周 敏， 韓宇光， 王軍安， 朱廷賀

(華東理工大學(xué) 自動(dòng)化系， 上海 200237)

0 引 言

溫室技術(shù)是國際上農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，自從改革開放以來，我國也在積極發(fā)展溫室技術(shù)。目前我國發(fā)展應(yīng)用較多的有塑料大棚、日光溫室及連棟溫室，但在智能溫室方面還稍顯不足。與國際水平相比，我們的硬件設(shè)施基本上能與國際接軌，但在智能化控制系統(tǒng)方面還與發(fā)達(dá)國家有較大差距[1]。根據(jù)我國目前的這一需求，我們設(shè)計(jì)了基于西門子PLC的智能溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡單、易于維護(hù)、可靠性強(qiáng)，能適應(yīng)溫室惡劣的環(huán)境。與目前市場上大多數(shù)的單片機(jī)溫室控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)擴(kuò)展性更好，開發(fā)周期更短且更容易監(jiān)控[2]。

1 智能溫室控制系統(tǒng)

1.1 簡 介

智能溫室控制系統(tǒng)通過自動(dòng)控制調(diào)節(jié)溫室的相關(guān)變量，例如光照、溫度、濕度等，以此來創(chuàng)造出更有利于農(nóng)作物生長的環(huán)境，以此提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)也節(jié)省了人力。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的可編程控制器為S7-200系列中的CPU 224 CN AC/DC/RLY，型號為6ES7214-1BD23-0XB8 。其規(guī)格為CPU224 繼電器輸出，有14個(gè)輸入口，10個(gè)輸出口。系統(tǒng)中采用的組態(tài)軟件是亞控科技的組態(tài)王Jingview6.53，提供了進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析和管理的有效平臺，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控[3-5]。

溫室智能控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

智能溫室系統(tǒng)中裝有溫度檢測變送器，溫度傳感器，通過檢測得到一個(gè)溫差值，存儲在PLC中的模擬量模塊中。同時(shí)，系統(tǒng)中裝有兩個(gè)光照信號的傳感器，分別檢測外部光強(qiáng)和內(nèi)部光強(qiáng)。將兩個(gè)光照強(qiáng)度經(jīng)比較后送入PLC中一個(gè)開關(guān)量，該開關(guān)量表示的是內(nèi)外光照強(qiáng)度的相對大小[6-7]。

智能溫室系統(tǒng)中有4個(gè)執(zhí)行器：① 電機(jī)，控制遮光簾的打開及關(guān)閉；② 風(fēng)機(jī)，控制溫室中的通風(fēng)；③ 日光燈，在光照不足的情況下打開，模擬日光；④ 加熱器，在室內(nèi)溫度低的情況下加熱。這4個(gè)執(zhí)行器的執(zhí)行動(dòng)作受以上2個(gè)控制信號的綜合影響，溫度與光照的控制作用是同時(shí)產(chǎn)生的。存儲在PLC模擬量模塊中的溫差值經(jīng)過PID運(yùn)算后輸出控制信號來控制加熱器的電壓，實(shí)現(xiàn)對溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)[8-10]。同時(shí)系統(tǒng)還會讀取光照信號的開關(guān)量的值，結(jié)合溫差信號來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、風(fēng)機(jī)以及日光燈的打開及關(guān)斷。

此外，系統(tǒng)中還設(shè)有報(bào)警裝置，當(dāng)溫室內(nèi)的溫度高于正常值時(shí)，報(bào)警燈會亮并以1Hz的頻率閃爍直到室內(nèi)溫度恢復(fù)正常值。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)選用個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC機(jī))，主要用于通訊、數(shù)據(jù)處理、對溫室系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測與控制?？梢杂肒ingview建立操作界面，顯示實(shí)時(shí)曲線和參數(shù)以及歷史曲線和參數(shù)，方便操作員的操作，便于分析溫室系統(tǒng)的總體運(yùn)行狀況。下位機(jī)選用西門子S7-200系列的小型PLC，用戶程序大小有8 192 B，用戶數(shù)據(jù)有5 120 B，可以永久存儲，最多可擴(kuò)展7個(gè)模塊[11-12]。

