标题：基于PLC的小型粮仓粮情监控系统设计

文档介绍：

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

粮食安全是国家安全的基础，粮仓储藏过程中所出现的损耗问题，也直接影响到粮食供应是否稳定、持久。我国是农业生产大国有着粮食消费大国地位，由于仓储环境的原因造成粮食霉变、发芽、虫害等质量方面的问题每年都会造成一定的经济损失。小型粮仓由于数量多、分布广、管理条件差，所以是粮情监控的盲区。传统的小型粮仓一般用人工定时巡查加经验判断的方式来管理粮情，该方式劳动强度高、工作效率低，无法实现对粮情的实时监测以及早预警的目的，造成粮食出现大面积变质后才去处理的情况屡见不鲜。

伴随着物联网技术、工业自动化控制技术迅猛发展，把可编程逻辑控制器应用到粮仓环境参数的自动监控中来已经成为可能的技术途径。PLC凭借很高的可靠性，很强的抗干扰能力，很好的工业环境适应性以及灵活的编程方式，在各种自动化控制场合都有广泛的应用。把PLC技术用在小型粮仓粮情监控系统里，可以使粮堆温度、仓内湿度这些关键参数得到快速、精确的采集，并且还能自动做出评价，并加以执行相应的控制行为，进而极大程度上提高了粮仓管理的自动化水平以及其反应的速度。本课题的研究意义在于，设计一套成本可控、性能好、操作简便的粮情监测小型粮仓控制系统，给广大小型粮仓提供了一种技术上可行、经济上的合理改造方案，对降低粮食储藏损耗、保证粮食安全有重大的现实意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

在粮食仓储监控技术方面，发达国家起步较早，技术比较成熟。欧美等农业发达国家在二十世纪后期就开始将自动化控制技术应用到大型粮库的管理当中，形成了以计算机集中监控为系统的粮情管理系统。近些年来，伴随着传感器技术，无线通信技术以及人工智能算法等各方面的不断发展，国外的研究人员也在粮情监测上开始运用物联网的架构和智能分析的方法。采用分布式光纤传感技术监测粮堆温度，用机器学习算法预测粮情变化趋势，以上两种技术方式大大提高了粮情监测的准确性、预见性。除此之外，国外对于粮仓通风控制策略的研究也十分广泛，在粮堆热湿耦合传递模型的基础上，提出了更加科学合理有效的通风除湿方式，使粮仓通风除湿更趋合理化。国外的传感器网络主要是使用低功耗无线传感器节点，减少布线的成本但是又不会影响到系统的灵活性以及可扩展性。总的来说，国外粮情监控技术正朝着智能化、网络化、预测化的发展方向发展，但是相关系统、设备成本高，不适宜直接用于小型粮仓的推广使用。

1.2.2 国内研究现状

我国的粮仓监控技术研究开始时间比较晚，但是发展速度很快。早期国内粮仓大多使用人工观测、简单的仪表显示方式，而到21世纪以后，由于自动化技术的发展，以单片机、PLC、工控机为主的粮情测控系统开始被运用。国内的学者以及工程技术人员对于粮情监控系统的建设设计有着诸多的研究，所提出的控制核心也多种多样。国内对于传感器的选择大多采用数字温度传感器、电容式湿度传感器，这些传感器价格便宜、精度可靠、接口标准。控制器上，PLC由于其稳定性高、可靠性好，在大中型粮库的自动化改造项目中应用比较多，单片机方案更常用于成本较低的系统中。通信方式上以RS485总线加Modbus协议为主，国内粮情监控系统目前也出现了采用无线通信模块进行数据远程传输的新产品。近些年来，国内也出现了与组态软件相结合的粮情监控平台，具有数据可视化的功能以及历史曲线的查询和远程报警。但是现有的系统大多数都是为了某个粮库而专门开发的，并没有采用标准化以及模块化的设计思想，对于小型粮仓的经济型解决方案也还存在着很多欠缺。

1.3 主要研究内容

本课题主要研究内容为，以西门子S7-1200PLC为主要控制对象的微型粮仓粮情监控系统，其研究工作分以下四个部分进行，1、系统总体方案设计、2、硬件选型及电路设计、3、软件程序编制、4、系统仿真及测试。根据小型粮仓实际运行监控需求和环境要求，确定系统实现目标以及各项技术指标等要提出的要求，并确定感知层、控制层、管理层这三个系统为主要组成要素的整体设计方案。其次，完成PLC控制器的选择以及I/O资源的配置工作，选择符合粮仓环境温度、湿度要求的传感器，合理设置传感器布点方案，选择合适的执行机构来控制通风风机、除湿机和声光报警器，设计出合适的RC滤波电路和光耦隔离驱动电路，规划RS485通信接口电路，绘制出完整的硬件结构图和电气原理图。

