基于工控机及PLC的蚕种孵化过程实时控制系统

1 引言
   
　　修水县是江西省的蚕桑大县，蚕丝产量是该县的经济支柱，且关系到千家万户农民的切身利益，为了提高蚕种的产量和质量，促进蚕桑经济的发展，该县蚕桑局委托我们开发蚕种孵化过程的温湿度实时控制系统。

2 系统结构及控制流程
   
　　修水县蚕桑局蚕种孵化楼共三层，每层有6个孵化室，根据技术要求和孵化室的地理位置，我们采用了按层控制的方案，即每一层的6个孵化室为一个独立的控制系统，使用一个PLC对其温度和湿度进行控制，各PLC通过双绞屏蔽线与工控机互联，整个系统为二级计算机监控，系统结构如图1所示。图中温湿度变送器采用北京昆仑海岸传感技术中心的JWSF-3AC-E型温湿度变送器，该变送器为三线制电流远传，输出为标准的4～20mA电流信号（两路）；巡检仪也采用北京昆仑海岸传感技术中心的XSL/A16BS3巡回检测报警仪，具有16通道4～20mA电流输入（实际只用了12通道，其中6个温度通道6个湿度通道），输出为数字信号，共19位，其中D18～D14为通道编码，D13为极性，D12～D0为温湿度数值，各通道数据分时巡回输出，通过设置各通道的量程上、下限还可巡回显示各通道的温湿度数值；PLC采用西门子S7-200系列CPU226（增加扩展模块EM223），由于西门子PLC提供的是RS485串行接口，而工控机只提供了RS232串行接口，所以在PLC和工控机之间必须使用RS485/232电平转换器。

　　控制方案为：安装在各孵化室的温湿度变送器将孵化室的温湿度信号转换成4～20mA的电流信号并送至巡检仪，巡检仪根据事先设置的量程上、下限将电流信号转换成温湿度数据并巡回显示，同时还以二进制形式巡回输出这些数据至PLC，PLC以开关量的形式采集这些二进制数据，并按照规定的格式将这些二进制数据转换成各孵化室的温湿度数据，然后与按工艺要求设定的温湿度数据进行分段比较、判别，发出控制信号，控制信号经控制板功率放大，驱动相关执行器（空调、加热器和补湿器）实施孵化室的分段温湿度控制。采用上述控制方案既保证了在工控机或通信发生故障时，可根据巡检仪显示的数据，采用人工调节的方式对孵化室的温湿度进行控制，又避免了在PLC中增加A/D转换模块，从而确保了系统的可靠性，降低了成本。

3软件设计
   
　　根据控制方案及用户要求，工控机主要完成下列功能：工艺流程的设置，控制参数的修改，实时数据的显示、报警及保存，蚕种销售的管理等。我们选用Delphi作为前台程序设计语言，设计各种人机界面和工控机部分的通信程序，Microsoft Access作为后台数据库系统，用于保存各孵化室的分段温湿度设定值、整点实际值、报警记录及蚕种销售记录等，修改控制参数的人机界面如图2所示。

　　由于工控机既要完成人机界面操作，同时又要与PLC进行串行数据通信，为了保证人机界面的操作不影响数据通信的正常进行，而数据通信的进行也不会造成人机界面的停滞或反应不及时，我们在程序中引入了多线程的机制，将程序处理的任务分为两个线程：响应用户操作线程和数据通信线程，并且把响应用户操作线程作为主线程，该线程具有最高优先级，以保证系统能够快速响应操作员的各种操作，而数据通信线程的优先级设为较低。
   
　　PLC部分的程序主要完成各孵化室温湿度的实时采集，并与设定值进行比较、判别，发出控制信号，控制空调、加热器、补湿器及电机的启停，确保空调、加热器及补湿器两次启动的最短间隔时间满足系统设置的要求，还确保了空调（用于制冷）和加热器不会同时开启。PLC的另一个任务是与工控机进行串行通信。

4串行通信
  
　　西门子S7-200系列PLC的通信口主要有两种工作方式：PPI方式和自由口方式，PPI方式专门用于西门子PLC与其编程器或人机接口产品之间的通信，不对外公开，而自由口方式完全对用户开放，采用自由口方式，S7-200系列PLC可以与任意具有串口的设备进行通信。
   
　　自由口通信采用主从方式，工控机为主站，PLC为从站，PLC始终处于被动状态，随时准备接收计算机的通信请求帧，只有在PLC接收到工控机发送来的请求帧后，才能回送相应的帧。工控机发送请求帧采用周期性通信，周期为10秒。本系统采用半双工方式通信，物理层采用RS485协议，波特率为9600bps，数据长度8位，停止位1位，采用奇校验。
   
　　工控机部分的通信程序由Delphi实现，利用Delphi实现串行通信的方法有多种（如使用控件、调用API函数、嵌入汇编、调用动态链接库等），我们采用了SPComm控件实现串行通信，其主要属性有：CommName、BauRate、ParityCheck、ByteSize、StopBits等，分别用来设制串口名、波特率、是否校验、采用奇还是偶校验、数据长度、停止位数等，主要方法有StartComm、StopComm，分别用来打开和关闭串口。
   
　　本系统中工控机与PLC之间传输的信息有两种：工控机发送的组态数据（温湿度的设定值，空调、加热器、补湿器两次启动之间的最短间隔时间等）和PLC发送的现场数据（主要是各孵化室的温湿度数据和空调、加热器、补湿器及电机的状态），因此，我们定义了如下通信协议（其中XX为从站号）。

　　每当PLC接收到工控机发出的信息后即触发中断服务程序，中断服务程序根据事先定义的帧格式（即通信协议）识别其内容，作出相应的响应。在工控机发送组态数据时，若出现无应答、应答错误或累计和错误，工控机延时10秒后再发R命令，若连续6次出现上述情况，则发出通讯错误报警。在工控机接收现场数据时，若出现无应答、应答错误，上位机延时10秒后重发T命令，若连续6次出现上述情况，也发出通讯错误报警。

5 结束语
   
　　本系统投入运行一年来，据用户反映可靠性高、效果好。由于控制精度高，工艺正确，孵化出来的蚁蚕强健、好养，成茧茧层厚、茧丝长、净度优，社会经济效益十分明显。