軟件設(shè)計(jì)首先要建立上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊，我們采用PC/PPI適配器連接安裝了STEP 7的計(jì)算機(jī)的RS-232C接口和PLC的RS-485接口[13]。計(jì)算機(jī)一側(cè)的通信速率為19.2 kbit/s或187.5 kbit/s，PLC一側(cè)的通信速率為1.2～115.2 kbit/s。除了PC適配器，還需要一根標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C通信電纜。我們采用的編程軟件是STEP7 Micro，它是西門子S7-200的編程軟件。STEP 7可以進(jìn)行硬件配置和參數(shù)設(shè)置，以及通訊組態(tài)、編程、測試、啟動(dòng)和維護(hù)等。如果要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以設(shè)置遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，以便將本地S7-200 PLC與遠(yuǎn)程設(shè)備連接。

1.4.1PLC編程

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)的無擾動(dòng)切換，因此在編程時(shí)要實(shí)現(xiàn)既可以手動(dòng)控制又可以自動(dòng)控制。程序流程如圖2所示。

1.4.2組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件采用亞控科技的組態(tài)王Kingview6.53，界面設(shè)計(jì)如圖3所示。功能如下：

(1) 該控制界面可以動(dòng)態(tài)顯示溫室系統(tǒng)中的各類參數(shù)，如光照強(qiáng)度，溫度等，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。這些參數(shù)由傳感器檢測出來，并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入到下位機(jī)中，進(jìn)而被上位機(jī)調(diào)用。

(2) 上位機(jī)具有手動(dòng)/自動(dòng)功能，操作員可以強(qiáng)制修改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的手動(dòng)控制。方便有經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)業(yè)專家根據(jù)季節(jié)、氣候等變化對控制系統(tǒng)做出適當(dāng)調(diào)整，創(chuàng)造更加適合作物生長的環(huán)境。

(3) 上位機(jī)可以記憶參數(shù)的歷史曲線，可以進(jìn)行查詢，根據(jù)歷史曲線分析系統(tǒng)的控制指標(biāo)，總結(jié)控制規(guī)律，有助于提高系統(tǒng)的控制性能[14-16]。

2 運(yùn)行結(jié)果與分析

在控制界面上有手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕，切換到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以手動(dòng)控制遮光簾、加熱、通風(fēng)及照明，并在監(jiān)控界面上動(dòng)態(tài)顯示運(yùn)行狀態(tài)；切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過監(jiān)控界面設(shè)定溫室的溫度值，可以由編寫的西門子PLC的PID調(diào)節(jié)程序調(diào)節(jié)溫度值逐漸趨向于設(shè)定值，即達(dá)到作物生長的最佳環(huán)境，實(shí)時(shí)溫度曲線如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

圖4 實(shí)時(shí)溫度曲線

3 結(jié) 語

溫室智能控制系統(tǒng)受到越來越多人的關(guān)注，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。本文以PLC和組態(tài)王為核心設(shè)計(jì)了智能溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的擴(kuò)展性好，適合多種作物生產(chǎn)環(huán)境的調(diào)節(jié)與控制。通過編寫PLC程序，運(yùn)用PID算法來控制溫度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。并且通過組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的結(jié)合，兩者相輔相成，既可以將有關(guān)農(nóng)業(yè)的專業(yè)知識運(yùn)用到系統(tǒng)中去，使溫室控制更加科學(xué)，又可以節(jié)省人力，實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控，減少損失。

[1] 徐立鴻, 蘇遠(yuǎn)平, 梁毓明. 面向控制的溫室系統(tǒng)小氣候環(huán)境模型要求與現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(19):1-15.

