煙葉烘烤溫濕度物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

周文亮 ，王 靖 ，范東升 ，許明忠 ，羅勤站 ，宋戰(zhàn)鋒

（1.廣西壯族自治區(qū)煙草公司百色市公司，廣西 百色 533000；2.西南大學(xué)智能傳動(dòng)工程技術(shù)研究中心，重慶 400716）

0 引言

煙葉采烤是整個(gè)煙草農(nóng)業(yè)中用工最多、投入最大的環(huán)節(jié)，俗話說“三分栽七分烤”，而煙葉烘烤一直是烤煙生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸，烘烤水平的高低直接關(guān)系煙農(nóng)的收入水平[1-2]。溫濕度條件是影響煙葉烘烤質(zhì)量最關(guān)鍵最直接的因素，研究探索溫濕度與煙葉烘烤品質(zhì)的關(guān)系，對(duì)于發(fā)展煙葉、提高煙農(nóng)收入具有重要意義[3]。

目前煙葉烘烤多采用人為控制或半自動(dòng)控制方式[4]，部分地區(qū)已在使用烤房控制器，它是一種電子自動(dòng)控制設(shè)備，具有將溫濕度信息數(shù)字化并與設(shè)置的曲線進(jìn)行對(duì)比來(lái)反饋控制的功能，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的煙葉烘烤，滿足了當(dāng)前大量煙葉烘烤的需求，有效提高了烘烤效率和質(zhì)量，減少了管理工作。 為進(jìn)一步深度研究煙葉烘烤，相關(guān)企業(yè)和科研院所開發(fā)了多種專用的煙葉烘烤模擬烤房，技術(shù)水平不斷提高，尤其是溫濕度的控制精度基本能夠滿足試驗(yàn)要求，但在整體性能和功能完善方面，仍沒有達(dá)到理想效果，存在保濕困難、溫度場(chǎng)不均勻、氣流強(qiáng)度不能調(diào)節(jié)、傳感器種類和數(shù)量較少等問題，沒有物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，管理人員不能實(shí)時(shí)知曉烤房?jī)?nèi)溫濕度信息，不能及時(shí)處理烤房?jī)?nèi)溫度異常等緊急問題，也不能隨時(shí)查詢以往煙葉烘烤的溫濕度數(shù)據(jù)信息以分析優(yōu)化烘烤曲線[5]。 本文通過GRM230 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程更新并保存當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)，且具備報(bào)警和干預(yù)功能，有效滿足了煙農(nóng)或烤房管理人員的需求，對(duì)進(jìn)一步集群遍布在各個(gè)村寨的烤房信息具有支撐作用。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成

該物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由GRM230 等模塊組成，如圖1 所示。GRM230 用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，PLC 用于實(shí)現(xiàn)邏輯輸出控制和信號(hào)采集，變送器用于溫濕度傳感器信息的采集轉(zhuǎn)換，繼電器組用于控制單元開關(guān)量控制，開關(guān)電源用于將220V 交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定24V 直流電，PC電腦則用于組態(tài)軟件設(shè)計(jì)及監(jiān)控。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 GRM230 模塊

該監(jiān)控系統(tǒng)核心模塊是GRM230，它是巨控科技用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的4G 無(wú)線通訊模塊，能直接通過RS485 接口直接與PLC、儀器儀表、傳感器等通訊；具有本機(jī)IO 功能，對(duì)于簡(jiǎn)單的項(xiàng)目可以直接通過本機(jī)IO 口實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制和模擬量數(shù)據(jù)的輸入采集和輸出控制；具有多重通訊和非透明加密壓縮傳輸功能，不僅節(jié)約流量，還解決了傳統(tǒng)GPRS DTU 不穩(wěn)定、使用復(fù)雜的問題；該模塊還提供免費(fèi)的多點(diǎn)上位機(jī)組態(tài)軟件，節(jié)約了組態(tài)購(gòu)買的開支，提供云監(jiān)控服務(wù)、通用APP 和內(nèi)置網(wǎng)頁(yè)，管理人員可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地域登錄APP 查看數(shù)據(jù)，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，也可以通過配置軟件設(shè)置短信報(bào)警，便于及時(shí)處理；用戶可以設(shè)置數(shù)據(jù)保存條件，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存，以便后期通過API 接口讀取和分析數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。

