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实验室研究与探索  2017 , 36 (5): 21-23

实验技术

基于PLC的温室自动监控系统设计

王宏涛, 李红莉, 程真英, 陈晓怀

合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,合肥 230009

Design of the Greenhouse Automatic Monitoring System Based on PLC

WANG Hongtao, LI Hongli, CHENG Zhenying, CHEN Xiaohuai

School of Instrument Science and Opto-Electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China

中图分类号:  TP29

文献标识码:  A

文章编号:  1006-7167(2017)05-0021-03

收稿日期: 2016-08-31

网络出版日期:  2017-05-20

版权声明:  2017 《实验室研究与探索》编辑部 《实验室研究与探索》编辑部 所有

基金资助:  国家自然科学基金项目(51275148)院级教研项目(2016YQJY0110)

作者简介:

作者简介:王宏涛(1967-),男,河南偃师人,硕士,高级工程师,实验室主任, 研究方向为精密测试技术及仪器、实验室与设备管理。Tel.:13955196760,0551-62901781;E-mail:wanght@hfut.edu.cn

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摘要

有效控制温室温湿度环境是温室业研究的重要课题之一,以西门子S7-200系列小型PLC作为控制器,组建温室自动监控系统,可实时采集控制温室的温湿度,并利用串行口通信实现与上位PC机的信息交互,用户可通过上位机监控软件监测温湿度信息,并可选择手动或自动两种控制模式实现温湿度调节控制。通过试验,该系统实现了温室温湿度信息的采集、显示与预警,并能够可靠实现温湿度控制;上位机监控软件界面友好,操作方便,能够保存采集的温湿度信息,方便用户进行数据分析。该设计对于温室环境自动监控以及PLC实践教学具有一定实际意义和应用价值。

关键词： 温湿度控制 ; 可编程逻辑控制器 ; 串口通信 ; 实践教学

Abstract

It is one of the important issues in the greenhouse industry to effectively control the temperature and humidity of greenhouse. This article describes a PLC-based greenhouse automatic monitoring system. The S7-200 PLC of SIEMENS is used as controller to collect and control the temperature and humidity information of greenhouse. The PLC communicates with the host PC by serial port. The host PC monitors the PLC to collect and control the temperature and humidity of greenhouse by PC monitoring software. Users can select manual or automatic control mode. In the test, the system has realized the acquisition, display and alarm functions about the greenhouse temperature and humidity information, and can reliably control the temperature and humidity. The PC monitor software is convenient for user operation. The design has a certain practical significance and application value for greenhouse environment monitoring and PLC practice teaching.

Keywords： temperature and humidity control ; programmable logic controller(PLC) ; serial communication ; practical teaching

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王宏涛, 李红莉, 程真英, 陈晓怀. 基于PLC的温室自动监控系统设计[J]. , 2017, 36(5): 21-23 https://doi.org/

WANG Hongtao, LI Hongli, CHENG Zhenying, CHEN Xiaohuai. Design of the Greenhouse Automatic Monitoring System Based on PLC[J]. 实验室研究与探索, 2017, 36(5): 21-23 https://doi.org/

0 引 言

温室能够为农作物提供一个相对良好的生长环境,能够带来巨大的经济效益。随着科学技术的不断进步,温室产业发展迅速[1-6]。目前,美国、加拿大等农业强国在温室管理方面已经完全实现自动化、智能化操作,极大地节省了人力物力。我国温室管理自动化水平相对较低,控制效果不佳,因此通过自动监控系统有效调控温室的温湿度环境,对我国温室业的发展具有重要意义。

PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强等突出优点,广泛应用于生产生活的各个领域。其中,西门子S7-200系列小型PLC结构紧凑、功能丰富、通信灵活方便[7-9]。因此,采用西门子S7-200系列PLC作为温室温湿度自动监控控制器,实现温室温湿度采集与控制,切实可行。

1 硬件组成

根据实际温室面积,可考虑采用多台PLC进行现场控制,利用网络,集中应用一台上位PC机实现分布式控制。每台PLC控制器均可与上位机进行交互,对所辖温室温湿度进行自动监控。上位机基于Labview图形化软件开发平台编制监控软件,设立自动和手动两种控制模式,方便用户进行监视和操控,用户可通过上位机指挥PLC控制器实现温湿度采集,根据温室控制要求,系统能够对温湿度超限情况做出报警,并控制通风、供热、除湿、加湿等设备,实现温室温湿度的自动调控。系统搭建方便,经济实用。

1.1 硬件配置

系统采用一体化温湿度传感器SM1910B采集温湿度信息,成本低、实用性强,较传统温湿度分别检测更加安全可靠,且可以避免过多的外部接线。温度测量范围-40 ℃~123.8 ℃,湿度测量范围(0%~100%)RH。传感器可通过RS485接口与PLC相连,采用工业广泛使用的MODBUS-RTU通信协议传输数据信息。