软件设计上利用TIA Portal开发环境进行梯形图和结构化文本的混合使用，在PLC控制程序方面建立起来。程序主要由数据采集和处理模块、控制逻辑判断模块、通信模块三个主要部分组成。数据采集模块按照轮询方式去获取各个传感器的数据，利用滤波技术消除噪声干扰之后才能进行下一步的处理操作，控制逻辑模块依据预设的检测值区间来进行是否开启通风、除湿或是发出警报等一系列的决定行动过程，而且还会借助PLC和上位机组态软件的通信联系，在此期间达成相关任务的完成情况报告任务的目的。最后利用仿真平台对系统的功能测试及性能测试来验证温湿度的采集、自动联动控制和分级报警的功能是否正常，并对系统的响应时间、控制精度等性能指标进行分析。调试过程中会找出设计中出现的问题并加以处理，最后得出一份完整的方案。

1.3 主要研究内容

本课题主要设计并实现一个以ZigBee技术为平台的智能照明组网控制系统的网关和节点，系统是由网关主板和节点主板两部分组成的，可以完成对照明节点的集中控制、远程控制、环境感知的功能。按照任务书的要求，本课题的主要研究内容有如下几个方面。

第一，系统总体方案设计。根据功能需求来决定系统三部分的结构，也就是感知执行层、网络传输层和应用层。确定网关主板及节点主板的硬件构成与功能分工，规划系统网络拓扑，选通信号标准协议，并对网关-节点以及网关-云之间数据交流的数据包进行规定。

第二部分是硬件的设计和实现。网关主板和节点主板的硬件电路设计工作完成。网关主板以STM32F411CEU6为控制核心，集成ZigBee通信模块、ESP8266 WiFi模块、TFT LCD显示屏、BH1750光照度传感器和SHT30温湿度传感器。节点主板使用STM32F411CEU6作为主要的芯片，ZigBee通信模块、PWM调光接口等其他模块也都集成在上面，并且可以精确控制LED灯具的开闭。进行电路原理图设计以及PCB的绘制。

第三，软件的设计和实现。搭建RT-Thread嵌入式实时操作系统开发环境，编写网关主板和节点主板的软件程序。网关主板对传感器的数据进行采集，LCD显示功能以及ZigBee和WiFi的通信功能都通过网关主板来实现，同时还具有MQTT协议的对接功能。节点主板完成zigbee入网，指令解码，_pwm调光控制等工作。完成ThingsBoard物联网云平台的设备接入以及仪表盘的设计。

第四，系统的测试和分析。建立一个完整的测试平台来完成系统的功能测试和性能测试。功能测试是检验网关传感器采集数据、LCD显示功能、WiFi通讯功能、ZigBee组网功能、远程控制等功能是否能正常工作的一个过程。性能测试有通信距离，响应时间和调光性能这三个指标。通过对测试结果的分析得出系统总体性能水平，并找出系统中存在的不足以及需要改进的地方。

第二章 系统总体方案设计

2.1 系统设计目标与性能指标

本系统的设计目的是为了给小型粮仓设计出一种能够实现自动化、智能化的粮情监测系统，能自动检测粮堆的温度和仓内的湿度，并联动控制相应的设备。系统应该具备数据采集功能、阈值比较功能、自动控制功能、声光报警功能和远程监控功能等，可以弥补传统的手工检查不足之处，使粮库管理更加及时、可靠。具体的系统应该可以持续地检测粮仓各个地方的温度和湿度，一旦发现某个地方的温度超过预设的上限值就会自动开启通风风机来降温，如果检测到湿度超过设定的上限值就立即启动除湿机除湿，如果超温超湿的状态持续时间很长还没有恢复正常的话，那么系统会发出声音和光报警，提醒管理人员去处理。另外，系统应该具有良好的人机界面，方便操作人员观察实时数据、查询历史数据以及改变控制参数。

从任务书中可以看出，系统应达到如下技术指标，温度测量误差≤0.5℃，粮情判定正确；通风系统响应时间不大于8ms，通风启停响应速度快，能及时使粮情得到控制。另外，系统应该具有较强的抗干扰能力，在粮仓常见的粉尘、潮湿、温度变化等环境下可以正常工作。在硬件电路设计的时候要集成RC滤波电路、光耦隔离模块来抑制电磁干扰对传感器信号、通信线路的干扰。按照以上设计目标和性能指标要求来完成，可以保证小型粮仓日常粮情监控的系统。

2.2 系统总体架构设计

本系统使用三层模块化的结构，即感知层、控制层、管理层，该种分层结构是基于工业集中监控系统而来的，其具有很好的稳定性、实时性以及可扩展性。感知层为系统的基础部分，是由安装在粮仓内部以及各个粮堆层的各类传感器所构成的，其中温度传感器阵列是用来测量粮堆温度的，湿度传感器则是用来检测仓内环境湿度的。根据预先确定好的布点方案，在整个仓库中布置了各个传感器，从而形成了一个覆盖全部区域的传感器网络，可以对粮食的原始数据进行及时的采集。由于粮仓的环境特点，选取了耐湿、耐尘、长期使用的传感器来布置，布点方案根据粮堆传热传质规律进行确定，得到的是真实反映粮情状态的数据。

