溫室環(huán)境多參數(shù)PLC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究.pdf

PLC 與 DCS PLC and DCS 自 動 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 TechniquesofAutomationTP 274 文獻標識碼 A 文章編號 1003 7241 2020 03 0078 04 Design and Research of Multi parameter PLC Monitoring System for Greenhouse Environment SUN Xiao ming SHEN Can gang DepartmentofElectronicInformationEngineering JiangyinPolytechnicCollege Jiangyin214405China Abstract Amonitoring system is designed for the multi parameter monitoring problem of greenhouse environment The monitoring system takes the PLC controller as the control core and monitors the environmental parameters such as air temperature and humidity illuminance carbon dioxide concentration and soil temperature and humidity in the greenhouse environ ment in real time compares and judges the environmental parameters suitable for crop growth and regulates greenhouse agricultural production The elements make it meet the needs of efficient growth of crops ensure the greenhouse agricul turalproduction andintroducethePLCapplicationtechnology remotewirelesscommunicationtechnologyandconfigura tion technology to realize human computer interaction and real time monitoring Tests show that the system is fast reli able and accurate can be used for greenhouse agricultural environment monitoring and can also be used as a practical teachingsystemfor highervocationalstudents Ithas certainapplication valuefor improvingthelevelof greenhouseagri culturalautomationandPLCpracticeteaching Key words greenhouseenvironment ProgrammableLogicController monitor practicalteaching 基 金 項 目 江 陰 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 科 研 項 目 編 號 18 E DZ 19 江 蘇 省 教 育 科學(xué)十三五規(guī)劃課題 編號 C b 2016 03 18 收稿日期 2018 12 19 1 引言 目 前 溫 室 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 迅 猛 溫 室 農(nóng) 業(yè) 對 于 實 現(xiàn) 集 約 高 效 生 產(chǎn) 具 有 重 要 意 義 國 外 溫 室 農(nóng) 業(yè) 自 動 化 程 度 較 高 節(jié) 約 人 力 經(jīng) 濟 效 益 較 高 國 內(nèi) 溫 室 農(nóng) 業(yè) 自 動 化 水 平 相 對 有 待 提 高 由 此 制 約 國 內(nèi) 溫 室 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 效 果 因 此 采 用 自 動 控 制 水 平 較 高 的 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 調(diào) 節(jié) 溫 室 環(huán) 境 對 國 內(nèi) 溫 室 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 具 有 實 際 意 義 PLC 由 于 可 靠 抗 干 擾 等 原 因 在 各 領(lǐng) 域 應(yīng) 用 較 廣 1 2 這 里 設(shè) 計 一 種 溫 室 環(huán) 境 多 參 數(shù) PLC 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 以 PLC 為 控 制 核 心 引 入 PLC 應(yīng) 用 技 術(shù) 遠 程 通 訊 技 術(shù) 組 態(tài) 技 術(shù) 等 有 效 監(jiān) 控 溫 室 環(huán) 境 提 高 溫 室 農(nóng) 業(yè) 自 動控制水平 保障溫室農(nóng)業(yè)集約高效生產(chǎn) 2 系統(tǒng)監(jiān)控策略 溫 室 環(huán) 