【基于PLC的智能温室控制系统设计12000字（论文）】

VII基于PLC的智能温室控制系统设计摘要作为世界第一农业大国，农业生产在我国国民经济中有着举足轻重的地位。人们对绿色农产品的需求也随着生活水平的提高日益增强，因此我国农业由粗放式向集约式、精细式发展已经成为一种必然趋势，而设施农业作为其中的一个重要途径，越来越受到重视。作物生长主要受温度、湿度、光照强度、CO2浓度等环境因素的影响，建造智能温室的目的就是为了对这些环境参数进行自动控制。通过对温室控制对象和温室环境的特点的分析，确定了控制系统的结构和控制方案，本文设计了以PLC为下位机，以装有组态王软件的PC机为上位机的分布式智能温室监控系统。硬件主要包括PLC及其特殊功能模块、各种传感器电路、电源和执行部件，软件主要是组态王软件和三菱PLC编程软件GXDeveloper。控制系统有手动控制和自动控制两种控制方式。在自动控制模式下，下位机PLC通过传感器采集环境参数，并与用户设定的环境参数上限下限比较，控制相应执行部件启停，调节温室环境参数。在手动控制模式下，用户根据需要控制上位机组态王手动画面的模拟开关，控制PLC发出开关指令控制对应执行机构，对温室环境进行调节。上位机PC的组态软件与下位机PLC通信，完成人机交互的功能。通过组态王实时显示下位机采集的环境参数当前值、执行部件状态、故障报警等，同时可以进行趋势曲线查看、报表操作、数据库操作等。另外用户设定环境参数、手动自动控制切换、手动控制模式下控制模拟开关也在组态王上进行。关键词：智能温室；环境参数；控制；PLC；组态王1绪论1.1题目来源和背景我国作为世界第一农业大国，农业生产在我国国民经济中有着举足轻重的地位。作为一个占全世界人口1/5的大国，可耕地面积却只占世界可耕地面积的7%，人均可耕地面积仅为世界平均水平的1/3，土地资源较为匮乏。同时由于环境污染和农产品消费需求的转变，人们对绿色食品的需求也大大增加。因此我国农业由粗放式向集约式、精细式发展已经成为一种必然趋势，设施农业作为其中的一个重要途径，越发受到重视。作物生长主要受温度、湿度、光照强度、CO2浓度等因素的影响，而建造智能温室的目的就是为了对这些环境参数进行自动控制。温室农业避免了作物受自然环境因素的限制，能够使作物按照自身的最佳模式生长，让作物与环境统一起来，对农业的发展有重要的意义。1.2研究目的自主研究开发设计一套适合我国现阶段农业种植生产情况，投入成本低、运行效果明显且具有独立知识产权的现代化花卉温室大棚智能控制系统就显得尤为重要。首先，这可以大幅度提高花卉温室大棚智能控制水平；其次，通过精确控制农业种植作物的生长环境，促进花卉生长，使花卉产量大大提高。最后，我们还希望通过此系统的研发，可以使传统花卉种植与线上技术相互触碰，从而达到对中国传统花卉种植业从研发、生产到销售的整个产业链的重新升级。利用现代技术和互联网加农业这一先进理念，为我国的花卉种植产业开启新时代的大门。综上所述，研发出一套具有完善功能的花卉种植自动化控制系统，有着极其重要的经济价值及社会价值。1.3国内外研究现状1.3.1国内研究现状中国的农业已经有了千多年的发展，早在几千年前的象形文字上我们就可以找到对植物种植技术的阐述。解放前，中国长江以北的广大区域内，为了可以满足人们对冬季农作物的需要，便已着手推广并使用大棚。但是当时的大棚主要是铺上一层塑料，很难起到对棚内环境真正的调控，更不用说去满足农业作物在生长过程中对环境的各种需求。刚刚改革开放后，国内种植领域专业研究者通过消化吸收西方先进国家在种植领域的宝贵经验，以自动化监控技术为蓝本，逐步开始了我国农业种植温室内部环境计算机自动化控制技术的开发，但当时只能实现对温度以及湿度等温室内部参数的单独调控，此后国内种植技术得到了快速推广。