综合考虑温湿度监控所需要连接的输入输出设备,控制器采用S7-200系列小型PLC CPU224XP,它具有数字量I/O点数14输入10输出,模拟量I/O点数2输入1输出,以及两个RS485通信接口,可与温湿度传感器和上位PC机同时进行通信。

1.2 I/O地址分配

PLC控制器的输入主要是启停控制信号,输出信号主要控制交流接触器、继电器、电磁阀等,I/O地址分配如表1所示。

表1   I/O地址分配表

   

输入信号
序号名称符号端子分配备注
1按钮SB1I0.0启动按钮
2按钮SB2I0.1停止按钮
输出信号
序号名称符号端子分配备注
3交流接触器KM1Q0.0通风窗反转
4交流接触器KM2Q0.1通风窗正转
5交流接触器KM3Q0.2风机系统
6继电器KAQ0.3供热系统
7电磁阀YVQ0.4灌溉开关电磁阀
8报警系统LQ0.5声光报警

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1.3 PLC外部接线图

根据PLC的I/O地址分配列表,参考西门子PLC系统手册,可绘制出该系统的PLC外部接线如图1所示。在接线时,需要考虑电机保护,采用接触器辅助开关实现互锁保护。

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图1   PLC外部接线图

   

2 通信协议

设计中采用串行自由口通信实现PLC与上位PC机的信息交互。上位PC机利用LabVIEW中VISA串口通信函数编写数据采集程序,采用串口通信的方式与PLC实现数据通信。

设计中自定义PC机与PLC通信协议,协议格式中包含数据包头、PLC地址、代码、校验位[10]。具体协议数据包定义如表2所示。

表2   自由口通信数据包定义

   

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3 软件设计

3.1 PLC控制

PLC上电运行首先初始化,进行自由口通信设置,设置特殊标志寄存器中的SMB30和SMB130,选择自由口通信模式,波特率9 600 bit/s,打开通信和定时中断。PLC定时采集温室温湿度信息,并实时响应上位PC机的通信要求,根据要求传送温湿度数据或执行相应控制动作。程序流程如图2所示。

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图2   PLC程序流程

   

3.2 上位机监控

图形化软件开发平台labview采用数据流编程方式,程序执行效率高,且方便创建友好的用户界面[11-15]。因此,上位机基于Labview平台编制温湿度监控软件。

系统开启后,温湿度传感器集现场温湿度值,通过PLC将采集到的温湿度值送入上位机中, PC机读取温湿度流程如图3所示。上位PC机将其与预先设定的温湿度值进行比较,根据手/自动控制模式选择相应控制流程,监控流程如图4所示。

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图3   PC机读取温湿度

   

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图4   PC机监控流程

   

在自动模式下,当采集到的温度值超过设定值时,上位机发出控制信号,控制信号通过 PC/PPI电缆将控制信号发给PLC,通过PLC对执行机构中的通风窗启动控制,当温度值低于预先设定的温度下限时,此时上位机发出控制信号,通过PLC启动执行机构中的供热系统,同时关闭通风窗,以调整温室环境中的温度值;同理当采集到湿度值超过预先设定的上限值时,上位机发出控制信号,通过PLC开启风机系统,当采集到的湿度值低于预先设定的湿度下限值时,开启电磁阀,打开加湿系统。

手动模式下,当采集到的温湿度值超出预先设定的上下限值时,此时进行手动控制来生成控制信号,通过PLC对执行机构中的相应系统进行控制。

4 系统测试

通过上位机监控软件登录后即可进入监控界面,能够准确进行实时显示、保存、报警、控制等功能。在运行过程中,可以自动保存采集到的温湿度数据。运行监控界面如图5所示。

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图5   系统监控界面

   

5 结 语

所设计温室自动监控系统基于S7-200 PLC,控制可靠,由Labview开发的上位机监控软件使用友好方便。利用该系统可以有效将温室温湿度控制在要求范围内,同时可将检测值进行备份处理,可方便后续温室环境变化的研究分析。该设计对于温室环境自动监控以及PLC实践教学具有一定实际意义和应用价值。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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实验室环境温湿度无线监测系统设计

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DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2012.02.007      URL      [本文引用: 1]      摘要

为了实现实验室试验环境温湿度的实时监测、多点无线测量、自动记录等功能,设计了一种实验室温湿度无线监测系统,并介绍了该系统的工作原理和硬件结构,分析了软件流程。该系统由无线单片机芯片CC1110和温湿度传感器SHT11构成数据采集端和发送模块;由CC1110、FLASH存储器、液晶显示、串行接口等电路构成数据接收模块,并与计算机连接。计算机监控程序负责处理接收模块传来的数据,并将其存储到数据库SQL Sever;通过监控画面显示实时数据和随时间变化的趋势曲线;检测员可通过计算机监控程序随时调用环境温湿度历史数据。经过实际应用证明,该系统性能良好,具有稳定、精度高、操作方便等特点。
[2] 袁洪波,王海华.

