基于PLC和組態王的香菇生長監控系統設計

張宏偉　邵帥帥

摘 要：設計了一個基于PLC的香菇生長環境監控系統，該系統可在不同階段對所需的溫度和濕度進行實時監控，以構造最適合香菇生長的環境，提高香菇生產效率。系統主要包括由三菱PLC、特殊功能模塊、傳感器、噴水閥、熱風機、側窗電機構建的下位機傳輸控制系統，以及組態王軟件、三菱PLC編程軟件GX Developer構建的上位機監控系統。系統共設置了2個監測點，將2個傳感器分布在2個監測點上，釆集環境信息傳送到下位機，并在上位機進行實時監測。

關鍵詞：PLC；組態王；智能控制：環境監控

DOI：10.11907/rjdk.171548

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）009-0108-03

Abstract：This design with PLC as lower machine， PC machine is equipped with Kingview software for PC，which built a mushroom growth environment monitoring system based on PLC. The system can monitor the temperature and humidity in different stages in order to construct the optimal environment for the growth of mushroom and improve the growth efficiency of mushroom. This system mainly includes the Mitsubishi FX-2NPLC and the special function module， sensor， water pump， air blower， the lower machine transmission control system and the construction of the side window motor with Kingview software， Mitsubishi PLC programming software GX Developer to build the host computer monitoring system. A total of 2 monitoring points were set up， and the 2 sensors were distributed on the two monitoring points， the environmental information was collected and transmitted to the lower computer， after conversion， real-time transmission to the host computer，and real-time monitoring in the upper machine.

Key Words：PLC； Kingview；intelligent controls； environmental monitoring

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，對菌類的需求量日益上升，而香菇在其中占據著重要地位。我國是世界上人工栽培香菇歷史最早的國家，其生產成本低、生產周期短、產量穩定、經濟效益好。如今香菇已經成為發展農村經濟、提高農民收入的新興產業[1]。因此，提高香菇的生產效率，對我國經濟發展具有重要的促進作用。然而，中國的香菇種植方式主要以大棚手工種植為主，很難滿足消費者需求，因此迫切需要一種能智能控制香菇生長環境的系統，以提高香菇生產效率。基于PLC的香菇生長環境監控技術結合了計算機技術、自動控制技術、傳感器技術等，能夠實時監測香菇的溫濕度值，實現對香菇生長環境的精確控制，為香菇提供最佳的生長環境，從而調節香菇產期并促進其生長。在實現高產、高效、優質目標的同時，也節省了人力資源。

1 系統總體設計方案

本設計包括PC機、傳感器、PLC、熱風機、噴水閥、側窗與手動開關等，系統總體結構如圖1所示。該系統總體分為上位機與下位機兩部分，上位機采用組態王軟件顯示實時環境參數和執行結構狀態，進行數據傳輸與數據處理，還可進行環境參數的設定與修改，以及修改報警值，實時記錄監測點的溫濕度參數以供查詢。若采集到的數據超出設定范圍，系統便會報警；下位機利用溫濕度傳感器實時采集溫濕度信息并傳送給PLC，通過控制噴水閥、熱風機、側窗來調節溫濕度。系統還增加了手動開關控制，必要時可以進行人工調節，保證了系統的可靠性。

2 系統硬件設計

首先根據系統設計的具體要求選用PLC，要統計I/O（輸入/輸出）點數，而I/O點數的統計要綜合系統設計輸入、輸出的實際需求并預留10%～15%的裕量，然后選出正確的PLC。本套系統主要監測的是溫度和濕度，I/O地址分配表如表1所示，I/O接線圖如圖2所示。

（1）PLC選擇。本系統選用日本三菱公司生產的FX2N-48MR-001型PLC，此型號PLC是DC輸入，AC電源。它的基本單元共有48個輸入/輸出端子，其中有24個輸出端子，24個輸入端子，可以滿足系統要求，也留出了充裕的端口供以后改進使用。

（2）模擬量輸入模塊配置。由于溫度和濕度環境參數需要模擬量輸入功能模塊進行采集，系統選用了FX2N-4AD模擬量輸入功能模塊，兩組溫濕度傳感器同時進行采集，其中FX2N-4AD的CHI1采集溫度1，CH2采集溫度2，CH3采集濕度1，CH4采集濕度2。

（3）通訊模塊配置。由于RS-485具有數據最高傳輸速率為10Mbit/s，抗噪聲干擾性好，最大傳輸距離可達3 000m等優點，目前成為首選的串口通信接口標準。因此，本套系統的PLC采用RS-485通訊接口方式，上位機采用RS-232通訊接口方式，兩者經三菱FX-485PC-IF接口單元（信號轉換器）完成信號轉換任務。endprint

（4）傳感器選型。本系統選用了北京昆侖海岸傳感器技術中心生產的JWSL-2AT型一體式溫濕度變送器，其主要特點是將變送器和溫濕度傳感器進行了集成一體化設計，在其內部特別采用了專用溫度補償電路，并且還使用了線性化處理電路，具有響應速度快、精度高、性能可靠、抗干擾能力強、使用壽命長等優點。另外，其輸出線性信號也非常好，可以進行遠距離傳輸。它的輸出標準為4～20mA的電流信號，使用更加方便。

