基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的漁場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)摘要近幾年來,由于這類水產(chǎn)品本身具有精良的高蛋白、低脂肪、營養(yǎng)平衡等優(yōu)勢,獲得了人們?nèi)找嬖鲩L的青睞。近幾年我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖總生活量已達(dá)7000萬噸,水產(chǎn)品總生活量均處于占中國甚至是全世界生活量的70%以上,排名中國全球第一,水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積差不多達(dá)到了2000萬平方米,但國內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖大部分都是采取粗放式管理,有著企業(yè)現(xiàn)代化、信息化、智能化水平程度低等問題,監(jiān)控環(huán)境影響因素單一等亟待解決的突出問題,容易導(dǎo)致水體污染、水產(chǎn)品質(zhì)量下降等不良后果,因此通過充分運(yùn)用新興科學(xué)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的信息化、智能化發(fā)展已經(jīng)是勢在眉睫。本文主要是通過對基于plc及其他相關(guān)軟件技術(shù)的深入探索和應(yīng)用研究,設(shè)計了一種基于智能物聯(lián)網(wǎng)的新型各類水產(chǎn)產(chǎn)品養(yǎng)殖企業(yè)環(huán)境監(jiān)測智能動態(tài)監(jiān)測自動管理監(jiān)控系統(tǒng),通過基于plc及相關(guān)軟件的技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計,對目前全球各類新型水產(chǎn)產(chǎn)品養(yǎng)殖企業(yè)環(huán)境監(jiān)測中的出水溫度、ph、溶解和含氧等各種不同水質(zhì)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)及其遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時、智能化的監(jiān)測,使整個新型水產(chǎn)產(chǎn)品養(yǎng)殖企業(yè)環(huán)境監(jiān)測智能管理監(jiān)控系統(tǒng)能夠具有智能一體化、自動化,即企業(yè)能夠同時實(shí)現(xiàn)各種水產(chǎn)企業(yè)養(yǎng)殖的對各種生產(chǎn)養(yǎng)殖工作周圍環(huán)境監(jiān)控實(shí)施了一個智能實(shí)時的遠(yuǎn)程監(jiān)控智能化環(huán)境監(jiān)控,方便了企業(yè)用戶隨時、任意地隨時進(jìn)行對各種生產(chǎn)養(yǎng)殖工作周圍環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；漁場環(huán)境；PLC；監(jiān)控系統(tǒng)目錄摘要 頁第一章緒論1.1課題背景和意義近年來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖總量已達(dá)7000萬噸，占世界各類水產(chǎn)品的70%以上，居世界第一，水產(chǎn)養(yǎng)殖總面積已近2000萬平方米。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)不僅能夠在解決糧食問題,還可以提高居民的生活質(zhì)量、增加有關(guān)人員的工作收入等方面起到重要的作用。但長時間以來,我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)依舊存在著現(xiàn)代化水平低、智能化程度低、勞動強(qiáng)度高、效率低、污染嚴(yán)重等一系列問題,對我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展造成了不利影響。由于在我國大部分地區(qū)進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖生活的過程中,產(chǎn)量和利潤始終位居首位,容易出現(xiàn)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩,水產(chǎn)養(yǎng)殖的過程有可能會對整個巨大的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成一定程度上的破壞。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料,我國在進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖生活的過程中,由于各種自然災(zāi)害而導(dǎo)致的年度損失總額已經(jīng)超過100億元,這與當(dāng)今社會發(fā)展下的水產(chǎn)養(yǎng)殖管理模式有很緊密的聯(lián)系。隨著社會發(fā)展腳步的加快,我們的生活質(zhì)量變得更高,高質(zhì)量的水產(chǎn)品也越來越被需要。當(dāng)下水平的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式,居民的需要很難被達(dá)到。因此,完善現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械行業(yè)的設(shè)備現(xiàn)代化和智能化已經(jīng)成為發(fā)展我國現(xiàn)當(dāng)代水產(chǎn)動物養(yǎng)殖行業(yè)發(fā)展迫切需要研究解決的重大問題。