基于PLC和組態(tài)王的香菇生長監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張宏偉　邵帥帥

摘 要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的香菇生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在不同階段對所需的溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以構(gòu)造最適合香菇生長的環(huán)境，提高香菇生產(chǎn)效率。系統(tǒng)主要包括由三菱PLC、特殊功能模塊、傳感器、噴水閥、熱風(fēng)機(jī)、側(cè)窗電機(jī)構(gòu)建的下位機(jī)傳輸控制系統(tǒng)，以及組態(tài)王軟件、三菱PLC編程軟件GX Developer構(gòu)建的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)共設(shè)置了2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，將2個(gè)傳感器分布在2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上，釆集環(huán)境信息傳送到下位機(jī)，并在上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：PLC；組態(tài)王；智能控制：環(huán)境監(jiān)控

DOI：10.11907/rjdk.171548

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）009-0108-03

Abstract：This design with PLC as lower machine， PC machine is equipped with Kingview software for PC，which built a mushroom growth environment monitoring system based on PLC. The system can monitor the temperature and humidity in different stages in order to construct the optimal environment for the growth of mushroom and improve the growth efficiency of mushroom. This system mainly includes the Mitsubishi FX-2NPLC and the special function module， sensor， water pump， air blower， the lower machine transmission control system and the construction of the side window motor with Kingview software， Mitsubishi PLC programming software GX Developer to build the host computer monitoring system. A total of 2 monitoring points were set up， and the 2 sensors were distributed on the two monitoring points， the environmental information was collected and transmitted to the lower computer， after conversion， real-time transmission to the host computer，and real-time monitoring in the upper machine.

Key Words：PLC； Kingview；intelligent controls； environmental monitoring

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，對菌類的需求量日益上升，而香菇在其中占據(jù)著重要地位。我國是世界上人工栽培香菇歷史最早的國家，其生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益好。如今香菇已經(jīng)成為發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、提高農(nóng)民收入的新興產(chǎn)業(yè)[1]。因此，提高香菇的生產(chǎn)效率，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。然而，中國的香菇種植方式主要以大棚手工種植為主，很難滿足消費(fèi)者需求，因此迫切需要一種能智能控制香菇生長環(huán)境的系統(tǒng)，以提高香菇生產(chǎn)效率。基于PLC的香菇生長環(huán)境監(jiān)控技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測香菇的溫濕度值，實(shí)現(xiàn)對香菇生長環(huán)境的精確控制，為香菇提供最佳的生長環(huán)境，從而調(diào)節(jié)香菇產(chǎn)期并促進(jìn)其生長。在實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)目標(biāo)的同時(shí)，也節(jié)省了人力資源。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)包括PC機(jī)、傳感器、PLC、熱風(fēng)機(jī)、噴水閥、側(cè)窗與手動(dòng)開關(guān)等，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)總體分為上位機(jī)與下位機(jī)兩部分，上位機(jī)采用組態(tài)王軟件顯示實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理，還可進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的設(shè)定與修改，以及修改報(bào)警值，實(shí)時(shí)記錄監(jiān)測點(diǎn)的溫濕度參數(shù)以供查詢。若采集到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍，系統(tǒng)便會(huì)報(bào)警；下位機(jī)利用溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集溫濕度信息并傳送給PLC，通過控制噴水閥、熱風(fēng)機(jī)、側(cè)窗來調(diào)節(jié)溫濕度。系統(tǒng)還增加了手動(dòng)開關(guān)控制，必要時(shí)可以進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，保證了系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

首先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求選用PLC，要統(tǒng)計(jì)I/O（輸入/輸出）點(diǎn)數(shù)，而I/O點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)要綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入、輸出的實(shí)際需求并預(yù)留10%～15%的裕量，然后選出正確的PLC。本套系統(tǒng)主要監(jiān)測的是溫度和濕度，I/O地址分配表如表1所示，I/O接線圖如圖2所示。

（1）PLC選擇。本系統(tǒng)選用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N-48MR-001型PLC，此型號PLC是DC輸入，AC電源。它的基本單元共有48個(gè)輸入/輸出端子，其中有24個(gè)輸出端子，24個(gè)輸入端子，可以滿足系統(tǒng)要求，也留出了充裕的端口供以后改進(jìn)使用。

