温室环境多参数PLC监控系统设计与研究.pdf

PLC 与 DCS PLC and DCS 自 动 化 技 术 与 应 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 TechniquesofAutomationTP 274 文献标识码 A 文章编号 1003 7241 2020 03 0078 04 Design and Research of Multi parameter PLC Monitoring System for Greenhouse Environment SUN Xiao ming SHEN Can gang DepartmentofElectronicInformationEngineering JiangyinPolytechnicCollege Jiangyin214405China Abstract Amonitoring system is designed for the multi parameter monitoring problem of greenhouse environment The monitoring system takes the PLC controller as the control core and monitors the environmental parameters such as air temperature and humidity illuminance carbon dioxide concentration and soil temperature and humidity in the greenhouse environ ment in real time compares and judges the environmental parameters suitable for crop growth and regulates greenhouse agricultural production The elements make it meet the needs of efficient growth of crops ensure the greenhouse agricul turalproduction andintroducethePLCapplicationtechnology remotewirelesscommunicationtechnologyandconfigura tion technology to realize human computer interaction and real time monitoring Tests show that the system is fast reli able and accurate can be used for greenhouse agricultural environment monitoring and can also be used as a practical teachingsystemfor highervocationalstudents Ithas certainapplication valuefor improvingthelevelof greenhouseagri culturalautomationandPLCpracticeteaching Key words greenhouseenvironment ProgrammableLogicController monitor practicalteaching 基 金 项 目 江 阴 职 业 技 术 学 院 科 研 项 目 编 号 18 E DZ 19 江 苏 省 教 育 科学十三五规划课题 编号 C b 2016 03 18 收稿日期 2018 12 19 1 引言 目 前 温 室 农 业 发 展 迅 猛 温 室 农 业 对 于 实 现 集 约 高 效 生 产 具 有 重 要 意 义 国 外 温 室 农 业 自 动 化 程 度 较 高 节 约 人 力 经 济 效 益 较 高 国 内 温 室 农 业 自 动 化 水 平 相 对 有 待 提 高 由 此 制 约 国 内 温 室 农 业 发 展 效 果 因 此 采 用 自 动 控 制 水 平 较 高 的 监 控 系 统 调 节 温 室 环 境 对 国 内 温 室 农 业 发 