但我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)長期存在著很多問題，比如現(xiàn)代化水平低、智能化程度低、勞動強(qiáng)度高、養(yǎng)殖效率低、環(huán)境污染較為嚴(yán)重等。通過相關(guān)資料和現(xiàn)場考察的比對,我們很快就可以看出這一切的關(guān)鍵是由于以下三個重要的原因:第一,大多數(shù)具備良好性能的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)備都是由國外工廠生產(chǎn)的,價格相對較高,運(yùn)行時維護(hù)不方便,所以部分中小企業(yè)用戶根本沒有去引進(jìn)的必要。其次,國內(nèi)部分產(chǎn)品雖然具有的功能較為齊全,但是在實(shí)際中的作用并不直觀、清晰,實(shí)用性、準(zhǔn)確率不高。根據(jù)據(jù)統(tǒng)計,絕大部分的水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)從事農(nóng)民工的養(yǎng)殖技術(shù)水平并不是很高,相關(guān)的專業(yè)方面科學(xué)知識內(nèi)容也存在著欠缺,技術(shù)能力還有待加強(qiáng)。針對上述存在的問題會對我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的下一步發(fā)展產(chǎn)生不利影響,結(jié)合當(dāng)前普遍流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和當(dāng)前知識技術(shù)水平,迫切需要把物聯(lián)網(wǎng)廣泛運(yùn)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)整個水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)的環(huán)保監(jiān)測體系的現(xiàn)代化和管理智能化。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)以上介紹的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)計,包括了以下幾種技術(shù)研究現(xiàn)狀。首先,在探索和利用探測這種技術(shù)方面,自20世紀(jì)以來,工業(yè)革命不僅極大地促進(jìn)了我們?nèi)祟惤?jīng)濟(jì)和社會的進(jìn)步與發(fā)展,而且給我們的生活和環(huán)境帶來了嚴(yán)峻的污染,特別是給我們的水質(zhì)和環(huán)境帶來了很嚴(yán)重的污染。而且相應(yīng)水質(zhì)的監(jiān)督檢測方法和技術(shù)得到了進(jìn)步。目前,國外普遍使用的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)大多都是使用與之相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)傳感器。隨著化學(xué)材料和工程科學(xué)的不斷進(jìn)步,各種基于新型材料的智能水質(zhì)環(huán)境傳感器應(yīng)運(yùn)而生,如活性氧化鋅薄膜納米材料產(chǎn)品中的p-ph水質(zhì)傳感器、復(fù)合材料薄膜納米材料產(chǎn)品中的超高溶解性臭氧水質(zhì)傳感器等,這些水質(zhì)傳感器一般都已經(jīng)是完全具備了傳統(tǒng)智能化應(yīng)用程度高、功能多樣、體積小、操作方便等基本特征。然而,我國水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外,一開始需要引進(jìn)大量的設(shè)備和技術(shù)。然而,近年來,我國也先后自主開發(fā)研制出了溶解氧傳感器、ph傳感器等一些國內(nèi)專門用于各類水質(zhì)檢查的傳感器,是否能夠完全符合水質(zhì)檢查的基本要求,并且具備一定程度的穩(wěn)定性與可靠性。另外,除了對水質(zhì)的參數(shù)檢測外,我國的一些專家和高端人才也設(shè)計出了水質(zhì)參數(shù)分析儀。其次,在信息傳遞和檢測技術(shù)方面,過去待測的水質(zhì)相對落后。盡管從最大限度上確保了測試數(shù)據(jù)的精密性,但整個測試工作流程的滯后,無法及時進(jìn)行測試。后來,一些專家和學(xué)者為了避免數(shù)據(jù)的延遲,選擇直接在監(jiān)測站內(nèi)部建立了實(shí)驗室,并將它們改造為移動式測量飛機(jī)(汽車),通過使用移動式實(shí)驗室的裝置來降低延遲,保證了實(shí)時性。上述兩種方法雖然都具有某些優(yōu)點(diǎn),但是由于人力和物力消耗大,實(shí)用性偏差。目前一種常見的檢測方法就是通過各類型的水質(zhì)分析傳感器軟件來進(jìn)行檢測和分析獲取各種水質(zhì)分析樣品所集中的水質(zhì)數(shù)據(jù),并且我們可以用有線或者無線的傳輸方式向其他客戶進(jìn)行傳輸,而不是直接通過傳輸提供給其他客戶的各種水質(zhì)分析樣品。目前,有線總線聯(lián)網(wǎng)光電傳輸技術(shù)在國外已經(jīng)開始得到了廣泛應(yīng)用,現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)中以其應(yīng)用最為廣泛。國內(nèi)部分專業(yè)人才還對有線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)展開了一定的研究,但是有線數(shù)據(jù)傳輸模式仍然有著布線的問題。鑒于到水產(chǎn)品養(yǎng)殖業(yè)的特定環(huán)境,我們在選擇時就需要特別重視傳輸線上的防潮與抗腐。針對有線數(shù)據(jù)傳輸模型中存在的一些問題,無線傳輸模式近年來得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外對無線通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了深入的研究和推廣。