基于MCGS組態(tài)技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭東平, 趙媛

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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基于MCGS組態(tài)技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭東平, 趙媛

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

溫室監(jiān)控技術(shù)因程序設(shè)計(jì)復(fù)雜、人機(jī)界面不夠友好而造成系統(tǒng)開發(fā)困難，將MCGS組態(tài)技術(shù)引入現(xiàn)代溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，通過溫濕度傳感器測量參數(shù)并以PLC為處理核心、MCGS觸摸屏為人機(jī)交互界面可有效實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的監(jiān)視與控制。結(jié)果表明基于MCGS組態(tài)技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好、開發(fā)周期短的特點(diǎn)，可應(yīng)用于各種中、小型溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中。

溫室監(jiān)控；觸摸屏；組態(tài)技術(shù)；傳感器；PLC；MCGS

0 引 言

溫室作為植物的最佳生長環(huán)境，可以提供各種植物生長所需的一切環(huán)境因子，例如：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照度等。故溫室的環(huán)境因子控制是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)成產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，目前可利用單片機(jī)或PLC(Programmable Logic Controller)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制，但是監(jiān)視技術(shù)目前較為單一，中小型溫室普遍采用人工監(jiān)視或手持檢測設(shè)備進(jìn)行單一的溫濕度等基本參數(shù)檢測，而對(duì)環(huán)境檢測、控制、顯示基本是分離的[1]，即便現(xiàn)有的溫室監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的監(jiān)視顯示環(huán)節(jié)也存在開發(fā)周期長、技術(shù)難度高等客觀因素，因此本文以溫濕度參數(shù)監(jiān)測為例，提出一種基于MCGS(Monitor and Control Generated System)組態(tài)技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次溫室監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC作為核心控制器[2-4]，利用傳感器監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，通過模擬量單元處理數(shù)據(jù)傳送給PLC，最后通過MCGS觸摸屏作為人機(jī)交互界面，對(duì)溫室現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了方便及有效地應(yīng)對(duì)溫室環(huán)境的其他突發(fā)狀況，本系統(tǒng)具有手動(dòng)工作模式和自動(dòng)工作模式，在手動(dòng)工作模式下系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部控制設(shè)備的直接啟停操作；自動(dòng)模式下無需人工介入便可進(jìn)入正常調(diào)節(jié)溫室環(huán)境因子的工作狀態(tài)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要使用PLC作為控制核心，將環(huán)境溫濕度及土壤溫濕度傳感器以及光照度傳感器與模擬量單元進(jìn)行連接，進(jìn)行溫濕度及光照度的參數(shù)采集，再經(jīng)過PLC程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算與控制，對(duì)風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、加熱設(shè)備、滴灌泵、噴灌泵進(jìn)行閉環(huán)控制來調(diào)節(jié)溫室的環(huán)境參數(shù)，最后通過連接一塊MGCS觸摸屏，來對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 主電路接線圖

本系統(tǒng)主電路如圖2所示，采用三相四線制供電，斷路器QF作為主電路控制開關(guān)，采用KM1-KM4四個(gè)交流接觸器以及一個(gè)中間繼電器KA用于分別控制降溫風(fēng)機(jī)、滴灌泵、噴灌泵、加熱器、補(bǔ)光燈的啟動(dòng)和停止。

圖2 系統(tǒng)主電路圖

1.3 PLC硬件電路接線圖

依據(jù)系統(tǒng)的控制要求本系統(tǒng)采用三菱系列FX2N-32MR型PLC，以及兩塊FX0N-3A模擬量單元[5]，用于控制5個(gè)輸出設(shè)備，及4路溫濕度模擬信號(hào)的采集；PLC的輸出點(diǎn)Y0-Y4控制加熱燈、補(bǔ)光燈、通風(fēng)風(fēng)扇、噴灌泵、滴灌泵，并使用中間繼電器進(jìn)行電氣隔離，兩塊模擬量單元分別連接環(huán)境溫濕度及土壤溫濕度傳感器，并采用24 V穩(wěn)壓電源單獨(dú)供電，保證了采集信號(hào)參數(shù)的穩(wěn)定性。

