HMI和PLC在多站式溫室育苗系統中的應用

張炳權　田思慶　魏強

摘要：基于HMI（觸摸屏）和PLC（可編程邏輯控制器）設計的多站式溫室育苗遠程監控系統，用戶可以根據植物的生長需要設置環境變量，以HMI作為人機交互界面，監控溫室大棚內的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環境信息。以西門子PLCS7-200作為主控制器，通過給定值與測量值比較以及程序運算，驅動現場繼電器、電動機和閥門實現自動控制。通過網絡，實現管理區與現場的上、下位機通信，并將管理、監測和執行三者聯結在一起，實現“三位一體”多站式溫室育苗基地的智能化管理。該遠程監控系統人機界面好，操作方便，具有良好的推廣價值和市場前景。

關鍵詞：HMI（觸摸屏）；PLC（可編程邏輯控制器）；多站式；溫室育苗；環境信息

中圖分類號： TP273 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0399-04

我國國土資源豐富，農作物種植有著得天獨厚的條件，大力發展農業自動化裝備成為科研領域一個重要的研究方向。在溫室環境中，針對設施化溫室可調控因素多、經濟附加值高的現狀，研制出以PLC（可編程邏輯控制器）作為溫室中所有設施的控制站，通過測量溫室中的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等來獲得農作物生長的當前條件，通過模型分析、自動調控溫室環境，控制空調、灌溉和施肥作業，同時發布預警信息，實現溫室集約化、網絡化自動管理，達到增加作物產量、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。溫室環境監控系統有助于改善溫室環境，提高育苗的質量和產量，使溫室的管理由人工化走向自動化[1]。

溫室育苗是現代農業發展的一個重要組成部分，因此科學合理的運行模式、更加成熟的自動化設備成為評判溫室基地育苗質量的一個重要標準[2]。本研究按照現代育苗基地的現狀，設計出多站式溫室育苗系統，其特點是將管理、監測、執行3個部分有機地結合到一起，使溫室育苗更加人性化、多元化、可視化。

1 系統組成和總體設計

本系統采用PLC作為現場控制器，外圍的各類傳感器和執行機構共同配合完成溫室中溫度、濕度、CO2濃度、光照度等的檢測與控制。現場用HMI（觸摸屏）作為設置環境變量的人機交互界面，并與辦公區的網絡進行聯網，通過上、下位機通信，實現管理辦公區與生產層的網絡化管理，其中監控系統的視頻影像也一同聯入辦公區，其示意圖如圖1所示。通過辦公區的電腦可以遠程訪問溫室內的HMI并對其進行相應權限的操作，本系統還可支持移動化辦公，只要在辦公區或者在場區內的Wi-Fi覆蓋下，就可以在APP軟件支持下通過手機或者其他移動設備，輸入相應的HMI地址和密碼，即可對任意一間溫室內的HMI進行操作，真正做到了設備人性化、管理多元化、操作可視化。

2 系統硬件電路設計

整個系統的硬件結構示意圖如圖2所示。本系統場區硬件部分由西門子PLC S7-200 CPU226、數字擴展模塊EM222（16輸出）、模擬量擴展模塊EM231（4輸入）、模擬量擴展模塊EM235（4輸入/1輸出）和威綸通公司的MT8100iE觸摸屏等部分組成。外圍檢測部分由溫度、濕度、CO2濃度、光照度、pH值檢測傳感器和監控攝像頭等部分組成。執行機構分別由水泵、回水泵、補光燈組、二氧化碳補氣閥、灌溉電磁閥等設備組成。

2.1 系統主電路

如圖3所示，此系統主電路設備包括2臺空調（每個空調還配有2臺空調風機）、1個水泵、1個回水泵、3組光照燈、4組輪灌機構、1個二氧化碳補氣閥和1臺通風機等。閉合空氣開關，如果接觸器觸電吸合，則其相對應設備啟動。

2.2 系統的控制電路

控制電路包括2個部分：一部分是手動控制，通過手動按動按鈕來控制設備的運轉；另一部分是通過PLC自動控制，根據所設定的固有程序，自動啟動或者停止設備，以達到自動育苗的目的。通過轉換開關來實現手動和自動的轉換，當SA1打到ON狀態，線圈KA1、KA2、KA3、KA4吸合；當SA1打到OFF狀態，KA1、KA2、KA3、KA4斷開，這樣就實現了手動/

自動模式的轉換。手動模式下，無論PLC發出任何指令，設備都不會執行，只有切換回自動狀態才會接受PLC的控制信號[3]。其中控制電路手/自動切換部分電路如圖4所示；PLC控制部分電路如圖5所示。

3 系統軟件設計

3.1 PLC程序的設計

根據育苗基地的要求，在每座溫室大棚中孕育不同的幼苗，因此根據不同的幼苗生長環境要求，可以隨時設置系統參數。在PLC中設立多個寄存器，可方便技術人員通過觸摸屏修改為適合該幼苗所需的環境參數。在溫室中溫度、光照度、pH值、營養液濃度和CO2濃度是幼苗生存的關鍵因素，因此這些參數的監控非常重要[4]。如果通過人工方式進行監控與調節育苗所需的生長環境與參數，將大大浪費人力、物力和財力。而通過本套系統可以實時測量和調節，使幼苗在溫室中始終保持一個優越的生長環境，從而提高了幼苗的成活率[5]。

