PLC 與 DCS PLC and DCS 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 TechniquesofAutomationTP 274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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 項(xiàng) 目 江 陰 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 科 研 項(xiàng) 目 編 號(hào) 18 E DZ 19 江 蘇 省 教 育 科學(xué)十三五規(guī)劃課題 編號(hào) C b 2016 03 18 收稿日期 2018 12 19 1 引言 目 前 溫 室 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 迅 猛 溫 室 農(nóng) 業(yè) 對(duì) 于 實(shí) 現(xiàn) 集 約 高 效 生 產(chǎn) 具 有 重 要 意 義 國(guó) 外 溫 室 農(nóng) 業(yè) 自 動(dòng) 化 程 度 較 高 節(jié) 約 人 力 經(jīng) 濟(jì) 效 益 較 高 國(guó) 內(nèi) 溫 室 農(nóng) 業(yè) 自 動(dòng) 化 水 平 相 對(duì) 有 待 提 高 由 此 制 約 國(guó) 內(nèi) 溫 室 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 效 果 因 此 采 用 自 動(dòng) 控 制 水 平 較 高 的 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 調(diào) 節(jié) 溫 室 環(huán) 境 對(duì) 國(guó) 內(nèi) 溫 室 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 具 有 實(shí) 際 意 義 PLC 由 于 可 靠 抗 干 擾 等 原 因 在 各 領(lǐng) 域 應(yīng) 用 較 廣 1 2 這 里 設(shè) 計(jì) 一 種 溫 室 環(huán) 境 多 參 數(shù) PLC 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 以 PLC 為 控 制 核 心 引 入 PLC 應(yīng) 用 技 術(shù) 遠(yuǎn) 程 通 訊 技 術(shù) 組 態(tài) 技 術(shù) 等 有 效 監(jiān) 控 溫 室 環(huán) 境 提 高 溫 室 農(nóng) 業(yè) 自 動(dòng)控制水平 保障溫室農(nóng)業(yè)集約高效生產(chǎn) 2 系統(tǒng)監(jiān)控策略 溫 室 環(huán) 境 多 參 數(shù) PLC 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 由 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 土 壤 溫 濕 度 傳 感 器 光 照 度 傳 感 器 二 氧 化 碳 濃 度 傳 感 器 PLC 模 擬 量 模 塊 通 訊 模 塊 觸 摸 屏 上 位 PC 機(jī) 78 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 PLC 與 DCS PLC and DCS TechniquesofAutomation Applications 補(bǔ) 光 燈 通 風(fēng) 設(shè) 備 加 熱 設(shè) 備 噴 灌 設(shè) 備 二 氧 化 碳 補(bǔ) 充 設(shè) 備 滴 灌 設(shè) 備 等 組 成 3 該 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 以 PLC 控 制 器 為 控 制 核 心 前 述 傳 感 器 對(duì) 溫 室 環(huán) 境 內(nèi) 的 空 氣 溫 濕 度 光 照 度 二 氧 化 碳 濃 度 和 土 壤 溫 濕 度 等 環(huán) 境 參 數(shù) 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè) 及 時(shí) 提 供 相 關(guān) 參 數(shù) 檢 測(cè) 信 號(hào) 通 過(guò) 模 擬 量 模 塊 傳 遞 給 PLC 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 