HMI和PLC在多站式溫室育苗系統(tǒng)中的應(yīng)用

張炳權(quán)　田思慶　魏強(qiáng)

摘要：基于HMI（觸摸屏）和PLC（可編程邏輯控制器）設(shè)計(jì)的多站式溫室育苗遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)植物的生長需要設(shè)置環(huán)境變量，以HMI作為人機(jī)交互界面，監(jiān)控溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境信息。以西門子PLCS7-200作為主控制器，通過給定值與測(cè)量值比較以及程序運(yùn)算，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)繼電器、電動(dòng)機(jī)和閥門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。通過網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)管理區(qū)與現(xiàn)場(chǎng)的上、下位機(jī)通信，并將管理、監(jiān)測(cè)和執(zhí)行三者聯(lián)結(jié)在一起，實(shí)現(xiàn)“三位一體”多站式溫室育苗基地的智能化管理。該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面好，操作方便，具有良好的推廣價(jià)值和市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：HMI（觸摸屏）；PLC（可編程邏輯控制器）；多站式；溫室育苗；環(huán)境信息

中圖分類號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0399-04

我國國土資源豐富，農(nóng)作物種植有著得天獨(dú)厚的條件，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)自動(dòng)化裝備成為科研領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。在溫室環(huán)境中，針對(duì)設(shè)施化溫室可調(diào)控因素多、經(jīng)濟(jì)附加值高的現(xiàn)狀，研制出以PLC（可編程邏輯控制器）作為溫室中所有設(shè)施的控制站，通過測(cè)量溫室中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等來獲得農(nóng)作物生長的當(dāng)前條件，通過模型分析、自動(dòng)調(diào)控溫室環(huán)境，控制空調(diào)、灌溉和施肥作業(yè)，同時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)溫室集約化、網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)管理，達(dá)到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)有助于改善溫室環(huán)境，提高育苗的質(zhì)量和產(chǎn)量，使溫室的管理由人工化走向自動(dòng)化[1]。

溫室育苗是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，因此科學(xué)合理的運(yùn)行模式、更加成熟的自動(dòng)化設(shè)備成為評(píng)判溫室基地育苗質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[2]。本研究按照現(xiàn)代育苗基地的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出多站式溫室育苗系統(tǒng)，其特點(diǎn)是將管理、監(jiān)測(cè)、執(zhí)行3個(gè)部分有機(jī)地結(jié)合到一起，使溫室育苗更加人性化、多元化、可視化。

1 系統(tǒng)組成和總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，外圍的各類傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同配合完成溫室中溫度、濕度、CO2濃度、光照度等的檢測(cè)與控制。現(xiàn)場(chǎng)用HMI（觸摸屏）作為設(shè)置環(huán)境變量的人機(jī)交互界面，并與辦公區(qū)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過上、下位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)管理辦公區(qū)與生產(chǎn)層的網(wǎng)絡(luò)化管理，其中監(jiān)控系統(tǒng)的視頻影像也一同聯(lián)入辦公區(qū)，其示意圖如圖1所示。通過辦公區(qū)的電腦可以遠(yuǎn)程訪問溫室內(nèi)的HMI并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的操作，本系統(tǒng)還可支持移動(dòng)化辦公，只要在辦公區(qū)或者在場(chǎng)區(qū)內(nèi)的Wi-Fi覆蓋下，就可以在APP軟件支持下通過手機(jī)或者其他移動(dòng)設(shè)備，輸入相應(yīng)的HMI地址和密碼，即可對(duì)任意一間溫室內(nèi)的HMI進(jìn)行操作，真正做到了設(shè)備人性化、管理多元化、操作可視化。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。本系統(tǒng)場(chǎng)區(qū)硬件部分由西門子PLC S7-200 CPU226、數(shù)字?jǐn)U展模塊EM222（16輸出）、模擬量擴(kuò)展模塊EM231（4輸入）、模擬量擴(kuò)展模塊EM235（4輸入/1輸出）和威綸通公司的MT8100iE觸摸屏等部分組成。外圍檢測(cè)部分由溫度、濕度、CO2濃度、光照度、pH值檢測(cè)傳感器和監(jiān)控?cái)z像頭等部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別由水泵、回水泵、補(bǔ)光燈組、二氧化碳補(bǔ)氣閥、灌溉電磁閥等設(shè)備組成。

