一、背景概述
隨著計算機技術的進步和智能控制理論的發展，近百年來，糧食烘干塔作為糧食存儲的重要組成部分，其自動控制和管理技術不斷得以提高，在世界各地都得到了長足的發展。特別是20世紀70年代電子技術的迅猛發展和微型計算機日新月異的進步和價格大幅度下降，以及對環境控制要求的提高，以微機為核心的綜合環境控制系統，在歐美得到了長足的發展，并邁入了網絡化、智能化階段。
我國是占世界人口五分之一的農業大國，糧食的安全儲藏是關系到國計民生的重要問題，也是國家為防止戰爭、災荒以及其它突發性事件而采取的有效措施。影響糧食安全儲藏的主要因素是水分含量，水分含量過高，生化反應加劇，必然引起糧食“發燒”和霉變，造成不可挽回的經濟損失。因此，每年我國的東北、華北地區收購的大量潮糧入庫前需要烘干，并進行水分檢測。糧食烘干過程中測量的主要參數是水分含量，但是溫度的測量也不可忽略，溫度過低，達不到烘干要求，溫度過高，則會燒壞糧食。因此，改善糧食烘干塔的溫度濕度檢測系統具有重要的社會意義和經濟意義。
二、溫濕度檢測系統的硬件設計
構成糧食烘干塔溫度、濕度控制系統的硬件主要包括：熱電偶，pt100，溫濕度傳感器SHT75，PLC控制器，觸摸屏等設備，控制系統結構圖如下所示：2-1 溫度、濕度采集系統結構圖
2.1 主控制器PLC的選擇
PLC作為工業控制器，其系統構成靈活，擴展容易，以開關量控制為其特長。
本系統選用的是西門子的S7-300 CPU314模塊化微型PLC系統，它能滿足中、小規模的性能要求和適應自動化控制任務簡單實用的分布式結構和多界面網絡能力，使得應用十分靈活，各種性能的模塊可以非常好得滿足該控制系統，并且能滿足后續功能的擴展要求。
西門子CPU314用于具有中等程序規模需求的應用，對二進制和浮點數運算具有較高的處理能力。CPU運行需要SIMATIC微存儲卡(MMC)西門子CPU314應用領域CPU314用于對處理能力和響應速度有很高要求的場合。通過其工作存儲器，該CPU也適用于中等規模的應用。
CPU314安裝有：
（1）微處理器：處理器對每條二進制指令的處理時間大約為60ns，每個浮點預算的時間為0.59µs。
（2）擴展存儲器：與執行相關的程序段的128KB高速RAM（相當于約42K指令）可以為用戶程序提供足夠的空間； SIMATIC微型存儲卡（最大8MB）作為程序的裝載存儲器，還允許將項目（包括符號和注釋）存儲在CPU中。
（3）靈活的擴展能力：多達32個模塊（4排結構）。
（4）MPI多點接口：集成的MPI接口最多可以同時建立與S7-300/400或編程設備、PC、OP的12條連接。在這些連接中，始終為編程器和OP分別預留一個連接。通過“全局數據通訊”，MPI可以用來建立最多16個CPU組成的簡單網絡。
西門子CPU314功能：
（1）口令保護：用戶程序使用密碼保護，可防止非法訪問。
（2）診斷緩沖：診斷緩沖區中可存儲最后500個錯誤和中斷事件，其中的100個事件可以長期保留。
（3）免維護的數據后備：如果電源中斷，CPU將所有數據（多達64KB）自動寫到SIMATIC微型存儲卡（MMC卡）上，從而使數據可以在電壓恢復后再次使用，且不會發生改變。
2.2 溫濕度傳感器
本系統選用SHT75溫濕度傳感器，傳感器模塊SHTxx系列單芯片傳感器是由瑞士Sensirion的一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接。SHTxx采用串行接口，它的分辨率可以根據對現場的采集速率而進行調整，一般情況下默認的測量分辨率分別為14bit（溫度）、12bit（濕度），如果在高速采集中就可分別降至12bit和8bit，它操作比較簡單，只需用一組“啟動傳輸”時序，就能實現傳感器數據傳輸的初始化，同時，在測量和通訊結束后，SHTxx會自動轉入休眠模式，這大大的減少了功耗。SHT75的外形圖如下所示：
圖2-2 SHT75外形圖
1、技術指標:
-SHT75系列為插針型溫濕度傳感器芯片；
-全量程標定,兩線數字輸出；
