日光温室群监控系统设计.pdf

43 现代农业装备 第41卷 第1期 2020年2月 VOL 41 No 1 Feb 2020 Modern Agricultural Equipment 日光温室群监控系统设计 林宇浩 单慧勇 郭俊旺 赵 辉 卫 勇 天津农学院工程技术学院 天津 300384 摘 要 为了解决传统温室群管理困难 调控复杂等问题 设计开发日光温室群监控系统 采用可编程 控制器 PLC 作为系统主控制器 控制各温室内的控制节点 实现温室环境调控的自动化运行 应用无 线通讯技术实现温室各模块之间的数据通讯 设计MCGS组态监控界面 实现温室群各执行设备的现场实 时调控 设计PID通风控制器 利用粒子群算法优化控制参数 精确调控温室内湿度 应用巨控智能远传 模块 GRM500 开发远程上位机数据管理系统 设计远程图形控制界面 实现温室的集群调控 测试 结果表明 系统能够完成设计目标 自动化和智能化程度较高 便于用户管理温室群 关键词 PLC MCGS组态 PID通风控制器 GRM500模块 中图分类号 S625 文献标识码 A 文章编号 1673 2154 2020 01 0043 05 收稿日期 2019 10 22 基金项目 天津市企业优秀科技特派员项目 19JCTPJC56700 天津市滨海新区社会发展领域科技项目 BHXQKJ XM SF 2018 27 天津市农业科技成果转化与推广项目 201703080 作者简介 林宇浩 1998 男 安徽人 从事自动化技术研究 E mail tjshyyr 通讯作者 单慧勇 1977 男 山西临汾人 硕士 副教授 从事机电一体化技术研究 E mail tjshyyr 0 引言 我国人口众多 资源日益紧张 面临着粮食安全 耕地面积不断减少和资源短缺等问题 随着我国社 会经济 科技的发展 人们对蔬菜 花卉和粮食等 农产品的需求也越来越大 目前普遍使用的温室控 制系统一般需手动控制 系统对温室内环境参数的 调控存在滞后性 功能集成化程度低 缺乏智能调 控策略 使用效果差 1 国内对于小区域温室群的 集控系统研究较少 而且温室群的人工管理成本较 大 操作较困难 鉴于我国国情 近年来 国家大 力发展设施农业 利用先进的科学技术改造传统的 温室农业生产 以提升农产品的产量和质量 1 系统总体方案 日光温室群监控系统采用 PLC 作为系统主控制 器 通过一主多从的运行方式控制各温室内的分控 制节点 2 应用无线通讯技术实现各模块之间的数 据通讯 开发 MCGS 组态系统 实现温室群的实时 调控和现场人机交互 设计温室 PID 通风控制器 开发粒子群优化控制算法 对温室内的循环除湿系 统进行智能控制 应用巨控智能远传模块实现对温 室的集群控制 开发网页和手机 APP 远程上位机数 据管理监控系统 实现温室作物的增产增质 总体 结构如图 1 所示 系统的工作过程如下 通电后 系统自动通过 传感器读取各温室内环境参数 土壤水分 湿度 CO 2 浓度等 在启动温室群环境调控系统后 PLC 总控制器依据内置的粒子群算法动态判定各温室内 适宜的环境参数水平 然后将调整后的参数发送到 分 PLC 控制器中 分 PLC 控制器根据调整后的参数 对各执行器件进行调控 实现各温室中环境参数的 自动智能控制 通过上位机触摸屏可以实现相应的 参数设定和信息查看 如控制模式设定 实时数据 44 现代农业装备 2020年 监测 历史数据信息查看 传感器参数设定等各种 操作 也可通过巨控智能远传模块实现网页和手机 APP 界面监控 2 系统硬件设计及选型 2 1 PLC选型 根据设计所需的 I O 点数以及系统在安全性 使用成本等方面的综合考虑 最终选择国产信捷 PLC 作为系统控制器 型号为 XC2 24RT E 输入 电压为交流 110 240 V 输出电压为直流 24 V 具 有 18 路输入 14 路输出 本系统的 I O 口分配表如 表 1 所示 同时该 PLC 配备 Y0 Y1 高速脉冲输出端 可使用 PWM 脉宽调制技术 拥有 3 个 RS 通信串口 能够满足系统的功能需求 图1 系统总体结构图 X0 X1 X2 X3 X4 X5 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 卷帘上限位 卷帘下限位 液位下限位 液位上限位 自动运行按钮 手动运行按钮 通风口控制器 加热器 卷帘机 补光灯 水泵 与水泵相连电磁阀 二氧化碳发生器 与气泵相连电磁阀 表1 PLC I O 分配表 输 入 输 出 2 2 触摸屏选型 系统选择的 MCGS 触摸屏型号为 TPC1062K 3 该屏耗能低 在图像显示和数据处理方面十分优秀 利用 USB 或 U 盘传输即可完成上传或下载程序 过程便捷可靠 通过宏指令 可协助 PLC 处理一些 