一些學(xué)者已經(jīng)應(yīng)用各種無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多功能的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸communication.in,遠(yuǎn)程監(jiān)測終端還要具有一定的數(shù)據(jù)分析和處理能力,目前流行的遙感監(jiān)測終端軟件大多可以直接與matlab等數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大部分的數(shù)據(jù)處理功能。最后,在遙感器監(jiān)測遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域,國內(nèi)外研究的重點(diǎn)己經(jīng)由計算機(jī)遙感器監(jiān)測向手機(jī)、平板電腦等移動客戶終端的監(jiān)測轉(zhuǎn)變。目前正在研究中的主要目標(biāo)是為什么讓人機(jī)界面變得更加友好直觀。對于目前大多數(shù)的移動終端系統(tǒng)而言,基于android的遙感器遠(yuǎn)程監(jiān)測更為普遍,但其他移動系統(tǒng)中遙感器的應(yīng)用仍然亟待進(jìn)一步探索。與發(fā)達(dá)國家相比,我國的新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍然起步較晚,盡管近年來在我國己經(jīng)有了趕超的勢頭,但目前仍存在著一些差距,適宜于我國大多數(shù)農(nóng)村水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)從事智能化生活工作的產(chǎn)品還是亟待進(jìn)一步探索。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計2.1需求分析本水產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)主要需要的應(yīng)用領(lǐng)域：水產(chǎn)傳感器自動檢測應(yīng)用領(lǐng)域、無線通訊應(yīng)用技術(shù)、智能水產(chǎn)控制應(yīng)用技術(shù)等,具體的技術(shù)要求就是采用物聯(lián)網(wǎng)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能水產(chǎn)監(jiān)控器對系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了深入研究,通過各個傳感器的監(jiān)控節(jié)點(diǎn),檢測水產(chǎn)專業(yè)養(yǎng)殖各種工作環(huán)境影響它的因素,將通過檢測采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)經(jīng)無線通訊傳輸?shù)亩喾N方式實(shí)時發(fā)送給水產(chǎn)監(jiān)控管理中心并對其進(jìn)行視頻信息處理和圖像顯示,同時再發(fā)送到一臺伺服驅(qū)動電機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)遙控自動監(jiān)控。系統(tǒng)的基本設(shè)計技術(shù)要求需要包括以下幾個方面:（1）傳感器控制傳感器已經(jīng)成為整個系統(tǒng)完整的數(shù)據(jù)和信息來源，就像人類的感覺系統(tǒng)一樣，在整個系統(tǒng)中占據(jù)著最重要的地位。此外，針對水產(chǎn)品和畜禽養(yǎng)殖業(yè)的特殊情況，在選擇傳感器時應(yīng)充分考慮傳感器的防潮性和耐腐蝕性，盡量減少或增加更換其他相應(yīng)設(shè)備的頻率。通過研究和查閱相關(guān)資料，氣候、ph和水中溶解氧含量的變化對健康生長尤的水產(chǎn)品研究具有重要意義。因此，本文將從這三個方面對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行綜合分析和選擇，并將其作為系統(tǒng)的主要檢測因子。（2）監(jiān)控管理中心控制需求分析。監(jiān)控中心系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，相當(dāng)于人類的智能腦。通過自動編程和編譯，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并發(fā)送到用戶的遠(yuǎn)程終端，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶數(shù)據(jù)的實(shí)際分析和結(jié)果，自動控制相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備對養(yǎng)殖場環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到優(yōu)化養(yǎng)殖場環(huán)境的目的（3）系統(tǒng)的無線通信部分根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際需求進(jìn)行實(shí)時控制和分析。無線通信部分的控制是監(jiān)控系統(tǒng)的重要核心部分，它實(shí)現(xiàn)了自動傳感器與自動監(jiān)控數(shù)據(jù)中心之間以及下位機(jī)與系統(tǒng)之間的無線數(shù)據(jù)實(shí)時通信，關(guān)鍵是需要系統(tǒng)在保證最高精度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的同時實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。