-濕度測量范圍:0~100RH；
-溫度測量范圍:-40~+123.8℃；
-濕度測量精度: ±1.8RH；
-溫度測量精度:±0.3℃；
-響應時間:<8s；
-低功耗 (typ. 30μW) -可完全浸沒。
2、特點
相對濕度和溫度一體測量；
精確露點測量；
全量程標定,無需重新標定即可互換使用；
超快響應時間；
兩線制數字接口(簡單的系統集成,較低的價格)；
超小尺寸(7.5×5×2.5 mm)；
高可靠性(工業CMOS工藝)優化的長期穩定性；
可完全浸沒水中；
基于請求式檢測,因此低能耗；
具有濕度傳感器元件的自檢測能力；
傳感器元件加熱應用,亦可獲得極高的精度和穩定性。
3、SHT75的命令和控制寄存器
注：5位命令位和3個地址位（“000”且“000”在前）組合起來構成一個完整的命令字節。
表2-1 命令列表
表2-2 內部控制寄存器
2.3 熱電偶
熱電偶是用來測量溫度的。熱電偶是將兩種不同金屬或合金金屬焊接起來，構成一個閉合回路，利用溫差電勢原理來測量溫度的，當熱電偶兩種金屬的兩端有溫度差，回路就會產生熱電動勢，溫差越大，熱電動勢越大，利用測量熱電動勢這個原理來測量溫度。
結構示意圖如下：
圖2-3 熱電偶測量結構示意圖
注意：如上圖所示，熱電偶是有正負極性的，所以需要確保這些導線連接到正確的極性，否則將會造成明顯的測量誤差。
為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，安裝要求如下：
① 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固；
② 兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；
③ 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
④ 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離；
⑤ 熱電偶對于外界的干擾比較敏感，因此安裝還需要考慮屏蔽的問題。
本系統中采用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶,其外形圖如下圖所示：
圖2-3 熱電偶外形圖1、主要特點
1、裝配簡單，更換方便；
2、壓簧式感溫元件，抗震性能好；
3、測量精度高；
4、測量范圍大（0℃～1300℃）；
5、熱響應時間快；
6、機械強度高，耐壓性能好；
7、耐高溫可達2800度；
8、使用壽命長。
2、工作原理當有兩種不同的導體或半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關。這種現象稱為“熱電效應”，兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產生的電動勢則稱為“熱電動勢”。
熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導體的接觸電動勢，另一部分是單一導體的溫差電動勢。
熱電偶回路中熱電動勢的大小，只與組成熱電偶的導體材料和兩接點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關。當熱電偶兩電極材料固定后，熱電動勢便是兩接點溫度t和t0。的函數差。即
EAB(t,t0)=f(t)-f(t0) (2-1)
EAB(t,t0)=f(t)-C=ψ(t) (2-2)
這一關系式在實際測溫中得到了廣泛應用。因為冷端t0恒定，熱電偶產生的熱電動勢只隨熱端(測量端)溫度的變化而變化，即一定的熱電動勢對應著一定的溫度。我們只要用測量熱電動勢的方法就可達到測溫的目的。
熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(Seebeck effect）。兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。
