基于PLC和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄧順華　龍翰威　鄭吉澍　李萍　李佩原

摘 ? 要 ? 重慶地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展，但存在夏季高溫導(dǎo)致溫室內(nèi)出現(xiàn)60 ℃以上高溫等問題亟需解決。目前重慶的設(shè)施農(nóng)業(yè)在智能控制上基本靠引進(jìn)，存在與重慶環(huán)境不適應(yīng)、操作人員操作習(xí)慣不符等情況，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的利用效率不高。為徹底解決這些問題，避免季節(jié)變化和極端氣候條件對作物生長的不利影響，提高溫室的智能化控制水平，針對重慶地區(qū)Venlo型玻璃溫室控制需求，設(shè)計研發(fā)了基于PLC和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能溫室設(shè)施的最優(yōu)控制，建成投入使用1年來運行良好，試驗結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的智能控制，節(jié)約了人力成本，降低了能耗。

關(guān)鍵詞 ? PLC;SCADA;智能溫室;智能控制系統(tǒng);設(shè)計

中圖分類號：S126;TP273 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ?DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.13.015

近年來，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，設(shè)施栽培面積約占世界的70%，設(shè)施栽培面積和總產(chǎn)量已居世界首位。2017年重慶市溫室大棚發(fā)展總面積達(dá)到2 743.075萬平方米[1]，其中塑料與玻璃連棟溫室面積超過11.59萬平方米。目前從國外引進(jìn)的智能溫室控制系統(tǒng)存在水土不服的情況，要么與當(dāng)?shù)丨h(huán)境不適應(yīng)，要么操作人員不會操作等，而國內(nèi)的溫室控制系統(tǒng)大都還是原始的電控柜，只能手動操作，或者有簡單的屏幕控制系統(tǒng)[2]，智能化程度不高，已無法滿足當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。在勞動力不斷減少的大背景下，人工智能不斷發(fā)展，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)也將向著智能化、節(jié)能化、工廠化方向發(fā)展[3-4]，可為社會提供更加豐富、安全、優(yōu)質(zhì)的綠色健康食品。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于PLC和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)從總體架構(gòu)分為硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)綜合管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)。硬件設(shè)備包括溫室控制柜、環(huán)境監(jiān)測傳感器、觸摸屏、外遮陽、內(nèi)遮蔭、內(nèi)保溫、頂開窗、軸流風(fēng)機(jī)、環(huán)流風(fēng)機(jī)、百葉窗等，系統(tǒng)采用西門子PLC為下位機(jī)控制器，觸摸屏采用昆侖通態(tài)的TPC1561HI為人機(jī)交互設(shè)備;數(shù)據(jù)綜合管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)庫、服務(wù)層、通訊層和前端設(shè)備層，采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能溫室控制系統(tǒng)采用PLC為下位機(jī)執(zhí)行控制器，采用PROFINET協(xié)議與現(xiàn)場控制觸摸屏通信[5]，通過擴(kuò)展EM DT32模塊與EM AM06模塊對PLC的IO與模擬輸入輸出口進(jìn)行擴(kuò)展以滿足系統(tǒng)需求?？刂葡到y(tǒng)硬件接口與軟件協(xié)議如圖2所示。

智能溫室控制系統(tǒng)包括外遮陽、內(nèi)遮蔭、內(nèi)保溫、頂開窗、側(cè)開窗等大功率用電設(shè)備，考慮到PLC輸出點位電流最大負(fù)荷為0.5A，為保障電路穩(wěn)定運行，防止輸出端口因負(fù)載電流過大而損壞，在系統(tǒng)控制電路中加入了中間繼電器完成對接觸器的控制，最終實現(xiàn)對設(shè)備的控制。為實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制，實時感知溫室內(nèi)環(huán)境因子的變化情況，設(shè)計了12組室內(nèi)環(huán)境因子監(jiān)測傳感器實現(xiàn)溫室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度實時在線監(jiān)測;設(shè)計了1個室外小型氣象站，實現(xiàn)了室外溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)的實時在線監(jiān)測。為減少布線工作量，傳感器采用LoRa無線通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，LoRa基站、氣象站與PLC采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