较为复杂的运算 同时内部具有较大的数据存储器 可满足用户对于历史数据的存储与下载 2 3 传感器选型 考虑实用性和价格因素 选用精讯科技的 JXBS 3001 系列高灵敏度壁挂式传感器 包括温湿 度传感器 CO 2 传感器 土壤水分传感器等 供电 电压为直流 9 24 V 采用标准 Modbus 协议 通 信稳定度高 测量精度高 范围广 能将其他信号 转化为 4 20 mA 的电流信号 2 4 系统主电路设计 温室主电路如图 2 所示 每个温室中的主电路 都相同 本文以天津农学院西校区环控实验温室为 图2 温室系统主电路图 通风扇 变频器 补光灯 加热器 卷帘机 二氧化碳发生器 系统控制柜 水泵 45 第1期 验证群控系统功能 3 系统软件设计 3 1 系统总体程序控制流程 根据群控系统的功能要求 结合硬件设备 编 写了系统的总体控制流程图 5 如图 5 所示 对温 室中的温度 CO 2 浓度 光照等实现开关量控制 根据用户的生产经验和科学的种植技术 设置不同 时间段温室内环境参数的范围 判断当前值处于的 阶段 当某项参数在设定范围之内时 控制界面报 警灯会正常显示 当其在设定范围之外时 控制界 面就会发出报警信号 3 2 系统子程序流程 系统开发的温室内的通风控制器 6 调控流程 如图 6 所示 首先通过传感器采集温室内的湿度数 据 与湿度设定值进行对比 当湿度大于设定区间 时 初始化通风 PID 控制器 使用粒子群算法优化 PID 控制器的 3 个参数 将最佳参数值赋值给 PID 通风控制器 并通过 PWM 脉宽调制技术控制改变 通风口开度大小的电机 从而对温室内的湿度进行 自动 智能 精确的调控 3 3 远程上位机界面设计 系统采用巨控G R M 5 0 0模块与各温室控制 林宇浩 等 日光温室群监控系统设计 例介绍主电路 温室中的用电设备有系统控制柜 循环除湿风扇 380 V 抽水水泵 红蓝型补光灯 新型 CO 2 发生器和 380 V 自动卷帘机等 其余设 备电压均采用 220 V 故温室内需采用三相四线制 进线 2 5 PLC控制电路设计 PLC 控制器的 3 个通讯口分别连接触摸屏 GRM500 模块 传感器模块 包括无线数传电台和 变频器等 其中各传感器模块协调安排设备地址 后统一连接在 Port 2 口上 串口接线示意图如图 3 所示 PLC 控制器的输入端连接各限位开关 如液 位开关 位置开关等 输出端与控制各执行设备 继电器的线圈相连 通过继电器控制各类温室执行 设备 图5 群控系统总体程序控制流程图 2 6 电气控制柜设计 温室群监控系统是以温室个体为核心 对温室 进行集群控制 由于资源有限 为了能够实现群控 系统功能 把系统主控制柜与各温室中的分控制柜 整合成通用的试验控制柜 4 完成的控制柜如图 4 所示 这样既可整合实验室资源 又便于后期试验 图4 群控系统控制柜装配图 图3 PLC串口接线示意图 46 现代农业装备 2020年 柜中的P L C控制器进行数据交换 实现远程 PC 端对温室的无线监控 使用开发环境良好的 GrmWebGUIDev 组态软件设计温室远程监控图形动 画界面 完成后上传至巨控云服务器中 登录远程 PC 端网页或手机 APP 即可看到图形动画监控效果 温室上位机远程监控界面使用流程如图 7 所示 3 3 1 登录界面 利用 GrmWebGUIDev 上的权限管理功能 对不 同的使用者分配不同的权限 管理员拥有最高权限 可修改系统的各项参数 用户拥有最低权限 具有 单独登录密码 可查询设备当前运行状态 系统图 形网站登录界面如图 8 所示 3 3 2 监控总界面 温室群监控总界面如图 9 所示 主要显示室外 环境参数 如降雨量 风速 太阳辐射强度等 与 各温室内环境参数 如 CO 2 浓度 光照强度 土壤 温湿度 空气温湿度等 图9 温室群监控系统总界面 3 3 3 温室参数设定与状态监控界面 温室内核心界面如图 10 所示 能够动态显示 温室各执行设备的运行状态 管理员可直接设定各 执行器的参数 如进行频率加减等 实时控制各 执行器的启停 快慢等功能 用户也能清晰地查看 各设备的运行状况 图7 温室远程监控界面操作流程图 图8 温室群监控系统登录界面 图6 通风控制器程序流程图 图10 温室参数设定与状态监控界面图 47 第1期 4 结语 日光温室群监控系统主要利用 P L C 技术 GPRS 技术 无线数传技术 人机组态界面与远程 监控技术等实现温室集群控制 设计上位机数据管 理系统 采集显示存储温室群环境大数据便于之后 进行大数据分析 开发 PID 智能通风控制器与粒子 群优化算法 提高了温室内的除湿精度与系统的智 能化程度 该系统应用于温室群的调控中 能够大 大地节省温室群管理的人力 物力 提高农产品的 产量与品质 参考文献 1 金玉龙 