其次，系統(tǒng)需要有自己良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。（4）遠(yuǎn)程用戶終端設(shè)計需求分析遙感用戶終端是系統(tǒng)的一個組成部分，直接呈現(xiàn)給用戶，代表了整個系統(tǒng)的形象。具有友好、直觀的用戶界面，具有功能齊全、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。2.2系統(tǒng)方案設(shè)計在基于移動物聯(lián)網(wǎng)的中國水產(chǎn)養(yǎng)殖市場智能遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)與設(shè)計中，根據(jù)目前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三層信息系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)，即監(jiān)控感知管理層，網(wǎng)絡(luò)層和監(jiān)控應(yīng)用管理層，設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)檢測和遠(yuǎn)程控制管理層組成，網(wǎng)絡(luò)層和監(jiān)控應(yīng)用管理層監(jiān)控數(shù)據(jù)中心管理層和自動遙感器遠(yuǎn)程監(jiān)控管理層由三個主要部分組成，總體的系統(tǒng)設(shè)計方案總體框圖結(jié)構(gòu)如下圖右表所示。圖2-1系統(tǒng)整體設(shè)計方案圖一、無線水質(zhì)參數(shù)檢測與控制系統(tǒng)主要設(shè)備包括水質(zhì)參數(shù)變化檢測的各種自動感應(yīng)器，水質(zhì)參數(shù)調(diào)控制裝置，攝像頭等，系統(tǒng)設(shè)有自選的各種水質(zhì)參數(shù)自動檢測層，感應(yīng)器主要包括物料水溫，ph，溶劑氧含量計等，水質(zhì)參數(shù)調(diào)節(jié)和自控層主要包括水質(zhì)曝氣器，酸堿度調(diào)和自控器。一方面，在無線網(wǎng)絡(luò)中充分應(yīng)用vzigbee無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)時自動采集多個專用水質(zhì)溫度感應(yīng)器各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行高速，短距離的無線傳輸。同時，用戶可以從水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)核心層接收到相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)和參數(shù)控制指令。另一方面，該裝置可用于區(qū)域環(huán)境監(jiān)測中實(shí)時自動采集豬場現(xiàn)場視頻圖像和處理視頻數(shù)據(jù)。二、監(jiān)測處理中心層監(jiān)控作為一個用戶系統(tǒng)終端下位機(jī)和遠(yuǎn)程多個用戶系統(tǒng)上位機(jī)間與終端間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的重要通信橋梁,負(fù)責(zé)對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析進(jìn)行統(tǒng)計分析和采集信息處理,主要由三個組成部分共同組成:(1)根據(jù)水質(zhì)感應(yīng)器采集的數(shù)據(jù)，該裝置能自動調(diào)和控制，保證養(yǎng)場生長期的最佳水質(zhì)條件;(2)對怎么養(yǎng)過程實(shí)施安監(jiān);(3)監(jiān)護(hù)儀控制液晶顯示器進(jìn)行同步監(jiān)控，通過gprs或wifi網(wǎng)絡(luò)，將飲用水水質(zhì)和其他數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程用戶管理終端。三、遠(yuǎn)程管理層包括上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和海產(chǎn)養(yǎng)現(xiàn)場信息數(shù)據(jù)庫，可在監(jiān)控會前設(shè)置各種參數(shù)范圍，顯示異常時及時向用戶發(fā)報警短信，并根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)的遙感實(shí)時智能監(jiān)控。根據(jù)以上技術(shù)水平，我們大致可以將系統(tǒng)分為養(yǎng)殖水質(zhì)與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和安防監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，包括五個功能模塊：養(yǎng)殖生長狀態(tài)檢測、養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)節(jié)、無線通信、控制中心和上位機(jī)遠(yuǎn)程控制顯示。其中，水產(chǎn)品行業(yè)可主要實(shí)施水質(zhì)環(huán)境智能行為識別，對未進(jìn)入水產(chǎn)品防區(qū)的各類可疑情況和人員實(shí)施預(yù)警和報警信息通報。水質(zhì)檢測系統(tǒng)主要是基于水產(chǎn)養(yǎng)殖安全知識庫的技術(shù)指導(dǎo)。它根據(jù)檢測到的水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)，自動或手動控制部分水質(zhì)調(diào)節(jié)裝置的啟停，不僅充分體現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化，而且有效地實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的生命安全。