（2）模擬量輸入模塊配置。由于溫度和濕度環(huán)境參數(shù)需要模擬量輸入功能模塊進(jìn)行采集，系統(tǒng)選用了FX2N-4AD模擬量輸入功能模塊，兩組溫濕度傳感器同時(shí)進(jìn)行采集，其中FX2N-4AD的CHI1采集溫度1，CH2采集溫度2，CH3采集濕度1，CH4采集濕度2。

（3）通訊模塊配置。由于RS-485具有數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbit/s，抗噪聲干擾性好，最大傳輸距離可達(dá)3 000m等優(yōu)點(diǎn)，目前成為首選的串口通信接口標(biāo)準(zhǔn)。因此，本套系統(tǒng)的PLC采用RS-485通訊接口方式，上位機(jī)采用RS-232通訊接口方式，兩者經(jīng)三菱FX-485PC-IF接口單元（信號轉(zhuǎn)換器）完成信號轉(zhuǎn)換任務(wù)。endprint

（4）傳感器選型。本系統(tǒng)選用了北京昆侖海岸傳感器技術(shù)中心生產(chǎn)的JWSL-2AT型一體式溫濕度變送器，其主要特點(diǎn)是將變送器和溫濕度傳感器進(jìn)行了集成一體化設(shè)計(jì)，在其內(nèi)部特別采用了專用溫度補(bǔ)償電路，并且還使用了線性化處理電路，具有響應(yīng)速度快、精度高、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。另外，其輸出線性信號也非常好，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。它的輸出標(biāo)準(zhǔn)為4～20mA的電流信號，使用更加方便。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

基于PLC的香菇生長環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制部分，該系統(tǒng)的PLC程序可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)控制的任意切換，二者互不影響?？刂葡到y(tǒng)流程如圖3所示。

（1）PLC上電瞬間，通過特殊輔助繼電器M8002產(chǎn)生的第一個(gè)掃描周期脈沖將溫濕度參數(shù)的上下限通過MOV指令傳送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器D中，完成初始化相關(guān)工作。其中濕度的上限值、下限值分別為60%RH和70%RH；溫度的上限值、下限值分別為24℃和27℃。

（2）系統(tǒng)總共對2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫濕度進(jìn)行采集，利用溫濕度傳感器將溫濕度信息傳送給FX2N-4AD模擬量輸入模塊，使用FROM/TO（P）指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳送到PLC中。然后對各數(shù)據(jù)采集口進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，以達(dá)到程序設(shè)計(jì)要求。其中CH1-CH4采集2組溫濕度參數(shù)，然后分別存入PLC的寄存器D0-D3，平均取樣4次。

（3）自動(dòng)控制中的關(guān)鍵部分為環(huán)境參數(shù)高低判斷程序，它會(huì)根據(jù)采集到的溫濕度信息與預(yù)設(shè)溫濕度參數(shù)上下限值進(jìn)行比較，從而自動(dòng)控制執(zhí)行部件的動(dòng)作，使其溫濕度符合香菇生長條件。在自動(dòng)控制程序部分使用區(qū)間比較指令ZCP對溫濕度進(jìn)行逐個(gè)對比，根據(jù)對比結(jié)果決定輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否動(dòng)作。若在區(qū)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，反之相應(yīng)地執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

（4）執(zhí)行部件輸出控制程序是最終的執(zhí)行部分，其輸出部分有噴水閥、熱風(fēng)機(jī)、側(cè)窗、高低溫報(bào)警以及輸出指示等。噴水閥和熱風(fēng)機(jī)需要一個(gè)輸出口控制，而側(cè)窗需要兩個(gè)輸出口控制，因?yàn)閭?cè)窗需要對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，并且同時(shí)判斷其打開或關(guān)閉是否到位。

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是組態(tài)王軟件，在該系統(tǒng)中可以實(shí)時(shí)顯示溫濕度參數(shù)信息，可以對標(biāo)準(zhǔn)值開關(guān)量進(jìn)行設(shè)置，實(shí)時(shí)監(jiān)控香菇生長環(huán)境。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示、溫濕度實(shí)時(shí)曲線、溫濕度歷史曲線、報(bào)表、報(bào)警窗口、參數(shù)設(shè)置、模擬動(dòng)畫、用戶管理以及手/自動(dòng)切換等功能，組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖4所示。