在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與測量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。若測量時，冷端的（環境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。與測量儀表連接用專用補償導線。
3、熱電偶冷端補償計算方法：
從毫伏到溫度：測量冷端溫度，換算為對應毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算出溫度；
從溫度到毫伏：測量出實際溫度與冷端溫度，分別換算為毫伏值，相減後得出毫伏值，即得溫度。
4、線性化方式
線性化方式下，由模板內部根據所選擇的熱電偶類型的特性進行線性處理，可以使用LPIWxxx直接讀入，則將獲得十進制的溫度值，精度為0.1。例如：讀進來的十進制值為2345，則對應的溫度值為234.5℃。
2.4.1 博圖
西門子PLC在工業控制領域有著廣泛的應用，其中新一代的西門子PLC S7-1200系列和西門子PLC S7-1500系列的出現，為用戶提供了更多的便利。對于新一代的西門子PLC，用戶需要使用博途軟件STEP7對其進行程序的邏輯設計，通過博途軟件WinCC來對控制系統進行界面的設計和組態。博途軟件是一個系統，里面包含有多種軟件，可以滿足用戶在不同自動化控制系統中的各種需求。本文下面就對博途軟件系列做一個詳細介紹，供用戶進行參考。
西門子博途軟件系列可以分為以下版本：
1. WinCC (TIA Portal)：WinCC Basic、WinCC Comfort、WinCC Advanced和WinCC Professional。
2.兩個運行系統：WinCC Runtime Advanced和WinCC Runtime Professional。
這些版本之間的區別在于所組態的設備不同。
(1)WinCC Basic：可以組態所有的 Basic 面板。
(2)WinCC Comfort：可以組態由WinCC (TIA Portal)組態的所有面板(Basic Panels、Comfort Panels、Mobile Panels、x77 Panels和Multi Panels)。
(3)WinCC Advanced：除了組態面板外，還可以組態基于PC的運行系統"WinCC Runtime Advanced"。
(4)WinCC Professional：除了"WinCC Advanced"可組態的設備外，還可以組態基于PC的運行系統 "WinCC Runtime Professional" 。
各版本之間可以使用power packs升級。例如，可以先使用WinCC Comfort，如果有需要的話，再升級到WinCC Advanced或WinCC Professional版本。
在項目中使用的功能 (例如，腳本、圖形對象)依賴于所組態的設備，而不是使用的組態版本。
為了能夠完整地使用組態系統并啟動運行系統，需要相應的面板以及WinCC Runtime Advanced或WinCC Runtime Professional。并且在組態系統中，可以使用仿真測試在項目中使用的功能，但是訪問HMI面板的文件系統等功能除外。
因此，組態項目所需的版本依賴于項目中所使用的設備。右擊項目樹中的項目名稱，點擊屬性，所需的軟件位于"項目中的軟件產品"。
綜上所述，西門子博途軟件STEP7，WinCC等為用戶提供了強大的功能，用戶可以根據項目中的實際需求進行選擇。西門子博途軟件系列為用戶提供了很好的支持，使得用戶的程序設計變得簡單有效，并可以將整套自動化控制系統集成在一起進行操作和控制，極大的提高了工程效率，降低了維護成本。
2.4.2 HMI與人機界面
西門子HMI操作面板一般安裝在控制柜的正面，便于用戶對設備和數據進行監控。