在本文中，我們將選擇與漁場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的硬件，如表2-2所示。表2-2漁場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型序號名稱型號1可編程控制器PLCS7-3002數(shù)字量擴(kuò)展模塊SM3233模擬量擴(kuò)展模塊SM3354水溫傳感器DS18B205PH傳感器ArduinopH6溶氧傳感器RDO-2027觸摸屏TP7008上下位機(jī)傳輸線路RS-485總線第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1PLC的選型plc是一種可編程序控制器，它使用可編程記憶體來進(jìn)行內(nèi)部存儲程序、邏輯運(yùn)算、順序控制、時序控制、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算，以及其他面向用戶的指令，并通過各類機(jī)械或生產(chǎn)過程的數(shù)字或模擬i/o控制。這是工業(yè)控制的核心部分。目前，國內(nèi)市場上有很多品牌的plc，如臺達(dá)、匯川等，其中德國西門子是plc行業(yè)的“大人物”，在世界上占有70%到80%的市場份額。上市公司的業(yè)績指標(biāo)如下:1、I/O模塊點(diǎn):指輸入和輸出plc外部輸入端子的總數(shù)。點(diǎn)數(shù)越多，載荷就越大。2、存儲容量:指plc可以存儲的數(shù)據(jù)容量的大小。程序和數(shù)據(jù)越多，需要的存儲容量就越大。掃描速度:是指plc運(yùn)行一條程序指令所需要的時間，單位是微秒。指令的功能和數(shù)量:功能越多，指令的數(shù)量越多，可以實(shí)現(xiàn)的功能越多，應(yīng)用越廣泛[4]。plc的選型以設(shè)計方案為依據(jù)，滿足設(shè)備設(shè)計方案的要求，選型中plc的功能包括:操作功能、控制功能、通信功能和編程功能。電梯系統(tǒng)與乘客的生活密切相關(guān)，設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)時間要求進(jìn)行。由于其特殊性，選擇穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時響應(yīng)能力強(qiáng)、滿足上述三點(diǎn)要求的模型是必要的。選用西門子s7系列plc、三菱fx系列plc和歐姆龍c系列plc。結(jié)合上述要求，設(shè)計了一種新型的電氣控制系統(tǒng)。同時，選擇了性價比較好的模型，建立了西門子s7-1200plc。西門子是世界領(lǐng)先的技術(shù)公司。公司成立于1847年，業(yè)務(wù)遍及全球200多個國家，致力于電氣化，自動化和數(shù)字化。S7-1200系列plc是該公司于201年推出的。西門子s7-1200plc抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，具有良好的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。在汽車工程、環(huán)境工程、采礦、化學(xué)工程等方面有著廣泛的應(yīng)用[5]。下圖3.1為SIMATICS7-1200PLC的外觀圖。圖3-1S7-1200實(shí)物圖CPU模塊選型設(shè)計：cpu是一種非常大規(guī)模的集成電路，其中文名稱為“中央處理器”。在計算機(jī)領(lǐng)域，cpu是計算機(jī)的計算核心、控制核心和存儲核心。它的主要功能是解釋計算機(jī)指令和處理計算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。巧合的是，s7-1200plc也有相應(yīng)的cpu模塊,，如圖3-2所示：圖3-2CPU模塊實(shí)物圖plc的cpu模塊集成了微處理器、電源、數(shù)字輸入輸出電路、模擬輸入輸出電源、profinet以太網(wǎng)端口等功能于一體的小型外殼。每個cpu可以安裝一個信號板，安裝后不會改變其大小。同時，集成在s7-1200中的profinet接口用于計算機(jī)編程、hmi接口設(shè)計或與其他設(shè)備的通信。S7-1200的5種型號的CPU如下表3-1。表3-1S7-1200CPU型號集合類型CPU1211CCPU1212CCPU1214CCPU1215CCPU1217CDI/DO點(diǎn)數(shù)AI/AO點(diǎn)數(shù)6入/4出2入8入/6出2入14入/10出2入14入/10出2入/2出14入/10出2入/2出SM模塊擴(kuò)展個數(shù)無2888工作存儲器/裝載存儲器50KB/1MB75KB/2MB100KB/4MB125KB/4MB150KB//4MB需要輸入輸出點(diǎn)的數(shù)量和大量的數(shù)據(jù)。S7-1200plc有五種不同類型的cpu，如上表所示。1214c型cpu最終被選中，它包含三個不同的版本，如表3-2所示。表3-21214C各版本參數(shù)版本電源電壓DI輸入電壓DQ輸出電壓DQ輸出電流DC/DC/DCDC24VDC24VDC24V0.5ADC/DC/RLYDC24VDC24VDC5-30V2AAC/DC/RLYAC85-264VDC24VDC5-30V2A本設(shè)計選用1214cdc/dc/rlycpu模塊。14個數(shù)字輸入接口，10個數(shù)字輸出接口和2個模擬輸入接口。電源電壓為24伏，plc中的信號模塊也稱為i/0模塊。顧名思義，就是把外部設(shè)備的信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸入plc與之搭建橋梁。