控制层是系统核心，采用西门子S7-1200 PLC为主控制器，接收感知层传来的传感器数据，运行已有的控制逻辑算法，按照判断结果发出控制指令到执行机构。PLC是工业控制领域的一种成熟的设备，具有运算速度快、I/O扩展灵活、抗干扰能力强等特点，在粮仓这种工业环境下可以长时间连续工作。控制层里面存在了一系列的数据采集模块、阈值比较模块、定时控制模块、报警判断模块等功能子系统，在协同作用下完成对粮情进行监测并执行相应处理的任务。管理层处在系统最上面一层，用工业组态软件开发的上位机监控平台，通过以太网或者RS485总线和PLC通信。管理层通过可视化的接口同人、机器交流，用数字、曲线、模拟图把这些粮食情数据表现出来，可以查看过往的数据，在系统的设置中有不同的报警阈值以及操作，管理人员可以根据这些信息去观察粮食库房的状况并做出相应的处置。

2.3 系统工作流程概述

系统上电启动之后，首先对PLC进行自检，然后对各个传感器模块进行复位，同时对通信端口进行设置，最后是初始参数的加载。初始化之后系统就会进入到自动监控状态，根据所设定的扫描周期不断重复地完成数据采集、处理判断、输出控制这三个过程。在数据采集阶段，PLC利用模拟量输入模块或者数字总线接口一个接一个地从各个温度传感器、湿度传感器上采集得到各个设备的测量数据，然后对这些测量数据进行处理得到真实温度值以及湿度值。为了保证数据的可靠性，在每次取样时都要进行多次采样，并用数字滤波的方法消除异常跳变值，得到稳定的测量结果，供后面的判断使用。

数据处理完成之后，PLC会把各个测点的温湿度值同程序内部设置好的阈值加以对比来作出判定。温度判定部分，如果某一测点温度大于设定的上限值，那么PLC就会发出控制信号来启动相应的通风风机，对这个区域展开强制性通风降温工作，若温度恢复正常并且低于停止阈值的话，就会关闭风机从而达到节能减排的目的。当仓内的湿度大于设定的上限值时，PLC开始启动除湿机进行除湿，当除湿后仓内的湿度降至安全范围之后再停止除湿。系统的分层报警是温湿度超过阈值 30 分钟以后才发出声音的报警，PLC 才会有声光报警器向现场工人发出报警。PLC在运行中会和上位机组态软件保持不断地通讯，把实时获得的温湿度数据、设备运转情况等发送到监控平台，并且会接收到来自于上位机的参数修改请求以及手动操控的命令。上位机监控平台接收数据后会用仪表盘、实时曲线和历史曲线的形式把信息展示给操作人员看，从而达到粮情信息的可视化管理目的。

第三章 系统硬件设计

3.1 PLC控制器选型与配置

本系统的核心控制器选用西门子S7-1200系列中的CPU 1212C DC/DC/DC型号。该型号PLC是由西门子为小型自动化设备设计的紧凑型控制器，性能中等偏上、功能齐全、扩展性强、价格便宜等特点，特别适合于粮情监测等对成本要求较高并且对可靠性的要求也较高的小型粮仓自动化系统使用。CPU1212C本体上配有数字量输入输出通道以及两路模拟量输入通道，可以满足本系统对于I/O点数的基本需求，还可以通过信号板或者扩展模块来灵活地进行扩展，给系统的升级预留了足够的空间。该控制器使用直流24伏电源，属于工业现场中普遍采用的电源电压，可以和传感器、执行机构等外部设备共用电源系统。

CPU1212C有以太网通信接口和一个PROFINET通信端口，可以同上位机、触摸屏、其它网络设备等高速数据传输。以太网接口的设置使本系统可以和工业触摸屏或者工控机进行连接，从而达到本地监控的目的，也为以后远程Web访问功能的实现打下了基础。另外该PLC可以采用Modbus TCP、Modbus RTU这两种通信方式来适应不同的外围设备的通信接口。编程上S7-1200系列PLC使用西门子TIA Portal平台进行开发，该平台集成了硬件组态、程序编写、调试监控和仿真运行等各方面的功能，并且可以自由的选用梯形图、功能块图和结构化文本这些不同的编程语言来满足开发人员的各种需求。从综合分析可以看出，CPU 1212C 的各项性能指标及功能特点可以完全满足本系统对控制器的要求，因此本课题选用 CPU 1212C 是完全合理的。