處 理 與 適 宜 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 的 環(huán) 境 參 數(shù) 進(jìn) 行 比 較 判 斷 當(dāng) 檢 測(cè) 值 超 出 設(shè) 定 范 圍 值 時(shí) 發(fā) 出 報(bào) 警 信 號(hào) 同 時(shí) PLC 可 提 供 控 制 信 號(hào) 驅(qū) 動(dòng) 相 關(guān) 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 使 環(huán) 境 參 數(shù) 保 持 在 最 適 宜 的 范 圍 內(nèi) 4 觸 摸 屏 遠(yuǎn) 程 上 位 PC 機(jī) 都 可 顯 示 環(huán) 境 參 數(shù) 同 時(shí) 可 根 據(jù) 實(shí) 際 農(nóng) 作 物 修 改 環(huán) 境 參 數(shù) 設(shè) 定 值 上 下 限 及 報(bào) 警 值 觸 摸 屏 用 于 現(xiàn) 場(chǎng) 監(jiān) 控 上 位 PC 機(jī) 用 于遠(yuǎn)程監(jiān)控 從而保障溫室環(huán)境農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 具 體 控 制 要 求 如 下 5 空 氣 溫 度 低 于 設(shè) 定 值 下 限 時(shí) 開(kāi) 啟 加 熱 設(shè) 備 升 溫 空 氣 溫 度 高 于 設(shè) 定 值 上 限 時(shí) 開(kāi) 啟 通 風(fēng) 設(shè) 備 降 溫 空 氣 濕 度 低 于 設(shè) 定 值 下 限 時(shí) 開(kāi) 啟 噴 灌 設(shè) 備 加 濕 空 氣 濕 度 高 于 上 限 值 時(shí) 開(kāi) 啟 通 風(fēng) 設(shè) 備 排 濕 二 氧 化 碳 濃 度 低 于 設(shè) 定 值 下 限 時(shí) 開(kāi) 啟 二 氧 化 碳 補(bǔ) 充 設(shè) 備 提 高 二 氧 化 碳 濃 度 二 氧 化 碳 濃 度 高 于 設(shè) 定 值 上 限 時(shí) 開(kāi) 啟 通 風(fēng) 設(shè) 備 降 低 二 氧 化 碳 濃 度 夜 間 或 光 照 度 低 時(shí) 開(kāi) 啟 補(bǔ) 光 燈 光 照 度 高 時(shí) 關(guān) 閉 補(bǔ) 光 燈 土 壤 濕 度 低 于 設(shè) 定 值 下 限 時(shí) 開(kāi) 啟 滴 灌 設(shè) 備 加 濕 土 壤 濕 度 高 于 設(shè) 定 值 上 限 時(shí) 開(kāi)啟通風(fēng)設(shè)備排濕 3 硬件設(shè)計(jì) 圖 1 為 系 統(tǒng) 硬 件 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 系 統(tǒng) 由 PLC 模 擬 量 模 塊 觸 摸 屏 通 訊 模 塊 溫 室 環(huán) 境 參 數(shù) 傳 感 器 生 產(chǎn) 要 素 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 遠(yuǎn) 程 上 位 PC 機(jī) 等 設(shè) 備 組 成 PLC 型 號(hào) 為 西 門 子 PLC 224 XP 具 有 2 路 模 擬 量 輸 入 通 道 及 2 路 RS 485 通 訊 口 模 擬 量 模 塊 型 號(hào) 為 西 門 子 EM 231 具 有 4 路 模 擬 量 輸 入 通 道 觸 摸 屏 型 號(hào) 為 昆 侖 通 態(tài) TPC 7062 TX 通 訊 模 塊 為 GRPS DTU 通 訊 模 塊 型 號(hào) 為 北 京 天 同 誠(chéng) 業(yè) WG 80 10 485 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 型 號(hào) 為 建 大 仁 科 RS WS I 2 0 2 3 溫 度 測(cè) 量 范 圍 40 80 濕 度 測(cè) 量 范 圍 0 100 RH 內(nèi) 置 探 頭 輸 出 信 號(hào) 為 4 20 mA 光 照 度 傳 感 器 型 號(hào) 為 建 大 仁 科 RS GZ I 20 2 測(cè) 量 范 圍 0 65535 lux 內(nèi) 置 探 頭 輸 出 信 號(hào) 為 4 20 mA CO 2 傳 感 器 型 號(hào) 為 建 大 仁 科 RS CO 2 I 20 2 測(cè) 量 范 圍 0 5000 ppm 內(nèi) 置 探 頭 輸 出 信 號(hào) 為 4 20 mA 土 壤 