但此时国内只重视引入农业种植温室的硬件设施，恰恰忽视了农业种植温室的运行经验和作物培育技术，并且引进的农业种植温室监控设备运行能耗太高，导致农业种植生产行业相继亏损甚至倒闭。自上个世纪90年代中后期，国内农业科技人员通过对国外进口的农业种植温室设备的选型、农业作物种植的种类、以及立体培育技术等领域深入探索的基础上，独立自主研发了一系列具有科学研究性质的大棚环境监控系统。这其中最具代表行的技术主要来自于中国农业大学和江苏理工大学。它们研发的系统能够对温室内部的营养液施用系统、温室内部温、湿度、光线照射强度以及环境中的二氧化碳气体浓度等进行综合监控，是当时在国内生产的现代农业温室计算机自动化监控系统中具有典型特点的研发成果；另外，中科院石家庄现代化研究所、中科院上海植物生理研究所以及中国农业大学等现代农业技术专业研究人员也都着力侧重不同应用领域，其主要的研究方向为现代农业种植温室环境计算机自动化监控与设施运行管理技术。由此可以看出我国现代农业种植温室设施计算机自动化控制领域的应用，正从国外发达国家高新技术引进并消化吸收、逐步改进的阶段向系统实用化、综合性的阶段过渡。迈入新世纪以后，我国现代农业种植温室自动化监控水平又进入了平稳较快的发展阶段。在依靠单片机为技术核心的检测系统中，人机交互界面并不友好，非专业人员在操作中遇到很多难题，只能对温室环境参数实现非常有限的监控，所以自动化控制运行模式一般都处在闲置的状态，系统大多时候采用手动的控制方式，这就造成极大的资源浪费。总而言之，经过二十年的发展，虽然取得了显著成效，但与西方发达国家的设施农业相比，仍然存在较大差距。其主要表现在以下几个方面：首先是在实际实施过程中水平低下，抵御自然灾害能力较差，二是智能化、机器化和信息化程度较低，生产仍然以人力为主，管理仍以经验为主，三是农业发展不规范，国的扶持和监管政策不配套，缺乏量化指标，甚至存在着骗贷骗助的不良现象。所以，开发一套真正符合中国农业现状及适应未来发展趋势的种植温室智能监控系统，并将其运用到现代化农业种植领域中去，将具有重大意义。1.3.2国外研究现状欧洲和美国这些农业产业发达国家，对农作物种植控制技术的研究较早。这些国家的温室大棚技术经历了从简易低端的保温设施到现代化智能控制系统的转型，温室大棚控制系统已由最初的人工控制发展为今天的全封闭、流水线式、全自动的植物工厂模式。目前，各发达国家现代化农业种植温室设备研发企业相继开发了各种专用的农业种植温室环境气候控制器及其他诸如土壤灌溉、施肥自动控制器等，这些安装在农业温室种植现场内部的控制器可以通过网络通讯系统，来实现与中央控制机构进行数据与信息交换，使农业温室技术管理人员在远离现场的地方也可以实现对农业种植温室内部气候变化进行更为深入了解。在美国，现代化农业的科技含量伴随着自动化领域科技水平的快速提高已经产生了翻天覆地的变化。逐步出现了集温度和湿度调节于一体的农业种植控制系统，此系统可与其他分布式生产系统进行数据交换，根据现场传感器输入的信号来进行分析、研究，从而对生产管理的各个组成部分进行不断地调节，最终达到对农业种植温室进行最有效、最经济的控制手段。以色列现代农业种植温室采用计算机作为气候控制系统，其种植温室系统的整体结构和种植温室内部空气参数调节控制系统在国际上均处于领先水平。配合农业种植温室上的遮阳幕帘、天梯等辅助设备，自动调节农业种植温室内的光线照射强度。在控制室内的电脑，利用远程网络技术和种植室内的远程控制系统实现实时数据交换，从而精准的控制水肥使用系统、喷灌系统进行施肥作业和灌溉作业，水肥中养分利用可实现80%-90%。