基于PLC、MCGS組態技術的北方寒地溫室環境監控系統設計

胡金山　王熙

摘要：北方寒地溫室環境中溫濕度直接影響溫室作物的生長周期、單位產量。傳統溫室控制根據溫室管理者種植經驗，人工手動調節溫室內溫濕度參數，存在反應時間長、處理不及時、運行成本高等問題。本系統利用PLC技術、MCGS組態技術，不僅實現溫室環境的實時控制，而且良好的人機交互界面降低了溫室管理者的操作難度。下位機實時采集溫室內參數，自動執行相應機構動作。上位機顯示當前各參數信息和控制情況，并進行數據存儲，提高了溫室管理的效率和難度，滿足溫室作物生長要求，提高農民的經濟效益。

關鍵詞：北方寒地；溫室環境；PLC技術；MCGS組態技術

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

我國是農業大國，溫室作物生產水平相對較低。溫室生產過程中，溫室溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環境因子直接或間接影響溫室作物的生長和產量[1]。其中，溫度、濕度這2個環境因子影響效果較為顯著。溫室環境監控系統是在充分利用自然資源的基礎上，通過監測并改變環境因子，如溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環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，冬季溫度往往低于0℃，必須依靠溫室環境監控系統創造適宜的溫室作物生長環境。為了滿足北方地區現代化農業生產的要求，研究人員設計了溫室環境監控系統[5]。該系統可以實現實時對溫室環境因子中的溫度、濕度進行監測，利用可編程控制器（PLC）處理采集的數據，通過調節相關執行機構自動調節溫室環境因子，實現溫室環境信息采集[6-7]。系統整體運行穩定性強，溫室環境因子調節效果好，整體設計要求合理，能達到增加作物單位產量、改善作物品質、調節作物生長周期、提高經濟效益的目的。

1 系統組成

溫室作物生長過程中，溫室溫度、濕度是決定作物高產與否的關鍵性因素。對于現代農業溫室系統來說，最佳的溫室調控效果是根據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。本系統是以PLC為核心的溫室監控系統，采用PID控制方式，以MCGS組態觸摸屏（昆侖通態公司）為上位機，顯示溫室當前狀態，進行自動控制切換、手動控制，將數據生成實時曲線、歷史曲線，完成數據的記錄、存儲。執行機構主要包括溫度控制機構、濕度控制機構。其中溫室增溫采用低溫熱水地板輻射采暖技術，通過控制通風裝置、遮陽裝置調控降溫。采用噴灌系統給溫室加濕，通風裝置降低溫室濕度。整個系統構成若干個完整的回路，實現對溫室溫度、濕度的實時監測與控制[8]。系統組成如圖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PLC，完全兼容西門子S7-200 PLC CPU 224XP，具有24個輸入點數、16個輸出點數、2個 0～10 V 模擬量輸入、1個模擬量輸出、2個RS 485接口。 西門子EM235模擬量輸入輸出模塊在本系統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無法識別的0～10 V 或0～20 mA模擬量轉換為PLC可識別的數字信號，執行機構所需要的0～10 V或0～20 mA運行信號是逆過程，從而完成整個數據采集及執行機構控制閉合回路。

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。

人機交互部分采用MCGS組態觸摸屏，與PLC的通信采用RS-232數據傳輸，從而完成實時狀況的顯示及相關數據的存儲。

2.2 工作原理

本溫室環境監控系統中，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換為數字量，并將結果傳送給PLC。PLC將檢測到的溫濕度值與設定值進行比對，并按照設定的控制規律對誤差值進行運算，將運算結果通過PLC的模擬量I/O，將數字量轉換為執行機構可識別的0～10 V電壓信號或0～20 mA電流信號。驅動相應執行機構完成特定動作，從而實現溫室環境的實時監測、在線控制。

3 軟件設計

3.1 上位機軟件設計

上位機軟件設計采用MCGS組態軟件，MCGS組態軟件是基于Windows平臺開發出來用于快速構造、生成上位機監控系統的組態軟件系統，此組態軟件可在Microsoft Windows XP/7等操作系統上運行。能夠為用戶提供解決實際工程問題的完整方案和開發平臺，能夠完成現場數據采集并進行采集數據的存儲、處理實時數據和歷史數據、危險報警和系統保護安全機制、系統流程控制狀態顯示、監控畫面動畫顯示、歷史和實時趨勢曲線的繪制以及企業監控網絡等功能。使用MCGS組態軟件，在相對較短的時間內，用戶可以輕而易舉地完成系統運行穩定、監控功能全面、系統維護量小并且具備專業水準的計算機監控系統的開發工作。MCGS具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，已成功應用于石油化工、鋼鐵行業、電力系統、水處理、環境監測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農業自動化、航空航天等領域，經過各種現場的長期實際運行，系統穩定可靠[9]。

根據系統要求，人機交互界面設計如下：（1）監控主畫面（圖3）。顯示溫濕度傳感器檢測到的溫室溫濕度等參數，進行相關參數的設定及專家建議值的顯示；進行系統自動控制與手動控制的切換，執行手動控制相關動作；系統出現故障時，進行報警提示并記錄相應的報警信息。（2）實時趨勢曲線畫面。根據實時監測到的溫室環境參數生成實時趨勢曲線，溫室管理人員可方便、直觀地觀察溫室環境各參數的變化趨勢。（3）歷史趨勢曲線畫面。根據記錄的溫室各參數生成歷史趨勢曲線，并進行數據存儲。以便日后農學專家進行相關試驗研究，并提出適合溫室農作物生長的各項參數最佳值，為溫室管理者提供專家意見、管理意見。endprint

3.2 下位機軟件設計

STEP7-Micro/win32是西門子公司專為SIMATIC系類S7-200研制開發的基于Windows平臺的應用編程軟件。用戶可以使用個人計算機創建、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，并支持在線實時監控用戶程序的運行狀態，也可以根據用戶需要強制執行某個參數或狀態。本系統采用此編程軟件中的PID功能指令，將采集到的溫室環境參數按照采樣時間執行PID功能指令，按照PID控制算法規律，根據PID功能指令當時給出的比例、積分、微分數據，計算輸出量，并通過相應的執行機構完成溫室環境的實時調控，軟件流程圖如圖4所示。

根據溫室環境監控系統系統需求、系統組成，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，經過500 Ω電阻，輸出信號轉換為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換為數字量，并將處理結果傳送給PLC。PLC將檢測到溫度值與設定值進行比對，如果檢測值高于設定值，則通過PLC進行PID運算，降低低溫熱水地板輻射系統中熱水供應管端比例閥的開度，調整冷水混合與熱水混合的比例，從而使得流經整個低溫熱水地板輻射系統的水溫下降，達到降低溫室溫度的目的（圖5）。

4 結論

溫室環境監控系統是一個非線性、時變大、慣性大的相對復雜的系統，在整個控制因素中，溫濕度監控尤為重要，直接影響溫室作物的生長和產出。該溫室環境監控系統采用PID調節，可通過實際生產經驗和專家建議設定PID控制參數，達到最佳的控制效果。該系統整體設計合理，系統穩定性強，控制效果好，超調量小，能夠很好地實現對溫室環境溫濕度進行監測，滿足溫室作物對生長條件的要求，達到了增加作物單位產量、改善作物品質、調節作物生長周期，提高經濟效益的目的。

參考文獻：

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