基于PLC與MCGS組態(tài)技術(shù)的果蔬溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫式運(yùn)，楊清志，丁振杰

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能工程系，安徽 亳州 236800)

為了提高經(jīng)濟(jì)效益，人們常采用反季節(jié)種植果蔬的方法。眾所周知，農(nóng)作物的生長(zhǎng)離不開(kāi)光照、溫度、水分以及CO2。為了讓上述環(huán)境指標(biāo)穩(wěn)定可靠，通常采用建造果蔬溫室大棚的方法[1]。由于常見(jiàn)果蔬溫室大棚利用太陽(yáng)光照射和保溫材料來(lái)控制環(huán)境溫度，導(dǎo)致溫度控制不夠精確，同時(shí)對(duì)CO2濃度也無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。為了解決上述問(wèn)題，筆者基于PLC和MCGS組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)了果蔬溫室控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

圖1 果蔬溫室控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

果蔬溫室控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)(包括溫度傳感器和CO2濃度傳感器、PLC、加熱器和CO2發(fā)生器、觸摸屏)和軟件系統(tǒng)(包括PLC控制程序和MCGS組態(tài)設(shè)計(jì))組成。該系統(tǒng)以PLC為控制核心，用特殊功能模塊把溫度傳感器和CO2濃度傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)PLC運(yùn)算處理后，輸出結(jié)果控制加熱器和CO2發(fā)生器的通斷時(shí)間。用觸摸屏對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)用MCGS組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制、數(shù)據(jù)處理等功能。系統(tǒng)設(shè)定2種控制模式(自動(dòng)模式和手動(dòng)模式)，利用手動(dòng)模式可對(duì)溫度和CO2濃度進(jìn)行人為控制調(diào)節(jié)，以應(yīng)對(duì)一些突發(fā)狀況；利用自動(dòng)模式可對(duì)環(huán)境指標(biāo)按照設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。此外，可用自動(dòng)手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)或組態(tài)畫(huà)面兩種方式進(jìn)行2種模式的切換。果蔬溫室控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC選型

PLC是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，可靠性高，控制功能強(qiáng)，維修方便[2～4]。根據(jù)系統(tǒng)控制要求和所需I/O點(diǎn)數(shù)以及執(zhí)行設(shè)備的特點(diǎn)，選用三菱FX3U-32MR型號(hào)的PLC作為控制核心，利用FX3U-3A-ADP特殊功能模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采用TPC7062K彩色液晶觸摸屏作為上位機(jī)。利用上位機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行啟停控制操作，也可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將系統(tǒng)數(shù)據(jù)以表格和曲線的形式呈現(xiàn)出來(lái)。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件主要由傳感器模塊、開(kāi)關(guān)模塊、執(zhí)行模塊、觸摸屏和PLC構(gòu)成(圖2)。傳感器模塊包括溫度傳感器和CO2濃度傳感器，開(kāi)關(guān)模塊包括自動(dòng)/手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)和啟動(dòng)、停止2個(gè)按鈕，PLC使用的是三菱FX3U-32MR型號(hào)的PLC，執(zhí)行部件則用2個(gè)固態(tài)繼電器分別控制1個(gè)加熱器和1個(gè)CO2發(fā)生器。果蔬溫室控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 果蔬溫室控制系統(tǒng)硬件原理圖

圖3 果蔬溫室系統(tǒng)控制程序流程圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

果蔬溫室控制系統(tǒng)主要利用溫度傳感器和CO2濃度傳感器分別采集溫度和CO2濃度現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，通過(guò)特殊功能模塊FX3U-3A-ADP把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后利用三菱FX系列PLC自帶的PID運(yùn)算功能計(jì)算出輸出值，進(jìn)而控制執(zhí)行部件的工作時(shí)間，將溫度和CO2濃度控制在設(shè)定值范圍。具體控制流程如下：系統(tǒng)上電準(zhǔn)備就緒后，按下啟動(dòng)按鈕，傳感器采集環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)，加熱器和CO2發(fā)生器開(kāi)始工作。環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，PLC輸出結(jié)果控制加熱器和CO2發(fā)生器的工作時(shí)間，達(dá)到保持溫室溫度和CO2濃度恒定的目的。果蔬溫室控制系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

