基于PLC、MCGS組態(tài)技術(shù)的北方寒地溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡金山　王熙

摘要：北方寒地溫室環(huán)境中溫濕度直接影響溫室作物的生長周期、單位產(chǎn)量。傳統(tǒng)溫室控制根據(jù)溫室管理者種植經(jīng)驗(yàn)，人工手動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫濕度參數(shù)，存在反應(yīng)時(shí)間長、處理不及時(shí)、運(yùn)行成本高等問題。本系統(tǒng)利用PLC技術(shù)、MCGS組態(tài)技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)控制，而且良好的人機(jī)交互界面降低了溫室管理者的操作難度。下位機(jī)實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)參數(shù)，自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。上位機(jī)顯示當(dāng)前各參數(shù)信息和控制情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提高了溫室管理的效率和難度，滿足溫室作物生長要求，提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：北方寒地；溫室環(huán)境；PLC技術(shù)；MCGS組態(tài)技術(shù)

中圖分類號： TP277.2；S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0510-03

我國是農(nóng)業(yè)大國，溫室作物生產(chǎn)水平相對較低。溫室生產(chǎn)過程中，溫室溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境因子直接或間接影響溫室作物的生長和產(chǎn)量[1]。其中，溫度、濕度這2個(gè)環(huán)境因子影響效果較為顯著。溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)測并改變環(huán)境因子，如溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境因子來獲得作物生長的最佳條件[2-4]。我國大部分溫室集中在北方地區(qū)，冬季溫度往往低于0℃，必須依靠溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)造適宜的溫室作物生長環(huán)境。為了滿足北方地區(qū)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，研究人員設(shè)計(jì)了溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對溫室環(huán)境因子中的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測，利用可編程控制器（PLC）處理采集的數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境信息采集[6-7]。系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，溫室環(huán)境因子調(diào)節(jié)效果好，整體設(shè)計(jì)要求合理，能達(dá)到增加作物單位產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)、調(diào)節(jié)作物生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 系統(tǒng)組成

溫室作物生長過程中，溫室溫度、濕度是決定作物高產(chǎn)與否的關(guān)鍵性因素。對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)來說，最佳的溫室調(diào)控效果是根據(jù)溫室作物不同生長期提供適宜的溫度、濕度，保證溫室作物快速、正常生長。本系統(tǒng)是以PLC為核心的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，采用PID控制方式，以MCGS組態(tài)觸摸屏（昆侖通態(tài)公司）為上位機(jī)，顯示溫室當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)控制切換、手動(dòng)控制，將數(shù)據(jù)生成實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線，完成數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括溫度控制機(jī)構(gòu)、濕度控制機(jī)構(gòu)。其中溫室增溫采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳夹g(shù)，通過控制通風(fēng)裝置、遮陽裝置調(diào)控降溫。采用噴灌系統(tǒng)給溫室加濕，通風(fēng)裝置降低溫室濕度。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成若干個(gè)完整的回路，實(shí)現(xiàn)對溫室溫度、濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制[8]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 硬件配置及工作原理

2.1 硬件配置

PLC采用PLC CPU 224XP（福州奈特電子科技有限公司），

該款PLC為國產(chǎn)PLC，完全兼容西門子S7-200 PLC CPU 224XP，具有24個(gè)輸入點(diǎn)數(shù)、16個(gè)輸出點(diǎn)數(shù)、2個(gè) 0～10 V 模擬量輸入、1個(gè)模擬量輸出、2個(gè)RS 485接口。 西門子EM235模擬量輸入輸出模塊在本系統(tǒng)中作為模擬量輸入輸出模塊采用，其主要作用是將傳感器采集到的PLC無法識(shí)別的0～10 V 或0～20 mA模擬量轉(zhuǎn)換為PLC可識(shí)別的數(shù)字信號，執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的0～10 V或0～20 mA運(yùn)行信號是逆過程，從而完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閉合回路。

溫度檢測部分選用SBWZ系列溫度變送器，分度號為Pt100，精度為0.2%F.S，工作電壓為24 V直流電，輸出為4～20 mA電流，量程為0～100 ℃，通過與Pt100熱電阻連接完成溫度檢測。輸出信號為4～20 mA電流信號。濕度采集部分選用SWR-100土壤水分傳感器，輸出信號為0～10 V直流電壓。溫度采集和控制硬件連接如圖2所示。

人機(jī)交互部分采用MCGS組態(tài)觸摸屏，與PLC的通信采用RS-232數(shù)據(jù)傳輸，從而完成實(shí)時(shí)狀況的顯示及相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2.2 工作原理

本溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，溫濕度傳感器將檢測到的溫濕度值通過溫濕度變送器傳送給PLC的模擬量I/O，將傳送過來的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將結(jié)果傳送給PLC。PLC將檢測到的溫濕度值與設(shè)定值進(jìn)行比對，并按照設(shè)定的控制規(guī)律對誤差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果通過PLC的模擬量I/O，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)可識(shí)別的0～10 V電壓信號或0～20 mA電流信號。驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成特定動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測、在線控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用MCGS組態(tài)軟件，MCGS組態(tài)軟件是基于Windows平臺(tái)開發(fā)出來用于快速構(gòu)造、生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，此組態(tài)軟件可在Microsoft Windows XP/7等操作系統(tǒng)上運(yùn)行。能夠?yàn)橛脩籼峁┙鉀Q實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、危險(xiǎn)報(bào)警和系統(tǒng)保護(hù)安全機(jī)制、系統(tǒng)流程控制狀態(tài)顯示、監(jiān)控畫面動(dòng)畫顯示、歷史和實(shí)時(shí)趨勢曲線的繪制以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。使用MCGS組態(tài)軟件，在相對較短的時(shí)間內(nèi)，用戶可以輕而易舉地完成系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、監(jiān)控功能全面、系統(tǒng)維護(hù)量小并且具備專業(yè)水準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。MCGS具有操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過各種現(xiàn)場的長期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠[9]。

根據(jù)系統(tǒng)要求，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如下：（1）監(jiān)控主畫面（圖3）。顯示溫濕度傳感器檢測到的溫室溫濕度等參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定及專家建議值的顯示；進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)控制與手動(dòng)控制的切換，執(zhí)行手動(dòng)控制相關(guān)動(dòng)作；系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示并記錄相應(yīng)的報(bào)警信息。（2）實(shí)時(shí)趨勢曲線畫面。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的溫室環(huán)境參數(shù)生成實(shí)時(shí)趨勢曲線，溫室管理人員可方便、直觀地觀察溫室環(huán)境各參數(shù)的變化趨勢。（3）歷史趨勢曲線畫面。根據(jù)記錄的溫室各參數(shù)生成歷史趨勢曲線，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。以便日后農(nóng)學(xué)專家進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，并提出適合溫室農(nóng)作物生長的各項(xiàng)參數(shù)最佳值，為溫室管理者提供專家意見、管理意見。endprint

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

STEP7-Micro/win32是西門子公司專為SIMATIC系類S7-200研制開發(fā)的基于Windows平臺(tái)的應(yīng)用編程軟件。用戶可以使用個(gè)人計(jì)算機(jī)創(chuàng)建、編輯、修改程序，STEP7-Micro/win32的圖形編輯器可以檢查語法的正確與否，并支持在線實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的運(yùn)行狀態(tài)，也可以根據(jù)用戶需要強(qiáng)制執(zhí)行某個(gè)參數(shù)或狀態(tài)。本系統(tǒng)采用此編程軟件中的PID功能指令，將采集到的溫室環(huán)境參數(shù)按照采樣時(shí)間執(zhí)行PID功能指令，按照PID控制算法規(guī)律，根據(jù)PID功能指令當(dāng)時(shí)給出的比例、積分、微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算輸出量，并通過相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)調(diào)控，軟件流程圖如圖4所示。

根據(jù)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)需求、系統(tǒng)組成，將PLC的輸入端子、輸出端子分配如表1所示。本研究以溫度監(jiān)控部分為例，闡述了 PLC在溫度檢測和控制上的原理和編程。溫度傳感器Pt100將檢測到溫度通過溫度變送器SBWZ，信號為4～20 mA電流信號，經(jīng)過500 Ω電阻，輸出信號轉(zhuǎn)換為0～10 V 電壓信號，通過PLC自帶模擬量I/O將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將處理結(jié)果傳送給PLC。PLC將檢測到溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比對，如果檢測值高于設(shè)定值，則通過PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，降低低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)中熱水供應(yīng)管端比例閥的開度，調(diào)整冷水混合與熱水混合的比例，從而使得流經(jīng)整個(gè)低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)的水溫下降，達(dá)到降低溫室溫度的目的（圖5）。

4 結(jié)論

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變大、慣性大的相對復(fù)雜的系統(tǒng)，在整個(gè)控制因素中，溫濕度監(jiān)控尤為重要，直接影響溫室作物的生長和產(chǎn)出。該溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)，可通過實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和專家建議設(shè)定PID控制參數(shù)，達(dá)到最佳的控制效果。該系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，控制效果好，超調(diào)量小，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測，滿足溫室作物對生長條件的要求，達(dá)到了增加作物單位產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)、調(diào)節(jié)作物生長周期，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]金 博，喬曉軍，王 成，等. 基于觸摸屏的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（1）：267-269.

[2]劉 方. 虛擬儀器技術(shù)在溫室控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2010，36（1）：9-10.

[3]吳小偉，史志中，鐘志堂，等. 國內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究， 2013（4）：1-5.

[4]王 秀. 多功能智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（13）：8086-8088.

[5]高 路. 北方寒地溫室大棚自動(dòng)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 時(shí)代報(bào)告：學(xué)術(shù)版，2011（8）：299.

[6]李錫文，楊明金，楊仁全. 現(xiàn)代溫室環(huán)境智能控制的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008（4）：9-13.

[7]王紀(jì)章，李萍萍，彭玉禮. 基于無線網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（12）：373-375.

[8]章海亮，劉雪梅，劉燕德. 溫室環(huán)境下多變量的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（4）：147-150.

[9]李 毅. 枕式包裝機(jī)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2010，6（13）：3541-3542.耿永志. 農(nóng)村社會(huì)治理的農(nóng)民參與研究——以垃圾治理為例[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：513-516.endprint