加拿大的农业作物种植温室主要使用其自主开发计算机自动化温室控制管理软件，对农业生产过程中采集到的温室环境参数进行实时的分析与处理，有效的降低生产费用，降低了农药施用，扩大了农业种植产业经济效益。另外,国外农业种植技术较发达国家，其在温室农作物选择上主要以种植高档花卉、特种蔬菜和水果为主。经过多年普及与推广，其种植品种已逐渐从高附加值的作物普及到日常的消费品中。而对于一些常见的果蔬品种，其种植技术已经非常成熟。以种植黄瓜为例，温室大棚的亩产产量可达到4万多千克，是自然条件种植产量的8倍多。同时，随着国外不少无土栽培技术也已走向成熟，农业科学家们已经在作物营养液养成分和微量元素配比等领域取得了长足的进步，实现了对作物生长的全程可控管理。针对国外农业种植温室技术现状，总结了以下特点：温室种植实现了大型化及工厂化运转：大型化的农业种植温室解决了种植大型农作物在时间和空间上的难题，同时也为现代农业的机械化作业提供了空间。随着温室规模的大型化，一些先进的温室大棚已经转型成了大型的农作物自动化工厂，一些西方的先进农作物工厂已经完成了从播种、育苗、授粉、采摘到包装和物流的统一整合，形成了混合工厂的运作模式。分布式控制系统：大型农业种植产业基地全部以服务器—客户机形式实现对多座农业种植温室的集中监控与管理，整个农业种植温室环境调控系统的功能是依靠其系统内的每个分布式子部分来进行的。（3）智能化控制：大型农业种植产业基地大多采用了多种智能自动化控制方法，提高了系统的自动化程度和控制水平。总而言之，由于国外发达国家智慧农业温室行业发展较早，已经取得了较大经济和社会效益。1.4主要研究内容（1）分析温室控制对象的特点和温室整体结构。（2）根据温室概况，分析现有工业控制方案，以选择温室控制系统的方案。（3）根据控制系统的方案选择PLC及其特殊功能模块、各类传感器、上位机监控软件。（4）完成基于组态王软件的上位机监控系统设计和和基于PLC的下位机软硬件设计，从而通过上位机下位机的分布式控制，实现对环境参数采集、参数上限下限的设置、执行部件状态显示。（5）对整个系统各方面进行测试分析，主要包括传感器校准，功能测试和数据分析。2系统整体方案分析2.1温室控制对象温室控制系统是对温室环境参数进行控制的系统，在设计监控系统之前，需要对控制的对象有较深的了解。影响植物生长的因素很多，为了保证作物的高产高质，掌握植物生长环境中的这些因素是很重要的。下面简单分析本系统所关注的环境参数温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度对植物的影响。（1）温度对植物的影响是综合的，它可以通过气温、土温、水温、植物体温等从各个方面影响植物的生长发育。（2）湿度影响水汽的来源、水汽输送的条件、空气保持水汽能力的条件都可能影响空气的相对湿度。（3）光照强度一切绿色植物都必须在光照下才能进行光合作用。通常根据植物对光的不同要求，分为阳性植物、中性植物、阴性植物。因此，针对不同的作物，提供合适的光照强度将有利于作物的生长。（4）在二氧化碳浓度增加的情况下，通常农作物的产量是增加，但除了产量增加外，随着二氧化碳浓度的增加，农作物的质量略有下降。因此，将温室的二氧化碳浓度保持在既能保证作物产量又能保证质量的范围内将具有重要意义。2.2温室控制系统的选择在温室数据通信、数据处理、智能控制等模块的设计中，都需要一些智能元件来完成这些功能。目前，温室监控根据采用的主控制器不同主要分为以下几种：基于单片机，基于工业控制机，基于可编程控制器。下面分别介绍并分析比较它们的优缺点，选取适合于温室控制的方案。（1）基于单片机的控制系统，基于单片机的控制系统，其主控制元件就是单片机。