3.2 传感器选型与布点

温度传感器对于粮情监测系统来说起到了非常关键的作用，而它的测温精度以及长时间工作情况的稳定性都会直接影响到整个系统能否正确地做出判断。本系统中用到的温度检测元件是PT100铂电阻温度传感器，它采用铂电阻随温度变化而变化的特性来实现测温，在线性度较好、测量精度较高、长时间使用稳定性较好等方面都有比较明显的优势。PT100的测量精度可以达到正负零点五摄氏度，满足了任务书对精度的要求。在粮堆内进行多点温度测量的时候，利用PT100配合相应的变送器将电阻信号转变为标准的模拟量信号，并通过PLC的模拟量输入模块来采集。对于仓内环境温度的监测，系统也用到了PT100传感器来保证全系统温度测量的一致性、准确性。

湿度传感器采用电容式湿度传感器，它的工作原理是利用高分子感湿材料的介电常数随环境湿度的变化而变化的性质来工作的。电容式湿度传感器反应快，滞后小，稳定，抗污染能力强，可用来做粮仓之类的环境下的湿度检测。该传感器的湿度测量准确率不超过±3%的正或负的相对湿度可以满足粮食监测的要求。在传感器的布点设计上，本系统遵循分层布置的原则。根据粮仓高度把粮堆分为上、中、下三层，每个层设若干个温度传感器，可全面掌握粮堆内各个部位的温度分布情况。对于仓内环境温度、湿度的监测，在仓体中部以及进出风口附近各安装一个传感器来完成，一方面可以对整个仓内环境进行监测，另一方面也可以检测到通风效果。分层、多点布置可以很好地克服检测盲区的不利影响，得到较为齐全的粮情数据。

图3-1温湿度传感器模拟量输入接线图

PT100温度传感器经变送器将电阻信号转换为标准的四到二十毫安电流信号后，接入PLC模拟量输入通道的特定端子。电容式湿度传感器同样输出标准的模拟量信号，按照相同的接线规范接入PLC。图中标注了传感器的供电方式、信号线的极性、屏蔽层的接地处理以及模拟量输入模块的通道分配。所有模拟量信号均采用屏蔽双绞线传输，屏蔽层在PLC端单点接地，以最大限度减少电磁干扰对采集精度的影响。该图为传感器信号的准确采集提供了清晰的接线指导。

图3-2传感器信号采集接线图

3.3 执行机构选型与驱动

系统执行机构主要由通风降温用的轴流风机、除湿用的除湿机、异常报警用的声光报警器组成。轴流风机因风量大、结构紧凑、安装方便等特点被用作通风执行设备，按照粮仓的容积大小选择合适的功率风机，一般安装在仓体的通风口处，通风时启动风机强制排出仓内湿热空气或者引入外部干燥空气。除湿机选择工业环境下适合的冷冻式除湿机，它的工作原理就是通过压缩机、制冷系统把空气中的水蒸气冷凝成水滴排出，从而降低仓内空气的相对湿度。该类型除湿机除湿效果好，在较宽的温度范围内可以正常使用，适合粮仓除湿使用。声光报警器是以高亮发光二极管、蜂鸣器等组成的一种一体化产品的粮食仓储质量监控用设备。粮情参数若出现超标情况，并且连续时间大于某个设定的报警时长，则会产生十分强烈的声光报警效果。

PLC的数字量输出通道一般可以提供很小的驱动电流，不能直接控制风机、除湿机等大功率设备，在PLC输出和执行机构之间要使用中间继电器或者接触器来进行功率放大。本系统用继电器输出方式，PLC的数字量输出信号先驱动中间继电器，再由中间继电器的触点控制交流接触器的线圈，最后由交流接触器的主触点控制风机或者除湿机的电源通断。多级驱动可以控制大功率设备，隔离PLC和强电设备的电气回路，防止强电设备工作导致的设备损坏、人员伤亡等现象。对声光报警器这种小功率的设备可以采用中间继电器来控制，不需要用到接触器。所有继电器、接触器所使用的触点容量应满足要求，在继电器、接触器的电源线两端并联反向续流二极管或者阻容吸收电路，防止由于开关时反向电动势造成的损坏PLC输出端口。

图3-3风机主回路电气原理图

3.4 抗干扰与通信接口设计

小型粮仓的运行环境比较复杂，粮仓内存在着一定的粉尘、潮湿以及温度变化情况，而且风机、除湿机这类大功率设备经常出现启停的现象，从而给电磁干扰带来了极大的影响，这都会影响到传感器信号是否可以被准确地采集，通信链路是否能够保持稳定。因此，本系统在硬件设计的时候专门增加了抗干扰的装置。传感器信号输入端采用了RC滤波电路，也就是电阻和电容组合而成的低通滤波器。本电路能够对高频噪声信号起到抑制的作用，从而使进入PLC模拟量输入模块的信号更加平稳、稳定。RC滤波电路参数的选择要根据传感器输出信号的频率特性以及干扰噪声的频率分布来合理搭配，使有用的信号能顺利通过，同时也要尽量减少干扰成分。