1.2 PLC 模塊

該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使用的控制模塊為三菱PLC，為充分考慮系統(tǒng)后期功能擴(kuò)展，點(diǎn)數(shù)需求變多，該P(yáng)LC 選用了板式 FX3U-32MT，主要支持 24 點(diǎn)輸入、16 點(diǎn)輸出、6 路高速輸出脈沖、6 路高速脈沖輸入、2 路模擬量輸入、2 路模擬量輸出、RS232（編程口）和 RS485 通訊等功能。 其中 AD1、AD2 為 0～10V 的輸入通道，GND 為輸入零電位，+5V 主要用于有外部精密電源需求的電壓信號(hào)。 該P(yáng)LC 軟件兼容三菱梯形圖編程軟件，支持GX-developer 8.86 以及GXWorks2 等軟件，支持在線監(jiān)控和運(yùn)行中下載，程序內(nèi)存高達(dá)64 000 步，指令功能齊全，滿足了系統(tǒng)需要。 該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC 主要用于核心模塊GR230 通訊、采集溫度變送器提供的模擬量電壓信號(hào)和輸出控制繼電器組。

1.3 溫濕度變送器

溫濕度變送器是一種將溫濕度探頭作為測(cè)溫元件，并經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運(yùn)放、校正、V/I 轉(zhuǎn)換等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與實(shí)際溫濕度成線性關(guān)系的電壓信號(hào)和電流信號(hào)的一種變送器裝置，有的變送器還通過主控芯片提供485 或232 等輸出接口供選擇。該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)所用的溫濕度變送器選用的型號(hào)為HSTL-102WS 提供的輸出信號(hào)多樣，包括三線制 DC4-20mA、DC0-5V、DC0-10V 和兩線制的 DC4-20mA、RS485 MOUDBUS RTU 協(xié)議信號(hào)。 當(dāng)采用模擬輸出時(shí)，如數(shù)據(jù)為0 或輸出值不在量程范圍內(nèi)，須仔細(xì)檢查接線是否牢固，當(dāng)采用協(xié)議讀取變送器溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過配置通訊格式，直接通過讀取寄存器數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集：溫度數(shù)據(jù)0000H、濕度數(shù)據(jù)0001H、設(shè)備地址0017H。

1.4 開關(guān)電源

由于該監(jiān)控系統(tǒng)中主要模塊均采用24V 直流電，因此，需要將220V 交流轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的24V 直流電，同時(shí)考慮到電源的負(fù)載和壽命、 電壓的穩(wěn)定性以及電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，電源選用了型號(hào)為EDR-120-24 的開關(guān)電源，該電源符合歐盟EMC 電磁兼容EN61000-6-2 抗干擾標(biāo)準(zhǔn)，可在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作，具備3 000VAC的隔離耐壓，即使輸入端有3 000VAC 的雷擊對(duì)設(shè)備也不會(huì)有影響，同時(shí)該電源還具有短路保護(hù)、過載保護(hù)、過熱保護(hù)等功能。

1.5 繼電器組

在煙葉烘烤中，涉及到的控制單元較多，如加熱單元、電動(dòng)風(fēng)閥、排濕風(fēng)機(jī)等，這些單元中有的是開關(guān)信號(hào)，有的需要通過控制信號(hào)模擬調(diào)節(jié)，每個(gè)可調(diào)節(jié)的單元輸入端一般可配備一電源輸出接觸器，以便緊急情況發(fā)生時(shí)關(guān)閉或者管理人員根據(jù)報(bào)警等級(jí)選擇性關(guān)閉，以免造成嚴(yán)重后果。 該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上暫時(shí)只考慮到一個(gè)加熱單元的開關(guān)信號(hào)，通過PLC 控制電磁閥間接實(shí)現(xiàn)接觸器的控制，在后續(xù)進(jìn)一步擴(kuò)大優(yōu)化系統(tǒng)后，會(huì)增加更多的控制單元。

