摘要：為了提高農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)與管理效率，設(shè)計了一種基于PLC和組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)。由觸摸屏和組態(tài)王軟件組成上位機(jī)，對大棚的溫度及土壤濕度進(jìn)行監(jiān)控；由西門子S7-200系列PLC組成下位機(jī)。通過實(shí)時檢測的溫度及土壤濕度參數(shù)，控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，實(shí)現(xiàn)大棚灌溉的智能化。

關(guān)鍵詞：智能灌溉；組態(tài)王；PLC；EM235；傳感器

中圖分類號： TP273；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0439-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-03-24

基金項目：河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項目（編號：12A510021。

作者簡介：葛瑜（1973—，女，浙江寧海人，碩士，副教授，從事控制科學(xué)與工程方面的研究工作。E-mail：gy_73@163com。

溫室工程是我國現(xiàn)在非常重視的一個項目，大棚栽培可以人為改善種植環(huán)境，生產(chǎn)反季節(jié)農(nóng)作物供應(yīng)市場，提高農(nóng)產(chǎn)品的價格，從而幫助廣大農(nóng)民致富，實(shí)現(xiàn)全國富裕。目前，很多蔬菜、花卉、水果等都是從溫室大棚中種植出來的，以溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)必將成為本世紀(jì)最有活力的新產(chǎn)業(yè)。我國溫室產(chǎn)業(yè)起步較晚，雖然國家在1970年后開始大力度扶持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但是溫室智能灌溉的研究還處于研究試制階段[1-3]，沒有成熟配套的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備。灌溉技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)非常成熟，設(shè)備也已經(jīng)市場化，但國外引進(jìn)的產(chǎn)品由于沒有漢化，對使用者的要求較高，并且價格昂貴，要想在國內(nèi)大面積推廣使用具有很大的難度。

PLC是以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)智能裝置，具有控制簡單，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)方便，易于改造的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、石油、鋼鐵、電力、汽車、[JP2]機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、輕紡、環(huán)保等行業(yè)，是現(xiàn)代工業(yè)控制的主要設(shè)備[4-7]。工業(yè)生產(chǎn)中對PLC進(jìn)行組態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制中一些難以直觀顯示的情況進(jìn)行轉(zhuǎn)換顯示，同時上位機(jī)的運(yùn)用又能夠使工業(yè)控制實(shí)現(xiàn)自動化，可以大大提高生產(chǎn)效率。基于此，本研究設(shè)計了一套基于PLC和組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測大棚內(nèi)的溫度、土壤濕度，并控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，這樣能提高生產(chǎn)效率，使大棚的生產(chǎn)與管理實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?。

1系統(tǒng)總體框圖

基于PLC與組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計中，對于PLC與計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行了深入的運(yùn)用，通過上位機(jī)程序與下位機(jī)程序的結(jié)合對大棚生產(chǎn)與管理進(jìn)行自動化控制，不僅能夠使大棚中一些溫度與濕度控制更加精準(zhǔn)，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)一人對多個大棚進(jìn)行控制，這樣能夠提高生產(chǎn)與管理的效率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

[F（W11][TPGY111tif][F]

2控制要求

下位機(jī)采用西門子公司的PLC226，而溫度與濕度采集模塊采用EM235，采集的模擬量主要為溫度與濕度。整個控制系統(tǒng)中除了可以通過上位機(jī)對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制外，為了實(shí)現(xiàn)人性化設(shè)計，在硬件設(shè)計時還在每個PLC執(zhí)行單元處增加可手動進(jìn)行一些控制的按鈕。這些按鈕可以直接對PLC的下連接設(shè)備進(jìn)行控制，無需經(jīng)過上位機(jī)，進(jìn)行手動控制過后對上位機(jī)中程序的運(yùn)行無影響。具體控制過程為三大部分，其中又有三種不同的控制方式，三種不同的控制方式是為了使整個系統(tǒng)在控制過程中更加智能化與人性化。三種方式中有二種方式是可以通過上位機(jī)設(shè)置的切換鍵進(jìn)行切換操作，而另一種方式不需要切換，可直接通過現(xiàn)場設(shè)置的輸入進(jìn)行相應(yīng)操作。

控制方式1：整個系統(tǒng)在運(yùn)行過程中全部是由上位機(jī)軟件程序與下位機(jī)硬件程序結(jié)合進(jìn)行控制。下位機(jī)通過EM235模塊對外界溫濕度及土壤濕度進(jìn)行信息采集，然后將采集到的溫度與濕度信息傳遞給上位機(jī)組態(tài)軟件，上位機(jī)組態(tài)軟件會將采集到的溫度和濕度與設(shè)置的溫度和濕度信息進(jìn)行對比，當(dāng)滿足溫度過高或者土壤濕度過低條件后會打開相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如打開通風(fēng)機(jī)對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，打開灌溉機(jī)對土壤濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫度與濕度的設(shè)定可以通過組態(tài)軟件相應(yīng)的設(shè)置鍵進(jìn)行溫度與濕度設(shè)定值的輸入，輸入的溫度與濕度數(shù)據(jù)會存入組態(tài)程序中，當(dāng)程序執(zhí)行外界信息與內(nèi)部設(shè)定信息對比后，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)操作是通過對M區(qū)的讀寫不定期實(shí)現(xiàn)的。這種方式是為了滿足管理員無法經(jīng)常性在計算機(jī)前進(jìn)行管理操作而設(shè)計的，這樣的設(shè)計可以為大棚植物生長提供一個更加合理穩(wěn)定的環(huán)境。