图3-4控制系统网络拓扑图

光耦隔离是本系统中用到的一种抗干扰技术。光耦隔离器件是利用光信号把输入侧和输出侧隔开，二者之间不存在直接的电气联系，从而可以防止干扰信号的传送。在系统中，PLC的数字量输出信号在驱动中间继电器之前先经过了一个光耦隔离模块，从而使得PLC内部电路和外界的功率电路彼此之间被彻底隔离开来，即使是在外部的电路中出现过高的浪涌电压或者突然短路的情况下，都不会危及到PLC的安全。在通信接口上本系统使用RS485总线来通信PLC与上位机以及分布式传感器。RS485接口使用差分信号传输方式，在工业环境中可以用来做长距离通信。通信协议采用的是Modbus RTU协议，它是工业自动化中应用最广泛的公开标准之一，其帧格式简单、具有很好的纠错能力、易于实现等特点。PLC作为Modbus主站，按照规定的轮询周期向各个从站设备发出读数据请求信号，在接收到各个从站设备的响应后返回相应的数据给上位机。

3.5 硬件结构图与电气原理图

硬件结构图和电气原理图是系统硬件设计成果的可视化呈现，也是后续设备安装、接线和调试工作的重要技术依据。本系统的硬件结构图按照感知层、控制层、管理层三层架构进行绘制，清晰地展示了系统各组成部分之间的连接关系和信号流向。电气原理图则按照国家电气制图标准，详细绘制了各电气回路的接线方式，包括主电源进线、PLC控制电路、传感器信号输入电路、执行机构驱动电路和通信电路等部分。所有图纸均标注了设备型号、端子编号、线号等关键信息，为系统的实际施工和后期维护提供了完整的技术参考。

图3-5系统总体硬件结构框图

按照感知层、控制层、管理层三层架构绘制，展示了系统各硬件组成部分及其相互之间的信号流向。感知层包括部署在粮堆内部和仓内环境的温湿度传感器，负责采集原始粮情数据。控制层以西门子S7-1200 PLC为核心，接收传感器信号并输出控制指令。管理层包括工业触摸屏和上位机监控平台，通过以太网或RS485总线与PLC进行数据通信。图中还标注了各层之间的信号传输方向及通信协议类型，使系统整体架构一目了然。

图3-6 触摸屏供电与通信接线图

详细绘制了触摸屏的电源供电线路及与PLC之间的通信接线方式。触摸屏采用直流24伏电源供电，正负极性需严格按照图示要求连接，电源线建议使用截面积为0.75平方毫米以上的双绞线。通信方面，触摸屏通过以太网接口与PLC的PROFINET端口相连，图中标注了网线线序及水晶头压接标准，确保通信链路的物理连接可靠。

图3-7 PLC数字量输入端子接线图

展示了西门子S7-1200 PLC数字量输入端子的具体接线分配，包括各传感器信号及控制按钮的接入方式。所有输入信号均采用直流24伏供电，每个输入通道所连接的设备名称、信号类型及端子编号均在图中进行了标注，如启动按钮接I0.0、停止按钮接I0.1、手动自动切换开关接I0.2等。图中还标注了公共端（COM）的接线方式，便于现场接线人员对照操作。

图3-8 PLC数字量输出端子接线图

展示了西门子S7-1200 PLC数字量输出端子的接线分配，包括对各执行机构控制信号的输出连接。由于PLC输出端子的驱动能力有限，输出信号需先驱动中间继电器线圈，再由继电器触点控制接触器，最终驱动风机、除湿机等执行机构。每个输出通道所控制的设备名称及对应的端子编号均在图中进行了标注，如通风风机继电器接Q0.0、除湿机继电器接Q0.1、声光报警器接Q0.2等。

图3-9 S7-1200 PLC I/O分配与接线原理图

综合展示了S7-1200 PLC的I/O地址分配及对应的外部接线原理，是硬件设计的核心图纸之一。所有输入输出点位的地址编号、符号名称和功能说明与外部设备之间的电气连接关系在图中进行了对应绘制。温度传感器的模拟量信号接入模拟量输入模块的特定通道，风机控制信号从数字量输出模块的对应端子输出。该图将I/O分配表与接线图合二为一，既体现了地址规划的逻辑关系，又展示了实际接线的物理路径，便于设计人员核对和施工人员操作。

第四章 系统软件设计

4.1 开发环境与编程语言

本系统PLC程序开发采用西门子TIA Portal V17软件平台。该平台集成了硬件组态、程序编写、调试监控和仿真运行等功能，可极大方便工程开发工作。使用TIA Portal进行项目开发时，首先需要根据实际硬件配置完成组态，包括选择PLC型号、配置扩展模块、定义I/O端口地址和属性，然后进入程序编写阶段。TIA Portal支持梯形图、功能块图、结构化文本等多种符合IEC 61131-3标准的编程语言，开发人员可根据不同功能模块的特点灵活选用。

本系统程序开发主要采用梯形图与结构化文本相结合的方式。梯形图符号结构与传统继电器控制电路相似，逻辑关系清晰直观，适合编写设备启停控制、故障报警处理等涉及大量逻辑判断和联锁控制的程序。结构化文本是一种高级文本编程语言，语法类似Pascal或C语言，适合编写数学运算、数据处理等较

