基于PLC和LabVIEW的溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

梅鑫劍，王祥傲，汪先兵，劉哲文

基于PLC和LabVIEW的溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

梅鑫劍，王祥傲，汪先兵，劉哲文

（滁州學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

為了解決傳統(tǒng)溫室大棚的控制范圍較大、監(jiān)控環(huán)境因子較多、人工管理效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種采用主從站分級(jí)控制模式，利用NI公司的LabVIEW虛擬儀器搭建上位機(jī)監(jiān)控面板，結(jié)合諸多分站點(diǎn)傳感器、執(zhí)行器和西門(mén)子S7-1200系列PLC共同構(gòu)建的溫室控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)基于以太網(wǎng)的UDP協(xié)議，完成主站與從站PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，通過(guò)傳感器和執(zhí)行器，采集數(shù)據(jù)并輸出響應(yīng)，并使用LabVIEW用戶界面進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)易、使用效率高以及調(diào)節(jié)精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠保障溫室各環(huán)境因子時(shí)刻處于適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的范圍。

溫室大棚；LabVIEW；PLC；UDP協(xié)議

中國(guó)是一個(gè)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，長(zhǎng)期以來(lái)依靠人工生產(chǎn)和半自動(dòng)化生產(chǎn)的模式進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。而面對(duì)龐大的人口基數(shù)和日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，這種傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植方式的低效、低能等缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)。隨著信息與物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)的發(fā)展，溫室大棚智能控制技術(shù)成為了解決高效生產(chǎn)問(wèn)題的新途徑。溫室大棚智能控制作為設(shè)施農(nóng)業(yè)種植與生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是提高生產(chǎn)效率、保障農(nóng)作物品質(zhì)的重要措施[1]。因此，設(shè)計(jì)了一種基于PLC與LabVIEW的溫室控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由上位機(jī)PC監(jiān)控端和下位機(jī)測(cè)控端組成。PC監(jiān)控端主要由LabVIEW可視化編程軟件與STEP7 V14編程軟件構(gòu)成；測(cè)控端由多種傳感器、輸入按鈕、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和西門(mén)子S7-1200系列PLC組成?？梢酝ㄟ^(guò)輸入按鈕選擇自動(dòng)或手動(dòng)控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制下，PLC實(shí)時(shí)接收各種傳感器采集的溫度、濕度、光照度等采集量，根據(jù)PC機(jī)設(shè)定的相關(guān)參數(shù)值，通過(guò)內(nèi)置的控制算法[2]進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的信號(hào)類(lèi)型轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)控制；而在手動(dòng)控制下，則跳過(guò)內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置與內(nèi)置的控制算法，完全依賴(lài)輸入按鈕進(jìn)行系統(tǒng)控制。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-1200系列PLC控制器，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)緊湊、擴(kuò)展能力強(qiáng)，具有14路數(shù)字量輸入、10路數(shù)字量輸出和2位0～10 V模擬量信號(hào)輸入點(diǎn)，可用于控制各類(lèi)設(shè)備。由于本系統(tǒng)涉及較多的模擬量信號(hào)的傳輸，因此擴(kuò)展一個(gè)4路模擬量輸入的SM1231模塊。該拓展模塊支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口4～20 mA/0～10 V/0～5 V模擬量信號(hào)輸入或輸出，適用不同接口的傳感器及輸入元件。所使用的傳感器可以將所測(cè)物化信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字量或電信號(hào)[3]，主要包括空氣溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等幾種傳感器，且均使用量程較大、精度較高的傳感器，而為了保證輸入輸出信號(hào)的準(zhǔn)確與穩(wěn)定，電源均選用DC 24 V電源供電。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC的程序設(shè)計(jì)

作為主站控制器的PLC，不僅要實(shí)時(shí)地與向上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳與交換，同時(shí)，還要對(duì)采集的模擬量或數(shù)字量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（因?yàn)锳/D、D/A轉(zhuǎn)換之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，S7-1200 CPU用數(shù)值表示外部的模擬量信號(hào)，兩者間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，即模擬量/數(shù)值量的換算關(guān)系）與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊動(dòng)作[4]，實(shí)時(shí)收集空氣溫度、土壤濕度和二氧化碳濃度等溫室大棚的環(huán)境信息，并幫助用戶及相關(guān)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、融合[5]，從而根據(jù)需要實(shí)時(shí)控制燈光及遮陽(yáng)裝置、灌溉裝置、通風(fēng)裝置等執(zhí)行元件動(dòng)作，這正是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在。PLC的程序設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 PLC的程序設(shè)計(jì)原理

3.2 LabVIEW的程序設(shè)計(jì)

利用LabVIEW2017軟件完成用戶端人機(jī)交互界面的程序設(shè)計(jì)。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化思想，每個(gè)模塊的功能由一個(gè)子VI完成，通過(guò)調(diào)用子VI構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)[6]。用戶端人機(jī)交互界面由主視界面和輔助界面組成。監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖3所示，在主視界面中包括以下三大部分：①數(shù)據(jù)輸入部分。對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫室溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)的上下限進(jìn)行設(shè)定。②數(shù)據(jù)顯示與警示部分。對(duì)下位機(jī)采集傳輸?shù)臏厥掖笈飪?nèi)環(huán)境因子參數(shù)進(jìn)行顯示，并自動(dòng)與限值進(jìn)行比較分析，對(duì)超限的參數(shù)進(jìn)行示警。③功能選擇部分。通過(guò)對(duì)不同功能按鍵的選擇，實(shí)現(xiàn)調(diào)用數(shù)據(jù)圖表及監(jiān)控影像的輔助操作界面或停止、退出系統(tǒng)等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)S7-1200系列PLC與LabVIEW上位機(jī)設(shè)計(jì)軟件，在局域以太網(wǎng)中基于UDP協(xié)議，采用主從站PLC分級(jí)控制模式，構(gòu)建了集數(shù)據(jù)采集、顯示、報(bào)警、調(diào)節(jié)等功能為一體的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了操作流程，擴(kuò)大了監(jiān)控范圍。而手動(dòng)與自動(dòng)高效切換的調(diào)節(jié)方式，滿足了不同時(shí)期農(nóng)作物的生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境因子的不同要求。通過(guò)對(duì)植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析與調(diào)節(jié)，解決了“經(jīng)驗(yàn)種植”的效率低、準(zhǔn)確性差等方面的問(wèn)題，提高了溫室種植的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

［1］邢希君，宋建成，吝伶艷.設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（21）：10-15.

［2］張宏偉，解應(yīng)博，陳凱彬，等.基于PLC的溫室多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2018，37（6）：130-133.

［3］許東，高杰.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能生態(tài)保障系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表，2017，38（10）：41-44.

［4］張侃諭，余玲文.基于57-224的自動(dòng)化溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2009，30（2）：36-38.

［5］廖建尚.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（11）：233-243.

［6］谷宇希，孟先新，楊道華.基于LabVIEW的溫室大棚監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34（3）：110-112.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.017

2095－6835（2019）19－0043－02

梅鑫劍（1997—），男，安徽阜陽(yáng)人，本科，學(xué)生，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化。

王祥傲（1983—），男，安徽滁州人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。

滁州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201810377012、201810377010）；滁州學(xué)院課程綜合改革項(xiàng)目（編號(hào)：2016kcgg030）

〔編輯：張思楠〕