基于工控機及PLC的蠶種孵化過程實時控制系統

1 引言
   
　　修水縣是江西省的蠶桑大縣，蠶絲產量是該縣的經濟支柱，且關系到千家萬戶農民的切身利益，為了提高蠶種的產量和質量，促進蠶桑經濟的發展，該縣蠶桑局委托我們開發蠶種孵化過程的溫濕度實時控制系統。

2 系統結構及控制流程
   
　　修水縣蠶桑局蠶種孵化樓共三層，每層有6個孵化室，根據技術要求和孵化室的地理位置，我們采用了按層控制的方案，即每一層的6個孵化室為一個獨立的控制系統，使用一個PLC對其溫度和濕度進行控制，各PLC通過雙絞屏蔽線與工控機互聯，整個系統為二級計算機監控，系統結構如圖1所示。圖中溫濕度變送器采用北京昆侖海岸傳感技術中心的JWSF-3AC-E型溫濕度變送器，該變送器為三線制電流遠傳，輸出為標準的4～20mA電流信號（兩路）；巡檢儀也采用北京昆侖海岸傳感技術中心的XSL/A16BS3巡回檢測報警儀，具有16通道4～20mA電流輸入（實際只用了12通道，其中6個溫度通道6個濕度通道），輸出為數字信號，共19位，其中D18～D14為通道編碼，D13為極性，D12～D0為溫濕度數值，各通道數據分時巡回輸出，通過設置各通道的量程上、下限還可巡回顯示各通道的溫濕度數值；PLC采用西門子S7-200系列CPU226（增加擴展模塊EM223），由于西門子PLC提供的是RS485串行接口，而工控機只提供了RS232串行接口，所以在PLC和工控機之間必須使用RS485/232電平轉換器。

　　控制方案為：安裝在各孵化室的溫濕度變送器將孵化室的溫濕度信號轉換成4～20mA的電流信號并送至巡檢儀，巡檢儀根據事先設置的量程上、下限將電流信號轉換成溫濕度數據并巡回顯示，同時還以二進制形式巡回輸出這些數據至PLC，PLC以開關量的形式采集這些二進制數據，并按照規定的格式將這些二進制數據轉換成各孵化室的溫濕度數據，然后與按工藝要求設定的溫濕度數據進行分段比較、判別，發出控制信號，控制信號經控制板功率放大，驅動相關執行器（空調、加熱器和補濕器）實施孵化室的分段溫濕度控制。采用上述控制方案既保證了在工控機或通信發生故障時，可根據巡檢儀顯示的數據，采用人工調節的方式對孵化室的溫濕度進行控制，又避免了在PLC中增加A/D轉換模塊，從而確保了系統的可靠性，降低了成本。

3軟件設計
   
　　根據控制方案及用戶要求，工控機主要完成下列功能：工藝流程的設置，控制參數的修改，實時數據的顯示、報警及保存，蠶種銷售的管理等。我們選用Delphi作為前臺程序設計語言，設計各種人機界面和工控機部分的通信程序，Microsoft Access作為后臺數據庫系統，用于保存各孵化室的分段溫濕度設定值、整點實際值、報警記錄及蠶種銷售記錄等，修改控制參數的人機界面如圖2所示。

　　由于工控機既要完成人機界面操作，同時又要與PLC進行串行數據通信，為了保證人機界面的操作不影響數據通信的正常進行，而數據通信的進行也不會造成人機界面的停滯或反應不及時，我們在程序中引入了多線程的機制，將程序處理的任務分為兩個線程：響應用戶操作線程和數據通信線程，并且把響應用戶操作線程作為主線程，該線程具有最高優先級，以保證系統能夠快速響應操作員的各種操作，而數據通信線程的優先級設為較低。
   
　　PLC部分的程序主要完成各孵化室溫濕度的實時采集，并與設定值進行比較、判別，發出控制信號，控制空調、加熱器、補濕器及電機的啟停，確保空調、加熱器及補濕器兩次啟動的最短間隔時間滿足系統設置的要求，還確保了空調（用于制冷）和加熱器不會同時開啟。PLC的另一個任務是與工控機進行串行通信。

4串行通信
  
　　西門子S7-200系列PLC的通信口主要有兩種工作方式：PPI方式和自由口方式，PPI方式專門用于西門子PLC與其編程器或人機接口產品之間的通信，不對外公開，而自由口方式完全對用戶開放，采用自由口方式，S7-200系列PLC可以與任意具有串口的設備進行通信。
   
　　自由口通信采用主從方式，工控機為主站，PLC為從站，PLC始終處于被動狀態，隨時準備接收計算機的通信請求幀，只有在PLC接收到工控機發送來的請求幀后，才能回送相應的幀。工控機發送請求幀采用周期性通信，周期為10秒。本系統采用半雙工方式通信，物理層采用RS485協議，波特率為9600bps，數據長度8位，停止位1位，采用奇校驗。
   
　　工控機部分的通信程序由Delphi實現，利用Delphi實現串行通信的方法有多種（如使用控件、調用API函數、嵌入匯編、調用動態鏈接庫等），我們采用了SPComm控件實現串行通信，其主要屬性有：CommName、BauRate、ParityCheck、ByteSize、StopBits等，分別用來設制串口名、波特率、是否校驗、采用奇還是偶校驗、數據長度、停止位數等，主要方法有StartComm、StopComm，分別用來打開和關閉串口。
   
　　本系統中工控機與PLC之間傳輸的信息有兩種：工控機發送的組態數據（溫濕度的設定值，空調、加熱器、補濕器兩次啟動之間的最短間隔時間等）和PLC發送的現場數據（主要是各孵化室的溫濕度數據和空調、加熱器、補濕器及電機的狀態），因此，我們定義了如下通信協議（其中XX為從站號）。

　　每當PLC接收到工控機發出的信息后即觸發中斷服務程序，中斷服務程序根據事先定義的幀格式（即通信協議）識別其內容，作出相應的響應。在工控機發送組態數據時，若出現無應答、應答錯誤或累計和錯誤，工控機延時10秒后再發R命令，若連續6次出現上述情況，則發出通訊錯誤報警。在工控機接收現場數據時，若出現無應答、應答錯誤，上位機延時10秒后重發T命令，若連續6次出現上述情況，也發出通訊錯誤報警。

5 結束語
   
　　本系統投入運行一年來，據用戶反映可靠性高、效果好。由于控制精度高，工藝正確，孵化出來的蟻蠶強健、好養，成繭繭層厚、繭絲長、凈度優，社會經濟效益十分明顯。