4.2 PLC程序总体结构

本系统PLC程序采用模块化结构设计，将整个控制程序分成若干个相对独立的程序块，每个程序块完成特定功能任务，由主程序按顺序调用。模块化设计的优点是程序结构清晰、各部分耦合度小、便于单独调试和修改，系统功能扩展时只需增加新模块，不会影响已有模块。PLC主程序采用循环扫描方式运行，每个扫描周期依次完成初始化检查、数据采集、数据处理、控制逻辑判断、输出刷新和通信处理等步骤。

程序主要包含以下功能模块：系统初始化模块在PLC上电启动时完成清除中间变量、设置定时器和计数器初始值、装载用户参数等工作；模拟量采集及处理模块负责读取温湿度传感器的模拟量信号，将其转换为实际的温度值和湿度值，并调用数字滤波子程序进行滤波处理；阈值比较和控制输出模块将处理后的温湿度数据与设定阈值对比，根据对比结果决定是否启动或停止通风风机和除湿机，并判断是否需要触发声光报警器；通信模块负责PLC与上位机之间的数据传输，将实时采集的数据和设备状态打包发送至上位机，同时接收上位机的参数修改指令或手动操作命令。

图4-1 总体流程图

4.3 数据采集与处理模块

数据采集与处理模块是PLC程序的基础部分，其功能是将传感器输入的模拟量信号准确转换为有物理意义的温湿度数值，并对原始数据进行必要预处理，为控制判断提供可靠的数据支持。PT100温度传感器和电容式湿度传感器均输出标准的模拟量信号，如四到二十毫安电流信号或零到十伏电压信号，这些信号接入PLC模拟量输入模块后转换为对应的数字量值。模拟量转换子程序根据变送器的量程范围，通过线性变换公式将数字量值换算为实际温度值或湿度值，每个模拟量通道都配置了相应的转换参数。

为了提高采集数据的可靠性，系统中加入了数字滤波功能。由于粮仓环境存在电磁干扰，传感器采集到的原始数据中难免混入随机异常值，若直接使用这些含有毛刺的数据进行控制判断，可能导致误动作。本系统采用中位值平均滤波算法，对每个测点连续采集多次数据，去除最大值和最小值后求取剩余数据的算术平均值，作为本次采样的有效结果。该算法结合了中位值滤波对脉冲干扰的抑制能力和平均值滤波对随机噪声的平滑作用，在不降低响应速度的前提下有效剔除异常数据，保证采集结果的稳定性和代表性。

图4-2 数据采集与处理流程图

4.4 通信程序模块

通信程序模块负责完成PLC与上位机监控平台之间的数据交换，起到控制层与管理层的桥梁作用。本系统采用Modbus RTU协议作为通信标准，以RS485总线为传输介质。在Modbus通信架构中，PLC与上位机之间采用请求响应的方式进行数据交换。通信程序的主要工作包括两个方面：一是将PLC内部的实时温湿度数据、设备运行状态、报警信息等整理成符合Modbus协议格式的数据帧，通过串行通信发送给上位机；二是接收上位机发来的命令帧并进行解析，根据解析结果执行相应的操作，如改变报警阈值、切换控制模式、执行手动控制命令等。

图4-3 通信程序流程图

为保证通信的可靠性和实时性，通信程序模块采用了合理的轮询策略和异常处理机制。PLC按照设定周期向上位机发送数据，数据帧中包含所有测点的温湿度值和各执行机构的状态，程序对发送数据进行CRC校验以保证数据完整性。当接收到上位机命令帧后，程序首先进行校验码检验，确认无误后再进行命令解析和执行。若通信过程中出现超时或校验错误，程序会自动重试，连续多次失败后置位通信故障标志，提示管理人员检查通信线路。此外，程序中还设置了心跳检测机制，定时检查与上位机的连接状态，一旦检测到连接中断，PLC将按照最后一次收到的有效参数继续独立运行，保证粮情监控的基本功能不受影响。

4.5 上位机监控界面设计

上位机监控界面是实现人机交互的重要窗口，操作人员通过界面可以实时查看粮情数据、控制执行设备、修改运行参数和处理报警信息。本系统基于工业组态软件开发了以下五个主要监控界面，各界面之间通过导航按钮实现快速切换，界面布局简洁明了，符合粮仓管理人员的操作习惯。

系统在手动控制模式下的操作界面。在该模式下，操作人员可以独立控制通风风机、除湿机和声光报警器的启停，不受自动判断逻辑的限制。界面中每个执行机构对应一个独立的控制按钮，按钮颜色随设备状态变化，绿色表示运行，红色表示停止。界面顶部实时显示各测点的温湿度数据，便于操作人员在手动操作时参考当前粮情状况。手动模式主要用于设备调试、维护检修以及自动控制系统出现异常时的应急操作。