2 溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度變送器

該系統(tǒng)選用的變送器的溫濕度精度較高分別為±0.3%和±3%RH，其溫度量程為-40℃～120℃，濕度量程為0%RH～100%RH，由于選用的PLC 模擬量輸入僅支持0～10V 模擬量電壓信號(hào)，因此，變送器的溫濕度信號(hào)輸出形式選擇了DC0-10V 便于采集。同時(shí)，由于整個(gè)系統(tǒng)的模塊共用24V 電源，溫濕度變送器的白色溫度信號(hào)和棕色濕度信號(hào)可以直接接入AD1 和AD2，其接線圖如2 所示。

圖2 溫濕度變送器接線圖

2.2 PLC 編程及其 IO 分配

該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的同時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的控制，系統(tǒng)中需用到的IO 口及寄存器如表1 所示。

表1 PLC 輸入輸出信號(hào)對(duì)照表

三菱PLC 通過讀取數(shù)據(jù)寄存器D8112 和D8113 即可將溫濕度變送器0～10V 的模擬量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量0～4095，為便于數(shù)據(jù)管理該設(shè)計(jì)通過MOV 指令將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量其轉(zhuǎn)存至D100 和D102 中，最后并通過數(shù)學(xué)線性運(yùn)算將溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的溫濕度數(shù)值，并保存至數(shù)據(jù)寄存器D200 和D202 中。數(shù)據(jù)寄存器D300 用于儲(chǔ)存上限溫度值，當(dāng)烤房?jī)?nèi)溫度逼近預(yù)設(shè)溫度值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)提示報(bào)警，管理人員可根據(jù)報(bào)警提示選擇性按下緊急停止按鈕切斷加熱棒電源開關(guān)；當(dāng)烤房?jī)?nèi)溫度繼續(xù)爬升超過預(yù)設(shè)溫度值一定時(shí)間時(shí)，Y3 自動(dòng)斷開加熱單元繼電器從而關(guān)閉加熱棒單元，烤房停止煙葉烘烤，同時(shí)發(fā)出短信報(bào)警提示管理人員現(xiàn)場(chǎng)排除故障，當(dāng)故障排除后管理人員需遠(yuǎn)程解除報(bào)警，才能重新啟動(dòng)加熱單元。

3 物聯(lián)網(wǎng)模塊配置及組態(tài)界面設(shè)計(jì)

3.1 GRM230 模塊配置

該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)模塊使用的配置軟件為Grmdev5，通過該軟件能實(shí)現(xiàn)快速連接指定PLC、 添加數(shù)據(jù)詞典、添加短信報(bào)警、設(shè)置來(lái)電動(dòng)作、設(shè)置短信控制和事件邏輯控制、新建定時(shí)器以及設(shè)置用戶權(quán)限等功能。

該監(jiān)控系統(tǒng)使用的PLC 為三菱PLC，GRM230 模塊與PLC 通過編程口直接相連，因此，在配置COM 參數(shù)時(shí)需選擇驅(qū)動(dòng)名稱為 MITSUBISHI FX 系列PLC 編程口協(xié)議，并設(shè)置端口信息與三菱PLC 端一致：數(shù)據(jù)位7，停止位1，波特率9 600，偶校驗(yàn)，并新建設(shè)備1； 將溫度數(shù)據(jù)寄存器D200、濕度數(shù)據(jù)寄存器D202、溫度上限寄存器D300、緊急停止輔助繼電器M1 和報(bào)警解除輔助繼電器M2 添加至數(shù)據(jù)詞典，設(shè)置變量名稱分別為溫度、濕度、溫度上限、緊急停止和報(bào)警解除，如圖3 所示。