XU Li-hong, SU Yuan-ping, LIANG Yu-ming. Requirement and current situation of control-oriented microclimate environmental model in greenhouse system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 1-15.

[2] 常小廣,徐立鴻,程 娥,等. 節(jié)能型智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化,2012,18(10):60-65.

CHANG Xiao-guang, XU Li-hong, CHEN E,etal. Design of Intelligent Energy-saving Control System in Greenhouse Environment[J].Mechatronics,2012,18(10):60-65.

[3] 任俊杰,李紅星,李 媛.基于PLC和組態(tài)王的過程控制試驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(5):16-18.

REN Jun-jie, LI Hong-xing, LI Yuan. Process control experimental system based on PLC and KingView[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2010,29(5):16-18.

[4] 陳嘉艷. 電爐溫度控制系統(tǒng)的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2002,21(5):78-80.

CHEN Jia-yan. Development of a Furnace Temperature Controlling System[J]. Research and Exploration in Laboratory,2002,21(5):78-80.

[5] John Brignell and Niel White.Intelligent sensor systems[M].New York : IOP Publishing Ltd ,1994.

[6] 廖常初. PLC編程及應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[7] 王東署. S7-200 PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社, 2013.

[8] 孫小權(quán),錢少明. 基于PLC的PID控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 應(yīng)用科技,2008,35 (6):29-32.

SUN Xiao-quan，QIAN Shao-ming. Design and implementation of proportional integral differential controller based on programmable controller[J]. Applied Science and Technology,2008,35 (6):29-32.

[9] 韓兆祥,李學(xué)英,萬 鑫. 利用PLC和觸摸屏實(shí)現(xiàn)多階段PID溫度控制[J] .實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(6):56-59.

HAN Zhao-xian, LI Xue-ying, WAN Xin. Realizing multi-stage PID temperature control by using PLC and touch panel[J]. Experimental Technology and Management, 2008,25(6):56-59.

[10] 宋秀英,王 瑋. 采用可編程控制器(PLC)的溫度、濕度檢測實(shí)驗(yàn)裝置[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22 (10):72-74.

SONG Xiu-Ying, WANG Wei. Temperature and humidity detection device based on programmable controller[J].Experimental Technology and Management,2005,22 (10):72-74.

[11] 俞海珍,史旭華, 徐建瑜. 模糊自適應(yīng)PID控制在過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(1):70-72.

YU Hai-zhen，SHI Xu-hua，XU Jian-yu. Applications of fuzzy self-adaptive PID control on process control experiment system[J]. Experimental Technology and Management,2010,27(1):70-72.

[12] 張洪波,李相白,李建春.溫室控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī),2011,32(4):58-61.

ZHANG Hong-bo, LI Xiang-bai, LI Jian-chun.The Slave Software Design of Greenhouse Control System[J].Microprocessors,2011,32(4):58-61.

[13] 汪 濤,羅洪平,陶純匡.RS232串口通信在CCD在線測量中的應(yīng)用 [J] .系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2005,27(10):1814-1816.

WANG Tao，LUO Hong-ping，TAO Chun-kuang. Applications of RS232 serial communication in CCD measuring on-line[J]. Systems Engineering and Electronics, 2005,27(10):1814-1816.

[14] 楊華麗,石 銳,胡 捷. 組態(tài)軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(3):80-83.

YANG Hua-Li, SHI Rui, HU Jie. Design and Realization of Real-Time Database System in Configuration Software[J]. Experimental Technology and Management, 2007,24(3):80-83.

[15] 黃學(xué)章,周孑民,劉玉長. 基于DCS的溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2003,20(4):25-28.

HUANG Xue-zhang, ZHOU Jie-min, LIU Yu-chang. Development of Temperature Controlling System based on DCS[J]. Experimental Technology and Management, 2003,20(4):25-28.

[16] 王亞民. 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2003.