溫 濕 度 傳 感 器 型 號(hào) 為 建 大 仁 科 RS WS I 20 TR 溫 度 測(cè) 量 范 圍 40 80 濕 度 測(cè) 量 范 圍 0 100 RH 外 置 探 頭 輸 出 信 號(hào) 為 4 20 mA 土 壤 溫 濕 度 傳 感 器 與 PLC 自 帶 模 擬 量 通 道 連 接 其 他 傳 感 器 與 模 擬 量 模 塊 連 接 PLC 與 模 擬 量 模 塊 通 過(guò) 排 線 連 接 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 通 過(guò) 中 間 繼 電 器 與 PLC 連 接 觸 摸 屏 與 PLC 一 路 RS 485 通 訊 口 連 接 采 用 MCGS 組 態(tài) 監(jiān) 控 GRPS DTU 通 訊 模 塊 與 PLC 另 一 路 RS 485 通 訊 口 連 接 上 位 PC 機(jī)安裝 Comway 無(wú)線串口軟件及 MCGS 組態(tài)監(jiān)控 圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖 PLC 通 過(guò) 自 帶 模 擬 量 通 道 及 模 擬 量 模 塊 采 集 傳 感 器 信 號(hào) 并 轉(zhuǎn) 化 為 實(shí) 際 環(huán) 境 參 數(shù) 值 PLC 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 分 析 判 斷 處 理 控 制 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 及 自 動(dòng) 報(bào) 警 裝 置 的 動(dòng) 作 當(dāng) 環(huán) 境 參 數(shù) 超 限 時(shí) 提 供 相 關(guān) 控 制 信 號(hào) 通 過(guò) 中 間 繼 電 器 隔 離 去 驅(qū) 動(dòng) 外 圍 生 產(chǎn) 要 素 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 最 終 使 環(huán) 境 參 數(shù) 達(dá) 到 最 適 宜 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 的 范 圍 PLC 將 數(shù) 據(jù) 通 過(guò) RS 485 通 訊 PORT 0 口 發(fā) 送 給 觸 摸 屏 觸 摸 屏 實(shí) 時(shí) 顯 示 現(xiàn) 場(chǎng) 數(shù) 據(jù) 同 時(shí) 可 通 過(guò) 觸 摸 屏 調(diào) 整 環(huán) 境 參 數(shù) 范 圍 等 發(fā) 送 給 PLC 實(shí) 現(xiàn) 現(xiàn) 場(chǎng) 監(jiān) 控 另 一 方 面 PLC 通 過(guò) PS 485 通 訊 PORT 1 口 將 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 給 GPRS DTU 通 訊 模 塊 6 GPRS DTU 通 訊 模 塊 安 裝 SIM 卡 與 PLC 數(shù) 據(jù) 通 訊 采 用 Modbus 協(xié) 議 通 過(guò) GPRS 網(wǎng) 絡(luò) 連 接 Internet 網(wǎng) 傳 輸 數(shù) 據(jù) 采 用 Comway 協(xié) 議 并 將 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 在 COMWAY DATA SERV ER 免 費(fèi) 服 務(wù) 器 聯(lián) 網(wǎng) 上 位 機(jī) MCGS 組 態(tài) 通 過(guò) Comway 無(wú) 線 串 口 軟 件 接 收 數(shù) 據(jù) 顯 示 實(shí) 時(shí) 現(xiàn) 場(chǎng) 數(shù) 據(jù) 同 時(shí) 上 位 機(jī) 可 通 過(guò) Internet 逆 向 發(fā) 送 數(shù)據(jù)給現(xiàn)場(chǎng) PLC 控制現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控 79 PLC 與 DCS PLC and DCS 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 TechniquesofAutomation Applications 4 遠(yuǎn)程監(jiān)控通訊配置 組 態(tài) 通 常 是 通 過(guò) RS 485 等 有 線 通 訊 方 式 建 