各類傳感器將檢測到的溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數轉換成4～20 mA的電流信號，然后通過模擬量輸入模塊將

標準的模擬信號轉變成數字信號，在程序中對這些數字信號進行量化處理后，顯示出實際的被測參數。在控制系統中，通過觸摸屏設置育苗所需要的理想參數，傳感器將檢測到的測量值與標準值進行比較，當測量值高于標準值或者低于標準值時，PLC發出相應指令驅動執行機構動作，使得被控參數滿足控制精度要求[6]。

報警環節包括設備故障報警和環境超標報警。在現場安裝有報警裝置，當設備或者參數超標時，現場發出警告信號報告給技術或者管理人員，技術人員第一時間可以對系統問題進行處理。系統主程序流程圖如圖6；溫度控制子程序流程圖如圖7；光照子程序流程圖如圖8。僅以溫度控制子程序流程圖為例進行以下講解，在進入溫度子程序后先判斷程序是手動控制還是自動控制，如果是手動控制就執行手動控制的程序，在HMI中手動控制界面內可以隨意控制想要啟動或者停止的設備。如果是自動控制，那么程序中有8個提前設置好的時間點，這8個時間點中有6個時間點決定了三擋光照燈組的開啟和關閉，當到達T1時間點時，第一擋燈光開啟；當到達T2時間點時，第二擋燈光開啟；當到達T3時間點時，第三擋燈光開啟；而當到達T5時間點時，第一擋燈光關閉；當到達T6時間點時，第二擋燈光關閉；當到達T7時間點時，第三擋燈光關閉。這些時間點的設定是根據不同幼苗和地區來設定的，需要專業人員來設定。

3.2 觸摸屏程序的設計

威綸通公司生產的MT8100iE觸摸屏（HMI）內部支持VNC服務，同時還支持EasyAccess服務。VNC服務可以將HMI的使用延伸至辦公區或移動設備，觸摸屏通過網線聯入局域網，工程人員在辦公區的PC設備上通過VNC軟件，輸入所要訪問溫室的HMI的IP地址以及密碼就可以將現場的HMI的畫面傳到PC機上，并進行操作。VNC在PC機上的登錄畫面如圖9所示。EasyAccess服務可以將采集到的溫室內環境參數的歷史數據上傳至網絡，工程師可以在任意有網絡的地方登錄到相應的網站查詢現場環境和設備運行的歷史數據[7]。

HMI的主要功能是人機的信息交互，通過HMI可以直觀地看到溫室內環境參數的各項指標以及各參數運行的實時曲

線。在HMI畫面的設計中，主要包括以下幾類畫面：第一類是總貌畫面，包含所有的控制畫面，方便用戶快速準確找到所需要設置的參數位置；第二類是設置畫面，主要是溫度、濕度、光照和二氧化碳等各項參數的設置畫面；第三類是實時趨勢畫面，根據環境參數變化形成參數曲線畫面，方便管理人員觀察環境參數的變化趨勢；第四類是報警畫面，負責監測現場狀況，當現場運行的設備出現異常情況或環境參數數據出現異常變化的時候彈出報警框，在提供聲光報警的同時顯示故障的位置，并存有歷史記錄。如圖10為部分HMI上的畫面。

4 結論

育苗基地溫室系統通過網絡，將現場和辦公區聯結到一起，做到集中管理、分散控制。下設的不同現場基地可適合不同的幼苗培育，只要技術人員在HMI上輸入適合該幼苗生長的環境，就可以按照所給出的參數在溫室內營造出預想的環境，提高幼苗的成活率。本系統具有自動化管理程度高、系統易擴展、可靠性高和經濟性強等特點，尤其是可以適時調整被

控參數，適合不同農作物的育苗環境，具有廣泛的市場和潛力。此系統更加適合大范圍的育苗溫室，工作人員在辦公區就可輕松監測幼苗的生長狀況，并且可以通過記錄的數據進行分析匯總。當遇到技術問題還可以遠程求助該方面的專家，真正實現了城鄉科技的結合。

參考文獻：

[1]何 勇，聶鵬程，劉 飛. 農業物聯網與傳感儀器研究進展[J]. 農業機械學報，2013，44（10）：216-226.

[2]高 尚，陳景波. 智能溫室控制系統的研發與開發[J]. 中國高新技術企業，2015（4）：13-14.

[3]付煥森，趙振江. 基于PLC和組態技術現代農業溫室控制系統設計[J]. 農機化研究，2013，35（12）：185-188.

[4]韓 劍，吳德清. 基于Andriod與GSM的溫室大棚遠程監控系統[J]. 江蘇農業科學，2015，43（4）：397-399.

[5]劉 義，王 熙. PLC與變頻器在滴灌系統中的應用[J]. 農機化研究，2013，35（9）：209-212.

[6]西門子S7-200可編程控制器系統手冊[Z]. 2004.

[7]威綸通EBpro軟件使用說明書[Z]. 2014.