境 多 參 數(shù) PLC 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 由 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 土 壤 溫 濕 度 傳 感 器 光 照 度 傳 感 器 二 氧 化 碳 濃 度 傳 感 器 PLC 模 擬 量 模 塊 通 訊 模 塊 觸 摸 屏 上 位 PC 機 78 自 動 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 PLC 與 DCS PLC and DCS TechniquesofAutomation Applications 補 光 燈 通 風 設(shè) 備 加 熱 設(shè) 備 噴 灌 設(shè) 備 二 氧 化 碳 補 充 設(shè) 備 滴 灌 設(shè) 備 等 組 成 3 該 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 以 PLC 控 制 器 為 控 制 核 心 前 述 傳 感 器 對 溫 室 環(huán) 境 內(nèi) 的 空 氣 溫 濕 度 光 照 度 二 氧 化 碳 濃 度 和 土 壤 溫 濕 度 等 環(huán) 境 參 數(shù) 進 行 實 時 監(jiān) 測 及 時 提 供 相 關(guān) 參 數(shù) 檢 測 信 號 通 過 模 擬 量 模 塊 傳 遞 給 PLC 進 行 數(shù) 據(jù) 處 理 與 適 宜 農(nóng) 作 物 生 長 的 環(huán) 境 參 數(shù) 進 行 比 較 判 斷 當 檢 測 值 超 出 設(shè) 定 范 圍 值 時 發(fā) 出 報 警 信 號 同 時 PLC 可 提 供 控 制 信 號 驅(qū) 動 相 關(guān) 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 使 環(huán) 境 參 數(shù) 保 持 在 最 適 宜 的 范 圍 內(nèi) 4 觸 摸 屏 遠 程 上 位 PC 機 都 可 顯 示 環(huán) 境 參 數(shù) 同 時 可 根 據(jù) 實 際 農(nóng) 作 物 修 改 環(huán) 境 參 數(shù) 設(shè) 定 值 上 下 限 及 報 警 值 觸 摸 屏 用 于 現(xiàn) 場 監(jiān) 控 上 位 PC 機 用 于遠程監(jiān)控 從而保障溫室環(huán)境農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 具 體 控 制 要 求 如 下 5 空 氣 溫 度 低 于 設(shè) 定 值 下 限 時 開 啟 加 熱 設(shè) 備 升 溫 空 氣 溫 度 高 于 設(shè) 定 值 上 限 時 開 啟 通 風 設(shè) 備 降 溫 空 氣 濕 度 低 于 設(shè) 定 值 下 限 時 開 啟 噴 灌 設(shè) 備 加 濕 空 氣 濕 度 高 于 上 限 值 時 開 啟 通 風 設(shè) 備 排 濕 二 氧 化 碳 濃 度 低 于 設(shè) 定 值 下 限 時 開 啟 二 氧 化 碳 補 充 設(shè) 備 提 高 二 氧 化 碳 濃 度 二 氧 化 碳 濃 度 高 于 設(shè) 定 值 上 限 時 開 啟 通 風 設(shè) 備 降 低 二 氧 化 碳 濃 度 夜 間 或 光 照 度 低 時 開 啟 補 光 燈 光 照 度 高 時 關(guān) 閉 補 光 燈 土 壤 濕 度 低 于 設(shè) 定 值 下 限 時 開 啟 滴 灌 設(shè) 備 加 濕 土 壤 濕 度 高 于 設(shè) 定 值 上 限 時 開啟通風設(shè)備排濕 3 硬件設(shè)計 圖 1 為 系 統(tǒng) 硬 件 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 系 統(tǒng) 由 PLC 模 擬 量 模 塊 觸 摸 屏 通 訊 模 塊 溫 室 環(huán) 境 參 數(shù) 傳 感 器 生 產(chǎn) 要 素 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 遠 程 上 位 PC 機 等 設(shè) 備 組 成 PLC 型 號 為 西 門 子 PLC 224 XP 具 有 2 路 模 擬 量 輸 入 通 道 及 2 路 RS 485 通 訊 口 模 擬 量 模 塊 型 號 為 西 門 子 EM 231 具 有 4 路 模 擬 量 輸 入 通 道 觸 摸 屏 型 號 為 昆 侖 通 態(tài) TPC 7062 TX 通 訊 模 塊 為 GRPS DTU 通 訊 模 塊 型 號 為 北 京 天 同 誠 業(yè) WG 80 10 485 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 型 號 為 建 大 仁 科 RS WS I 2 0 2 3 溫 度 測 量 范 圍 40 80 濕 度 測 量 范 圍 0 100 RH 內(nèi) 置 探 頭 輸 出 信 號 為 4 20 mA 光 照 度 傳 感 器 型 號 為 建 大 仁 科 RS GZ I 20 2 測 量 范 圍 0 65535 lux 內(nèi) 置 探 頭 輸 出 信 號 為 4 20 mA CO 2 傳 感 器 型 號 為 建 大 仁 科 RS CO 2 I 20 2 測 量 范 圍 0 5000 ppm 內(nèi) 置 探 頭 輸 出 信 號 為 4 20 mA 土 壤 溫 濕 度 傳 感 器 型 號 為 建 大 仁 科 RS WS I 20 TR 溫 度 測 量 范 圍 40 80 濕 度 測 量 范 圍 0 100 RH 外 置 探 頭 輸 出 信 號 為 4 20 mA 土 壤 溫 濕 度 傳 感 器 與 PLC 自 帶 模 擬 量 通 道 連 接 其 他 傳 感 器 