立 與 現(xiàn) 場(chǎng) 設(shè) 備 如 PLC 儀 表 和 傳 感 器 的 通 信 現(xiàn) 應(yīng) 用 GPRS DTU 配合 Comway 無(wú)線虛擬串口軟件實(shí)現(xiàn)運(yùn)程無(wú)線通信 圖 2 為 遠(yuǎn) 程 通 訊 示 意 圖 該 通 訊 方 式 的 特 點(diǎn) 是 無(wú) 需 固 定 IP 地 址 無(wú) 需 花 生 殼 的 動(dòng) 態(tài) 域 名 無(wú) 需 網(wǎng) 關(guān) 的 端 口 映 射 7 GP RS DTU 配 置 如 圖 3 所 示 包 括 通 信 協(xié) 議 服 務(wù) 器 地 址 和 端 口 號(hào) 才 能 與 COMWAY DATA SERV ER 免 費(fèi) 數(shù) 據(jù) 服 務(wù) 器 建 立 連 接 GPRS DTU 串 口 參 數(shù) 需 與 PLC 相 關(guān) 串 口 參 數(shù) 保 持 一 致 GPRS DTU 完 成 設(shè) 置 插 入 SIM 卡 自 動(dòng) 連 接 到 服 務(wù) 器 在 Comway 虛 擬 無(wú) 線 串 口 軟 件 中 輸 入 GP RS DTU ID 設(shè) 置 虛 擬 串 口 并 映 射 到 某 串 口 如 COM 6 如 圖 4 所 示 同 時(shí) 須 在 組 態(tài) 軟 件 中 修 改 通 訊 端 口 為 虛 擬 端 口 COM 6 圖2 遠(yuǎn)程通訊示意圖 圖3 GPRS DTU 參數(shù)配置 圖4 Comway 虛擬無(wú)線串口設(shè)置 5 軟件設(shè)計(jì) 系 統(tǒng) 軟 件 設(shè) 計(jì) 包 括 PLC 程 序 及 組 態(tài) 設(shè) 計(jì) 圖 5 為 主 程 序 流 程 圖 圖 6 為 濕 度 控 制 子 程 序 系 統(tǒng) 初 始 化 讀 取 環(huán) 境 參 數(shù) 設(shè) 定 值 包 括 上 下 限 采 集 當(dāng) 前 環(huán) 境 參 數(shù) 當(dāng) 前 值 與 設(shè) 定 值 進(jìn) 行 比 較 如 果 環(huán) 境 參 數(shù) 超 限 則 進(jìn) 入 報(bào) 警 空 氣 溫 濕 度 二 氧 化 碳 濃 度 關(guān) 照 度 土 壤 溫 濕 度 等 控 制 子 程 序 進(jìn) 行 處 理 8 濕 度 大 于 上 限 開(kāi) 啟 通 風(fēng) 設(shè) 備 當(dāng) 濕 度 小 于 下 限 關(guān) 閉 通 風(fēng) 設(shè) 備 濕 度 小 于 下 限 開(kāi) 啟 噴 灌 或 滴 灌 設(shè) 備 當(dāng) 濕 度 大 于 上 限 關(guān) 閉 噴 灌 或 滴 灌 設(shè) 備 另 外 MCGS 組 態(tài) 主 要 實(shí) 現(xiàn) 溫 室 環(huán) 境 參 數(shù) 實(shí) 時(shí) 顯 示 9 11 根 據(jù) 不 同農(nóng)作物修改參數(shù)設(shè)定值 環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等 圖5 主程序流程圖 圖6 濕度控制子程序 80 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 2020 年 第 39 卷 第 3 期 PLC 與 DCS PLC and DCS TechniquesofAutomation Applications 6 系統(tǒng)測(cè)試 溫 室 環(huán) 境 多 參 數(shù) PLC 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 目 前 已 在 江 陰 某 農(nóng) 業(yè) 技 術(shù) 推 廣 中 心 蔬 菜 實(shí) 驗(yàn) 基 地 運(yùn) 行 測(cè) 試 組 態(tài) 監(jiān) 控 界 面 如 圖 7 所 示 可 以 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 實(shí) 時(shí) 顯 示 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 系 統(tǒng) 控 制 報(bào) 警 等 功 能 測(cè) 試 表 明 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 穩(wěn) 定 圖 8 為 溫 度 實(shí) 時(shí) 曲 線 橫軸為實(shí)時(shí)時(shí)間 縱軸為溫度 圖7 