3.2 MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)

3.3.1 組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)

MCGS的組態(tài)設(shè)計(jì)首先從創(chuàng)建組態(tài)畫(huà)面開(kāi)始，MCGS組態(tài)畫(huà)面包括系統(tǒng)監(jiān)控主畫(huà)面、用戶登陸管理畫(huà)面、PID參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、數(shù)據(jù)報(bào)表畫(huà)面和數(shù)據(jù)曲線畫(huà)面等。通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控主畫(huà)面可以啟動(dòng)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程、實(shí)時(shí)顯示溫室溫度和CO2濃度；通過(guò)PID參數(shù)設(shè)置窗口可以對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以獲取PID運(yùn)算的比例積分Kp和積分時(shí)間Ti；通過(guò)用戶管理畫(huà)面可以登陸用戶、添加和刪除用戶以及修改密碼；數(shù)據(jù)報(bào)表窗口可以表格的形式查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；通過(guò)數(shù)據(jù)曲線窗口則可查看數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。果蔬溫室控制系統(tǒng)組態(tài)主畫(huà)面如圖4所示。

圖4 果蔬溫室控制系統(tǒng)主畫(huà)面

3.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建及設(shè)備

為了讓系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面活動(dòng)起來(lái)，而且能夠與PLC建立通信，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，需要對(duì)組態(tài)畫(huà)面的元件設(shè)置數(shù)據(jù)變量，這些變量構(gòu)成了組態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中有5個(gè)開(kāi)關(guān)型數(shù)據(jù)和4個(gè)數(shù)值型數(shù)據(jù)。果蔬溫室控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)如圖5所示。

圖5 果蔬溫室控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

3.3.3 添加PLC并創(chuàng)建設(shè)備通道

為了實(shí)現(xiàn)組態(tài)畫(huà)面對(duì)PLC發(fā)送指令并讀取PLC的數(shù)據(jù)以進(jìn)行監(jiān)控，需要添加PLC設(shè)備并創(chuàng)建通道。PLC的每個(gè)設(shè)備通道對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)里的變量，從而建立PLC設(shè)備與組態(tài)畫(huà)面之間的通信。果蔬溫室控制系統(tǒng)設(shè)備窗口如圖6所示。

圖6 果蔬溫室控制系統(tǒng)設(shè)備窗口

4 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

果蔬溫室控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先通過(guò)觸摸屏設(shè)定運(yùn)行模式，然后觸摸啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)就可以按照設(shè)定的溫度和CO2濃度值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)工作，且溫度和CO2濃度可以實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上，并可以通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)表窗口查看歷史數(shù)據(jù)，還可以查看實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。運(yùn)行測(cè)試溫室控制系統(tǒng)，顯示在觸摸屏上的溫度和CO2濃度值與專業(yè)儀器測(cè)出的測(cè)量值幾乎完全相同，說(shuō)明該系統(tǒng)能夠精確控制溫度和CO2濃度，且數(shù)據(jù)報(bào)表以及數(shù)據(jù)曲線都能準(zhǔn)確及時(shí)地反映真實(shí)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC及MCGS組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)果蔬溫室控制系統(tǒng)。運(yùn)用溫度傳感器和二氧化碳濃度傳感器采集環(huán)境指標(biāo)，運(yùn)用PLC進(jìn)行分析處理，從而控制加熱器和CO2發(fā)生器的工作時(shí)間，使系統(tǒng)溫度和CO2濃度穩(wěn)定在適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。運(yùn)用MCGS組態(tài)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)操作實(shí)時(shí)監(jiān)控，既能對(duì)系統(tǒng)溫度和CO2濃度形成數(shù)據(jù)報(bào)表以方便分析，又能實(shí)時(shí)調(diào)整相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，具有操作方便、控制準(zhǔn)確、維護(hù)方便和成本低廉的特點(diǎn)，可用于果蔬溫室大棚的生產(chǎn)實(shí)踐中。