PLC程序分為手動控制、自動控制兩種模式。手動控制分為面板控制和遠(yuǎn)程手動控制，面板控制為控制柜面板旋鈕控制，遠(yuǎn)程控制為服務(wù)器軟件手動控制，當(dāng)輸入設(shè)備狀態(tài)改變時，PLC對應(yīng)輸出口狀態(tài)改變，設(shè)備狀態(tài)改變。自動控制分為定時控制和智能控制，定時控制模式下可以選取相應(yīng)的設(shè)備設(shè)定對應(yīng)的開啟、關(guān)閉時間，達(dá)到設(shè)定時間時，選定的設(shè)備自動開啟、關(guān)閉;智能控制為設(shè)定溫度、光照度閾值，當(dāng)溫室內(nèi)溫度、光照度達(dá)到設(shè)定閾值時，通過調(diào)用PID算法計算當(dāng)前應(yīng)開啟的設(shè)備及數(shù)量，自動開啟對應(yīng)的設(shè)備，當(dāng)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)至設(shè)定區(qū)域時，設(shè)備自動關(guān)停。其控制流程如圖3所示。

3.2 觸摸屏程序設(shè)計

為方便管理員現(xiàn)場管理與操作，控制系統(tǒng)設(shè)有現(xiàn)場操作屏，該觸摸屏采用昆侖通泰的TPC1561HI，是一套以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心（主頻1 GHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，可以同時4串口輸出，USB支持鼠標(biāo)、鍵盤、掃描槍、打印機(jī)等，具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能[6]?，F(xiàn)場觸摸屏操作界面包含：歡迎界面、設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)置界面、數(shù)據(jù)查詢界面（傳感器參數(shù)實時數(shù)值、歷史曲線）與報警界面。系統(tǒng)設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控畫面如圖4所示。

系統(tǒng)歡迎界面為系統(tǒng)介紹與管理員登錄界面;設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控畫面包括溫室內(nèi)所有設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)及對應(yīng)動畫、控制按鈕、頁面?zhèn)鞲衅鲗崟r值;數(shù)據(jù)查詢界面包含有當(dāng)前傳感器值、實時曲線、歷史曲線等;參數(shù)設(shè)置界面包含自動控制和定時控制的參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)為防止誤操作，設(shè)有單獨的權(quán)限，需獨立密碼進(jìn)行二次驗證才能操作;報警界面包含有設(shè)備運行故障報警和參數(shù)異常報警，同時設(shè)置有確認(rèn)取消功能。

3.3 服務(wù)器軟件設(shè)計

智能溫室控制系統(tǒng)服務(wù)器端采用SCADA即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。SCADA以數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和管理為基礎(chǔ)，通過運用通信及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息采集與處理等技術(shù)，建設(shè)以溫室環(huán)境監(jiān)測、溫室設(shè)施監(jiān)控、溫室設(shè)施等為核心業(yè)務(wù)的監(jiān)控作業(yè)平臺，開發(fā)軟件采用的北京亞控科技KingSCADA 3.53。KingSCADA軟件具有易學(xué)、模型多、接口豐富等優(yōu)點[7]，在開發(fā)時能減少工作量，縮短開發(fā)周期。服務(wù)器通過局域網(wǎng)采集溫室控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理及統(tǒng)計分析，通過將系統(tǒng)打包web發(fā)布，遠(yuǎn)程用戶直接通過瀏覽器查看、操作控制系統(tǒng)。服務(wù)器端包含設(shè)備運行狀態(tài)與控制界面、數(shù)據(jù)報表界面、手動控制界面、自動控制界面、預(yù)警提示界面。服務(wù)器溫室控制系統(tǒng)首頁如圖5所示。

3.3.1 設(shè)備運行狀態(tài)與控制

運行狀態(tài)界面實時顯示溫室2.5D效果圖，實時顯示外遮陽、內(nèi)遮蔭、頂開窗、內(nèi)保溫、電動門、濕簾水泵、濕簾外翻窗、側(cè)遮蔭、軸流風(fēng)機(jī)、百葉窗和側(cè)開窗等設(shè)備的運行狀態(tài)和設(shè)備開啟、關(guān)閉控制操作按鈕，顯示傳感器所在位置，點擊顯示傳感器實時數(shù)字情況等。