2.1 系統(tǒng)主電路

如圖3所示，此系統(tǒng)主電路設(shè)備包括2臺(tái)空調(diào)（每個(gè)空調(diào)還配有2臺(tái)空調(diào)風(fēng)機(jī)）、1個(gè)水泵、1個(gè)回水泵、3組光照燈、4組輪灌機(jī)構(gòu)、1個(gè)二氧化碳補(bǔ)氣閥和1臺(tái)通風(fēng)機(jī)等。閉合空氣開關(guān)，如果接觸器觸電吸合，則其相對(duì)應(yīng)設(shè)備啟動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)的控制電路

控制電路包括2個(gè)部分：一部分是手動(dòng)控制，通過手動(dòng)按動(dòng)按鈕來控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)；另一部分是通過PLC自動(dòng)控制，根據(jù)所設(shè)定的固有程序，自動(dòng)啟動(dòng)或者停止設(shè)備，以達(dá)到自動(dòng)育苗的目的。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)SA1打到ON狀態(tài)，線圈KA1、KA2、KA3、KA4吸合；當(dāng)SA1打到OFF狀態(tài)，KA1、KA2、KA3、KA4斷開，這樣就實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)/

自動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換。手動(dòng)模式下，無論P(yáng)LC發(fā)出任何指令，設(shè)備都不會(huì)執(zhí)行，只有切換回自動(dòng)狀態(tài)才會(huì)接受PLC的控制信號(hào)[3]。其中控制電路手/自動(dòng)切換部分電路如圖4所示；PLC控制部分電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)育苗基地的要求，在每座溫室大棚中孕育不同的幼苗，因此根據(jù)不同的幼苗生長環(huán)境要求，可以隨時(shí)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。在PLC中設(shè)立多個(gè)寄存器，可方便技術(shù)人員通過觸摸屏修改為適合該幼苗所需的環(huán)境參數(shù)。在溫室中溫度、光照度、pH值、營養(yǎng)液濃度和CO2濃度是幼苗生存的關(guān)鍵因素，因此這些參數(shù)的監(jiān)控非常重要[4]。如果通過人工方式進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)節(jié)育苗所需的生長環(huán)境與參數(shù)，將大大浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力。而通過本套系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)量和調(diào)節(jié)，使幼苗在溫室中始終保持一個(gè)優(yōu)越的生長環(huán)境，從而提高了幼苗的成活率[5]。

各類傳感器將檢測(cè)到的溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)，然后通過模擬量輸入模塊將

標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，在程序中對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行量化處理后，顯示出實(shí)際的被測(cè)參數(shù)。在控制系統(tǒng)中，通過觸摸屏設(shè)置育苗所需要的理想?yún)?shù)，傳感器將檢測(cè)到的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量值高于標(biāo)準(zhǔn)值或者低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，PLC發(fā)出相應(yīng)指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使得被控參數(shù)滿足控制精度要求[6]。

報(bào)警環(huán)節(jié)包括設(shè)備故障報(bào)警和環(huán)境超標(biāo)報(bào)警。在現(xiàn)場(chǎng)安裝有報(bào)警裝置，當(dāng)設(shè)備或者參數(shù)超標(biāo)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出警告信號(hào)報(bào)告給技術(shù)或者管理人員，技術(shù)人員第一時(shí)間可以對(duì)系統(tǒng)問題進(jìn)行處理。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6；溫度控制子程序流程圖如圖7；光照子程序流程圖如圖8。僅以溫度控制子程序流程圖為例進(jìn)行以下講解，在進(jìn)入溫度子程序后先判斷程序是手動(dòng)控制還是自動(dòng)控制，如果是手動(dòng)控制就執(zhí)行手動(dòng)控制的程序，在HMI中手動(dòng)控制界面內(nèi)可以隨意控制想要啟動(dòng)或者停止的設(shè)備。如果是自動(dòng)控制，那么程序中有8個(gè)提前設(shè)置好的時(shí)間點(diǎn)，這8個(gè)時(shí)間點(diǎn)中有6個(gè)時(shí)間點(diǎn)決定了三擋光照燈組的開啟和關(guān)閉，當(dāng)?shù)竭_(dá)T1時(shí)間點(diǎn)時(shí)，第一擋燈光開啟；當(dāng)?shù)竭_(dá)T2時(shí)間點(diǎn)時(shí)，第二擋燈光開啟；當(dāng)?shù)竭_(dá)T3時(shí)間點(diǎn)時(shí)，第三擋燈光開啟；而當(dāng)?shù)竭_(dá)T5時(shí)間點(diǎn)時(shí)，第一擋燈光關(guān)閉；當(dāng)?shù)竭_(dá)T6時(shí)間點(diǎn)時(shí)，第二擋燈光關(guān)閉；當(dāng)?shù)竭_(dá)T7時(shí)間點(diǎn)時(shí)，第三擋燈光關(guān)閉。這些時(shí)間點(diǎn)的設(shè)定是根據(jù)不同幼苗和地區(qū)來設(shè)定的，需要專業(yè)人員來設(shè)定。