信號模塊通常安裝在cpu模塊的右側(cè)，以便擴(kuò)展，而擴(kuò)展能力最強(qiáng)的cpu可以擴(kuò)展其他8個信號模塊，以增加輸入和輸出點(diǎn)的數(shù)量。本設(shè)計中使用的cpu信號模塊為為6se7232-4hd32-0xb0。有14個DI端口10個DO端口2個AI端口和4個AO端口。如圖3-3所示：圖3-3SM模塊實(shí)物圖通信cm模塊選型介紹:西門子s7-1200plc具有非常強(qiáng)大的通信功能。可以增加三個通信模塊，采用現(xiàn)場總線通信、點(diǎn)對點(diǎn)通信和profinet通信。3.2水溫傳感器選型根據(jù)這種控制器的要求,在系統(tǒng)的整體設(shè)計控制工作進(jìn)行過程中我還可以考慮選用一種防水式ds18b20水溫性能傳感器,其具體性能參數(shù)的詳細(xì)信息見下面的圖表3-4。表3-4防水式DS18B20參數(shù)指標(biāo)其主要的工作用的原理主要是在ads18b20有一個高于低溫度頻率系數(shù)的晶振和一個低于高溫度頻率系數(shù)的晶振,其中由于高低溫頻率系數(shù)的變化，導(dǎo)致產(chǎn)生的溫度振蕩變化頻率也比較大,根據(jù)這一點(diǎn)，兩者之間的溫度差別即我們可以通過溫度計算公式得出當(dāng)前的晶振溫度變化值。ds18b20采用1wire總線傳送方式，控制器能通過引腳直接從感應(yīng)器讀取數(shù)據(jù)，操作方便。提供3V或5V電源模式。當(dāng)選擇3V電壓力作為電源時，需要電壓力上拉。這種無線通訊方式能有效果減少信號間的聯(lián)系，效率高，功耗低，可靠性和穩(wěn)定程度都比較高。防水型ds18b20實(shí)物結(jié)構(gòu)圖和電路鏈接結(jié)構(gòu)圖分別為如下表3-2所示。圖3-2防水式DS18B20實(shí)物圖3.3pH值傳感器水的pH值的檢測設(shè)備主要依靠在線pH檢測設(shè)備，博取PHG-2091型號。主要用于工業(yè)pH檢測。儀器具有定時、定期開關(guān)量信號輸出，用于連接清晰電極設(shè)備。使用時外接220V交流電源，選用PH8021電極測量pH，安裝時，儀表與采樣點(diǎn)距離不超過20米[15]。3.4溶解氧濃度測量儀根據(jù)工程實(shí)際測量要求，選擇諾博DO-6800溶解氧測量儀。溶解氧濃度測量范圍是0~20.0mg/L，具有0~130攝氏度自動溫度補(bǔ)償功能，可在0-60℃環(huán)境下使用，采用4~20mA電流輸出信號和220V交流電工作電壓。此外，DO-6800測量儀還具有以下功能：（1）可根據(jù)現(xiàn)場條件要求設(shè)置高低點(diǎn)控制輸出；（2）具有自動洗功能，抗干擾能力強(qiáng)；（3）可以正向或反向范圍輸出；（4）支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，最新的極譜分析技術(shù)和看門狗的特征。其實(shí)物圖及原理圖如圖3-3，3-4所示。圖3-3溶解氧傳感器實(shí)物圖圖3-4溶氧傳感器原理圖3.5RS-485總線主機(jī)與服務(wù)器間的短信傳輸實(shí)際上是指令的發(fā)出和模塊的接受與執(zhí)行。在本文中，我們選擇RS-485總線作為上下位機(jī)間的傳橋梁，以滿足上下位機(jī)間的傳性能要求。RS-485總線類型有兩種接線方式：2線和4線?，F(xiàn)在，四線制系統(tǒng)很少使用，因為他們只能提供點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，而二線制系統(tǒng)能在同一條干線上提供多個連接。點(diǎn)傳功能，使用方便，用途廣泛。接法也很簡單。只要把“+”和“+”連起來，把“-”連接到“-”。本文采用二線制方式完成PLC與其他時段的通訊。3.6西門子TP700觸摸屏本文將SIEMENSTP700觸摸屏作為主機(jī)硬件。觸摸屏主要用于促進(jìn)用戶交互，改善用戶體驗，使房間信息更加直觀。用戶可以通過觸摸屏查看漁場的所有信息，并監(jiān)控水溫、PH值等信息。西門子TP700觸屏通常是垂直裝的，能裝在房間的墻上，不僅美觀而且操作方便。它包括兩個儲存插槽來保護(hù)您的數(shù)據(jù)短信。西門子TP700觸摸屏的硬件如圖3-5所示：圖3-5西門子TP700觸摸屏3.7系統(tǒng)I/O點(diǎn)分配首先，初始化與OV7670相關(guān)的IO端口，并完成寄存器序列的初始化。初始化后，可以收集視頻圖像。以下是PLC的I/O分配。表2-1PLCI/O分配輸入地址輸入注釋輸出地址輸出注釋I0.0入口壓力Q0.0輸出門開I0.1出口壓力Q0.1輸出門關(guān)I0.2主機(jī)電流Q0.2循環(huán)門開I1.0入口壓力Q1.0輸出門開I1.1出口壓力Q1.1輸出門關(guān)I1.2主機(jī)電流Q1.2循環(huán)門開I2.0入口壓力Q2.0輸出門開I2.1出口壓力Q2.1輸出門關(guān)I2.2主機(jī)電流Q2.2循環(huán)門開

第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1博途TIA硬件組態(tài)與程序設(shè)計在編程之前，一個必不可少的步驟是硬件配置。硬件配置，顧名思義，就是把PLC的硬件模塊設(shè)備信息下載到CPU，讓CPU知道它們。本設(shè)計的硬件配置基于以前的硬件配置。首先，進(jìn)入TIA軟件，創(chuàng)建一個新項目，打開該項目，并嘗試在“插入控制器”選項中選擇此設(shè)計中使用的控制器如圖4-1所示：圖4-1控制器選型在選完控制器之后，依據(jù)硬件設(shè)備的條件，選擇與其對應(yīng)的設(shè)備，進(jìn)而完成全部的硬件組態(tài)，完整組態(tài)如下圖4-2所示：圖4-2硬件組態(tài)圖上圖中的硬件配置圖有五個模塊，分別是CPU模塊、AI模塊、AQ模塊和通信模塊。將設(shè)備放入導(dǎo)軌中進(jìn)行編譯和下載。下載前請注意PG/PC接口的設(shè)置。下載完成后，我們開始編寫和設(shè)計程序。STEP7的編程語言是LAD、STL和FBD。本設(shè)計采用線性規(guī)劃，所以需要用到LAD梯形圖語言。