系统通常采用集中控制方式。系统的结构如图2-1所示。图2-1基于单片机的控制系统结构系统接收来自温室内传感器的信号，通过信号处理模块和A/D转换后发送到单片机，然后由单片机发送控制信号以控制执行部件。从而完成从检测到控制的系统流程。单片机控制系统的优点是制作和操作简便、成本低，缺陷是系统的扩展性差、可靠性差、容易发生故障。温室内环境干扰多，信号噪声大，单一的单片机控制系统难以达到温室的控制要求。（2）基于工业控制机的控制系统工控机，是基于PC总线的工业电脑。采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及电磁兼容技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。基于工控机的温室控制系统由三部分组成：各类传感器、工控机、执行机构，（3）基于可编程控制器的控制系统可编程控制器（PLC）是一种存储程序的控制器。PLC是在继电-接触器控制系统的基础上发展起来的计算机控制装置，控制功能侧重于开关量处理、顺序控制、逻辑运算等方面。PLC的优势在于开发简单，安装简单，可靠性高，抗干扰能力强，功能强大，接口模块丰富具有很好的可扩充性，总体性价比较高。缺点在于单纯的PLC控制系统的人机交互能力较差，用户使用不是太方便。（4）分布式控制系统分布式控制系统（DCS），一般又称为分散控制系统或集散控制系统，所谓分散式是相对于集中式而言的。DCS是在生产过程仪表控制的基础上发展起来的计算机控制装置，控制功能侧重于模拟量处理、回路调节、状态显示等方面。分布式控制系统分为上位机和下位机，上位机。上位机PC机实现人机交互、数据管理和分析等功能，下位机主要实现现场控制。在分布式控制系统中，控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。综上所述，单片机控制系统和工业PC控制系统由于其集中控制等缺陷，不适合温室这种复杂环境。分布式控制系统由于其上、下位机结合完成控制的特点成为温室控制的最优结构。当上位机出现问题的时候，下位机可以单独完成控制，从而提高了整个系统的可靠性。但是由于普通的现场控制器作为下位机的单独控制能力较弱，所以选用PLC作为下位机，组态软件作为上位机，这样也克服了单独的PLC人机交互能力差的问题。目前上位机监控软件主要用VB、VC、MFC等软件开发，但是这些软件有开发周期长，适应性较差等缺点，最后我们选择组态王软件做为上位机监控软件来完成数据管理、数据分析等人机交互的工作。2.3系统结构系统采用安装有北京亚控公司生产的组态王6.55的计算机作为上位机，通过串行通信接口与下位机PLC进行通信，采集温室当前环境参数，进而根据控制方案通过输出接口对执行机构进行控制。系统还具有手动/自动的切换功能，当需要时直接通过手动开关控制执行机构，使系统更具可靠性。通过系统结构可知，需要用到温度、湿度、CO2浓度、光照强度4种传感器，并设计信号变送电路；对PLC编程进行数据采集和控制执行机构；通过组态王软件开发人机交互界面，对环境参数和执行机构状态进行显示，进行手动控制等。总结起来需要用到得技术有，传感器电路设计、PLC硬件连接和软件编程、组态王开发。系统结构如图2-1所示图2-1系统硬件结构框图PLC的组成图2-2PLC的硬件设备组成CPU是直接决定PLC基本性能的最核心部件，它采用了PLC独特的循环扫描方式，在操作系统的控制下，不断重复输入采样、执行用户程序、通信处理、内部诊断、输出刷新扫描循环。PLC的存储器用于存储程序和程序执行时的中间状态与信息。