為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及操作的便利性，本系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)換開關(guān)SA作為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的切換，當(dāng)SA1開關(guān)置于手動(dòng)位置時(shí)，即使PLC控制器故障也可直接通過外部設(shè)備對(duì)應(yīng)的按鈕對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)直接啟?？刂?；在自動(dòng)模式下則只需要在觸摸屏上設(shè)定好所需的環(huán)境、土壤溫濕度參數(shù)值，系統(tǒng)即可對(duì)溫室環(huán)境、土壤實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，硬件電路接線如圖3所示。

圖3 PLC硬件接線圖

2 組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

本次溫室監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用國內(nèi)裝機(jī)量較大的北京昆侖通泰MCGS 7.2嵌入版工控組態(tài)軟件，配合TPC7062K觸摸屏完成PLC智能溫濕度監(jiān)控人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。MCGSE (Monitor and Control Generated System for Embeded)嵌入式通用監(jiān)控系統(tǒng)是一種用于快速構(gòu)造和生成監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。通過對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6-8]。因此使用MGGS組態(tài)軟件可以以較短的時(shí)間開發(fā)出系統(tǒng)的人機(jī)界面，從而縮短了整個(gè)項(xiàng)目的工期[9]。

2.1 建立工程

進(jìn)入 MCGS 組態(tài)環(huán)境，首先新建一個(gè)工程名為“溫室控制系統(tǒng)”，選擇TPC類型為TPC7062K型觸摸屏，其它為缺省設(shè)置，進(jìn)入系統(tǒng)工作臺(tái)界面后再建立三個(gè)用戶窗口，分別為溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)、溫濕度曲線、溫濕度歷史曲線。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作臺(tái)界面

2.2 建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是MCGS工程文件的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)處理的核心，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫界面下建立與PLC系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)變量，是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本單元，本系統(tǒng)主要有三種變量類型需要建立，分別為數(shù)值型、開關(guān)量、組對(duì)象，需要建立環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度等共計(jì)27個(gè)變量。主要變量類型如表1所示。

2.3 人機(jī)組態(tài)界面設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)功能要求，在組態(tài)觸摸屏中設(shè)計(jì)出空氣溫濕度、土壤溫濕度的數(shù)據(jù)顯示界面，利用組態(tài)軟件“輸入框”的功能作為溫濕度的上、下限設(shè)定值輸入框，同時(shí)設(shè)計(jì)出“虛擬報(bào)警燈”用于超限報(bào)警；在操作模式上，要求系統(tǒng)具備自動(dòng)、手動(dòng)工作模式，因此在觸摸屏界面中同時(shí)設(shè)計(jì)出了外部控制設(shè)備的“虛擬開關(guān)”，分別為加熱設(shè)備手動(dòng)啟停開關(guān)、補(bǔ)光設(shè)備手動(dòng)啟停開關(guān)、風(fēng)扇手動(dòng)啟停開關(guān)、滴灌、噴灌手動(dòng)啟停開關(guān)，并與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中建立的變量進(jìn)行動(dòng)畫連接。

表1 控制系統(tǒng)變量分配表

2.4 設(shè)備連接

動(dòng)畫連接完成后需要進(jìn)入MCGS工作臺(tái)的設(shè)備窗口進(jìn)行通用串口父設(shè)備的基本屬性設(shè)計(jì)才能與PLC設(shè)備進(jìn)行通信，否則將無法與PLC連接成功。

2.4.1 通用串口父設(shè)備設(shè)置方法

MCGS組態(tài)設(shè)備窗口下子設(shè)備需要添加在父設(shè)備下才能有效運(yùn)行，因此在設(shè)備窗口界面下先添加通用串口父設(shè)備，并掛接三菱FX系列編程口為子設(shè)備，并對(duì)通用串口父設(shè)備進(jìn)行基本屬性設(shè)置，將與PLC通信波特率必須設(shè)置成6 bps～9 600 bps，數(shù)據(jù)位位數(shù)設(shè)置成0～7位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式選擇偶校驗(yàn)，方可與三菱系列PLC正常通信。

