基于PLC的溫室自動監控系統設計

王宏濤， 李紅莉， 程真英， 陳曉懷

(合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院,合肥 230009)

基于PLC的溫室自動監控系統設計

王宏濤， 李紅莉， 程真英， 陳曉懷

(合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院,合肥 230009)

有效控制溫室溫濕度環境是溫室業研究的重要課題之一，以西門子S7-200系列小型PLC作為控制器，組建溫室自動監控系統，可實時采集控制溫室的溫濕度，并利用串行口通信實現與上位PC機的信息交互，用戶可通過上位機監控軟件監測溫濕度信息，并可選擇手動或自動兩種控制模式實現溫濕度調節控制。通過試驗，該系統實現了溫室溫濕度信息的采集、顯示與預警，并能夠可靠實現溫濕度控制；上位機監控軟件界面友好，操作方便，能夠保存采集的溫濕度信息，方便用戶進行數據分析。該設計對于溫室環境自動監控以及PLC實踐教學具有一定實際意義和應用價值。

溫濕度控制； 可編程邏輯控制器； 串口通信； 實踐教學

0 引 言

溫室能夠為農作物提供一個相對良好的生長環境，能夠帶來巨大的經濟效益。隨著科學技術的不斷進步,溫室產業發展迅速[1-6]。目前，美國、加拿大等農業強國在溫室管理方面已經完全實現自動化、智能化操作，極大地節省了人力物力。我國溫室管理自動化水平相對較低，控制效果不佳，因此通過自動監控系統有效調控溫室的溫濕度環境，對我國溫室業的發展具有重要意義。

PLC控制系統具有可靠性高、抗干擾能力強等突出優點，廣泛應用于生產生活的各個領域。其中，西門子S7-200系列小型PLC結構緊湊、功能豐富、通信靈活方便[7-9]。因此，采用西門子S7-200系列PLC作為溫室溫濕度自動監控控制器，實現溫室溫濕度采集與控制，切實可行。

1 硬件組成

根據實際溫室面積，可考慮采用多臺PLC進行現場控制，利用網絡，集中應用一臺上位PC機實現分布式控制。每臺PLC控制器均可與上位機進行交互，對所轄溫室溫濕度進行自動監控。上位機基于Labview圖形化軟件開發平臺編制監控軟件，設立自動和手動兩種控制模式，方便用戶進行監視和操控，用戶可通過上位機指揮PLC控制器實現溫濕度采集，根據溫室控制要求，系統能夠對溫濕度超限情況做出報警，并控制通風、供熱、除濕、加濕等設備，實現溫室溫濕度的自動調控。系統搭建方便，經濟實用。

1.1 硬件配置

系統采用一體化溫濕度傳感器SM1910B采集溫濕度信息，成本低、實用性強，較傳統溫濕度分別檢測更加安全可靠，且可以避免過多的外部接線。溫度測量范圍-40 ℃～123.8 ℃，濕度測量范圍(0%～100%)RH。傳感器可通過RS485接口與PLC相連，采用工業廣泛使用的MODBUS-RTU通信協議傳輸數據信息。

綜合考慮溫濕度監控所需要連接的輸入輸出設備，控制器采用S7-200系列小型PLC CPU224XP，它具有數字量I/O點數14輸入10輸出，模擬量I/O點數2輸入1輸出，以及兩個RS485通信接口，可與溫濕度傳感器和上位PC機同時進行通信。

1.2 I/O地址分配

PLC控制器的輸入主要是啟停控制信號，輸出信號主要控制交流接觸器、繼電器、電磁閥等，I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

1.3 PLC外部接線圖

根據PLC的I/O地址分配列表，參考西門子PLC系統手冊，可繪制出該系統的PLC外部接線如圖1所示。在接線時，需要考慮電機保護，采用接觸器輔助開關實現互鎖保護。

圖1 PLC外部接線圖

2 通信協議

設計中采用串行自由口通信實現PLC與上位PC機的信息交互。上位PC機利用LabVIEW中VISA串口通信函數編寫數據采集程序，采用串口通信的方式與PLC實現數據通信。