3.3.2 數(shù)據(jù)報表

數(shù)據(jù)報表實現(xiàn)溫室12組傳感器與戶外氣象站的溫度、濕度、光照度、二氧化碳實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等查詢。實時數(shù)據(jù)顯示包含溫度、濕度、光照度和二氧化碳監(jiān)測曲線，顯示當(dāng)日0點到當(dāng)前時間的數(shù)據(jù)曲線;歷史數(shù)據(jù)可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行查詢，選定查詢參數(shù)、時間，自動生成數(shù)據(jù)報表或數(shù)據(jù)曲線，并可以下載或打印。

3.3.3 手動控制

手動控制界面可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制溫室所有設(shè)備的開啟、關(guān)閉操作。當(dāng)設(shè)備狀態(tài)改變時，控制界面設(shè)備狀態(tài)也會進(jìn)行相應(yīng)改變。設(shè)備操作后臺系統(tǒng)會自動記錄操作事件、操作人員，管理員可以設(shè)定時間進(jìn)行查詢，方便溫室的管理。

3.3.4 自動控制

玻璃溫室自動控制界面主要實現(xiàn)系統(tǒng)自動運行時間設(shè)置和運行模式選擇。當(dāng)選定定時控制模式時，需要選定設(shè)備并設(shè)置對應(yīng)的運行時間，當(dāng)時間到達(dá)時，系統(tǒng)會自動下發(fā)對應(yīng)指令實現(xiàn)控制。當(dāng)選定自動控制時，需要設(shè)定溫度、光照度的控制閾值，當(dāng)溫度、光照度達(dá)到閾值時，下發(fā)對應(yīng)指令，PLC執(zhí)行智能控制程序進(jìn)行控制。

3.3.5 報警提示

報警提示包含設(shè)備故障提示、環(huán)境因子超限提示，提示信息包含報警日期、報警時間、報警參數(shù)名稱、當(dāng)前報警值、報警類型和操作員等數(shù)據(jù)信息。當(dāng)報警信息發(fā)出時，系統(tǒng)會通過DTU向用戶指定的手機(jī)號碼、綁定的微信號碼發(fā)送報警信息，同時現(xiàn)場的警報器也會同時響起，直到有管理員確認(rèn)解除。報警提示系統(tǒng)提供歷史報警數(shù)據(jù)查詢，管理員可以根據(jù)開始時間和結(jié)束時間查詢符合條件的報警數(shù)據(jù)，可以將報警數(shù)據(jù)導(dǎo)出打印。

4 小結(jié)

本文針對重慶地區(qū)Venlo型玻璃溫室控制需求，設(shè)計研發(fā)了一套基于PLC與SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)，使用溫室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測傳感器實現(xiàn)對溫室內(nèi)溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度實時在線監(jiān)測，通過PLC將數(shù)據(jù)采集至控制系統(tǒng)，通過閾值設(shè)定、設(shè)備選擇，實現(xiàn)溫室外遮陽、內(nèi)遮蔭等設(shè)施的自動控制。試驗結(jié)果分析表明，該系統(tǒng)能根據(jù)溫度自動控制設(shè)備的開啟與關(guān)閉，減少了人工投入成本，降低了溫室設(shè)施的能耗，對重慶地區(qū)Venlo型玻璃溫室向現(xiàn)代化、信息化、智能化發(fā)展有一定促進(jìn)作用，具有良好的應(yīng)用推廣價值和經(jīng)濟(jì)效益。

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（責(zé)任編輯：易 ?婧）

收稿日期：2020-03-02

基金項目：政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項（2017YFE0122100）;重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范專項產(chǎn)業(yè)類重點研發(fā)項目（cstc2018jszx-cyzdX0045）。

作者簡介：鄧順華（1989—），男，重慶梁平人，碩士，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及智能裝備研究。E-mail： 362395225@qq.com。

為通信作者，E-mail： longhw@163.com。