組態(tài)監(jiān)控界面 圖8 溫度實(shí)時(shí)曲線 7 結(jié)束語(yǔ) 溫 室 環(huán) 境 多 參 數(shù) PLC 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 可 根 據(jù) 溫 室 農(nóng) 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng) 實(shí) 際 情 況 進(jìn) 行 生 產(chǎn) 要 素 實(shí) 時(shí) 調(diào) 節(jié) 保 障 溫 室 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 設(shè) 計(jì) 思 路 與 編 程 思 路 簡(jiǎn) 單 可 移 植 性 好 為 溫 室 農(nóng) 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng) 提 供 一 種 切 實(shí) 可 行 的 溫 室 監(jiān) 控 方 案 同 時(shí) 亦 可 作 為 學(xué) 院 學(xué)生實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)或裝置 培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力 參考文獻(xiàn) 1 沈 燦 鋼 孫 曉 明 西 門 子 全 集 成 工 業(yè) 網(wǎng) 絡(luò) 實(shí) 訓(xùn) 室 設(shè) 計(jì) 與 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理 J 2015 32 2 170 172 2 孫 曉 明 馬 青 曹 虎 等 自 適 應(yīng) 模 糊 PID 控 制 在 PLC 變 頻 調(diào) 速 同 步 測(cè) 試 中 的 應(yīng) 用 J 實(shí) 驗(yàn) 室 研 究 與 探 索 2014 33 6 16 19 3 趙 媛 陳 軍 PLC 技 術(shù) 在 溫 室 環(huán) 境 控 制 系 統(tǒng) 中 的 應(yīng) 用 J 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) 2016 15 1 38 39 4 張 云 楊 宏 偉 智 慧 溫 室 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 研 究 J 實(shí) 驗(yàn) 室 研究與探索 2016 35 2 98 101 5 吳 淑 娟 基 于 PLC 的 大 棚 智 能 溫 室 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) 2017 32 6 74 78 6 陳 立 定 馮 景 輝 胥 布 工 遠(yuǎn) 程 環(huán) 境 在 線 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) J 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2010 38 11 1659 1663 7 COMWAY 無(wú)線串口軟件使用說(shuō)明 Z 2016 8 馮 毅 吳 必 瑞 基 于 組 態(tài) 王 和 PLC 的 蔬 菜 溫 室 溫 濕 度 監(jiān) 控系統(tǒng) J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2015 36 1 132 135 9 胡 金 山 王 熙 基 于 PLC MCGS 組 態(tài) 技 術(shù) 的 北 方 寒 地 溫 室 環(huán) 境 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 2015 43 10 510 512 10 廖 常 初 西 門 子 人 機(jī) 界 面 觸 摸 屏 組 態(tài) 與 應(yīng) 用 技 術(shù) 第 2 版 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2012 11 王 宏 濤 李 紅 莉 程 真 英 等 基 于 PLC 的 溫 室 自 動(dòng) 監(jiān) 控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 實(shí)驗(yàn)室研究與探索 20 17 36 5 21 23 作 者 簡(jiǎn) 介 孫 曉 明 1981 男 碩 士 講 師 研 究 方 向 電 氣 控 制 技 術(shù)教學(xué)與研究 81