温室群控系统的设计与实现 D 杭州 浙江大学 2013 2 付立华 庞展翔 王建斌 等 基于Fuzzy PID 和GPRS的温室大棚远程监控系统设计 J 河 南工程学院学报 自然科学版 2017 29 4 58 61 3 单慧勇 于镓 田云臣 等 集成传感器清洁功 能的水产养殖环境远程测控系统设计 J 湖北农 业科学 2016 55 7 1824 1827 4 姜文苏 灌区泵站群远程集中监控系统的研究与 实现 D 扬州 扬州大学 2018 5 赵丽 朱学军 白雪萍 等 杏鲍菇栽培环境湿 度建模与控制器设计及仿真 J 中国农机化学 报 2016 37 6 79 83 6 宗哲英 温室群环境参数监测系统与参数时空分 布规律研究 D 呼和浩特 内蒙古农业大学 2018 7 孙涛 单慧勇 张学炜 等 基于PLC的牛舍无 线智能环境监控系统 J 物联网技术 2019 9 3 42 45 8 李宜汀 张富贵 卢剑锋 等 基于数字PI算法 的精准施肥控制系统设计及仿真 J 农机化研 究 2017 39 10 108 112 118 9 曹宇昕 刘新 宫迎辉 等 PLC远程维护方案 的研究 J 制造业自动化 2017 39 5 54 58 10 黄学飞 基于GPRS和PLC的人工造浪智能 监控系统的研究 J 机床与液压 2015 43 10 154 157 Design of Sunlight Greenhouse Groups Monitoring System Lin Yuhao Shan Huiyong Guo Junwang Zhao Hui Wei Yong College of Engineering and Technology of Tianjin Agricultural University Tianjin 300384 China Abstract In order to improve the management level of traditional greenhouses a solar greenhouse environmental monitoring system was developed The system uses the programmable logic controller PLC as the main controller to control the various measurement and control nodes of the greenhouse system to realize the automatic operation of the greenhouse environment adjustment Wireless communication technology is used to implement data communication between various modules of the greenhouse The MCGS system is used to develop the monitoring interface to realize real time control of various execution devices in the greenhouse The particle swarm optimization algorithm is used to optimize the control parameters and the PID ventilation controller is designed to achieve precise control of the greenhouse humidity environment A remote host data management system and a remote graphical control interface were developed to implement greenhouse cluster control based on the Intelligent Remote Transport Module GRM500 The test results showed that the design goal was achieved and the system has a high degree of automation which is convenient for users to manage the greenhouse Key words PLC MCGS configuration PID ventilation controller GRM500 module 林宇浩 等 日光温室群监控系统设计