與 模 擬 量 模 塊 連 接 PLC 與 模 擬 量 模 塊 通 過 排 線 連 接 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 通 過 中 間 繼 電 器 與 PLC 連 接 觸 摸 屏 與 PLC 一 路 RS 485 通 訊 口 連 接 采 用 MCGS 組 態(tài) 監(jiān) 控 GRPS DTU 通 訊 模 塊 與 PLC 另 一 路 RS 485 通 訊 口 連 接 上 位 PC 機安裝 Comway 無線串口軟件及 MCGS 組態(tài)監(jiān)控 圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖 PLC 通 過 自 帶 模 擬 量 通 道 及 模 擬 量 模 塊 采 集 傳 感 器 信 號 并 轉(zhuǎn) 化 為 實 際 環(huán) 境 參 數(shù) 值 PLC 進 行 數(shù) 據(jù) 分 析 判 斷 處 理 控 制 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 及 自 動 報 警 裝 置 的 動 作 當 環(huán) 境 參 數(shù) 超 限 時 提 供 相 關(guān) 控 制 信 號 通 過 中 間 繼 電 器 隔 離 去 驅(qū) 動 外 圍 生 產(chǎn) 要 素 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 最 終 使 環(huán) 境 參 數(shù) 達 到 最 適 宜 農(nóng) 作 物 生 長 的 范 圍 PLC 將 數(shù) 據(jù) 通 過 RS 485 通 訊 PORT 0 口 發(fā) 送 給 觸 摸 屏 觸 摸 屏 實 時 顯 示 現(xiàn) 場 數(shù) 據(jù) 同 時 可 通 過 觸 摸 屏 調(diào) 整 環(huán) 境 參 數(shù) 范 圍 等 發(fā) 送 給 PLC 實 現(xiàn) 現(xiàn) 場 監(jiān) 控 另 一 方 面 PLC 通 過 PS 485 通 訊 PORT 1 口 將 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 給 GPRS DTU 通 訊 模 塊 6 GPRS DTU 通 訊 模 塊 安 裝 SIM 卡 與 PLC 數(shù) 據(jù) 通 訊 采 用 Modbus 協(xié) 議 通 過 GPRS 網(wǎng) 絡(luò) 連 接 Internet 網(wǎng) 傳 輸 數(shù) 據(jù) 采 用 Comway 協(xié) 議 并 將 數(shù) 據(jù) 存 儲 在 COMWAY DATA SERV ER 免 費 服 務(wù) 器 聯(lián) 網(wǎng) 上 位 機 MCGS 組 態(tài) 通 過 Comway 無 線 串 口 軟 件 接 收 數(shù) 據(jù) 顯 示 實 時 現(xiàn) 場 數(shù) 據(jù) 同 時 上 位 機 可 通 過 Internet 逆 向 發(fā) 送 數(shù)據(jù)給現(xiàn)場 PLC 控制現(xiàn)場調(diào)節(jié)設(shè)備 實現(xiàn)遠程監(jiān)控 79 PLC 與 DCS PLC and DCS 自 動 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 TechniquesofAutomation Applications 4 遠程監(jiān)控通訊配置 組 態(tài) 通 常 是 通 過 RS 485 等 有 線 通 訊 方 式 建 立 與 現(xiàn) 場 設(shè) 備 如 PLC 儀 表 和 傳 感 器 的 通 信 現(xiàn) 應(yīng) 用 GPRS DTU 配合 Comway 無線虛擬串口軟件實現(xiàn)運程無線通信 圖 2 為 遠 程 通 訊 示 意 圖 該 通 訊 方 式 的 特 點 是 無 需 固 定 IP 地 址 無 需 花 生 殼 的 動 態(tài) 域 名 無 需 網(wǎng) 關(guān) 的 端 口 映 射 7 GP RS DTU 配 置 如 圖 3 所 示 包 括 通 信 協(xié) 議 服 務(wù) 器 地 址 和 端 口 號 才 能 與 COMWAY DATA SERV ER 免 費 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 器 建 立 連 接 GPRS DTU 串 口 參 數(shù) 需 與 PLC 相 關(guān) 串 口 參 數(shù) 保 持 一 致 GPRS DTU 完 成 設(shè) 置 插 入 SIM 卡 自 動 連 接 到 服 務(wù) 器 在 Comway 虛 擬 無 線 串 口 軟 件 中 輸 入 GP RS DTU ID 設(shè) 置 虛 擬 串 口 并 映 射 到 某 串 口 如 COM 6 如 圖 4 所 示 同 時 須 在 組 態(tài) 軟 件 中 修 改 通 訊 端 口 為 虛 擬 端 口 COM 6 圖2 遠程通訊示意圖 圖3 GPRS DTU 參數(shù)配置 圖4 Comway 虛擬無線串口設(shè)置 5 軟件設(shè)計 系 統(tǒng) 軟 件 設(shè) 計 包 括 PLC 程 序 及 組 態(tài) 設(shè) 計 圖 5 為 主 程 序 流 程 圖 圖 6 為 濕 度 控 制 子 程 序 系 統(tǒng) 初 始 化 讀 取 環(huán) 境 參 數(shù) 設(shè) 定 值 包 括 上 下 限 采 集 當 前 環(huán) 境 參 數(shù) 當 前 值 與 設(shè) 定 值 進 行 比 較 如 果 環(huán) 境 參 數(shù) 超 限 則 進 入 報 警 空 氣 溫 濕 度 二 氧 化 碳 濃 度 關(guān) 照 度 土 壤 溫 濕 度 