展 具 有 实 际 意 义 PLC 由 于 可 靠 抗 干 扰 等 原 因 在 各 领 域 应 用 较 广 1 2 这 里 设 计 一 种 温 室 环 境 多 参 数 PLC 监 控 系 统 以 PLC 为 控 制 核 心 引 入 PLC 应 用 技 术 远 程 通 讯 技 术 组 态 技 术 等 有 效 监 控 温 室 环 境 提 高 温 室 农 业 自 动控制水平 保障温室农业集约高效生产 2 系统监控策略 温 室 环 境 多 参 数 PLC 监 控 系 统 由 空 气 温 湿 度 传 感 器 土 壤 温 湿 度 传 感 器 光 照 度 传 感 器 二 氧 化 碳 浓 度 传 感 器 PLC 模 拟 量 模 块 通 讯 模 块 触 摸 屏 上 位 PC 机 78 自 动 化 技 术 与 应 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 PLC 与 DCS PLC and DCS TechniquesofAutomation Applications 补 光 灯 通 风 设 备 加 热 设 备 喷 灌 设 备 二 氧 化 碳 补 充 设 备 滴 灌 设 备 等 组 成 3 该 监 控 系 统 以 PLC 控 制 器 为 控 制 核 心 前 述 传 感 器 对 温 室 环 境 内 的 空 气 温 湿 度 光 照 度 二 氧 化 碳 浓 度 和 土 壤 温 湿 度 等 环 境 参 数 进 行 实 时 监 测 及 时 提 供 相 关 参 数 检 测 信 号 通 过 模 拟 量 模 块 传 递 给 PLC 进 行 数 据 处 理 与 适 宜 农 作 物 生 长 的 环 境 参 数 进 行 比 较 判 断 当 检 测 值 超 出 设 定 范 围 值 时 发 出 报 警 信 号 同 时 PLC 可 提 供 控 制 信 号 驱 动 相 关 调 节 设 备 使 环 境 参 数 保 持 在 最 适 宜 的 范 围 内 4 触 摸 屏 远 程 上 位 PC 机 都 可 显 示 环 境 参 数 同 时 可 根 据 实 际 农 作 物 修 改 环 境 参 数 设 定 值 上 下 限 及 报 警 值 触 摸 屏 用 于 现 场 监 控 上 位 PC 机 用 于远程监控 从而保障温室环境农业生产 具 体 控 制 要 求 如 下 5 空 气 温 度 低 于 设 定 值 下 限 时 开 启 加 热 设 备 升 温 空 气 温 度 高 于 设 定 值 上 限 时 开 启 通 风 设 备 降 温 空 气 湿 度 低 于 设 定 值 下 限 时 开 启 喷 灌 设 备 加 湿 空 气 湿 度 高 于 上 限 值 时 开 启 通 风 设 备 排 湿 二 氧 化 碳 浓 度 低 于 设 定 值 下 限 时 开 启 二 氧 化 碳 补 充 设 备 提 高 二 氧 化 碳 浓 度 二 氧 化 碳 浓 度 高 于 设 定 值 上 限 时 开 启 通 风 设 备 降 低 二 氧 化 碳 浓 度 夜 间 或 光 照 度 低 时 开 启 补 光 灯 光 照 度 高 时 关 闭 补 光 灯 土 壤 湿 度 低 于 设 定 值 下 限 时 开 启 滴 灌 设 备 加 湿 土 壤 湿 度 高 于 设 定 值 上 限 时 开启通风设备排湿 3 硬件设计 图 1 为 系 统 硬 件 结 构 示 意 图 系 统 由 PLC 模 拟 量 模 块 触 摸 屏 通 讯 模 块 温 室 环 境 参 数 传 感 器 生 产 要 素 调 节 设 备 远 程 上 位 PC 机 等 设 备 组 成 PLC 型 号 为 西 门 子 PLC 224 XP 具 有 2 路 模 拟 量 输 入 通 道 及 2 路 RS 485 通 讯 口 模 拟 量 模 块 型 号 为 西 门 子 EM 231 具 有 4 路 模 拟 量 输 入 通 道 触 摸 屏 型 号 为 昆 仑 通 态 TPC 7062 TX 通 讯 模 块 为 GRPS DTU 通 讯 模 块 型 号 为 北 京 天 同 诚 业 WG 80 10 485 空 气 温 湿 度 传 感 器 型 号 为 建 大 仁 科 RS WS I 2 0 2 3 温 度 测 量 范 围 40 80 湿 度 测 量 范 围 0 100 RH 内 置 探 头 输 出 信 号 为 4 20 mA 光 照 度 传 感 器 型 号 为 建 大 仁 科 RS GZ I 20 2 测 量 范 围 0 65535 lux 内 置 