3 系統軟件設計

3.1 PLC程序設計

基于PLC的香菇生長環境的監測系統設計分為自動控制和手動控制部分，該系統的PLC程序可以實現手動/自動控制的任意切換，二者互不影響。控制系統流程如圖3所示。

（1）PLC上電瞬間，通過特殊輔助繼電器M8002產生的第一個掃描周期脈沖將溫濕度參數的上下限通過MOV指令傳送到相應的數據寄存器D中，完成初始化相關工作。其中濕度的上限值、下限值分別為60%RH和70%RH；溫度的上限值、下限值分別為24℃和27℃。

（2）系統總共對2個監測點的溫濕度進行采集，利用溫濕度傳感器將溫濕度信息傳送給FX2N-4AD模擬量輸入模塊，使用FROM/TO（P）指令進行數據采集，并傳送到PLC中。然后對各數據采集口進行相關的數據處理，以達到程序設計要求。其中CH1-CH4采集2組溫濕度參數，然后分別存入PLC的寄存器D0-D3，平均取樣4次。

（3）自動控制中的關鍵部分為環境參數高低判斷程序，它會根據采集到的溫濕度信息與預設溫濕度參數上下限值進行比較，從而自動控制執行部件的動作，使其溫濕度符合香菇生長條件。在自動控制程序部分使用區間比較指令ZCP對溫濕度進行逐個對比，根據對比結果決定輸出執行機構是否動作。若在區間內，執行機構不動作，反之相應地執行機構動作。

（4）執行部件輸出控制程序是最終的執行部分，其輸出部分有噴水閥、熱風機、側窗、高低溫報警以及輸出指示等。噴水閥和熱風機需要一個輸出口控制，而側窗需要兩個輸出口控制，因為側窗需要對電機進行正反轉控制，并且同時判斷其打開或關閉是否到位。

3.2 上位機設計

本系統的上位機軟件是組態王軟件，在該系統中可以實時顯示溫濕度參數信息，可以對標準值開關量進行設置，實時監控香菇生長環境。該系統主要實現了數據顯示、溫濕度實時曲線、溫濕度歷史曲線、報表、報警窗口、參數設置、模擬動畫、用戶管理以及手/自動切換等功能，組態監控系統功能如圖4所示。

本文設計的上位機采用PC+組態王KingView6.55， 再結合PLC技術，組成香菇生長環境監控系統。操作員在室內即可通過組態畫面掌握各監測區域的實時及歷史環境信息，可以修改溫濕度參數上下限值及報警值，還可以通過組態畫面按鈕控制相應輸出執行部件的動作。本系統的主畫面設計主要包括實時曲線、歷史曲線、報表、模擬動畫、報警、畫面切換、手動/自動切換、執行機構狀態以及用戶登錄等部分。系統運行時，可通過點擊窗口圖標切換到相應子畫面，然后點擊子畫面切換到相應功能畫面。實時曲線窗口有溫度實時曲線和濕度實時曲線兩個子畫面，歷史曲線窗口有溫度歷史曲線和濕度歷史曲線兩個子畫面，報表窗口有溫度報表和濕度報表兩個子畫面，模擬動畫窗口有一個加溫加濕子畫面，報警窗口有實時報警和歷史報警兩個子畫面，畫面切換有一個手動監控子畫面。系統可根據需要通過手動/自動按鈕切換到手動控制，環境參數可以實時顯示當前的溫濕度值。用戶管理中設置了用戶登錄、用戶配置、修改密碼以及退出登錄功能。系統組態監測畫面如圖5所示。

4 系統結果

系統中只查看實時顯示信息是遠遠不夠的，若將系統采集到的數據用曲線形式表示出來，將會更加直觀，也能從規律中總結經驗。在本系統有溫度歷史曲線和濕度歷史曲線，點擊各自窗口進入相應的曲線界面，歷史曲線包含監測點的溫度或濕度信息，使其規律更加清晰，1號監測點溫度的歷史曲線如圖6所示。

5 結語

本系統設計包含下位機的軟硬件設計和上位機的軟件設計，是一套可操作性強、性價比與實用價值高的自動控制系統。通過對該系統的分析與測試，在設計中運用溫濕度傳感器和PLC相結合的技術，能夠穩定實現香菇生長過程中的溫濕度參數采集，為香菇提供最佳的生長環境。運用組態王技術實現的監控系統，其監控畫面直觀、豐富、形象，并且功能強大，能夠實現對整個系統的管理、監測以及控制。該系統的應用可大大提高香菇產量，有效促進香菇產業的發展。

參考文獻：

[1] 次仁卓瑪.香菇栽培技術及其推廣應用[J].北京農業，2015（11）：38-39.

[2] 韓曉新，刑紹邦，劉海燕.從基礎到實踐——PLC與組態王[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3] 白雪萍，趙麗，田鑫，等.海鮮菇栽培環境因子監控系統設計[J].中國農機化學報，2016，37（5）：66-70.

[4] 王歡.基于PLC的黑木耳生長環境監控系統的設計[D].哈爾濱：東北農業大學，2014.

[5] 雷海龍.日光溫室環境及作物生長監控系統的研究[D].密山：黑龍江八一農墾大學，2014.

[6] 祖國建，肖雪耀.學會三菱FX2N PLC技術就這么容易[M].北京：化學工業出版社，2014.

[7] 舒宇.基于PLC的花卉溫室自動控制系統研究[D].昆明：云南大學，2013.

[8] 劉少軍，張思雨.基于PLC及觸摸屏的隧道通風系統的設計[J].國外電子測量技術，2016，35（6）：92-95.

[9] 李金城.PLC模擬量與通信控制應用實踐[M].北京：電子工業出版社，2011.

（責任編輯：黃 健）endprint