等 控 制 子 程 序 進 行 處 理 8 濕 度 大 于 上 限 開 啟 通 風 設(shè) 備 當 濕 度 小 于 下 限 關(guān) 閉 通 風 設(shè) 備 濕 度 小 于 下 限 開 啟 噴 灌 或 滴 灌 設(shè) 備 當 濕 度 大 于 上 限 關(guān) 閉 噴 灌 或 滴 灌 設(shè) 備 另 外 MCGS 組 態(tài) 主 要 實 現(xiàn) 溫 室 環(huán) 境 參 數(shù) 實 時 顯 示 9 11 根 據(jù) 不 同農(nóng)作物修改參數(shù)設(shè)定值 環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)存儲等 圖5 主程序流程圖 圖6 濕度控制子程序 80 自 動 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 PLC 與 DCS PLC and DCS TechniquesofAutomation Applications 6 系統(tǒng)測試 溫 室 環(huán) 境 多 參 數(shù) PLC 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 目 前 已 在 江 陰 某 農(nóng) 業(yè) 技 術(shù) 推 廣 中 心 蔬 菜 實 驗 基 地 運 行 測 試 組 態(tài) 監(jiān) 控 界 面 如 圖 7 所 示 可 以 實 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 實 時 顯 示 數(shù) 據(jù) 存 儲 系 統(tǒng) 控 制 報 警 等 功 能 測 試 表 明 系 統(tǒng) 運 行 穩(wěn) 定 圖 8 為 溫 度 實 時 曲 線 橫軸為實時時間 縱軸為溫度 圖7 組態(tài)監(jiān)控界面 圖8 溫度實時曲線 7 結(jié)束語 溫 室 環(huán) 境 多 參 數(shù) PLC 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 可 根 據(jù) 溫 室 農(nóng) 業(yè) 現(xiàn) 場 實 際 情 況 進 行 生 產(chǎn) 要 素 實 時 調(diào) 節(jié) 保 障 溫 室 農(nóng) 作 物 生 長 設(shè) 計 思 路 與 編 程 思 路 簡 單 可 移 植 性 好 為 溫 室 農(nóng) 業(yè) 現(xiàn) 場 提 供 一 種 切 實 可 行 的 溫 室 監(jiān) 控 方 案 同 時 亦 可 作 為 學(xué) 院 學(xué)生實踐教學(xué)系統(tǒng)或裝置 培養(yǎng)學(xué)生實踐能力 參考文獻 1 沈 燦 鋼 孫 曉 明 西 門 子 全 集 成 工 業(yè) 網(wǎng) 絡(luò) 實 訓(xùn) 室 設(shè) 計 與 實現(xiàn)實驗技術(shù)與管理 J 2015 32 2 170 172 2 孫 曉 明 馬 青 曹 虎 等 自 適 應(yīng) 模 糊 PID 控 制 在 PLC 變 頻 調(diào) 速 同 步 測 試 中 的 應(yīng) 用 J 實 驗 室 研 究 與 探 索 2014 33 6 16 19 3 趙 媛 陳 軍 PLC 技 術(shù) 在 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 中 的 應(yīng) 用 J 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 2016 15 1 38 39 4 張 云 楊 宏 偉 智 慧 溫 室 實 時 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 研 究 J 實 驗 室 研究與探索 2016 35 2 98 101 5 吳 淑 娟 基 于 PLC 的 大 棚 智 能 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計 J 岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 2017 32 6 74 78 6 陳 立 定 馮 景 輝 胥 布 工 遠 程 環(huán) 境 在 線 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 J 同濟大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 2010 38 11 1659 1663 7 COMWAY 無線串口軟件使用說明 Z 2016 8 馮 毅 吳 必 瑞 基 于 組 態(tài) 王 和 PLC 的 蔬 菜 溫 室 溫 濕 度 監(jiān) 控系統(tǒng) J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2015 36 1 132 135 9 胡 金 山 王 熙 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 J 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 2015 43 10 510 512 10 廖 常 初 西 門 子 人 機 界 面 觸 摸 屏 組 態(tài) 與 應(yīng) 用 技 術(shù) 第 2 版 M 北京 機械工業(yè)出版社 2012 11 王 宏 濤 李 紅 莉 程 真 英 等 基 于 PLC 的 溫 室 自 動 監(jiān) 控系統(tǒng)設(shè)計 J 實驗室研究與探索 20 17 36 5 21 23 作 者 簡 介 孫 曉 明 1981 男 碩 士 講 師 研 究 方 向 電 氣 控 制 技 術(shù)教學(xué)與研究 81