日光温室封闭式栽培系统的设计与试验

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面向控制的温室系统小气候环境模型要求与现状

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DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.19.001      URL      摘要

以往的温室作物生长和小气候环境模型,主要是从面向研究而不是面向实际生产的温室获得的,这二者的最大不同是:面向研究的模型主要考虑的是得到作物生长高产所需的"最优"的温室内部气候环境参数设定值,而较少考虑温室内控制设备的能力(控制动态过程)、生产过程中温室外气候变化情况和达到"最优"所需付出的能量等代价;而后者在面向实际生产的自动化控制的温室系统模型中是必不可少的。当前温室系统自动化控制面临的一个最大困难,就是缺乏一个这样的可靠的温室系统模型,而只能采用面向研究的温室系统模型去进行实际生产的温室系统控制,这种忽视实际生产条件下的温室系统模型与理想条件下的模型之间差异的"纸上谈兵"的做法,必然导致温室控制技术水平低、达不到预期效果。该文介绍了温室系统的整个控制过程,对一个实际生产的温室系统中各种变量和参数作了简要描述,并概括了面向实际的温室生产控制要求的温室系统模型的基本结构,对温室环境模型、作物生长模型和能耗及CO_2消耗模型的研究现状作了详细的回顾。从满足控制需求出发对现有的温室系统模型所存在的问题进行了分析,并指出了其中的不足和局限性。探讨了未来温室系统的建模方法和需要解决的关键问题,提出了面向控制需求的温室系统建模要满足的要求,为温室系统的建模研究提供了一种新的思路和方向。
[4] 王金环.

基于单片机的温室环境监控系统的设计

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DOI:10.3969/j.issn.1671-7597.2014.24.014      URL      摘要

本文针对温室大棚的现状以及环境对蔬菜生长的重要性,提出番茄大棚环境监测与报警系统的设计与实现方案。利用AT89S52单片机设计了温室的温度、湿度、光强度监控系统,对给定的温度、湿度进行控制并利用LCD实时显示,并对室内的光照度进行控制。通过对温室大棚实地考察和综合分析,结合农村的生产力条件和经济发展情况,采用单片机的串口扩展功能,搭建一个智能数据采集平台用于检测蔬菜大棚的温湿度、光照度数据,既满足菜农需求,又节约成本,力求应用到实际中。
[5] 殷刚,赵琳.

全智能大棚监控系统的设计

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DOI:10.3969/j.issn.1674-6236.2014.01.021      URL      摘要

温湿度对于温室大棚农作物的生长具有重要意义,因而良好的温湿度采集监控系统具有很高的实用价值和经济利益.本系统以DHT11湿度采集器、DS18B20温度传感器,GY-30光照传感器,NRF24L01无线通信模块、自动控制端和上位机为核心,设计出新型全智能温湿度采集监控系统,具有精确温湿度和光度的移动多点采集,即时无线通信和PC终端监测等特点.
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智能温室温湿度检测实验系统电路设计与仿真

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DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2015.02.023      URL      [本文引用: 1]      摘要

为了实现温室中的温湿度智能监测,本文设计了一款以PIC18F25K20嵌入式微控制器单片机作为上位机,以AM2302温湿度传感器作为下位机,采用EDA虚拟仿真技术对电路进行了仿真,实现了温湿度值的采集和实时显示;通过图表仿真技术捕捉到AM2302的时序图,分析时序图验证了AM2303传感器的单总线通信协议算法.在实际实验中,该电路实现了温室温湿度实时采集与显示,该电路还具有成本低、功耗小,性能稳定等特点,在实际应用可以用干电池或者太阳能作为电源.
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基于虚拟仪器技术设计了馆藏室温湿度监控系统,系统硬件由PC机、数据采集卡与传感器等组成,系统软件采用模块化的设计思想,界面应用虚拟仪器开发软件LabView设计,应用了模糊控制算法对馆藏室温湿度进行控制,系统达到了馆藏室温湿度监控的目的。
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基于虚拟仪器与PLC的食品仓储监控系统

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针对我国食品储藏过程中人工逐点测量效率低、准确性差、人为误判断误操作等弊端，提出了一种基于虚拟仪器技术与PLC通讯的开发平台。该系统采用主从式工作方式，上位机采用PC机及LabVIEW软件，下位机采用PLC＋EM231／2扩展模块，对温度、湿度、设备状态的数据采集、记录、存储和实时显示，并对超限量的参数进行自动调节和预警。... 全文
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将虚拟仪器技术与PLC相结合,通过串口实现上位机与现场PLC监控网络的通信。详细阐述了LabVIEW实现串口通信的过程,开发了通信软件系统,实现基于虚拟仪器的PLC监控系统。
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基于LabVIEW的温室大棚监测与控制系统设计

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