2.4.2 三菱FX系列編程口的屬性設(shè)計(jì)

對(duì)于子設(shè)備三菱系列編程口的屬性設(shè)置，需要先增加本次PLC所使用的設(shè)備通道編號(hào)，并與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的變量進(jìn)行連接，才能將控制器PLC的I/0信號(hào)讀入MCGS組態(tài)設(shè)備中。具體PLC變量連接通道可參照表1中所示。

2.4.3 運(yùn)行調(diào)試

圖5 觸摸屏人機(jī)交互界面

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，制作了長120 cm、寬60 cm、高150 cm的小型PLC溫室控制系統(tǒng)，設(shè)備安裝完成后將組態(tài)人機(jī)界面配置文件下載至TPC7062K觸摸屏進(jìn)行連機(jī)運(yùn)行，在系統(tǒng)啟動(dòng)工作界面下，設(shè)置好環(huán)境及土壤溫濕度的上下限值，并分別將系統(tǒng)切換到自動(dòng)或手動(dòng)模式，查看運(yùn)行情況是否與設(shè)計(jì)要求一致。經(jīng)過反復(fù)的運(yùn)行與調(diào)試后，系統(tǒng)在手動(dòng)模式時(shí)，可直接通過對(duì)應(yīng)的按鈕有效啟停降溫風(fēng)扇、加熱燈、LED補(bǔ)光燈等溫室調(diào)節(jié)設(shè)備，在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境的溫濕度變化自行啟停降溫風(fēng)扇、加熱燈、LED補(bǔ)光燈等溫室調(diào)節(jié)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖5所示為系統(tǒng)自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)MCGS觸摸屏的工作界面，其中空氣溫度、土壤溫度超出下限設(shè)定值、土壤濕度超出上限設(shè)定值時(shí)報(bào)警燈、加熱信號(hào)指示燈和補(bǔ)光信號(hào)指示燈點(diǎn)亮。

3 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)利用三菱FX2N-32MR系列PLC和北京昆侖通泰MGCS組態(tài)軟件及TPC7062K型觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)系統(tǒng)具有手動(dòng)啟停模式和自動(dòng)運(yùn)行兩種工作模式應(yīng)對(duì)不同工作環(huán)境下的特殊需求，經(jīng)測試運(yùn)行后，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，從而可以對(duì)各類中、小型溫室大棚環(huán)境的監(jiān)控提供設(shè)計(jì)方案。

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Design of Greenhouse Environment Monitoring System Based on MCGS Configuration Technology

Guo Dongping, Zhao Yuan

(Yangling Vocational and Technical College, Yangling Shaanxi 712100, China)

Greenhouse monitoring technology is difficult to develop due to programming complexity, not friendly enough for human-computer interface. By introducing MCGS configuration technology into the modern greenhouse monitoring system, measuring the parameters by temperature and humidity sensors and taking PLC as the processing core, MCGS interactive touch screen interface can effectively implement monitoring and control of greenhouse environment. The results show that the greenhouse environment monitoring system based on MCGS configuration technology features friendly interface, short development cycle, and can be applied in a variety of medium and small greenhouse control system.

greenhouse monitoring； touch screen； configuration technology； sensor； PLC； MCGS

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.030

TP29

A

1000-3886(2016)04-0097-03

郭東平(1982-)，男，陜西咸陽人，碩士，講師，主要從事電氣與自動(dòng)化技術(shù)方面的教學(xué)和科研工作。

【通信簡介】 趙媛(1979-)，女，陜西長安人，本科，講師，主要從事機(jī)電及電氣專業(yè)的教學(xué)和科研工作。

定稿日期: 2016-01-27