探 头 输 出 信 号 为 4 20 mA CO 2 传 感 器 型 号 为 建 大 仁 科 RS CO 2 I 20 2 测 量 范 围 0 5000 ppm 内 置 探 头 输 出 信 号 为 4 20 mA 土 壤 温 湿 度 传 感 器 型 号 为 建 大 仁 科 RS WS I 20 TR 温 度 测 量 范 围 40 80 湿 度 测 量 范 围 0 100 RH 外 置 探 头 输 出 信 号 为 4 20 mA 土 壤 温 湿 度 传 感 器 与 PLC 自 带 模 拟 量 通 道 连 接 其 他 传 感 器 与 模 拟 量 模 块 连 接 PLC 与 模 拟 量 模 块 通 过 排 线 连 接 调 节 设 备 通 过 中 间 继 电 器 与 PLC 连 接 触 摸 屏 与 PLC 一 路 RS 485 通 讯 口 连 接 采 用 MCGS 组 态 监 控 GRPS DTU 通 讯 模 块 与 PLC 另 一 路 RS 485 通 讯 口 连 接 上 位 PC 机安装 Comway 无线串口软件及 MCGS 组态监控 图1 系统硬件结构示意图 PLC 通 过 自 带 模 拟 量 通 道 及 模 拟 量 模 块 采 集 传 感 器 信 号 并 转 化 为 实 际 环 境 参 数 值 PLC 进 行 数 据 分 析 判 断 处 理 控 制 调 节 设 备 及 自 动 报 警 装 置 的 动 作 当 环 境 参 数 超 限 时 提 供 相 关 控 制 信 号 通 过 中 间 继 电 器 隔 离 去 驱 动 外 围 生 产 要 素 调 节 设 备 最 终 使 环 境 参 数 达 到 最 适 宜 农 作 物 生 长 的 范 围 PLC 将 数 据 通 过 RS 485 通 讯 PORT 0 口 发 送 给 触 摸 屏 触 摸 屏 实 时 显 示 现 场 数 据 同 时 可 通 过 触 摸 屏 调 整 环 境 参 数 范 围 等 发 送 给 PLC 实 现 现 场 监 控 另 一 方 面 PLC 通 过 PS 485 通 讯 PORT 1 口 将 数 据 发 送 给 GPRS DTU 通 讯 模 块 6 GPRS DTU 通 讯 模 块 安 装 SIM 卡 与 PLC 数 据 通 讯 采 用 Modbus 协 议 通 过 GPRS 网 络 连 接 Internet 网 传 输 数 据 采 用 Comway 协 议 并 将 数 据 存 储 在 COMWAY DATA SERV ER 免 费 服 务 器 联 网 上 位 机 MCGS 组 态 通 过 Comway 无 线 串 口 软 件 接 收 数 据 显 示 实 时 现 场 数 据 同 时 上 位 机 可 通 过 Internet 逆 向 发 送 数据给现场 PLC 控制现场调节设备 实现远程监控 79 PLC 与 DCS PLC and DCS 自 动 化 技 术 与 应 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 TechniquesofAutomation Applications 4 远程监控通讯配置 组 态 通 常 是 通 过 RS 485 等 有 线 通 讯 方 式 建 立 与 现 场 设 备 如 PLC 仪 表 和 传 感 器 的 通 信 现 应 用 GPRS DTU 配合 Comway 无线虚拟串口软件实现运程无线通信 图 2 为 远 程 通 讯 示 意 图 该 通 讯 方 式 的 特 点 是 无 需 固 定 IP 地 址 无 需 花 生 壳 的 动 态 域 名 无 需 网 关 的 端 口 映 射 7 GP RS DTU 配 置 如 图 3 所 示 包 括 通 信 协 议 服 务 器 地 址 和 端 口 号 才 能 与 COMWAY DATA SERV ER 免 费 数 据 服 务 器 建 立 连 接 GPRS DTU 串 口 参 数 需 与 PLC 相 关 串 口 参 数 保 持 一 致 GPRS DTU 完 成 设 置 插 入 SIM 卡 自 动 连 接 到 服 务 器 在 Comway 虚 拟 无 线 串 口 软 件 中 输 入 GP RS DTU ID 设 置 虚 拟 串 口 并 映 射 到 某 串 口 如 COM 6 如 图 4 所 示 同 时 须 在 组 态 软 件 中 修 改 通 讯 端 口 为 虚 拟 端 口 COM 6 图2 远程通讯示意图 图3 GPRS DTU 参数配置 图4 