控制方式2：當(dāng)組態(tài)畫面中切換到手動檔后，整個系統(tǒng)不再全部依靠上位機(jī)軟件程序與下位機(jī)硬件程序進(jìn)行控制，組態(tài)畫面中會顯示當(dāng)前大棚的溫度與土壤濕度信息，管理員可以通過組態(tài)畫面觀察到溫度與土壤濕度信息，在這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)時，管理員可以通過組態(tài)畫面上相對應(yīng)的啟動按鈕來打開通風(fēng)機(jī)與灌溉機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作，整個控制過程都要依靠管理人員進(jìn)行手動控制，控制也是通過對M區(qū)進(jìn)行讀寫操作來完成的。這樣進(jìn)行控制設(shè)計是為了在一些特定的條件滿足不同的管理需求，體現(xiàn)設(shè)計的人性化。

控制方式3：直接控制方式，為了更加方便管理人員進(jìn)行現(xiàn)場操作，在設(shè)計時在大棚附近增加了可以進(jìn)行直接控制的控制面板，通過控制面板可以直接對現(xiàn)場進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，這些在接線端子圖上可以直觀看出來，控制時無需對控制方式進(jìn)行切換，控制直接通過I/O口進(jìn)行輸入。這種控制方式，可以滿足管理人員對一些現(xiàn)場突發(fā)狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是對上位機(jī)組態(tài)畫面進(jìn)行軟件設(shè)計，還有對整個系統(tǒng)程序運(yùn)行過程中流程進(jìn)行設(shè)計。上位機(jī)軟件設(shè)計又分為上位機(jī)畫面設(shè)計與上位機(jī)程序設(shè)計。

31上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計

以6個大棚為例設(shè)計了上位機(jī)的監(jiān)控界面，為了便于管理人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制，該界面具有手動控制功能。為了能使組態(tài)畫面更加人性化與合理化，在設(shè)計畫面時對每個大棚溫度與濕度都設(shè)計了比較友好的輸入窗口，在大棚種植不同的農(nóng)作物時，可以更加方便對一些數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，不用再進(jìn)行對程序修改，這樣的設(shè)計可以降低對管理員的素質(zhì)要求，能夠滿足大眾使用，并且使系統(tǒng)具有柔性。其監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖2所示。

[F（W14][TPGY222tif；S+2mm][F]

32上位機(jī)程序與下位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)程序設(shè)計主要是對一些界面的動作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計，同時還對一些傳輸?shù)较挛粰C(jī)的信息進(jìn)行運(yùn)算處理，比如對某個下位機(jī)上傳的溫度信息進(jìn)行與設(shè)定信息的對比，如果采集到的溫度信息比設(shè)定的溫度大，則上位機(jī)會給下位機(jī)一個啟動對應(yīng)通風(fēng)機(jī)的請求，下位機(jī)收到請求后執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中的程序流程如圖3所示。

下位機(jī)程序設(shè)計中，首先要做到必須與上位機(jī)程序相結(jié)合，其中定義的一些數(shù)據(jù)變量一定要滿足上位機(jī)中設(shè)定的數(shù)據(jù)類型。

[F（W17][TPGY333tif；S+2mm][F]

4外部接線端子圖

因整個系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)智能控制部分程序主要在上位機(jī)程序中，因此下位機(jī)接線端子圖中簡化了接線。接線端子圖（圖4中主要是一些為進(jìn)行現(xiàn)場控制而接的按鈕，左邊為輸入信號，右邊為執(zhí)行單元，操作左邊對應(yīng)的按鈕可以直接實(shí)現(xiàn)對右邊輸出單元進(jìn)行控制。

5總結(jié)

本研究設(shè)計了一種基于PLC和組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)，整個系統(tǒng)以上位機(jī)為核心，下位機(jī)為執(zhí)行單元，最大程度地提高系統(tǒng)的智能化水平，同時由于系統(tǒng)采用組態(tài)進(jìn)行智能控制，可以極大程度上節(jié)約外部接線。采用PLC對大棚進(jìn)行控制，可以極大地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[HS2][HT85H]參考文獻(xiàn)：[HT8SS]

[1][（#]張萬忠，劉明芹 電器與PLC控制技術(shù)[M] 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003

[2]西門子公司 SIMATIC S7—200系統(tǒng)手冊2002

[3]高欽和 可編程邏輯控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計實(shí)例[M] 北京：人民郵電出版社，2004

[4]田淑珍 S7-200 PLC原理及應(yīng)用[M] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

[5]劉俊巖，張海輝，胡瑾，等 基于igBee的溫室自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J] 農(nóng)機(jī)化研究，2012（1：111-114，118

[6]劉義，王熙 PLC與變頻器在滴灌系統(tǒng)中的應(yīng)用[J] 農(nóng)機(jī)化研究，2013（9：209-212

[7]任文濤，楊懿，張本華，等 溫室節(jié)點(diǎn)式滲灌自動控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J] 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（8：59-63