（农业电气化与自动化专业论文）基于MCGS组态软件的水环境多因子监控系统.pdf

江苏大学硕士毕业论文 摘要 近年来，随着人们生活水平的不断提高，人们对渔业产品需求的日益增长， 如何建立一套有效的水环境多因子智能监控系统已经越来越受到人们的关注。本 文针对目前国内外水产养殖的现状，提出一个低成本、易推广的水环境多因子智 能监控系统。 本文研究了水环境因子的主要监控对象，根据不同的水环境因子对水生物的 不同影响，对不同的水环境因子提出了不同的控制算法，实现了对溶解氧、p h 值和温度等水产养殖环境因子的准确测量与控制。针对传统的水产养殖监控系统 开发周期长，不易移植的缺点，本系统上位机采用功能丰富的m c g s 组态软件 作为组态监控软件，它具有远程监控、通讯连接、参数设置、实时在线显示和历 史再现显示等功能，并且通过编写程序实现了模糊，p i d ，模糊控制等智能控制算 法。近年来，随着工厂化水产养殖场中微生物大量繁殖，病害越来越多，因此如 何在早期及时发现养殖水池中的鱼出现病变或死亡，以便尽快地采取措施，已成 为水产养殖业中一项重要的课题。利用数字图像处理技术可以实现对养殖现场中 鱼类的生长情况进行实时监控，当鱼类出现不适或死亡时，能够及时报警。为此， 我们开发了一套鱼类图像处理系统，它的基本原理是将摄像机拍摄到的现场图像 通过图像采集卡采集到计算机里，通过v c 程序，对该图像进行数据统计和识别， 得到有用的信息，对鱼类进行实时监控。最后，本文对该系统的设计作了总结， 及对一些问题提出了展望。 本系统在实际现场测试中运行稳定，实现了对溶解氧、p h 值和温度等水产 养殖环境因子的自动监控。另外，该系统升级简单，可维护性好当需要增加鱼 池，或者改变鱼池的鱼苗时，只需简单的在原系统上设定参数即可，避免了耗时 较长的软件开发，节约了能源，降低了成本。与世界上同类产品相比，该系统性 价比高，操作简单方便，是提高国内工厂化水产养殖水平的有效手段。 关键词：m c g s ，通信，模糊p i d ，图像处理 江苏大学硕士毕业论文 a b s t r a c t w i t i lt h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o ra q u i c u l t u r e h o wt oe s t a b l i s ha ne f f e c t i v e m o n i t o rs y s t e mo ft h ew a t e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r sh a sg a i n e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n s a i m e da tt h ep r e s e n tc o n d i t i o n so fa q u i c u l t u r e ，a ne f f e c t i v em o n i t o r s y s t e mo fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r si nw a t e rw i t hl o wc o s ta n de a s ep o p u l a r i z a t i o ni s p r o j e c t e d f i r s to fa l l ，t h em a i nm o n i t o ro b j e c t so fw a t e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa r e r e s e a r c h e d t h ep a p e rh a sp u tf o r w a r dt h ed i f f e r e n tc o n t r o la l g o r i t h mo fw a t e r e n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n tt h a tt h ed i f f e r e n tw a t e r e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sh a v ed i f f e r e n ti m p a c t st ow a t e rl i v i n g b e i n g s 1 1 1 es y s t e m f u n c t i o n sc a l ls t e a d i l yc o n t r o ls o m ek i n d so fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，s u c ha sd i s s o l v e d o x y g e n ，p h ，a n dt e m p e r a t u r e a i m e da tt h a tt r a d i t i o na q u i c u l t u r em o n i t o