输入接口的主要作用是完成外部信号到PLC内部信号的转换。输出接口的主要作用是完成PLC内部信号到外部信号的转换。输入输出接口电路的形式根据输入输出信号的类型的不同，可以选择不同类型的输入输出模块，以实现PLC与不同现场输入输出信号之间的连接。通信接口的主要作用是实现PLC与外部设备之前的数据交换，最基本的有USB、RS-232、RS-422/RS-485等标准串行接口。PLC的输入电源有交流输入和直流输入两种基本形式。2.5本章小结本章首先介绍了温室控制对象的特点，然后通过比较几种系统解决方案的优缺点，提出了智能温室监控系统的整体方案，即上位机采用组态王开发人机界面，下位机使用PLC控制。最后介绍了上位机和下位机所采用的组态王软件和PLC。3硬件设计硬件设备的设计是整个系统实现的基础，在完成对下位机硬件的设计后，还需要通过设计软件来通过PLC发出指令控制系统设备的启停，从而完成系统所要实现的功能。3.1硬件连接（1）连接端布置FX2N-48MR-001型PLC基本单元由AC220V的市电供电，电源输入连接端位于PLC基本单元的左上方，输入端子的L、N和接地端都连接到三相电的对应火线、零线、地线。开关量输入连接端位于PLC的上部；开关量输出连接端位于PLC下部，输出公共连接端为“COM1”等，不同的输出公共端相互独立。DC24V电源输出的24V端标记为“24+”、0V端标记为“COM”。按照下图3-1电压信号的连接方式连接。图3-1FX2N-4AD与外部信号连接（4）FX2N与执行部件的连接FX2N-48MR-001为固态继电器输出，输出电压DC24V，加入中间继电器，即使能直接驱动对电压、频率、功率要求低的小型电机，为了保护输出触点，也应加入中间继电器。通风风机功率1.1KW，额定电压AC220V，循环风机、保温幕电机、加温水泵、抽风机功率均为0.55KW，电源AC220V，其连接方式为图3-2。图3-2通风电机等与PLC输出连接3.2传感器的选择传感器是信息系统的源头，通过传感器来感受物质世界是信息时代的一大标志。传感器的定义是指能够感受被测量并按照一定规律转化为可输出信号的装置，如图3-3所示。图3-3传感器的基本组成传感器选择时应考虑的事项很多，但根据传感器实际使用的目的、指标、环境和成本等限制条件，从不同的侧重点，优先考虑几个条件就可以了。由于被测量是温室内的温度、湿度、CO2浓度、光照强度等环境因素，测量值的范围可以确定。温室环境参数有的时变时延特性，所以对传感器精度要求不高；但是温室环境复杂，干扰多，所以对传感器稳定性要求较高。并且由于所选用的特殊功能模块三菱FX2N-4AD模拟量输入模块需要模拟量信号，所以选用的均为模拟量输出的传感器。温度传感器选用了AD590温度传感器，湿度传感器选用了HS1101器，CO2器选用了MG811型CO2传感器，光照传感器选用了GM5516光敏电阻。3.3温度传感器温度是生产生活中最基本的物理量，温度传感器也是传感器中数量最多，应用最广泛的一类。常见的温度传感器按工作原理分类有电阻式、PN结式、热电偶式、辐射式、压电式等。根据上文所述温室温度控制的特点和选择传感器的原则，本系统择了AD590集成温度传感器，它输出电流，此电流与绝对温度有线性关系。温度检测电路如图3-4所示，其中AD581是高精度10V集成基准电压源，输入电压在12V到30V，都可以输出精确的10V电压。LF355是宽频带单结型场效应管输入的运算放大器，2脚负输入，3脚正输入，4脚负电源，7脚正电源，6脚输出。