人機界面產品是為了解決西門子PLC的人機交互問題而產生的，但隨著計算機技術和數字電路技術的發展，很多工業控制設備都具備了串口通訊能力，所以只要有串口通訊能力的工業控制設備，如變頻器、直流調速器、溫控儀表、數采模塊等都可以連接人機界面產品，來實現人機交互功能。
人機界面產品是一種包含硬件和軟件的人機交互設備。“觸摸屏”是人機界面產品中可能用到的硬件部分，是一種替代鼠標及鍵盤部分功能，安裝在顯示屏前端的輸入設備。
任何人機界面產品都有系統軟件部分，系統軟件運行在西門子HMI的處理器中，支持多任務處理功能，處理器中需有小型的操作系統管理系統軟件的運行。基于平板計算機的高性能人機界面產品中，一般使用WinCE，Linux等通用的嵌入式操作系統。
人機界面產品，常被大家稱為“觸摸屏”，包含西門子HMI硬件和相應的專用畫面組態軟件，一般情況下，不同廠家的西門子HMI硬件使用不同的畫面組態軟件，連接的主要設備種類是西門子PLC。而組態軟件是運行于PC硬件平臺、windows操作系統下的一個通用工具軟件產品，和PC機或工控機一起也可以組成西門子HMI產品;通用的組態軟件支持的設備種類非常多，如各種西門子PLC、PC板卡、儀表、變頻器、模塊等設備，而且由于PC的硬件平臺性能強大，通用組態軟件的功能也強很多，適用于大型的監控系統中。
有通訊功能的設備一定能和人機界面產品連接,因為通用的人機界面產品都提供了大量的、可供選擇的常用設備通訊驅動程序;一般情況下，只要在人機界面的畫面組態軟件中選擇與連接設備相對應的通訊驅動程序，就可以完成西門子HMI和設備的通訊連接。如果所選西門子HMI產品的組態軟件中沒有要連接設備的通訊驅動程序，用戶則可以把要連接設備的通訊口類型和協議內容告知西門子HMI產品的生產商，請HMI廠商代為編制該設備的通訊驅動程序。
大多數情況下,人機界面只能通過標準的串行通訊口與其它設備相連接。但隨著計算機和數字電路技術的發展，人機界面產品的接口能力越來越強。除了傳統的串行(RS232、RS422/RS485)通訊接口外，有些人機界面產品已具有網口、并口、USB口等數據接口，它們就可與具有網口、并口、USB口等接口的工業控制設備相連接，來實現設備的人機的交互。
隨著數字電路和計算機技術的發展，未來的人機界面產品在功能上的高、中、低劃分將越來越不明顯，西門子HMI的功能將越來越豐富;5.7寸以上的西門子HMI產品將全部是彩色顯示屏，屏的壽命也將更長。由于計算機硬件成本的降低，西門子HMI產品將以平板PC計算機為西門子HMI硬件的高端產品為主，因為這種高端的產品在處理器速度、存儲容量、通訊接口種類和數量、組網能力、軟件資源共享上都有較大的優勢，是未來西門子HMI產品的發展方向。當然，小尺寸的(顯示尺寸小于5.7寸)西門子HMI產品，由于其在體積和價格上的優勢，隨著其功能的進一步增強(如增加IO功能)，將在小型機械設備的人機交互應用中得到廣泛應用。
西門子HMI操作面板為用戶提供了多種配置，滿足所有用戶在不同現場情況下的需求。隨著工業自動化的發展，西門子HMI操作面板將為客戶提供更優質的解決方案。
本系統選擇TP700觸摸屏舒適型。TP700 7.0 英寸寬屏TFT顯示屏，分辨率 800 x 480，1600萬色1個PROFINET接口（2 個端口，帶集成開關）和1個 PROFIBUS接口觸摸屏TP177B/TP277觸摸式面板和多功能面板MP177 6寸創新的后續產品。
2.4.3PLCSIM仿真軟件
S7-PLCSIM，是西門子公司開發的可編程控制器模擬軟件，它在step7集成狀態下實現無硬件模擬，也可以與WinCC flexible一同集成與Step7環境下實現上位機監控模擬。S7-PLCSIM是學習S7-300必備的軟件，不需要連接真實的CPU即可以仿真運行，直接安裝即可。
用于在PG/PC中測試所創建的SIMATIC S7用戶功能塊的功能，測試與目標硬件的可用性無關, 在程序的早期開發階段進行程序調試, 用于更快速、更低廉的初始起動以及提高程序質量, 可適用于：LAD、FBD、STL、S7-GRAPH、S7-HiGraph、S7-SCL、CFC、S7-PDIAG、WinCC。