ra n d c o n t r o ls y s t e mp o r t a b i l i t yi sn o tg o o d t h ep a p e rd e s i g n e dt h em o n i t o rs y s t e mo ft h e w a t e re n v i r o n m e n t a lf a c t o r sb a s e do nm o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ( m c g s ) ，t h es y s t e mc a nr e a l i z et h es e t t i n go fs y s t e mp a r a m e t e r s ，d i s p l a yd a t a r e a l t i m e ，a n ds oo n t h r o u g hp r o g r a m m i n gt h es y s t e mr e a l i z es o m ei n t e l l e c t u a l c o n t r o la l g o r i t h m s ，s u c ha s f u z z yp i d ，f u z z yc o n t r 0 1 i na q u a c u l t u r e ，u s i n gt h e t e c h n o l o g yo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gc a ns u p e r v i s ea n dc o n t r o lr e a l - t i m es i t u a t i o n o ff i s hg r o w t h ，w h e nf i s hi su n w e l lo rd e a d ，t h es y s t e mc a ng i v ea l la l a r mi nt i m e t h e i m a g ei sp a s s e dt op c ，t h r o u g hv cp r o g r a mt h es y s t e ma n a l y z e st h ei m a g ea n dg e t s u s e f u li n f o r m a t i o n ，c o n t r o l st h ef i s h l a s t l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ew h o l es y s t e m ， a n db r i n g sf o r w a r ds o m ea d v i c e s i n p r a c t i c e ，t h es y s t e m f u n c t i o n sc a nm e a s u r ea n dc o n t r o ls o m ek i n d so f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，s u c ha s ，d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) ，p h ，a n dt e m p e r a t u r e i n a d d i t i o n ，t h es y s t e mi se a s yt oo p e r a t e ，s i m p l et ou p g r a d e ，a n dt h em a n - m a c h i n e i n t e r f a c ei sf r i e n d l y , w h e nn e e dt oi n c r e a s ef i s h sp o o l ，o rc h a n g ef i s h sf r yi nt h ep o o l o n l yn e e ds i m p l et oe s t a b l i s ht h ep a r a m e t e r si nt h eo r i g i n a ls y s t e m ，t h es y s t e ma v o i d s l o n g e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n tc o n s u m i n gt i m ea n de c o n o m i z e st h ec o s t t h ew h o l e s y s t e mc a ni m p r o v ep r o d u c t i o nr e m a r k a b l ya n ds a v ep o w e re n e r g y , p r o v i d e sa i i 江苏大学硕士毕业论文 p r a c t i c a b l em e a s u r e sf o rs e t t i n gu pw a t e rp r o d u c t i o nb a s