图4-4手动模式界面图

系统在自动控制模式下的主监控界面。在该模式下，PLC根据采集到的温湿度数据自动判断并控制执行机构的启停。界面以模拟仓图的形式直观展示粮堆各层测点的温度分布情况，不同颜色代表不同的温度区间。仓内湿度值以仪表盘形式显示，当湿度超过设定阈值时仪表盘颜色发生变化。界面中还实时显示风机、除湿机的运行状态和累计运行时间，操作人员可以一目了然地掌握整个粮仓的运行状况。

图4-5 自动模式界面图

系统运行参数的设置界面。操作人员可以在此界面中修改温度上限阈值、湿度上限阈值、超限报警延时时间等关键参数。每个参数均有合理的设定范围，输入框具有数据校验功能，防止输入超出范围的数值。界面中还提供了参数保存和恢复默认值两个功能按钮，参数修改确认后自动存入PLC的断电保持区，即使系统断电也不会丢失。该界面的设计使得系统参数调整更加灵活便捷，无需修改PLC程序即可适应不同粮仓和不同季节的控制需求。

图4-6参数设置界面

报警参数的专项设置界面。该界面与参数设置界面功能互补，专门用于配置分级报警的相关参数，包括温度超限预报警阈值、温度超限严重报警阈值、湿度超限报警阈值以及各级报警的延时时间。界面中还提供了报警使能开关，允许操作人员根据需要单独开启或关闭某一类报警功能。报警设置确认后，系统将按照新的参数执行分级报警逻辑，既保证了粮情异常能够及时发现，又避免了因阈值设置过敏感而造成的频繁误报。

图4-7报警设置界面

报警信息的查询和管理界面。当系统检测到粮情参数超限并触发报警时，该界面会实时显示报警发生的时间、报警类型、报警数值和报警位置等信息。所有报警记录按时间倒序排列，最新的报警显示在最上方。界面还提供了报警确认和报警历史查询功能，操作人员确认报警后记录状态变为已确认，便于追溯管理。该界面帮助管理人员全面掌握粮仓的异常事件记录，为粮情分析和仓储管理决策提供数据支持。

图4-8报警信息界面

第五章 系统测试与分析

5.1 仿真平台搭建

完成系统硬件设计和软件编程后，就要进行系统仿真和调试工作，来检验设计方案的正确性以及各项功能的实现情况。鉴于实际情况粮食仓的环境特殊以及硬件设备采购的时间长等特点，本系统在开发之初就建立了一个仿真测试平台，在虚拟环境下进行PLC程序和HMI组态软件的联调。仿真平台是由两大部分组成的，一部分是TIA Portal软件集成的PLC仿真器，也就是PLCSIM，它可以模拟S7-1200 PLC的运行，执行用户编写的程序代码，模拟输入输出信号的变化；第二部分是组态软件的在线模拟功能，在没有将硬件连接到PLCSIM的情况下运行HMI工程，通过计算机内部通信接口与PLCSIM建立连接，进行数据交换。

仿真平台的搭建过程如下，首先在TIA Portal中完成硬件组态及程序编写，把项目下载到PLCSIM仿真器中，在PLCSIM上设置运行模式为STOP，再进行一次完整的复位，最后切换到RUN模式启动程序运行。其次，在组态软件开发环境当中打开HMI工程，把工程中通信参数设置成指向本机PLCSIM仿真接口的形式，之后启动HMI在线模拟功能。此时PLC程序和HMI画面之间就形成了一个虚拟的数据通道，PLCSIM中模拟出来的温湿度数据就会在HMI监控画面实时显示出来，操作人员在HMI画面点击按钮或者修改参数的时候，相应的指令就会传送到PLC程序。仿真平台搭建起来以后，开发人员就可以在不需要使用实际硬件的情况下进行大部分的调试工作，既可以节省硬件投入成本，又可以提高开发和调试的效率。利用仿真平台可以方便的对程序逻辑做大量的测试、优化工作，使各项功能达到预期的要求。

5.2 系统功能测试

系统功能测试的目的就是检验系统是否完成了设计任务书上所要求的各种功能，如温湿度数据采集功能、自动联动控制功能、分级报警功能、手自动切换功能等。仿真平台上的测试人员用PLCSIM变量监视表、强制表模拟出传感器输入信号发生变化之后对于PLC程序的执行和HMI画面反映造成的作用。温湿度采集功能的测试方法是，在PLCSIM中分别给各个模拟量输入通道写入代表不同温湿度数值的数字量，看HMI画面上对应测点的数据显示是否正确。经过测试可知，在模拟出不同的输入值的时候，HMI画面都能准确地显示出相应的温湿度值，并且采集工作也正常。