PLCSIM可以仿真S7-300/400全系列和WinAC 3.X控制器，可以在仿真PLC的圖型化界面中創建輸出/輸出，累加器，計時器等過程數據的可視化窗口對象。同樣，還可以通過變量地址創建存儲器的變量顯示窗口，實時監視和修改控制程序的過程參數。
PLC的運行模式可以RUN、STOP、RUN-P和MERS在圖形化界面中查看和切換，與真實的硬件PLC完全一致。“切片”功能：CPU進行即刻暫停，使我們分析程序運行瞬間的動作“切片”PLCSIM還支持各種中斷組織塊(OB, Organization Block),在仿真器上就可以完成對程序性能的測試。
仿真器界面如圖所示：
圖2-4 仿真器界面
2.5 溫濕度控制系統軟件設計
1、符號表
圖2-5 符號表
2、系統設計
（1）主函數流程圖
圖2-6 系統流程圖
系統通過調用子函數來將處理后的數據存入到數據塊，以便與人機界面相連接，達到監控的目的。其中FC1模塊調用14次，表示14路溫度采集，FC2模塊調用6次，可同時采集溫濕度各6路，FC3模塊調用2次，表示2路高溫采集。
(2)主函數程序
圖2-7 第一路溫度采集程序
以第一路溫度采集為例，將傳輸過來的溫度存儲到了數據模塊中。
(3)子函數流程圖
圖2-8 子函數流程圖
從傳感器傳輸到PLC中數據會有個10倍的關系，所以在此需要進行這個倍數轉換。
(3)溫度數據處理模塊程序
圖2-9 溫度數據處理模塊程序
從輸入端讀取的數值是實際數值的10倍，所以處理數據時，需要除以10來解決這個問題。
（4）濕度處理模塊程序
圖2-10 濕度數據處理模塊程序
從輸入端讀取的數值是數字量，所以處理數據時，需要將其轉化成我們需要顯示的模擬量來解決這個問題。
2.6 溫濕度控制系統界面設計
(1)啟動畫面
圖2-11 啟動畫面界面
(2)趨勢界面
圖2-12 趨勢界面
三、溫濕度檢測系統的調試過程
由于本身沒有傳感器傳輸數據到PLC的接收端口，此處僅按照仿真方式來進行。通過仿真軟件PLCSIM中MD100, MD104, MD156，MD160，MD180，MD184，MD204，MD208來達到仿真目的,設定相應值，得出仿真圖如下：
圖3-1 設定輸入值
圖3-2 啟動畫面顯示
圖3-3 高溫與溫度趨勢圖
圖3-4 溫濕度中溫度趨勢圖
圖3-5 溫濕度中濕度趨勢圖
四、結論
本設計綜合利用可編程控制器(PLC)技術、傳感器技術等知識，完成了PLC檢測的溫度、濕度的設計。充分利用了PLC的功能指令完成了系統軟件的設計。
1.把傳感器技術應用到PLC控制系統中，實現了對糧食烘干塔的數據采集和讀取。
2.在本設計的基礎上可以方便地進行各種功能的擴展。例如，可以把功能擴延伸為實現對糧食烘干塔溫濕度的控制。
3.整個系統軟硬件搭配合理，設計、開發、維護方便，隨著功能的進一步擴展和PLC價格的降低，其性價比會越來越高。
通過文中內容的分析，可有效降低我國基于西門子S7-300系列PLC的溫濕度檢測儀器的設計與開發難度，同時，這類儀器在我國相關類型較少，需求量較高，具有廣闊的市場前景與發展潛力。本文通過分析與探索基于PLC系統的溫濕度檢測設計方案，從而達到直接控制其效果與功能上可說明西門子S7-300系列PLC具有較高的控制性與穩定性，且擁有配置方案較多，編程操作簡單，便于維修等優勢存在，而且可根據不同情況改變當前工藝要求，十分適用于新設備的系統開發工作，具有重要的現實意義與應用價值。
五、參考文獻
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六、附錄
(1)OB1主函數程序
(2)FC1溫度采集程序
(3)FC2溫濕度采集程序
(4)FC3高溫采集程序
(5)DB1采集數據模塊
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