ei no u rc o u n t r ya n dr e a l i z i n g e f f i c i e n tp r o d u c t i o no nl a r g es c a l e k e yw o r d s ：m c g s ，c o m m u n i c a t i o n f u z z y - p i d i m a g ep r o c e s s i n g 江苏大学硕士毕业论文 图目录 图2 1 监控系统框架图5 图3 im c g s 组态和运行环境1 2 图3 2 主控窗口登陆界面1 3 图3 - 3p p i 协议硬件图1 4 图3 4串口父设备属性设置1 4 图3 5p l c 的属性设置1 5 图3 6 通道属性设置1 6 图3 7 通道连接1 6 图3 8 用户窗口1 7 图3 9 实时遥测窗口1 7 图3 1 0 鱼池参数设置1 8 图3 1 1 数据对象设置1 9 图3 1 2 实时数据库2 0 图3 13 系统实时数据库2 0 图4 1 在线调整p i d 参数控制3 0 图4 2p h 值控制曲线3 0 图4 3 温度模糊控制的算法流程图3 3 图4 4 温度控制曲线3 4 图4 5k p 的模糊规则3 5 图4 6 溶解氧的控制程序3 6 图4 7 溶解氧控制曲线3 7 图5 1 程序界面4 0 图5 2 原始图像4 3 图5 3 灰度化后的图像4 3 图5 4 滤波参数4 5 图5 5 滤波后的图像4 6 图5 6 阈值分割4 8 图5 7 阈值分割后图像4 8 图5 8 腐蚀5 0 图5 9 膨胀对话框5 2 图5 1 0 处理后的图像j 5 2 图5 1 1 报警对话框5 3 图6 1 试验结果5 4 v i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密i 翻。 学位论文作者虢嘶立q 签字日期：we 年6 月侈b 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：年月 日 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月日 江苏大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 国内研究现状及发展趋势“剖 近年来，随着人民生活水平的不断提高，人民对渔业产品需求的日益增长， 传统的水产养殖方式正在逐渐的向工厂化水产养殖过渡，因此研究和制造一套专 门用于水产养殖的智能监控系统已经显得尤为必要。 我国在水产养殖智能监控系统上的研究起步比较晚，技术水平较低。渔业养 殖工厂的设施建设重视不够，科研滞后于生产，工厂化渔业养殖应具备的高溶氧 等技术还比较落后。目前从国外进口一套中等规模的水环境因子智能监控系统的 价格非常昂贵，即使是一套小型的水环境因子智能监控系统的价格也要花费人民 币5 0 万，即使引进后，在短期内收回成本也比较难，再加上能耗大，性价比低， 无法普及推广。我国在j 二世纪就开始自主研发了些水产养殖智能监控系统。上 世纪7 0 年代作为科技攻关项目的“中国对虾工厂化人工育苗技术的研究”，开发 了对虾养殖的控温等技术，为我国的工厂化养殖做了杰出的贡献。在上世纪8 0 年代我国也曾引入了一批进口水环境因子智能监控系统的成套设备，但目前只有 个别还在运转，没有能够普及推广。目静大部分的水产养殖智能监控系统在水产 养殖中的应用可以被养殖专业户接受的成本价格不能超过1 0 万元。而且目前我 国能够做到对水环境园子的监控绝大多数是通过充气和炉子升温以及换水等来 解决，可以说是以消耗能源和牺牲环境来换取效益，对水环境因子智能监控系统 的应用而言是一种初级的粗放型工厂化阶段。 进入2 1 世纪后，由于加入w t o ，农业和农村经济正在面临着世界各地的冲 击，同时也面临着很好的机遇，特是q 是由于工厂化水产养殖作为门新兴的产业， 它必将取代传统的池塘、大棚、温室等养殖方式。它通过探究水生物和外在环境 的关系，充分考虑水处理过程系统，使水产养殖过程达到理想状态，在农业上形 成不受外在自然条件影响的循环式的高密度养殖方式，在工业上水环境因子智能 监控系统将使用水和排水更加符合工业化和污水排放等标准的要求。因此，研究 这样的水环境因子智能监控系统是工农业现代化必然产物，也是工农业现代化发 展的需要。 江苏大学硕士毕业论文 1 2 国外研究现状及发展趋势圳 自从日本上世纪六十年代初期开始研究水环境因子自动化监控系统进行工 厂化养殖以来，世界各国，特别是美国、加拿大、德国等发达国家纷纷进行了 水环境因子自动化装置的研究，使得水产养殖业逐步形成了高效的规模化产业， 工业用水和排水更加科学、规范，同时水环境因子智能监控技术也获得了很大 的进步，水环境因子智能监控系统在工农业生产上已经达到了相当高的自动化 程度。 近年来，国外很多发达国家在工厂化水产养殖技术方面进步很快，特别是在 水质净化、增氧及温控方面，工厂化水产养殖己达到相当高的自动化程度。丹 麦、挪威等发达国家己广泛采用现代化的养殖设施，建立起了人l d , 气候的养殖 环境，进行高密度集约化的养殖，取得了良好的效果。