與其他語言相比，它更容易理解，邏輯關(guān)系強(qiáng)。在完成硬件組態(tài)之后，進(jìn)行編譯，下載到需要使用設(shè)備當(dāng)中，方便檢驗現(xiàn)場硬件和在線設(shè)備是否連接成功。完成之后，就可以進(jìn)行程序塊的編寫了。4.2系統(tǒng)程序設(shè)計4.2.1進(jìn)水流程設(shè)計如圖4.3所示為液位控制流程圖。圖4-3粗格柵液位控制流程圖由圖4-3可以看出，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后判斷系統(tǒng)是否需要控制液位。如果是的話，就判斷這個系統(tǒng)。否則，不要執(zhí)行以下操作。如果液位差超過20厘米，從皮帶輸送機(jī)和延時器開始。當(dāng)時間達(dá)到30秒時，啟動粗網(wǎng)格。否則，結(jié)束進(jìn)程，當(dāng)時間達(dá)到60s時，關(guān)閉皮帶輸送機(jī)，結(jié)束流程。4.2.2出水流程設(shè)計消毒功能屬于水處理的出水環(huán)節(jié)，如圖4-4所示為消毒操作出水流程圖。圖4-4消毒操作出水流程圖首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后判斷液位是否超過-9.25m。否則，關(guān)閉2號水泵。相反，打開1號水泵變頻器。用變頻器提高1號水泵運(yùn)行速度，使其在5分鐘內(nèi)達(dá)到全速。此時，1號水泵將全速運(yùn)轉(zhuǎn)。接下來判斷液位是否超過-8.90m。否則，立即關(guān)閉3號水泵。相反，打開延時定時器，在變頻器的作用下，在5分鐘內(nèi)將2號水泵轉(zhuǎn)速提高到最大值。4.3系統(tǒng)控制梯形程序圖設(shè)計（1）基于PLC的漁場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的一部分總手動控制梯形程序圖如圖4-6所示。圖4-6控制系統(tǒng)部分總手動控制梯形程序圖在啟動手動控制的梯形圖中，i0.1為手動操作模式的控制按鈕，m0.0為危急情況下的急停按鈕，i0.2為自動操作模式的控制按鈕，m0.1為手動操作模式的指示。在手動控制梯形圖中，i0.4為粗格柵機(jī)控制按鈕，m0.4為粗格柵機(jī)運(yùn)行指示，i0.5為粗格柵清渣機(jī)運(yùn)行控制按鈕，m0.5為粗格柵清渣機(jī)運(yùn)行指示，i0.6為1、2提升泵運(yùn)行按鈕，m0.6線圈是1、2提升泵的操作按鈕。通過以上指令圖，就可以遠(yuǎn)程啟動和停止本系統(tǒng)的工藝設(shè)備。（2）基于PLC的漁場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的手動控制模式的曝氣機(jī)變頻梯形程序圖如圖4.7所示。圖4-7手動控制模式的曝氣機(jī)變頻梯形程序圖曝氣機(jī)變頻控制梯形圖中，M1.5表示1號曝氣機(jī)變頻運(yùn)行，M1.6表示2號曝氣機(jī)變頻運(yùn)行。I2.6為曝氣機(jī)控制變頻升頻按鈕，I2.7為曝氣機(jī)控制變頻降頻按鈕，每次曝氣機(jī)變頻頻率增減5%。通過命令圖，可以切換額定頻率和變頻的控制方式。在變頻控制模式下，可實(shí)現(xiàn)1、2曝氣機(jī)的變頻運(yùn)行。（3）基于PLC的漁場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的自動控制模式的粗格柵機(jī)梯形程序圖如圖4-8所示。圖4-8自動控制模式的粗格柵機(jī)梯形程序圖M0.3表示自動模式，T37執(zhí)行定時20min命令，m2.6表示粗格柵機(jī)停止工作，M0.4表示粗格柵機(jī)正常運(yùn)行。T38的功能是執(zhí)行計時12分鐘的命令，C1的功能是執(zhí)行計數(shù)10次的命令。T38和C1的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)計時2小時的功能。通過上面的命令圖，可以自動控制粗格柵機(jī)。在粗格柵機(jī)運(yùn)行20分鐘后，粗格柵機(jī)將停止工作2小時，然后運(yùn)行20分鐘，然后交替停止。（4）基于PLC的漁場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的自動控制模式的提升泵梯形程序圖如圖4-9所示。圖4-9自動控制模式的提升泵梯形程序圖M0.3為自動模式運(yùn)行指示，M3．0為提升泵房液位值低于低設(shè)定值，m0.6為3提升泵啟動工作指示，T39功能是執(zhí)行時間2s的命令，I3．4為提升泵房液位值低于低設(shè)定值。I3．3將把泵房的液位提高到高低設(shè)定值范圍內(nèi)。I3.2是從水位到高設(shè)定值。T40的功能是以2S的固定時間執(zhí)行命令。I3.1為水位達(dá)到報警值時的報警命令。M3.1為報警指示。通過4.13和4．14指令圖，可以對提升泵的過程進(jìn)行自動控制。為了防止傳感器檢測值誤判，定時為2s以防止誤判。

第五章上位機(jī)設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試5.1監(jiān)控系統(tǒng)WinCC組態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的軟件平臺，是工業(yè)應(yīng)用軟件的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等方面。本文使用的WinCC版西門子為V7．3版，其性能特點(diǎn)如下：通用范圍廣，操作簡單，適用于所有工業(yè)和技術(shù)解決方案。WinCC系統(tǒng)組件構(gòu)建各種編輯器來生成屏幕、腳本、警報和報告。V7．3版本的WinCC支持OPWindows8號，同時通過采用SSL加密技術(shù)來加強(qiáng)通信安全。在本設(shè)計中增加了通信驅(qū)動程序。