基于PLC和LabVIEW的溫室控制系統設計＊

梅鑫劍，王祥傲，汪先兵，劉哲文

基于PLC和LabVIEW的溫室控制系統設計＊

梅鑫劍，王祥傲，汪先兵，劉哲文

（滁州學院 機械與電氣工程學院，安徽 滁州 239000）

為了解決傳統溫室大棚的控制范圍較大、監控環境因子較多、人工管理效率低等問題，設計了一種采用主從站分級控制模式，利用NI公司的LabVIEW虛擬儀器搭建上位機監控面板，結合諸多分站點傳感器、執行器和西門子S7-1200系列PLC共同構建的溫室控制系統。系統通過基于以太網的UDP協議，完成主站與從站PLC的實時數據交換，通過傳感器和執行器，采集數據并輸出響應，并使用LabVIEW用戶界面進行遠程監控。實驗表明，系統具有操作簡易、使用效率高以及調節精準等優點，能夠保障溫室各環境因子時刻處于適宜農作物生長的范圍。

溫室大棚；LabVIEW；PLC；UDP協議

中國是一個傳統農業大國，長期以來依靠人工生產和半自動化生產的模式進行農業生產。而面對龐大的人口基數和日益增長的市場需求，這種傳統農業種植方式的低效、低能等缺點逐漸暴露出來。隨著信息與物聯網控制技術的發展，溫室大棚智能控制技術成為了解決高效生產問題的新途徑。溫室大棚智能控制作為設施農業種植與生產過程中的關鍵環節，是提高生產效率、保障農作物品質的重要措施[1]。因此，設計了一種基于PLC與LabVIEW的溫室控制系統。

1 系統結構總體設計

本系統由上位機PC監控端和下位機測控端組成。PC監控端主要由LabVIEW可視化編程軟件與STEP7 V14編程軟件構成；測控端由多種傳感器、輸入按鈕、驅動電機和西門子S7-1200系列PLC組成。可以通過輸入按鈕選擇自動或手動控制系統。在自動控制下，PLC實時接收各種傳感器采集的溫度、濕度、光照度等采集量，根據PC機設定的相關參數值，通過內置的控制算法[2]進行采集數據的信號類型轉換和標準化處理，實現對溫室內的各種環境參數的實時控制；而在手動控制下，則跳過內部參數的設置與內置的控制算法，完全依賴輸入按鈕進行系統控制。本系統總體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

本系統采用西門子S7-1200系列PLC控制器，其特點是設計緊湊、擴展能力強，具有14路數字量輸入、10路數字量輸出和2位0～10 V模擬量信號輸入點，可用于控制各類設備。由于本系統涉及較多的模擬量信號的傳輸，因此擴展一個4路模擬量輸入的SM1231模塊。該拓展模塊支持標準工業接口4～20 mA/0～10 V/0～5 V模擬量信號輸入或輸出，適用不同接口的傳感器及輸入元件。所使用的傳感器可以將所測物化信息轉化成數字量或電信號[3]，主要包括空氣溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等幾種傳感器，且均使用量程較大、精度較高的傳感器，而為了保證輸入輸出信號的準確與穩定，電源均選用DC 24 V電源供電。

圖1 系統總體結構

3 系統軟件設計

3.1 PLC的程序設計

作為主站控制器的PLC，不僅要實時地與向上位機進行數據傳與交換，同時，還要對采集的模擬量或數字量數據進行標準化處理（因為A/D、D/A轉換之間的對應關系，S7-1200 CPU用數值表示外部的模擬量信號，兩者間有一定的數學關系，即模擬量/數值量的換算關系）與驅動執行模塊動作[4]，實時收集空氣溫度、土壤濕度和二氧化碳濃度等溫室大棚的環境信息，并幫助用戶及相關專業機構對數據進行分析、整理、融合[5]，從而根據需要實時控制燈光及遮陽裝置、灌溉裝置、通風裝置等執行元件動作，這正是本系統設計的優勢所在。PLC的程序設計原理如圖2所示。

圖2 PLC的程序設計原理

3.2 LabVIEW的程序設計

利用LabVIEW2017軟件完成用戶端人機交互界面的程序設計。在進行系統設計時，采用模塊化思想，每個模塊的功能由一個子VI完成，通過調用子VI構成整個系統[6]。用戶端人機交互界面由主視界面和輔助界面組成。監控系統主界面如圖3所示，在主視界面中包括以下三大部分：①數據輸入部分。對溫室大棚內的溫室溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等實時環境參數的上下限進行設定。②數據顯示與警示部分。對下位機采集傳輸的溫室大棚內環境因子參數進行顯示，并自動與限值進行比較分析，對超限的參數進行示警。③功能選擇部分。通過對不同功能按鍵的選擇，實現調用數據圖表及監控影像的輔助操作界面或停止、退出系統等功能。

4 結語

本設計通過S7-1200系列PLC與LabVIEW上位機設計軟件，在局域以太網中基于UDP協議，采用主從站PLC分級控制模式，構建了集數據采集、顯示、報警、調節等功能為一體的智能溫室監控系統，簡化了操作流程，擴大了監控范圍。而手動與自動高效切換的調節方式，滿足了不同時期農作物的生長對環境因子的不同要求。通過對植物生長數據的實時檢測、分析與調節，解決了“經驗種植”的效率低、準確性差等方面的問題，提高了溫室種植的生產效率和經濟效益。

圖3 監控系統主界面

［1］邢希君，宋建成，吝伶艷.設施農業溫室大棚智能控制技術的現狀與展望［J］.江蘇農業科學，2017，45（21）：10-15.

［2］張宏偉，解應博，陳凱彬，等.基于PLC的溫室多參數監控系統設計［J］.測控技術，2018，37（6）：130-133.

［3］許東，高杰.基于無線傳感器網絡的智能生態保障系統［J］.自動化儀表，2017，38（10）：41-44.

［4］張侃諭，余玲文.基于57-224的自動化溫室控制系統設計［J］.自動化儀表，2009，30（2）：36-38.

［5］廖建尚.基于物聯網的溫室大棚環境監控系統設計方法［J］.農業工程學報，2016，32（11）：233-243.

［6］谷宇希，孟先新，楊道華.基于LabVIEW的溫室大棚監測與控制系統設計［J］.華北水利水電學院學報，2013，34（3）：110-112.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.017

2095－6835（2019）19－0043－02

梅鑫劍（1997—），男，安徽阜陽人，本科，學生，研究方向為工業自動化。

王祥傲（1983—），男，安徽滁州人，碩士，講師，研究方向為電氣自動化。

滁州學院大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201810377012、201810377010）；滁州學院課程綜合改革項目（編號：2016kcgg030）

〔編輯：張思楠〕