美国发展了鱼菜共生、 鱼藻麸生系统，利用养殖肥水培育蔬菜、花卉、水果等，既能最大限度地提高 水产品和蔬菜等的产量，又能净化水质，把污染降至最低程度，从而形成水环 境生态系统的良性循环。 随着世界经济，科技的一体化，水产养殖产业正朝着规模化、多样化、精确化 的方向发展。而生物工程等高新技术将会进一步促进渔业进步，以科技密集型为 特征的新型养殖业是发展的必然趋势。随着现代化科技水平的不断提高，人们对 水环境因子智能监控系统的要求也越来越高。所以，研究一套新型的水环境因子 智能监控系统是工农业现代化必然产物。 1 3 研究的目的和意义5 埘7 j 由于传统的养殖模式在生产实践中存在种种弊端，如：基础设施简陋陈旧， 经济基础脆弱，养殖品种单一化、常规，能源浪费严重，因此，用具有占地面积 小、用水量少、无污染、不受地域、环境和气候影响等优点的新型工厂化集约模 式代替传统的粗放型模式势在必行，而且随着工厂化水产养殖场中微生物的大量 繁殖，病害虫越来越多，因此如何尽早的发现养殖水池中鱼出现病变或死亡，以 便尽快地采取措施，从而避免更大的损失，也是水产养殖的一个重大课题。基于 以上的原因，开展水环境因子智能监控系统的研究很有必要，水环境因子智能监 控系统可以实现以下几个目的： 1 减低成本、提高产量。通过对水环境中的溶解氧、温度、p h 值等的监控 江苏大学硕士毕业论文 使其达到系统要求的最佳值，提高工农业的产量和质量，提高经济效益，有利于 参与市场竞争。 2 可以减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率，节约劳动成本。 3 系统开发周期短，可扩充性好，当需要改变养殖结构时，我们只需要根 据工农业的具体需要来调整水环境因子，使其达到最佳状态，而不需要重新开发 系统，避免了耗时较长的软件开发。有利于提高工农业工厂化、现代化的水平。 4 系统能够实时监控鱼类的生长过程，能够尽早的发现养殖水池中鱼出现 病变或死亡，以便尽快地采取措施，从而避免更大的损失。 5 缩短水产养殖周期，降低成本、提高产量等。通过对水产养殖环境因子的 监控，可使鱼类生长在适宜的环境下，促其快速生长。 1 4 研究的主要内容 本课题研究内容主要包括以下几个部分： 1 构建整体方案，搭建硬件结构。现场监控仪由环境因子采样调理电路、 a d 转换模块、外围设备控制等模块组成。通过p h ，溶解氧等传感器，将检测到 的实际数据经过采样调理电路进行信号放大，将放大后的数据送入监控单元中， 经过一定的控制算法后，控制外围设备，使水产养殖环境因子达到最优化。 2 现场监控单元。由于p l c 稳定，抗干扰能力强，我们采用西门子的s 7 2 0 0 作为下位机，对不同的控制对象，我们采用了不同的控制方案。现场监控软件是 采用了西门子公司提供的s i m a t i cs 7 2 0 0 开发环境s t e p 7 一m c r o w i n 3 2 软件来 进行编程和其他的相关处理，该系统监控软件功能强大、用户界面友好。 3 监控软件。以m c 6 s 组态软件作为监控软件，其核心内容包括数据的采集 和处理、用户操作方式等，集中体现在系统的人机输入、输出功能，监控水环境 因子的实时数据、实时曲线、查询部分历史数据和其历史趋势，给定被控制对象 的相关参数等，实现溶解氧、温度、p h 值等监控对象的控制算法以及外部设备 控制等。 4 控制算法。根据不同的水环境因子对水生物的不同影响，对不同的水环境 因子提出了不同的控制算法，实现了对溶解氧、p h 值和温度等水产养殖环境因子 的准确测量与控制。 5 图像处理。针对近年柬工厂化水产养殖场中微生物大量繁殖，病害越来 江苏大学硕士毕业论文 越多，设计一套图像处理程序，当养殖水池中鱼出现病变或死亡时及时报警，以 避免更大的损失。 6 水环境因子智能监控系统的现场运行调试。为了测试在实际系统下，该 系统的运行效果，我们对该智能监控系统进行了现场调试，在实际环境中的运行 表明，该系统灵活、稳定、可靠，控制效果良好。 1 5 本章小节 本章主要介绍了目前国内外水产养殖的现状和发展趋势，介绍了本课题研究 的主要研究内容和研究意义，比较了我国与先进国家的差距，虽然国内在水环境 多因子监控系统中的研究已经取得了很大的进步，但与国外发达国家相比还有着 一定的差距，随着人们对水产品的日益增长的需求，水环境多因子监控系统的研 究空间还是很大的。本课题是江苏省“十五”科技攻关项目，编号为( b e 2 0 0 1 3 8 0 ) 江苏大学硕士毕业论文 第二章系统组成设计 2 1 系统硬件设计砒1 1 1 1 2 ”1 本系统所研究的水环境因子智能监控系统采用一台p c 机作为上位机，通过 连接多台西门子的p l c 构成一个监测与控制系统。现场监控单元实现对被控参 数的监控，对应被控参数传感器将检测到的被控对象的实际参数如温度、溶氧量、 p h 、大气压、盐度等，由调理电路放大后，经过隔离电路和a d d 转换后上传到 现场监控单元，上位机和f 位机中的通信采用p p i 协议。其中t 位机主要完成对 现场监控单元的自动化监控，智能决策，历史资料统计分析，图像显示，报警等 功能；调理电路是把通过各个被控参数传感器检测到的各个参数的微弱信号，经 过相关电路转换成p l c 能够接受的信号；外设控制没备是各对应水环境因子的 外部设备。