3.2 觸摸屏程序的設(shè)計(jì)

威綸通公司生產(chǎn)的MT8100iE觸摸屏（HMI）內(nèi)部支持VNC服務(wù)，同時(shí)還支持EasyAccess服務(wù)。VNC服務(wù)可以將HMI的使用延伸至辦公區(qū)或移動(dòng)設(shè)備，觸摸屏通過網(wǎng)線聯(lián)入局域網(wǎng)，工程人員在辦公區(qū)的PC設(shè)備上通過VNC軟件，輸入所要訪問溫室的HMI的IP地址以及密碼就可以將現(xiàn)場(chǎng)的HMI的畫面?zhèn)鞯絇C機(jī)上，并進(jìn)行操作。VNC在PC機(jī)上的登錄畫面如圖9所示。EasyAccess服務(wù)可以將采集到的溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，工程師可以在任意有網(wǎng)絡(luò)的地方登錄到相應(yīng)的網(wǎng)站查詢現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)[7]。

HMI的主要功能是人機(jī)的信息交互，通過HMI可以直觀地看到溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)以及各參數(shù)運(yùn)行的實(shí)時(shí)曲

線。在HMI畫面的設(shè)計(jì)中，主要包括以下幾類畫面：第一類是總貌畫面，包含所有的控制畫面，方便用戶快速準(zhǔn)確找到所需要設(shè)置的參數(shù)位置；第二類是設(shè)置畫面，主要是溫度、濕度、光照和二氧化碳等各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置畫面；第三類是實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面，根據(jù)環(huán)境參數(shù)變化形成參數(shù)曲線畫面，方便管理人員觀察環(huán)境參數(shù)的變化趨勢(shì)；第四類是報(bào)警畫面，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀況，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的設(shè)備出現(xiàn)異常情況或環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化的時(shí)候彈出報(bào)警框，在提供聲光報(bào)警的同時(shí)顯示故障的位置，并存有歷史記錄。如圖10為部分HMI上的畫面。

4 結(jié)論

育苗基地溫室系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)和辦公區(qū)聯(lián)結(jié)到一起，做到集中管理、分散控制。下設(shè)的不同現(xiàn)場(chǎng)基地可適合不同的幼苗培育，只要技術(shù)人員在HMI上輸入適合該幼苗生長的環(huán)境，就可以按照所給出的參數(shù)在溫室內(nèi)營造出預(yù)想的環(huán)境，提高幼苗的成活率。本系統(tǒng)具有自動(dòng)化管理程度高、系統(tǒng)易擴(kuò)展、可靠性高和經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是可以適時(shí)調(diào)整被

控參數(shù)，適合不同農(nóng)作物的育苗環(huán)境，具有廣泛的市場(chǎng)和潛力。此系統(tǒng)更加適合大范圍的育苗溫室，工作人員在辦公區(qū)就可輕松監(jiān)測(cè)幼苗的生長狀況，并且可以通過記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總。當(dāng)遇到技術(shù)問題還可以遠(yuǎn)程求助該方面的專家，真正實(shí)現(xiàn)了城鄉(xiāng)科技的結(jié)合。

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