本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)采用PC+組態(tài)王KingView6.55， 再結(jié)合PLC技術(shù)，組成香菇生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。操作員在室內(nèi)即可通過組態(tài)畫面掌握各監(jiān)測區(qū)域的實(shí)時(shí)及歷史環(huán)境信息，可以修改溫濕度參數(shù)上下限值及報(bào)警值，還可以通過組態(tài)畫面按鈕控制相應(yīng)輸出執(zhí)行部件的動(dòng)作。本系統(tǒng)的主畫面設(shè)計(jì)主要包括實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)表、模擬動(dòng)畫、報(bào)警、畫面切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換、執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)以及用戶登錄等部分。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可通過點(diǎn)擊窗口圖標(biāo)切換到相應(yīng)子畫面，然后點(diǎn)擊子畫面切換到相應(yīng)功能畫面。實(shí)時(shí)曲線窗口有溫度實(shí)時(shí)曲線和濕度實(shí)時(shí)曲線兩個(gè)子畫面，歷史曲線窗口有溫度歷史曲線和濕度歷史曲線兩個(gè)子畫面，報(bào)表窗口有溫度報(bào)表和濕度報(bào)表兩個(gè)子畫面，模擬動(dòng)畫窗口有一個(gè)加溫加濕子畫面，報(bào)警窗口有實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警兩個(gè)子畫面，畫面切換有一個(gè)手動(dòng)監(jiān)控子畫面。系統(tǒng)可根據(jù)需要通過手動(dòng)/自動(dòng)按鈕切換到手動(dòng)控制，環(huán)境參數(shù)可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫濕度值。用戶管理中設(shè)置了用戶登錄、用戶配置、修改密碼以及退出登錄功能。系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)測畫面如圖5所示。

4 系統(tǒng)結(jié)果

系統(tǒng)中只查看實(shí)時(shí)顯示信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，若將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)用曲線形式表示出來，將會(huì)更加直觀，也能從規(guī)律中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。在本系統(tǒng)有溫度歷史曲線和濕度歷史曲線，點(diǎn)擊各自窗口進(jìn)入相應(yīng)的曲線界面，歷史曲線包含監(jiān)測點(diǎn)的溫度或濕度信息，使其規(guī)律更加清晰，1號監(jiān)測點(diǎn)溫度的歷史曲線如圖6所示。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含下位機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)和上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，是一套可操作性強(qiáng)、性價(jià)比與實(shí)用價(jià)值高的自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過對該系統(tǒng)的分析與測試，在設(shè)計(jì)中運(yùn)用溫濕度傳感器和PLC相結(jié)合的技術(shù)，能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)香菇生長過程中的溫濕度參數(shù)采集，為香菇提供最佳的生長環(huán)境。運(yùn)用組態(tài)王技術(shù)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)控畫面直觀、豐富、形象，并且功能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的管理、監(jiān)測以及控制。該系統(tǒng)的應(yīng)用可大大提高香菇產(chǎn)量，有效促進(jìn)香菇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 次仁卓瑪.香菇栽培技術(shù)及其推廣應(yīng)用[J].北京農(nóng)業(yè)，2015（11）：38-39.

[2] 韓曉新，刑紹邦，劉海燕.從基礎(chǔ)到實(shí)踐——PLC與組態(tài)王[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3] 白雪萍，趙麗，田鑫，等.海鮮菇栽培環(huán)境因子監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37（5）：66-70.

[4] 王歡.基于PLC的黑木耳生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[5] 雷海龍.日光溫室環(huán)境及作物生長監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].密山：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2014.

[6] 祖國建，肖雪耀.學(xué)會(huì)三菱FX2N PLC技術(shù)就這么容易[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[7] 舒宇.基于PLC的花卉溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D].昆明：云南大學(xué)，2013.

[8] 劉少軍，張思雨.基于PLC及觸摸屏的隧道通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2016，35（6）：92-95.

[9] 李金城.PLC模擬量與通信控制應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

（責(zé)任編輯：黃 健）endprint