整个水环境因子监控系统的硬件结构如图2 1 所示。 图2 1 监控系统框架图 江苏大学硕士毕业论文 整个监控系统工作过程如下：上位机经过初始化程序后就向p l c 发出启动信 号，启动p l c 及其被控的机构，同时准备接收p l c 发送来的信号和数据。温度传 感器、溶解氧传感器、p h 酸碱度传感器、浑浊度传感器、水位传感器、氨氮传 感器将采集到的信号经调理电路放大，光电隔离消除干扰后，送入a d 转换电 路，送入p l c ，由p l c 向上位机传递测量的数据信息、设备信息、运行状态等信 息，与参数设定值进行比较，通过一些控制运算及数据预处理、判断分析后，得 出控制信号，并以此控制执行机构的动作，调节各环境因子，使水环境因子达到 最佳的状态。 2 1 1 传暮嚣c l 5 【l6 传感器将采集的有关参量如溶解氧含量、温度、氨氮含量转换为数字信号， 送入调理电路后，调理电路将各种传感器的输出信号调理到适于a d d 转换的范 围( 0 5 v ) ，光电隔离消除干扰后，送入a d 转换电路，然后再送入p l c 中。 本着实用、经济、标准、耐用的选型原则，本系统采用：温度传感器：p t l 0 0 温 度传感器，供电电压+ 1 5 v ；氨氮检测仪：w k 1 便携式水中氨氮检测仪，输出 电压一2 v 一+ 2 v ；水位传感器：全温度补偿低压力传感器，0 7 0 m v ，电压线性 输出，精度o 0 5 ：p h 值传感器：k s 2 型高稳低漂，精度士0 1 p h ，输出电 压一1 v 一+ i v 。 由于溶解氧在水产养殖上的重要性，我们采用了极谱型薄膜氧电极式的溶解 氧传感器，输出电压为3 5 0 7 5 0 m v ，精度是1 m g l ，溶氧电压u 0 与溶氧含 量间的关系不但与溶氧电极有关，还取决于温度、大气压和水中溶解的盐类，并 随这些参数的改变而不断变化，另外，由于制造工艺因素不同氧电极的零氧残 余电流和饱和氧电流存在定的差异。因此，对于测得的溶氧电压需要进行补偿 和校准。为提高溶解氧测量的精度和实时性，本测控仪采用上位机软件处理的方 法自动对溶解氧温度零氧、饱和氧校准。溶解氧检测仪输入电压为5 v ，通过高 准确度、低温漂的带隙基准电压源m c l 4 0 3 后，输出电压为2 5 v 当阴阳两极间 加0 7 v 左右的极化电压后，渗透过薄膜的氧在阴极上还原，由于电极上发生氧 化一还原反应，电子的转换产生了正比于样品中氧分压的电流。在一定温度下， 无氧时传感器中无电流，有氧时电流大小可以用下面公式表示： 江苏大学硕士毕业论文 i = k n f a g - 只l ( 2 1 ) 式中：k 为常数：为反应过程中的失电予数：f 为法拉第常数：a 为阴极面 积；c 。为样品中的氧分压；只为薄膜渗透系数；三为薄膜的厚度：f 为扩散电 流。当电极结构固定，阴极面积一定，薄膜的种类与厚度定，a 、己、工均 为常数，则式( 2 - 1 ) 变为： f = k q ( 2 - 2 ) 式( 卜2 ) 表明，在一定温度下，扩散电流f 的大小与样品中氧分压c 。成正比关系， 测得电流值的大小便可知道样品中的氧含量。 2 1 2 可编程序控制器 可编程序控制器是本系统现场监控单元的核心，可编程序控制器( p l c ) 英文 全称为p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，它是一种专为在工业环境下应用设计 的数字运算操作的电子系统，它采用一类可编程的存储器“，用于其内部存储 程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并 通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。从结构上分，p l c 可以分为固定式和组合式即模块式两种m 3 。固定式p l c 包括c p u 板、i o 板、显 示面板、内存块、电源等，这些元素组舍成一个不可拆卸的整体。模块式p l c 包括c p u 模块、i o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一 定规则组合配置m 3 。可编程序控制器及其相关外部设备都基于易于扩充的原则 来设计，具有以下特点： 1 可靠性高：以单片机为核心，在硬件和软件上采取了大量的抗干扰措施， 使其平均无故障时间达到3 0 万小时以上。 2 控制功能强：p l c 具有逻辑判断、计数、定时、步进、四则运算和数据传 送等功能，可实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。 3 编程简单方便易于使用。 4 具有各种接口，与外部设备连接非常方便。 