R3、R4构成了运算放大器的负反馈电路，设AD581输出电流为1I，反馈支路电流为2I，AD590温度传感器输出电流为3I，根据运算放大器“虚短”、“虚断”原理分析电路，可得LF355的反相输入端电压图3-4温度采集电路3.4湿度传感器常见的湿度传感器按照敏感元件的的类型分为电容式和电阻式两大类，按敏感元件的材料不同有电解质、陶瓷和高分子材料等。本系统检测的是温室的相对湿度，根据温室湿度控制的特点和选择传感器的原则，选择了HS1101湿度传感器。HS1101湿度传感器是基于电容性湿度传感元件的。HS1101湿度传感器的主要特点有：不受水份浸渍的影响，具有高可靠性和长期稳定性；尺寸小；对温度的依赖度低；测湿范围为0%到100%RH；55%RH时校准精度±%2RH；工作环境温度为-40oC~60oC；测量精度0.4%RH。因此该湿度传感器适合在温室这种复杂环境中进行长时间的工作。湿度检测电路如图3-5所示，利用NE555定时器与湿度传感器构成一个振荡电路产生频率信号，然后通过一个频率电压转换电路产生PLC可以接收的电压信号。图3-5温度检测电路3.5CO2浓度传感器常用的二氧化碳传感器主要有两种，一种是红外原理的，另一种是固态电解质的。其中红外二氧化碳传感器原理是根据CO2对特定波段红外辐射的吸收作用，使透过测量室的辐射能量减弱，减弱的程度取决于被测CO2气体中的CO2含量。而固态电解质二氧化碳传感器原理是指二氧化碳气体通过传感器时产生碳酸离子，与正离子结合，此化学反应会产生电动势，于是可以通过测量该电动势的大小来测量通过的二氧化碳浓度。由于这种传感器相对而言性能更好，得到广泛应用。根据温室CO2气体浓度控制的特点和选择传感器的原则，本系统选择了MG811型CO2气体传感器模块。MG811型CO2气体传感器主要特点有：对CO2有良好的敏感性和选择性；对温湿度的依赖性低；长期稳定性和可再现性；工作（预热）电压为6V；工作温度为-20℃~50℃；输出电压为30mV~50mV。MG811型CO2传感器采用固体电解质电池原理。3.6光照强度传感器光传感器是指能将光信号转换为电信号的一种传感器，一般都具有机构简单、非接触、可靠性高、反应快等优点。常用的光传感器中用于测量光照强度的有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光耦等。根据温室光照强度特点，对光照度检测的精确度要求不高，本系统选择了光敏电阻GM5516，该光敏电阻是一款低成本的近红外可见光探测的光电元件，其主要特点有：体积小，电路简单；反应速度快，灵敏度高；可靠性好，光谱特性好；供电电压5V；亮电阻5KΩ~10KΩ，暗电阻0.5MΩ。光照强度的检测电路如图3-6所示。GM5516与R15构成分压电路，LM324被做成电压跟随器的形式，起到隔离和阻抗匹配的作用。光敏电阻GM5516的电阻值随着光照强度的升高而变小，电压输出Light也就变大。图3-6光照强度采集电路3.7本章小结本章首先分析了整个系统的功能，然后分别从硬件和软件两个方面介绍了下位机系统的设计。其中硬件主要从传感器选型，PLC开关量和模拟量的I/O分配以及具体连接三个方面介绍了系统硬件设计。4硬件设计温室监控系统主要起到的是监视和控制的作用，通过传感器将温度、湿度、CO2浓度、光照强度的信息传输到主控制器PLC，主控制器根据控制方案控制执行部件动作，系统自动采集执行部件运行状况，对异常情况进行报警。整个控制系统功能需要上位机下位机协同完成，有些功能需要通过上位机设计实现，比如数据存储、状态显示、打印查询、生成趋势曲线、用户管理等。还有一些功能需要下位机来实现，比如监测数据的采集，控制信号的输入输出等。本系统设计的流程图如图3-1所示，首先分析系统需求，然后对系统硬件进行设计，然后设计PLC程序，最后进行上位机设计和系统调试。