圖3 變量名稱列表圖

添加短信條件報(bào)警，當(dāng)溫度大于或等于溫度上限時(shí)，向管理員或農(nóng)戶發(fā)送報(bào)警短信，短信內(nèi)容參照模板包括時(shí)間、日期、報(bào)警名稱、報(bào)警描述，也可以通過配置報(bào)警參數(shù)將當(dāng)前溫度值和溫度上限數(shù)據(jù)一并發(fā)送。

添加事件控制，按照系統(tǒng)要求，當(dāng)溫度數(shù)據(jù)超限時(shí)，除了發(fā)送報(bào)警短信還需要觸發(fā)Y3 關(guān)閉加熱單元。 在事件控制編輯器中添加觸發(fā)表達(dá)式與短信觸發(fā)條件一致，選擇觸發(fā)模式為：表達(dá)式為真，觸發(fā)1 次（帶延時(shí)），設(shè)置延時(shí)數(shù)值為3 000，即5min，執(zhí)行事件的內(nèi)容為置位M1，關(guān)閉加熱單元。

該監(jiān)控系統(tǒng)的管理人員有時(shí)不止一個(gè)，不同的人員管理權(quán)限也不一樣，低權(quán)限的人員只能查看信息，高權(quán)限的人員不僅具有低權(quán)限人員的全部權(quán)限，還具備設(shè)定的更高權(quán)限，比如直接操作數(shù)據(jù)，解除報(bào)警等。 設(shè)置短信用戶和組可以區(qū)別不同權(quán)限的手機(jī)號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別并執(zhí)行響應(yīng)相應(yīng)用戶的指令。

3.2 組態(tài)設(shè)計(jì)

模塊配置并編譯完成之后，通過有線網(wǎng)口將工程下載至模塊。 通過GRM OPC 管理器添加GRM 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并輸入設(shè)備序列號(hào)和設(shè)備密碼，即可刷新配置的數(shù)據(jù)詞典，通過GiantView 組態(tài)軟件配置OPC 協(xié)議即可將數(shù)據(jù)添加至組態(tài)軟件，并默認(rèn)刷新周期為500ms，從而進(jìn)一步在軟件中添加控件、腳本、報(bào)警等信息實(shí)現(xiàn)組態(tài)界面的編程。

該監(jiān)控系統(tǒng)需用到的基本控件包括按鈕、 文本和圖片，用于實(shí)現(xiàn)緊急停止、報(bào)警解除和溫度上限值得設(shè)定；需用到的高級(jí)控件包括實(shí)時(shí)曲線圖、歷史曲線圖、實(shí)時(shí)報(bào)警窗口和歷史報(bào)警窗口等，實(shí)時(shí)曲線圖和實(shí)時(shí)報(bào)警窗口用于溫濕度數(shù)據(jù)和報(bào)警信息的在線顯示，歷史曲線和歷史報(bào)警窗口用于管理人員隨時(shí)查看以往溫濕度數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。在使用報(bào)警窗口前需添加報(bào)警變量，設(shè)置報(bào)警界限和對(duì)應(yīng)的報(bào)警信息。 最終監(jiān)控界面的主界面如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控組態(tài)顯示

為滿足大量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間保存，組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)記錄功能可以設(shè)置記錄觸發(fā)條件、記錄類型（定時(shí)記錄或數(shù)據(jù)變化時(shí)記錄）和記錄的變量名稱，該監(jiān)控系統(tǒng)主要需要記錄的信息包括時(shí)間和溫濕度數(shù)據(jù)即可，在后期需要更多功能時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際情況不斷擴(kuò)展，由于該數(shù)據(jù)記錄功能有容量限制，用戶需根據(jù)使用情況選擇不同的容量標(biāo)準(zhǔn)或盡可能降低保存頻次以節(jié)約空間成本。

4 結(jié)語(yǔ)

該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的煙葉烘烤溫濕度監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了歷史溫濕度數(shù)據(jù)的記錄和查詢功能，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警功能和遠(yuǎn)程控制功能，在一定程度上為管理人員提供了便利，但仍然存在功能不完善等缺陷，在后期將不斷優(yōu)化功能組件，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和分析相結(jié)合，集烘烤智能控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能于一體的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。