江苏大学硕士毕业论文 可编程序控制器组成结构主要包括： 1 c p u ：c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用，每套p l c 至少有一个c p u ， 它按p l c 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集 由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 p l c 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序 存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去 指挥有关的控制电路。c p u 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系 的数据、控制及状态总线构成，c p u 单元还包括外围芯片、总线接1 ：3 及有关电路。 内存主要用于存储程序及数据，是p l c 不可缺少的组成单元。c p u 速度和内存容 量是p l c 的重要参数，它们决定着p l c 的工作速度，1 0 数量等，因此限制着系 统的控制规模。 2 输入和输出接口电路：p l c 与电气回路的接口，是通过输入输出部分完 成的。输入输出模块集成了p l c 的输入输出电路，其输入暂存器反映输入信号状 态，而输出点反映输出锁存器状态。输入输出信号可以分为开关量、模拟量和数 字量，所有输入输出都经过光电耦合器或继电器，输入信号有直流输入和交流输 入，输出信号有：晶体管型、继电器型和晶闸管型。我们可以根据输入输出点数 确定模块规格及数量，输入输出模块可多可少，但其最大数受c p u 所能管理的基 本配置的能力。 3 稳压电源：p l c 电源用于为p l c 各模块的集成电路提供工作电源。其电 源输入类型有：交流电源( 2 2 0 v a c 或1 i o v a c ) ，直流电源( 常用的为2 4 v a c ) 。 供可编程序控制器内部使用和外部使用。 p l c 的和外界的通信依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生 产和管理数据。p l c 具有智能通信的功能，它使p l c 与上位计算机之间、p l c 与 p l c 、p l c 与其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的籀体，实现分散 集中控制“。多数p l c 除了具有r s - 2 3 2 接口，还有一些内置支持各通信协议的 接口。在综合考虑功能，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比后，我 们选择了西门子公司的s 7 2 0 0 系列微型p l c 作为系统的p l c 控制器。 江苏大学硕士毕业论文 2 2 图像处理设备瑚m 踟i 图像处理设备包括摄像机、视频图像采集卡、计算机和打印机等基本硬件。 目前普遍采用的固体器件摄像机是c c d 类型。c c d 的英文全称c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ，它能将光线变为电荷，并将电荷存贮转移等。c c d 摄像机就是利用c c d 这种耦合器件由兆一电一光的这种转换原理，通过半导体集成电路制造工艺制成 的固体摄像器件。具体一点来说，c c d 摄像机是通过光强照射在加有外加驱动时 钟脉冲电压驱动下的c c d 光敏面上完成电荷注入、电荷转移、电荷输出实现视觉 信息的获取、保留、传输的仪器，通过它可把外面世界多彩、真实的景色和画面 传输并呈现在人们面f j 。随着科技的发展，c o o 摄像机技术也在不断地更新扩展， 根据不同用途它有线阵c c d 和面阵c c d 摄像机两类，根据光波的波段可分为紫外、 可见和红外c c d 摄像机等等。与传统的摄像机相比，c c d 摄像机有很多的优点。 例如：体积小、重量轻、分辨率高、耗电小、寿命长、又有不怕强光直照、不怕 震动和冲击、可靠性强等特点。在本图像处理系统中，摄像机需要和视频采集卡 配合使用配合时，要考虑两者参数的优化问题。视频图像采集卡可以将摄像机 得到的模拟图像信号转换成数字图像信号，供计算机处理。根据图像采集的速度， 视频采集卡可以分为：中速采集卡、实时单频采集卡、实时采集卡3 种。本系统 中考虑到经济实用性，采用了中速采集卡，采集速度约为1 帧秒。视频图像采 集卡插在微机的扩展槽上，并和摄像机连接使用。计算机采用5 6 2 m 内存，8 0 g 硬 盘的p c 机。打印机采用一般喷墨或激光打印机即可。 2 3 系统软件组成 本系统软件主要包括计算机系统操作软件、m i c r o s o f tv i s u 8 ls t u d i o6 0 套、v 3 2s t e p7m i c r o l h t n 一套、i c g s 组态软件一套等。v 3 2s t e p7m i c r o w i n 软件是西门子公司提供的s i m a t i cs 7 2 0 0 开发环境，能够进行编程和其他的相 关处理，该监控软件功能强大、用户界面友好。m c g s 工控组态软件是一套3 2 位 工控组态软件，可稳定运行于w i n d o w s 9 5 9 8 心t 等操作系统，集动画显示、流程 控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据 与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应 9 江苏大学硕士毕业论文 用于石油、电力、化工、钢铁、水处理等多种工程领域。 