Comway 虚拟无线串口设置 5 软件设计 系 统 软 件 设 计 包 括 PLC 程 序 及 组 态 设 计 图 5 为 主 程 序 流 程 图 图 6 为 湿 度 控 制 子 程 序 系 统 初 始 化 读 取 环 境 参 数 设 定 值 包 括 上 下 限 采 集 当 前 环 境 参 数 当 前 值 与 设 定 值 进 行 比 较 如 果 环 境 参 数 超 限 则 进 入 报 警 空 气 温 湿 度 二 氧 化 碳 浓 度 关 照 度 土 壤 温 湿 度 等 控 制 子 程 序 进 行 处 理 8 湿 度 大 于 上 限 开 启 通 风 设 备 当 湿 度 小 于 下 限 关 闭 通 风 设 备 湿 度 小 于 下 限 开 启 喷 灌 或 滴 灌 设 备 当 湿 度 大 于 上 限 关 闭 喷 灌 或 滴 灌 设 备 另 外 MCGS 组 态 主 要 实 现 温 室 环 境 参 数 实 时 显 示 9 11 根 据 不 同农作物修改参数设定值 环境参数历史数据存储等 图5 主程序流程图 图6 湿度控制子程序 80 自 动 化 技 术 与 应 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 PLC 与 DCS PLC and DCS TechniquesofAutomation Applications 6 系统测试 温 室 环 境 多 参 数 PLC 监 控 系 统 目 前 已 在 江 阴 某 农 业 技 术 推 广 中 心 蔬 菜 实 验 基 地 运 行 测 试 组 态 监 控 界 面 如 图 7 所 示 可 以 实 现 数 据 实 时 显 示 数 据 存 储 系 统 控 制 报 警 等 功 能 测 试 表 明 系 统 运 行 稳 定 图 8 为 温 度 实 时 曲 线 横轴为实时时间 纵轴为温度 图7 组态监控界面 图8 温度实时曲线 7 结束语 温 室 环 境 多 参 数 PLC 监 控 系 统 可 根 据 温 室 农 业 现 场 实 际 情 况 进 行 生 产 要 素 实 时 调 节 保 障 温 室 农 作 物 生 长 设 计 思 路 与 编 程 思 路 简 单 可 移 植 性 好 为 温 室 农 业 现 场 提 供 一 种 切 实 可 行 的 温 室 监 控 方 案 同 时 亦 可 作 为 学 院 学生实践教学系统或装置 培养学生实践能力 参考文献 1 沈 灿 钢 孙 晓 明 西 门 子 全 集 成 工 业 网 络 实 训 室 设 计 与 实现实验技术与管理 J 2015 32 2 170 172 2 孙 晓 明 马 青 曹 虎 等 自 适 应 模 糊 PID 控 制 在 PLC 变 频 调 速 同 步 测 试 中 的 应 用 J 实 验 室 研 究 与 探 索 2014 33 6 16 19 3 赵 媛 陈 军 PLC 技 术 在 温 室 环 境 控 制 系 统 中 的 应 用 J 杨凌职业技术学院学报 2016 15 1 38 39 4 张 云 杨 宏 伟 智 慧 温 室 实 时 监 控 系 统 的 研 究 J 实 验 室 研究与探索 2016 35 2 98 101 5 吴 淑 娟 基 于 PLC 的 大 棚 智 能 温 室 控 制 系 统 设 计 J 岳阳职业技术学院学报 2017 32 6 74 78 6 陈 立 定 冯 景 辉 胥 布 工 远 程 环 境 在 线 监 测 系 统 的 设 计 J 同济大学学报 自然科学版 2010 38 11 1659 1663 7 COMWAY 无线串口软件使用说明 Z 2016 8 冯 毅 吴 必 瑞 基 于 组 态 王 和 PLC 的 蔬 菜 温 室 温 湿 度 监 控系统 J 中国农机化学报 2015 36 1 132 135 9 胡 金 山 王 熙 基 于 PLC MCGS 组 态 技 术 的 北 方 寒 地 温 室 环 境 监 控 系 统 设 计 J 江 苏 农 业 科 学 2015 43 10 510 512 10 廖 常 初 西 门 子 人 机 界 面 触 摸 屏 组 态 与 应 用 技 术 第 2 版 M 北京 机械工业出版社 2012 11 王 宏 涛 李 红 莉 程 真 英 等 基 于 PLC 的 温 室 自 动 监 控系统设计 J 实验室研究与探索 20 17 36 5 21 23 作 者 简 介 孙 晓 明 1981 男 硕 士 讲 师 研 究 方 向 电 气 控 制 技 术教学与研究 81