基于PLC、MCGS組態(tài)技術(shù)的北方寒地溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡金山　王熙

摘要：北方寒地溫室環(huán)境中溫濕度直接影響溫室作物的生長(zhǎng)周期、單位產(chǎn)量。傳統(tǒng)溫室控制根據(jù)溫室管理者種植經(jīng)驗(yàn)，人工手動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫濕度參數(shù)，存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、處理不及時(shí)、運(yùn)行成本高等問(wèn)題。本系統(tǒng)利用PLC技術(shù)、MCGS組態(tài)技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)控制，而且良好的人機(jī)交互界面降低了溫室管理者的操作難度。下位機(jī)實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)參數(shù)，自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。上位機(jī)顯示當(dāng)前各參數(shù)信息和控制情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提高了溫室管理的效率和難度，滿(mǎn)足溫室作物生長(zhǎng)要求，提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：北方寒地；溫室環(huán)境；PLC技術(shù)；MCGS組態(tài)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP277.2；S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0510-03

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，溫室作物生產(chǎn)水平相對(duì)較低。溫室生產(chǎn)過(guò)程中，溫室溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境因子直接或間接影響溫室作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[1]。其中，溫度、濕度這2個(gè)環(huán)境因子影響效果較為顯著。溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，通過(guò)監(jiān)測(cè)并改變環(huán)境因子，如溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境因子來(lái)獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件[2-4]。我國(guó)大部分溫室集中在北方地區(qū)，冬季溫度往往低于0℃，必須依靠溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)造適宜的溫室作物生長(zhǎng)環(huán)境。為了滿(mǎn)足北方地區(qū)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，研究人員設(shè)計(jì)了溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)溫室環(huán)境因子中的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用可編程控制器（PLC）處理采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境信息采集[6-7]。系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，溫室環(huán)境因子調(diào)節(jié)效果好，整體設(shè)計(jì)要求合理，能達(dá)到增加作物單位產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)、調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 系統(tǒng)組成

溫室作物生長(zhǎng)過(guò)程中，溫室溫度、濕度是決定作物高產(chǎn)與否的關(guān)鍵性因素。對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最佳的溫室調(diào)控效果是根據(jù)溫室作物不同生長(zhǎng)期提供適宜的溫度、濕度，保證溫室作物快速、正常生長(zhǎng)。本系統(tǒng)是以PLC為核心的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，采用PID控制方式，以MCGS組態(tài)觸摸屏（昆侖通態(tài)公司）為上位機(jī)，顯示溫室當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)控制切換、手動(dòng)控制，將數(shù)據(jù)生成實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史曲線(xiàn)，完成數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括溫度控制機(jī)構(gòu)、濕度控制機(jī)構(gòu)。其中溫室增溫采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳夹g(shù)，通過(guò)控制通風(fēng)裝置、遮陽(yáng)裝置調(diào)控降溫。采用噴灌系統(tǒng)給溫室加濕，通風(fēng)裝置降低溫室濕度。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成若干個(gè)完整的回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室溫度、濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制[8]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 硬件配置及工作原理

2.1 硬件配置

PLC采用PLC CPU 224XP（福州奈特電子科技有限公司），

該款PLC為國(guó)產(chǎn)PLC，完全兼容西門(mén)子S7-200 PLC CPU 224XP，具有24個(gè)輸入點(diǎn)數(shù)、16個(gè)輸出點(diǎn)數(shù)、2個(gè) 0～10 V 模擬量輸入、1個(gè)模擬量輸出、2個(gè)RS 485接口。 西門(mén)子EM235模擬量輸入輸出模塊在本系統(tǒng)中作為模擬量輸入輸出模塊采用，其主要作用是將傳感器采集到的PLC無(wú)法識(shí)別的0～10 V 或0～20 mA模擬量轉(zhuǎn)換為PLC可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的0～10 V或0～20 mA運(yùn)行信號(hào)是逆過(guò)程，從而完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閉合回路。

溫度檢測(cè)部分選用SBWZ系列溫度變送器，分度號(hào)為Pt100，精度為0.2%F.S，工作電壓為24 V直流電，輸出為4～20 mA電流，量程為0～100 ℃，通過(guò)與Pt100熱電阻連接完成溫度檢測(cè)。輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)。濕度采集部分選用SWR-100土壤水分傳感器，輸出信號(hào)為0～10 V直流電壓。溫度采集和控制硬件連接如圖2所示。

人機(jī)交互部分采用MCGS組態(tài)觸摸屏，與PLC的通信采用RS-232數(shù)據(jù)傳輸，從而完成實(shí)時(shí)狀況的顯示及相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2.2 工作原理

本溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，溫濕度傳感器將檢測(cè)到的溫濕度值通過(guò)溫濕度變送器傳送給PLC的模擬量I/O，將傳送過(guò)來(lái)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將結(jié)果傳送給PLC。PLC將檢測(cè)到的溫濕度值與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，并按照設(shè)定的控制規(guī)律對(duì)誤差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)PLC的模擬量I/O，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)可識(shí)別的0～10 V電壓信號(hào)或0～20 mA電流信號(hào)。驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線(xiàn)控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用MCGS組態(tài)軟件，MCGS組態(tài)軟件是基于Windows平臺(tái)開(kāi)發(fā)出來(lái)用于快速構(gòu)造、生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，此組態(tài)軟件可在Microsoft Windows XP/7等操作系統(tǒng)上運(yùn)行。能夠?yàn)橛脩?hù)提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、危險(xiǎn)報(bào)警和系統(tǒng)保護(hù)安全機(jī)制、系統(tǒng)流程控制狀態(tài)顯示、監(jiān)控畫(huà)面動(dòng)畫(huà)顯示、歷史和實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)的繪制以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。使用MCGS組態(tài)軟件，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，用戶(hù)可以輕而易舉地完成系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、監(jiān)控功能全面、系統(tǒng)維護(hù)量小并且具備專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。MCGS具有操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)各種現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠[9]。

根據(jù)系統(tǒng)要求，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如下：（1）監(jiān)控主畫(huà)面（圖3）。顯示溫濕度傳感器檢測(cè)到的溫室溫濕度等參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定及專(zhuān)家建議值的顯示；進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)控制與手動(dòng)控制的切換，執(zhí)行手動(dòng)控制相關(guān)動(dòng)作；系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示并記錄相應(yīng)的報(bào)警信息。（2）實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)畫(huà)面。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的溫室環(huán)境參數(shù)生成實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)，溫室管理人員可方便、直觀地觀察溫室環(huán)境各參數(shù)的變化趨勢(shì)。（3）歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)畫(huà)面。根據(jù)記錄的溫室各參數(shù)生成歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。以便日后農(nóng)學(xué)專(zhuān)家進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，并提出適合溫室農(nóng)作物生長(zhǎng)的各項(xiàng)參數(shù)最佳值，為溫室管理者提供專(zhuān)家意見(jiàn)、管理意見(jiàn)。endprint

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

STEP7-Micro/win32是西門(mén)子公司專(zhuān)為SIMATIC系類(lèi)S7-200研制開(kāi)發(fā)的基于Windows平臺(tái)的應(yīng)用編程軟件。用戶(hù)可以使用個(gè)人計(jì)算機(jī)創(chuàng)建、編輯、修改程序，STEP7-Micro/win32的圖形編輯器可以檢查語(yǔ)法的正確與否，并支持在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶(hù)程序的運(yùn)行狀態(tài)，也可以根據(jù)用戶(hù)需要強(qiáng)制執(zhí)行某個(gè)參數(shù)或狀態(tài)。本系統(tǒng)采用此編程軟件中的PID功能指令，將采集到的溫室環(huán)境參數(shù)按照采樣時(shí)間執(zhí)行PID功能指令，按照PID控制算法規(guī)律，根據(jù)PID功能指令當(dāng)時(shí)給出的比例、積分、微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算輸出量，并通過(guò)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)調(diào)控，軟件流程圖如圖4所示。

根據(jù)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)需求、系統(tǒng)組成，將PLC的輸入端子、輸出端子分配如表1所示。本研究以溫度監(jiān)控部分為例，闡述了 PLC在溫度檢測(cè)和控制上的原理和編程。溫度傳感器Pt100將檢測(cè)到溫度通過(guò)溫度變送器SBWZ，信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)500 Ω電阻，輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 V 電壓信號(hào)，通過(guò)PLC自帶模擬量I/O將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將處理結(jié)果傳送給PLC。PLC將檢測(cè)到溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，如果檢測(cè)值高于設(shè)定值，則通過(guò)PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，降低低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)中熱水供應(yīng)管端比例閥的開(kāi)度，調(diào)整冷水混合與熱水混合的比例，從而使得流經(jīng)整個(gè)低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)的水溫下降，達(dá)到降低溫室溫度的目的（圖5）。

4 結(jié)論

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)非線(xiàn)性、時(shí)變大、慣性大的相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，在整個(gè)控制因素中，溫濕度監(jiān)控尤為重要，直接影響溫室作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)出。該溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)，可通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家建議設(shè)定PID控制參數(shù)，達(dá)到最佳的控制效果。該系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，控制效果好，超調(diào)量小，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，滿(mǎn)足溫室作物對(duì)生長(zhǎng)條件的要求，達(dá)到了增加作物單位產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)、調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)周期，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

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