2 4 本章小节 本章首先介绍了系统中硬件组成，详细介绍了传感器，接着阐述了可编程 序控制器( p l c ) 的一些特点和结构，并且介绍了图像处理设备。本章最后介绍了 系统中所需要的主要软件。 江苏大学硕士毕业论文 3 1 引言 第三章监控软件设计 本监控系统是由i 台p c 机为上位机，多台s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 作为下位机 组成的水产养殖多环境因子集散控制系统，上位机主要完成监控水环境因子的被 控对象的实时数据、实时曲线、查询历史数据和其历史曲线，给定被控制对象的 相关参数和系统的通讯参数等。鉴于m c g s 组态软件有着很多的优点，例如：动 画简洁、功能强、省点；报表简洁，方便；价比高；脚本灵活：用户策略的灵活； 开放性好。我们采用m c g s 监控组态软件作为上位机监控软件来完成数据管理、 智能决策、历史资料统计分析，并对数据进行显示、越限报警、实时存储、打印 输出：采用西门子的$ 7 - 2 0 0p l c 作为下位机对整个养鱼池的养殖环境参数进行 检测与控制，即：将传感器采集的有关参量如温度、氨氮含量、溶解氧含量、p h 值、水位、浑浊度等转换为数字信号，并把这些数据暂存起来，同时经过串行通 信接口将数据送至m c g s ，m c g s 与p l c 之问的通信采用p p i 通讯协议。通过m c g s 组态软件对水环境因子的实时监控，实现了对溶解氧、温度、p h 值等监控对象 的控制。 3 2m c g s 监控组态软件的概述 m c g s 即“监视与控制通用系统”，英文全称为m o n i t o ra n d c o n t r o lg e n e r a t e d s y s t e m 。m c g s 是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件， 具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点“。 m c g s 组态软件由“m c g s 组态环境”和“m c g s 运行环境”两个系统组成。 m c g s 组态环境是生成用户应用系统的工作环境，用户在m c g s 组态环境中完 成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作，m c g s 运行环境是用户应用系统的运行环境，在运行环境中完成对工程的控制工作“。 如图3 1 所示两部分互相独立，又紧密相关。 江苏大学硕士毕业论文 够! 一，# 践： 组态环境 ； 运行环境 i ，+ ，j ；，+ ： 图3 1m c g s 组态和运行环境 m c g s 组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据 库和运行策略五部分构成，我们对各个部分分别进行组态操作2 引。 主控窗口：是工程的主窗口或主框架，在这里我们设置了系统登陆，退出 等各个菜单项以及对其他用户窗口的调度等。 设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。 用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：实时数 据显示、报警输出、数据与曲线图表等。 实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它把m c g s 工程的 各个部分连接成有机的整体。 运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序 ( i f t h e n 脚本程序) ，选用各种功能构件。 3 3m c g s 监控组态软件的设计 3 3 1 主控窗口 主控窗口是工程的主窗口或主框架。是所有设备窗口和用户窗口的父窗口， 负责这些窗口的管理和调度，并调度用户策略的运行。同时，主控窗口又是组态 工程结构的主框架，可在主控窗口内建立菜单系统，创建各种菜单命令，展现工 1 2 江苏大学硕士毕业论文 程的总体概貌和外观，设置系统运行流程及特征参数，方便用户的操作。在主控 窗口中可以放簧一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开 或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形， 确定自动启动的窗口，设定动画刷薪周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间 等。在这里我们设嚣了系统登陆退出等各个菜单项以及对其他用户窗口的调度 等。为了防止工作人员的误操作而引起不必要的损失，在进行相应的操作前必须 先登陆，严格规定操作权限，不同类别的操作由不同权限的人员负责，只有获得 相应操作权限的人员，才能进行某些功能的操作。