自动联动控制功能的测试要模拟温湿度超限的情况。测试人员在PLCSIM中不断增大某一测点的温度模拟值，使它大于设定的上限阈值，然后查看HMI画面上所对应的通风风机状态指示是否变为启动状态；再增大湿度模拟值使其超过上限，然后查看除湿机状态指示是否变为启动状态。经由测试得知，当模拟值到达设定的阀值之后，相应的执行机构在预设的时间内会做出反应并且显示出现有的状况。分级报警功能测试方法就是把某一点温度设置大于上限值一段时间后，查看报警器状态，在达到设定值一段时间之后就会触发报警。在测试过程中，报警器根据程序设计的时间阈值按时发出警报，分等级报警也是正常的。手自动切换功能的测试就是通过在HMI上切换控制模式，并发出手动操作指令的方式，检测PLC程序可以按照模式切换以及手动指令来执行。经过上述功能测试后可知，系统各项功能达到了设计要求。

表5-1 系统功能测试结果表

测试项目	测试方法	测试结果
温湿度数据采集功能	在PLCSIM中模拟不同温湿度数值输入	HMI画面准确显示对应温湿度值
自动联动控制功能	模拟温湿度超限，观察执行机构状态	风机和除湿机按阈值自动启动
分级报警功能	模拟温度超限并持续设定时间	报警器按时触发声光报警
手自动切换功能	在HMI上切换模式并发送手动指令	PLC正确响应模式切换及手动操作

5.3 系统性能测试

系统性能测试的主要目的就是验证本系统各项技术指标是否符合任务书的要求，主要是三个主要指标，温度测量误差、通风系统响应时间、通信丢包率。温度测量误差的测试就是把实际物理信号和系统测量值比较。在仿真测试阶段，使用高精度信号发生器输出标准模拟量信号，模拟PT100传感器的输出，信号发生器的输出值为标准参考值，系统采集并转换后得到的温度值为测量值，两者的误差即为误差。测试时选取传感器量程范围内的各个测试点进行记录，分别得到标准值和测量值，计算误差。经过多组测试数据的统计分析可知，本系统测温误差满足设计规定的±0.5℃的要求，在量程内有良好的线性度。

通风系统响应时间测试从温度超限时开始计时，到PLC输出控制信号使风机启动为止所经过的时间为通风系统响应时间测试的测量结果。仿真测试时用示波器或逻辑分析仪观察模拟量输入信号和数字量输出信号时间点是否一致，就可以得到二者之间时间差是多少。温度信号经过阈值的时间段要比计划的设计中规定好的80ms短很多。系统具有很好的实时响应特性。通信丢包率的测试要经过PLC同上位机的长时间连续通信，在统计发送的数据包总数和接收端成功接收的包数之后，再算出丢包率。测试时使系统不停地运行一段时间，上位机一直接收到PLC发来的数据帧，并把丢包数记下来。经过长时间的通信测试发现，在通信丢包率设计为千分之一的情况下系统通信的可靠性是可以保证的。根据各项性能指标的测试结果可以得出结论，本系统的实现可以达到任务书所要求的各项性能指标。

表5-2 系统性能测试结果表

测试指标	测试方法	测试结果
温度测量误差	信号发生器模拟输入与系统测量值比较	满足±0.5℃要求，线性度良好
通风系统响应时间	示波器监测超限信号与输出信号时间差	小于80ms，实时响应特性良好
通信丢包率	PLC与上位机长时间连续通信统计	低于0.1%，通信可靠性良好

第六章 总结

本文主要对基于PLC的大型粮仓监控系统的设计做全面的流程描述，分为需求分析、方案设计、硬件选型、软件开发、系统测试调试等几个部分，设计整个大型粮仓监控系统。确定采用西门子S7-1200 PLC为主控制器，从感知层、控制层、管理层三个方面来设计仓库存粮的温度、湿度检测与控制。硬件上选择了PLC控制器、温湿度传感器、通风风机、除湿机、声光报警器等设备，进行了RC滤波抗干扰电路的设计、光耦隔离驱动模块的电路图设计、RS485总线通信接口的设计，并绘制出硬件结构图及电气原理图。软件部分采用TIA Portal平台梯形图和结构化文本相结合的程序方式，对数据进行采集与处理、对控制逻辑做判断、进行通信等各方面的程序编写，从而达到阈值判断、分级报警、手动与自动切换等功能的目的。经过仿真平台的搭建以及系统的测试，系统功能的完整性以及性能指标的满足情况均得到了验证。

在此基础上，在PLC控制系统全过程中，对于西门子S7-1200 PLC以及TIA Portal开发平台有了更加深刻的认识，并能灵活运用到具体的工程当中。在传感器选择及布置，抗干扰电路的构造，数字滤波算法的应用等各方面有着工程上的经验。本文对小型粮仓的自动化粮情监测系统设计给出了一条技术可行且经济实惠的选择，可以取代传统的人员巡查的方式来进行监测工作，在实际应用中提高了仓房的安全程度和工作效率，有着较为明显的实用性。但是本系统还有待于在以后的工作中加以完善，例如在后续的工作中可以考虑使用无线传感器网络来降低粮仓内布线成本，增加对粮堆水分的监测功能，并且可以开发手机App远程监控的功能来提高系统的便捷性以及可访问性。