設計中自定義PC機與PLC通信協議，協議格式中包含數據包頭、PLC地址、代碼、校驗位[10]。具體協議數據包定義如表2所示。

表2 自由口通信數據包定義

3 軟件設計

3.1 PLC控制

PLC上電運行首先初始化，進行自由口通信設置，設置特殊標志寄存器中的SMB30和SMB130，選擇自由口通信模式，波特率9 600 bit/s，打開通信和定時中斷。PLC定時采集溫室溫濕度信息，并實時響應上位PC機的通信要求，根據要求傳送溫濕度數據或執行相應控制動作。程序流程如圖2所示。

圖2 PLC程序流程

3.2 上位機監控

圖形化軟件開發平臺labview采用數據流編程方式，程序執行效率高，且方便創建友好的用戶界面[11-15]。因此，上位機基于Labview平臺編制溫濕度監控軟件。

系統開啟后，溫濕度傳感器集現場溫濕度值，通過PLC將采集到的溫濕度值送入上位機中， PC機讀取溫濕度流程如圖3所示。上位PC機將其與預先設定的溫濕度值進行比較，根據手/自動控制模式選擇相應控制流程，監控流程如圖4所示。

圖3 PC機讀取溫濕度 圖4 PC機監控流程

在自動模式下，當采集到的溫度值超過設定值時，上位機發出控制信號，控制信號通過 PC/PPI電纜將控制信號發給PLC，通過PLC對執行機構中的通風窗啟動控制，當溫度值低于預先設定的溫度下限時，此時上位機發出控制信號，通過PLC啟動執行機構中的供熱系統，同時關閉通風窗，以調整溫室環境中的溫度值；同理當采集到濕度值超過預先設定的上限值時，上位機發出控制信號，通過PLC開啟風機系統，當采集到的濕度值低于預先設定的濕度下限值時，開啟電磁閥，打開加濕系統。

手動模式下，當采集到的溫濕度值超出預先設定的上下限值時，此時進行手動控制來生成控制信號，通過PLC對執行機構中的相應系統進行控制。

4 系統測試

通過上位機監控軟件登錄后即可進入監控界面，能夠準確進行實時顯示、保存、報警、控制等功能。在運行過程中，可以自動保存采集到的溫濕度數據。運行監控界面如圖5所示。

圖5 系統監控界面

5 結 語

所設計溫室自動監控系統基于S7-200 PLC，控制可靠，由Labview開發的上位機監控軟件使用友好方便。利用該系統可以有效將溫室溫濕度控制在要求范圍內，同時可將檢測值進行備份處理，可方便后續溫室環境變化的研究分析。該設計對于溫室環境自動監控以及PLC實踐教學具有一定實際意義和應用價值。

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Design of the Greenhouse Automatic Monitoring System Based on PLC

WANGHongtao,LIHongli,CHENGZhenying,CHENXiaohuai

(School of Instrument Science and Opto-Electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

It is one of the important issues in the greenhouse industry to effectively control the temperature and humidity of greenhouse. This article describes a PLC-based greenhouse automatic monitoring system. The S7-200 PLC of SIEMENS is used as controller to collect and control the temperature and humidity information of greenhouse. The PLC communicates with the host PC by serial port. The host PC monitors the PLC to collect and control the temperature and humidity of greenhouse by PC monitoring software. Users can select manual or automatic control mode. In the test, the system has realized the acquisition, display and alarm functions about the greenhouse temperature and humidity information, and can reliably control the temperature and humidity. The PC monitor software is convenient for user operation. The design has a certain practical significance and application value for greenhouse environment monitoring and PLC practice teaching.

temperature and humidity control; programmable logic controller(PLC); serial communication; practical teaching

2016-08-31

國家自然科學基金項目(51275148)；院級教研項目(2016YQJY0110)

王宏濤(1967-)，男，河南偃師人，碩士，高級工程師，實驗室主任， 研究方向為精密測試技術及儀器、實驗室與設備管理。

Tel.:13955196760，0551-62901781;E-mail：wanght@hfut.edu.cn

TP 29

A

1006-7167(2017)05-0021-03