本系统主控窗口登陆界面如图 3 2 所示。 3 3 2 设备窗口 图3 2 主控窗口登陆界面 设备窗口是t d c g s 系统的重要组成部分，在设备窗口中建立系统与外部硬件 设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态， 实现对工业过程的实时监控“。设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。 在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动 设备用的数据变量等。我们在在本窗口内连接p l c 设备驱动并配置了p l c 设备需 要用的数据变量，并且对p l c 采集到的数据进行了滤波处理等。对于上位机与 p l c 之间的协议我们采用了p p i 协议，如图3 3 是p p i 协议的硬件图。 江苏大学硕士毕业论文 图3 3p p i 协议硬件图 p p i 协议是一个主从协议，在这个协议中，主站给从站发出申请，从站进行相 应，从站不初始化信息，只有当主站发出申请或者查询的时候，从站才会相应“。 我们将该协议的驱动程序，添加到设备组态窗口中，并且设置好端口，通讯波特 率，数据位停止位等制3 “。为了能使p l c 和监控组态软件能顺利通信，就要 先设置好串口父设备属性，根据实际情况设置好c o m 口，波特率9 6 0 0 ，8 位数据 位，1 位停止位，偶校验，如图3 4 所示。 图3 4 串口父设备属性设置 确定好串口父设备属性，就要进行s 7 - - 2 0 0 p l c ( p p i ) 属性设置，p l c 的属性 设置如图3 5 所示。 江苏大学硕士毕业论文 图3 5p l c 的属性设置 在p l c 的属性设置里根据系统的要求设置好设备名称、采集周期、p l c 地址 等。其中设备名称可根据需要来对设备进行重新命名，但不能和设备窗口中已有 的其它设备构件同名。采集周期是m c g s 对设备进行操作的时间周期，单位为毫 秒，一般在静态测量时设为1 0 0 0 m s ，在快速测量时设为2 0 0 m s ，根据系统的需要 去设定。内部属性用于设置p l c 的读写通道，以便后面进行设备通道连接，从而 把设备中的数据送入实时数据库中的指定数据对象或把数据对象的值送入设备 指定的通道输出。西门子$ 7 - - 2 0 0p l c 设备构件把p l c 的通道分为只读，只写， 读写三种情况，只读用于把p l c 中的数据读入到m c g s 的实时数据库中，只写通 道用于把m c g s 实时数据库中的数据写入到p l c 中，读写则可以从p l c 中读数据， 也可以往p l c 中写数据。进入设备的内部属性，设定好本系统需要监控执行的对 象，例如溶解氧，温度等。如图3 6 所示，就是系统的通道属性设置。 江苏大学硕士毕业论文 口面团团墨雹叠翟薯露姆霰”t 。1 - _ _ 。 序号p l c 通道谀写类型d 增加遥道i 6 9 b b l 7 5 读写p l c 数据 7 1 7 7 读写p l 暾据 删除个 7 1 b b l 7 9 读写p l c 数据 7 2b b i q 诶写p l c 数据 全部l 酸 7 3 0 e 1 8 1 读写p l c 数据 7 鼻b b l 9 9 设写p l c 数据 袈引拷贝i 7 sn 8 2 5 谚写p l o 数据 7 6 9 8 2 5 1 漠写p l c 数据 _ j 7 7 b b 2 5 2 漠写p l c 数据 7 8w 2 5 3 读写p l c 数据 7 9 w b 2 5 1 ； i 囊写p l c j e 据 0 3 8 2 5 7 读写p l c 数据 1 1w b 2 5 9 诶写p l c 数据 2w b 2 6 1 诶写p l c 数据 凹 匝囡型些i j 塑 图3 6 通道属性设置 该设备通道指的是p l c 中继电器区的l 位，寄存器中的1 个字节，2 个字节或 4 个字节，通过建立这些设备通道和m c g s 实时数据库中数据对象的连接，从而 做到对p l c 中继电器区的读和写。p l c 中继电器区的l 位只能和实时数据库中开 关型数据对象建立连接，而寄存器区的1 个字节8 b i t ，2 个字节1 6b i t 或4 个 字节3 2b i t 和实时数据库中数值型数据对象建立连接。在设备属性通道连接里 把每个通道连接和通道类型都一对一的关联起来了，如图3 7 所示。 既墨墨嗣瞄墨躐撩二 基本属性咧骼调试i 撕魍 遁遵 对应数据对象l通道类型 7 4a d t c s $ 读写b b l 9 9 7 5 d a t a l诶写b b 2 5 0 7 6d a t a 2读写b b 2 5 1 7 7 d a t a 3读写e i b z s 2 7 8t r a n f v读写w b 2 5 3 i 9d o h ,读写w b ：) 5 5 b ot m f v i 宴写w e 3 2 s 7 e l p h f v读写w b z 5 9 6 2i t m f v读写w b 2 6 1 8 3州h 读写b b 2 6 3 8 4w i i 读写b b 2 6 4