresults,andattemptedtouseplainlanguagetomaketheresultsmoreaccessibleandinterestingtothebroaderinformedaudience.Theseresearchprojectshavebeenusedtosupportdecision-makersinsouth–centralCanadawhendealingwithfutureextremeweathereventsunderclimatechange.

Introduction

Ithasbecomewidelyrecognizedthathotspells/heatwaves,heavyprecipitation,andseverewinterandsummerstormeventsmayincreaseovermostlandareasoftheglobeduetoachangingclimate(Cubaschetal.1995;ZwiersandKharin1998;LastandChiotti2001;MeehlandTebaldi2004;Riedel2004;KharinandZwiers2005;Medina-RamónandSchwartz2007).TheFourthAssessmentReportoftheIntergovernmentalPanelonClimateChange(IPCCAR4)hasindicatedthatthefrequencyandintensityoftheseextremeweathereventsareprojectedtoverylikelyincreasegloballyinthiscentury(IPCC2007a).Itisfurtherprojectedthatclimatechangecouldinduceelevatedmortality/morbidityfromheatwaves,floods,anddroughtsaswellastheheavyrainfall-relatedfloodingrisks(IPCC2007b).Itisalsoexpectedthatmanyoftheserisksmaybefeltatthelocaltoregionalscales.

Inlightoftheseconcernsatalocalscalefortheareaofsouth–centralCanada,EnvironmentCanadahascompletedseveralresearchprojectstoprojectchangesinthefrequencyandintensityoffutureextremeweathereventsandtheirimpacts.Forexample,athree-yearresearchprojectonclimatechangeandhumanhealthwascompletedforfourcities(Montreal,Ottawa,Toronto,andWindsor)insouth–centralCanada,inpartnershipswithTorontoPublicHealth,McMasterUniversity,andthePublicHealthAgencyofCanada.Thisproject,fundedbytheHealthPolicyResearchProgramofHealthCanada,

attemptedtoevaluatedifferentialandcombinedimpactsofextremetemperaturesandairpollutiononhumanmortalityundercurrentandfutureclimates(Chengetal.2007a,b,2008a,b).Anotherthree-yearresearchprojectinvestigatedclimatechangeandextremerainfall-relatedfloodingrisksinfourriverbasins(Grand,Humber,Rideau,andUpperThames)ofsouthernOntario,Canada.ThisprojectwasledbyEnvironmentCanadaandfundedbytheGovernmentofCanada’sClimateChangeImpactsandAdaptationProgram(CCIAP),inpartnershipswithConservationOntario,OntarioMinistryoftheEnvironment,OntarioMinistryofNaturalResources,andCGIInsuranceBusiness,withtheaimofprojectingchangesinthefrequencyandintensityoffuturedailyheavyrainfallandhigh-/low-streamflowevents(Chengetal.2008c,2010,2011a).Anotherstudywascompletedtoprojectthepossibleimpactsofclimatechangeonfreezingrainin15citesofsouth–centralCanada,asshowninFig.1(Chengetal.2007c,2011b).

Whileglobalclimatemodels(GCMs)areanimportanttoolintheassessmentofclimatechange,mostoftheirsimulationsarerelevantforspatialandtemporalscalesmuchlargerthanthosefacedbymostdecision-makers.Ingeneral,decision-makersrequireguidanceonfutureclimateextremesatalocalscale,requiring“downscaling”ofthefutureclimateinformationfromtheGCMsandevenfromthefinerregionalclimatemodels(RCMs)tothestationsorcities.Twofundamentalapproachesexistfordownscalingoflarge-scaleGCMsimulationstoafinerspatialresolution(WilbyandWigley1997;Wilbyetal.2002;Fowleretal.2007).ThefirstoftheseisadynamicalapproachwhereahigherresolutionclimatemodelisembeddedwithinaGCM.ThesecondapproachistousestatisticalmethodstoestablishempiricalrelationshipsbetweenGCM-resolutionclimatevariablesandlocalobservedstation-scaleclimatevariablesofinteresttodecision-makers.Inmanycases,

statisticalmethodsmaystillneedtobeappliedtolinkthedynamicaldownscalingorhigherresolutionregionalscaleclimatemodelresultstolocalclimatesandparametersofimportancetolocaldecision-makers(Fowleretal.2007).

Ofthestatisticaldownscalingapproaches,moresophisticatedofthestatisticaldownscalingmethodologiescanbeclassifiedintothreegroups:(1)regression-basedmodels,(2)weathertypingschemes,and(3)weathergenerators.Severalkeyprinciplesneedtobeconsideredintheapplicationofstatisticaldownscalingtechniquesinordertoyiel