图4-1温室系统设计流程4.1编程环境PLC进行软件设计和调试，必须要有专业的编程设备、编程环境。编程软件使用的是GXDeveloper，该软件是三菱PLC的新版编程软件，其主要特点如下：（1）适用面广，可以适用于三菱全部PLC产品。（2）调试方便，GXDeveloper编程软件新增了仿真功能，可以用过编程软件虚拟PLC程序运行过程，便于进行离线调试。（3）诊断方便，GXDeveloper编程软件新增了回炉监视、软元件同时监视、软元件登录监视等多种功能，可以进行PLC的CPU诊断、CC-LINK网络诊断等，满足网络控制的要求。图4-2GXDeveloper的开发环境4.2编程步骤PLC程序设计的步骤一般有以下几步：（1）编程前的准备分析控制系统的功能、控制方式，输入输出信号的种类和数量，通信方式等，建立起对整个控制系统的整体概念。（2）设计程序框图根据控制系统的具体情况，确定程序的结构并画出程序结构框图。（3）编写程序根据程序框图编写程序，并及时注释。（4）程序调试从局部到整体调试程序，从各个功能模块入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况，各个功能模块调试完成后再整体调试，直到满意为止PLC程序设计的步骤如图4-3所示图4-3PLC控制程序设计步骤图4.3通讯设置系统使用的通信线缆是SC-09通讯线缆，SC-09为串口的三菱编程电缆线，一端连接电脑的RS-232串口，一端连接PLC的编程接口。在进行编程前需要进行通讯设置，首先找到电脑当前通信COM端口，然后在GXDeveloper编程软件中，传输设置中设置串行COM端口与电脑当前通信端口一致，如图3-14所示。可以通过传输设置中的通信测试来测试是否与PLC的CPU通信成功，设置正确后就能进行对PLC程序的写入和读取等操作了。PLC程序写入和读取等操作通过此线缆进行，同时组态王与PLC的通信也是通过此线缆来完成。图4-4PLC编程传输设置4.4软件模块划分根据功能分析对下位机软件设计的要求，下位机软件设计部分分为三个部分，如图3-15所示，分别是数据采集模块、控制模块和故障报警模块。采集模块通过PLC的模拟量输入模块采集温度、湿度、CO2浓度和光照强度，存储在对应PLC数据寄存器中，以便组态王通过与PLC的通信显示和设定参数。控制模块通过比较采集后存储的数据寄存器中的值与来自上位机的用户设定的值，按照控制方案控制相应执行部件。故障报警模块将可能出现的故障并联起来输出故障报警。4.4.1数据采集温室环境参数的采集是通过FX2N-4AD，同时采集4路电压信号，其中CH1采集温度，CH2采集湿度，CH3采集CO2浓度，CH4采集光照强度，然后分别存入PLC的寄存器D0~D3，平均取样次数为4次。采集程序如图4-4所示。图4-4环境参数采集程序上述梯形图的含义是：（1）第1、第2逻辑行，通过识别码，判断PLC的0号位置是否接的是FX2N-4AD；（2）第3逻辑行设定通道的量程类型使CH1~CH4做电压转换；（3）第4逻辑行设置平均值取样次数为4；（4）第5逻辑行，将模块运行状态从BFM#29读入M10~M25；（5）第6逻辑行，判断在转换的过程中是否出错或数值是否超出范围。如果是正常，则把BFM#5、BFM#6、BFM#7、BFM#8通道中的采样平均数数值分别存入数据寄存器的D0、D1、D2、D3中。采集模块中第一组传感器采集温度、湿度、CO2浓度、光照强度4路信号，后面的第二到第四组采集温度、湿度2路信号，与上述采集4路信号的过程类似。4.4.2控制模块设计室环境有较大的滞后性，不需要对参数进行过于精确的控制，只需要保证环境参数在适宜作物生长的一定范围内即可。