基于PLC的溫室自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王宏濤， 李紅莉， 程真英， 陳曉懷

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥 230009)

基于PLC的溫室自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王宏濤， 李紅莉， 程真英， 陳曉懷

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥 230009)

有效控制溫室溫濕度環(huán)境是溫室業(yè)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(jiān)控系統(tǒng)，可實時采集控制溫室的溫濕度，并利用串行口通信實現(xiàn)與上位PC機的信息交互，用戶可通過上位機監(jiān)控軟件監(jiān)測溫濕度信息，并可選擇手動或自動兩種控制模式實現(xiàn)溫濕度調(diào)節(jié)控制。通過試驗，該系統(tǒng)實現(xiàn)了溫室溫濕度信息的采集、顯示與預(yù)警，并能夠可靠實現(xiàn)溫濕度控制；上位機監(jiān)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(shù)據(jù)分析。該設(shè)計對于溫室環(huán)境自動監(jiān)控以及PLC實踐教學(xué)具有一定實際意義和應(yīng)用價值。

溫濕度控制； 可編程邏輯控制器； 串口通信； 實踐教學(xué)

0 引 言

溫室能夠為農(nóng)作物提供一個相對良好的生長環(huán)境，能夠帶來巨大的經(jīng)濟效益。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[1-6]。目前，美國、加拿大等農(nóng)業(yè)強國在溫室管理方面已經(jīng)完全實現(xiàn)自動化、智能化操作，極大地節(jié)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(jiān)控系統(tǒng)有效調(diào)控溫室的溫濕度環(huán)境，對我國溫室業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強等突出優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。其中，西門子S7-200系列小型PLC結(jié)構(gòu)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(jiān)控控制器，實現(xiàn)溫室溫濕度采集與控制，切實可行。

1 硬件組成

根據(jù)實際溫室面積，可考慮采用多臺PLC進行現(xiàn)場控制，利用網(wǎng)絡(luò)，集中應(yīng)用一臺上位PC機實現(xiàn)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(jiān)控。上位機基于Labview圖形化軟件開發(fā)平臺編制監(jiān)控軟件，設(shè)立自動和手動兩種控制模式，方便用戶進行監(jiān)視和操控，用戶可通過上位機指揮PLC控制器實現(xiàn)溫濕度采集，根據(jù)溫室控制要求，系統(tǒng)能夠?qū)貪穸瘸耷闆r做出報警，并控制通風(fēng)、供熱、除濕、加濕等設(shè)備，實現(xiàn)溫室溫濕度的自動調(diào)控。系統(tǒng)搭建方便，經(jīng)濟實用。

1.1 硬件配置

系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)廣泛使用的MODBUS-RTU通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息。

綜合考慮溫濕度監(jiān)控所需要連接的輸入輸出設(shè)備，控制器采用S7-200系列小型PLC CPU224XP，它具有數(shù)字量I/O點數(shù)14輸入10輸出，模擬量I/O點數(shù)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(jù)PLC的I/O地址分配列表，參考西門子PLC系統(tǒng)手冊，可繪制出該系統(tǒng)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(guān)實現(xiàn)互鎖保護。

圖1 PLC外部接線圖

2 通信協(xié)議

設(shè)計中采用串行自由口通信實現(xiàn)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(shù)編寫數(shù)據(jù)采集程序，采用串口通信的方式與PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

設(shè)計中自定義PC機與PLC通信協(xié)議，協(xié)議格式中包含數(shù)據(jù)包頭、PLC地址、代碼、校驗位[10]。具體協(xié)議數(shù)據(jù)包定義如表2所示。

表2 自由口通信數(shù)據(jù)包定義

3 軟件設(shè)計

3.1 PLC控制

PLC上電運行首先初始化，進行自由口通信設(shè)置，設(shè)置特殊標(biāo)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(yīng)上位PC機的通信要求，根據(jù)要求傳送溫濕度數(shù)據(jù)或執(zhí)行相應(yīng)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(jiān)控

圖形化軟件開發(fā)平臺labview采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序執(zhí)行效率高，且方便創(chuàng)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(jiān)控軟件。

系統(tǒng)開啟后，溫濕度傳感器集現(xiàn)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(yù)先設(shè)定的溫濕度值進行比較，根據(jù)手/自動控制模式選擇相應(yīng)控制流程，監(jiān)控流程如圖4所示。

圖3 PC機讀取溫濕度 圖4 PC機監(jiān)控流程

在自動模式下，當(dāng)采集到的溫度值超過設(shè)定值時，上位機發(fā)出控制信號，控制信號通過 PC/PPI電纜將控制信號發(fā)給PLC，通過PLC對執(zhí)行機構(gòu)中的通風(fēng)窗啟動控制，當(dāng)溫度值低于預(yù)先設(shè)定的溫度下限時，此時上位機發(fā)出控制信號，通過PLC啟動執(zhí)行機構(gòu)中的供熱系統(tǒng)，同時關(guān)閉通風(fēng)窗，以調(diào)整溫室環(huán)境中的溫度值；同理當(dāng)采集到濕度值超過預(yù)先設(shè)定的上限值時，上位機發(fā)出控制信號，通過PLC開啟風(fēng)機系統(tǒng)，當(dāng)采集到的濕度值低于預(yù)先設(shè)定的濕度下限值時，開啟電磁閥，打開加濕系統(tǒng)。

手動模式下，當(dāng)采集到的溫濕度值超出預(yù)先設(shè)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(zhí)行機構(gòu)中的相應(yīng)系統(tǒng)進行控制。

4 系統(tǒng)測試

通過上位機監(jiān)控軟件登錄后即可進入監(jiān)控界面，能夠準(zhǔn)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(shù)據(jù)。運行監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)監(jiān)控界面

5 結(jié) 語

所設(shè)計溫室自動監(jiān)控系統(tǒng)基于S7-200 PLC，控制可靠，由Labview開發(fā)的上位機監(jiān)控軟件使用友好方便。利用該系統(tǒng)可以有效將溫室溫濕度控制在要求范圍內(nèi)，同時可將檢測值進行備份處理，可方便后續(xù)溫室環(huán)境變化的研究分析。該設(shè)計對于溫室環(huán)境自動監(jiān)控以及PLC實踐教學(xué)具有一定實際意義和應(yīng)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(xué)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(shù)及儀器、實驗室與設(shè)備管理。

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

TP 29

A

1006-7167(2017)05-0021-03