在此版本之前，如果要想與S7－1200/1500通信，您需要應(yīng)用OPC軟件[8]。WinCC人機(jī)界面設(shè)計過程。（1）變量管理首先，添加設(shè)備驅(qū)動程序，本設(shè)計是與控制器進(jìn)行通訊連接，具體通訊見第5.2章，變量分為外部變量和內(nèi)部變量。外部變量：也稱為過程變量，通過數(shù)據(jù)地址與PLC直接通信的變量。沒有外部變量，WinCC就無法與PLC通信。這說明了它的重要性和外部變量的建立過程如下圖5-1所示：圖5-1建立外部變量內(nèi)部變量：內(nèi)部變量沒有相應(yīng)的進(jìn)程驅(qū)動程序，因此它們不需要連接到PLC。內(nèi)部變量的數(shù)據(jù)直接傳送到人機(jī)界面執(zhí)行相應(yīng)的指令。在這個設(shè)計中，不使用內(nèi)部變量，而是使用外部變量和與PLC相連的系統(tǒng)變量。系統(tǒng)變量：WinCC提供了一些預(yù)定義的中間變量，稱為“系統(tǒng)變量”。每個系統(tǒng)變量都有明確的含義，可以提供現(xiàn)成的系統(tǒng)功能。在本設(shè)計中，借助于系統(tǒng)變量，在監(jiān)控界面上實(shí)時顯示時間和日期，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)變量的生成如下圖5-2所示:圖5-2建立系統(tǒng)變量5.2建立控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信為了建立控制和監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信，在建立通信之前，需要在wincc和simatic的s7－1200/1500之間建立TCP/IP通信驅(qū)動程序。(1)確認(rèn)以太網(wǎng)卡在pc上的安裝和設(shè)置，將網(wǎng)卡cp1613或普通網(wǎng)卡插入pc主板的插槽，然后在控制面板界面“彈出對話框”中選擇“setpg/pc”，在應(yīng)用程序訪問點(diǎn)的下拉菜單中添加pip，從而在下拉菜單中有“tcp/ip”協(xié)議分配參數(shù)。經(jīng)過選擇和確認(rèn)，成功地設(shè)置了wincc的通信協(xié)議。(2)在wincc中選擇通信卡，選擇“variablemanagement”，右鍵單擊“addnewdriver”，然后選擇“simatics7-1200，s7-1500channel”，如圖5-3所示。并在osm+下創(chuàng)建一個新連接s7-1200，如圖5-4所示。選擇s7-1200，右鍵單擊彈出快捷菜單，然后單擊“連接參數(shù)”，如圖5-5所示。圖5-3添加S7-1200驅(qū)動程序圖5-4新建連接圖5.5“連接參數(shù)”設(shè)置這樣一來，便成功的建立了PLC與WinCC的通信。5.3系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計5.3.1主界面設(shè)計如圖5-6漁場水質(zhì)處理工藝流程所示，屏幕左側(cè)有工藝流程圖、粗格柵、漁場水池、吹風(fēng)機(jī)房、巴氏消毒流水池和電力系統(tǒng)按鈕。單擊這些按鈕可自動跳轉(zhuǎn)到鏈接屏幕。在屏幕的右側(cè)，有聲音抑制、閃爍停止和報警確認(rèn)。單擊這些按鈕可自動跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的操作。屏幕的中間部分是系統(tǒng)流程的主屏幕。操作員可以根據(jù)屏幕中圖標(biāo)的提示點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)入各個過程控制屏幕，如細(xì)格柵、沉砂池、漁場池等。圖5-6工藝流程界面設(shè)計5.3.2漁場池塘監(jiān)控界面設(shè)計漁場池塘理池是水質(zhì)處理的主要設(shè)施，用于去除池塘中水中的有機(jī)物和進(jìn)行凈水反應(yīng)等。通過鼓風(fēng)機(jī)曝氣、推流器、攪拌器共同作用使活性污泥呈懸浮狀態(tài)在氧化溝內(nèi)循環(huán)流動。其中鼓風(fēng)機(jī)是水質(zhì)處理關(guān)鍵的控制設(shè)備，關(guān)系到漁場池塘活性污泥生長環(huán)境和出水水質(zhì)的好壞，同時也是水質(zhì)處理節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在，如圖5-7所示。圖5-7漁場池塘界面設(shè)計5.3.3鼓風(fēng)機(jī)房監(jiān)控界面設(shè)計鼓風(fēng)機(jī)房的主要功能是利用鼓風(fēng)機(jī)對曝氣沉淀池底部進(jìn)行曝氣，使水處理池中的生物活性物質(zhì)與污水中的物質(zhì)充分反應(yīng)，達(dá)到去污的目的。風(fēng)機(jī)房監(jiān)控接口主要負(fù)責(zé)風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)的監(jiān)控，如圖5-8所示。圖5-8鼓風(fēng)機(jī)房界面設(shè)計“恒DO閉環(huán)控制”是鼓風(fēng)機(jī)常用的控制方式。通過改變鼓風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量實(shí)時調(diào)整生化池里的DO值，從而使DO穩(wěn)定在一個相對適合的范圍內(nèi)?！昂鉊O閉環(huán)控制”一般用于A2O處理工藝中，“單閉環(huán)恒DO控制”一般用在單一漁場池塘模式下，主要用于A2O工藝的中小型水質(zhì)處理系統(tǒng)中。5.3.4報警值設(shè)定報警值設(shè)定包括PH值報警值、流量報警值、液位報警值三種，通過組態(tài)界面可以對其進(jìn)行上限值及下限值的設(shè)定。液面報警值設(shè)定框如圖5-10所示，流量及PH值報警值設(shè)定框如5-11所示。圖5-10液面報警值設(shè)定界面圖5-11流量及PH值