因此本文采用了一种将各个环境参数控制在一定范围内的控制算法。对于每个环境参数的控制而言，自动控制方式都大致相同，即是将环境参数实时值与用户所设定区间比较，若在区间外，则触发相应执行部件，直到PLC采集到的实时值回到用户所设区间内，停止执行部件工作。对于每个执行部件，都有执行部件的状态反馈与PLC输出比较判定该执行部件是否正常工作，是否达到对执行部件的控制要求。以温度的控制为例，软件设计的流程如图4-5所示，初始化后比较实际温度与温度上限、下限值，当任一温度传感器采集到的实际温度小于温度下限时，PLC控制加温设备、保温幕、循环风设备，这些执行部件动作使温度均匀上升，当实际温度大于温度上限时，PLC控制遮阳幕、湿帘设备、循环风，这些执行部件动作使温度均匀下降，从而使实际温度回到温度下限与上限之间的区间。在系统中，中间继电器连接所有输出信号，其中，直流24V直接驱动的直接由中间继电器连接输出，其他的需要交流接触器的负载则将中间继电器触点接到交流接触器的线圈上，电机接到交流接触器上。图4-5温度控制的部分程序4.4.3故障报警模块故障报警模块的作用是当系统出现故障时，通过监控画面故障报警及时通知操作人员。，故障报警的情况主要有：（1）同一种执行部件同时执行关闭和打开两种作。（2）每一种执行部件的状态反馈与实时状态不一致。（3）传感器采集的数据不在理论值范围内。4.5本章小结本章首先分析了整个系统的功能，然后分别从硬件和软件两个方面介绍了下位机系统的设计。其中硬件主要从传感器选型，PLC开关量和模拟量的I/O分配以及具体连接三个方面介绍了系统硬件设计。软件设计是根据软件模块的划分从采集模块、控制模块、故障报警模块三个方面介绍了系统软件的设计。5系统可靠性分析和测试5.1监控系统功能设计按照组态王创建工程的一般步骤，温室监控的组态设计由下列流程完成：画面设计，关联外部设备，定义变量，动画连接，命令语言，通讯设置，安全管理。通过组态软件的设计，要求实现以下基本功能：（1）实时显示功能，能对温室的四个重要环境参数和各个执行部件的状态进行实时显示。（2）参数设定功能，不同的季节和不同的植物对环境参数的要求不同，所以能修改自动控制时所要求达到的环境参数的目标值。（3）用户管理功能，不同用户通过各自账号密码登陆，拥有不同用户权限，可以对系统进行操作。（4）实时、历史曲线生成功能。（5）数据报表查询、打印功能。上位机组态软件选用的是北京亚控公司生产的组态王软件。上位机主要实现人机交互，主要有数据显示、参数设置、用户管理，生成数据报表，趋势曲线，数据库操作画面可以对数据库进行全部查询、条件查询、打印、保存等操作。组态监控系统功能如图5-所示：图5-1组态监控系统功能5.2组态王与数据库的通信在本系统所设计的数据库操作画面，利用组态王提供的KVADODBGrid控件来连接数据库，通过ODBC数据源进行连接到Access数据库。首先在Access数据库中创建温室监控数据库并建立数据表（温室环境参数数据表），在表中写入日期、时间、温度、湿度等，并设置主键；然后在控制面板/管理工具/ODBC数据源管理中添加新的数据源（温室监控数据源）及其驱动程序，选择关联之前所建立的数据库5.3组态王与下位机通信关联外部设备后，组态王才能通过I/O变量与设备通信。在组态王工程浏览器左侧，“设备/COM1/新建”，在设备配置向导中，“设备驱动/PLC/三菱/FX2编程口”。然后按照设备配置向导的步骤，给设备指定逻辑名称；选择与设备所连接的串口，这个COM口是电脑上的通讯口，可以通过“我的电脑/属性/硬件/设备管理器/端口”找到这个通讯端口，然后指定设备地址，设定