基于PLC和组态软件的温室控制系统设计

1 系统组成

    该设计采用的一种分布式控制系统结构，系统为由上位计算机和S7-200型PLC构成的2级监控系统。上位机采用研华工控机IPC-610H，可以监控温室大棚中的温度、湿度、光照、CO：浓度等参数并进行实时查询和历史数据的查询，并根据温室参数给PLC发送指令，以控制相应的执行机构，从而调节相应的参数维持在农作物生长的最佳状态，必要和允许时也可以进行控制参数的修改和紧急命令等的输入等。下位机是以PLC为核心的控制单元，负责温室参数的信息采集，并根据上位机指令对调控设备进行控制。当上位机发生故障时，PLC控制器可以自行实现数据采集、显示和输出等控制，不影响温室的自动运行。

    作物的生长与温度和湿度有密切关系，温室的温度和湿度为温室控制系统的主要检测和控制参数。对温度和湿度的检测选用了北京赛亿凌科技有限公司生产的STH．TW2．RH他-0A．P3．SO型的温湿度变送器，通过参数的检测，调节执行机构，保证作物在各个生长阶段的最佳温、湿度要求。作物生长需要水分，但是过多的灌溉又会造成浪费，如何实现既不影响作物生产又不浪费水源，对土壤水分的检测就显得十分重要。该系统采用北京天裕德科技有限公司生产的STH-3型土壤水分传感器检测水分。CO，是促进作物生长发育所需光合作用的必要条件，在温室中必须控制CO：的浓度，以促进作物的生长。当CO：浓度低于某一设定值时，需及时打开CO：储气罐补充CO。CO：传感器选用深圳蓝月科技有限公司生产的CO：传感器模块B-530A。不同农作物光合作用所需光量也不同。为此需要对温室的光照强度进行控制，以适应不同作物的生长需要。光照度传感器选用BYT20YSCGJ，该传感器输出标准的电压及电流信号体积小、线性度好、传输距离长、抗干扰能力强。土壤养分是作物生长的有力保障，一般均依赖于施肥，为了避免不必要的浪费，需要进行合理施肥，为此需要对土壤养分进行测定，选用YN-4000型土壤养分速测仪来实现对土壤养分的检测，可测土壤中的氮、磷、钾、有机质、中微量元素(如硼、钙、镁、硫、锌等)、pH值、全氮。

    系统的执行机构主要包括循环风机、湿水帘系统、天窗倒窗电机、内外遮阳电机等，循环风机选用青州市金盾节能环保设备有限公司生产的EC500循环风机，实现温室内空气的有效流动。湿水帘系统采用浙江森森实业有限公司的湿帘冷风机水泵实现降温的目的，对其他电机执行机构，选用的是三相交流电机。系统设计中的模拟量输入点数为lO个，开关量输出点数为38个，选用西门子$7-200系列中的224，扩展3块模拟量输人模块EM231，4块开关量输出模块EM222，即能满足设计的要求。系统的总体结构框见图l口1。

2 软件系统设计

    智能温室监控系统软件包括上位机监控软件和下位机系统软件。上位机监控软件的搭建采用组态软件MCGS6．2，下位机系统软件则采用西门子公司的STEP'／-Micro／WIN32编程软件来实现，通过上位机和下位机之间的通信连接，可以满足用户对温室环境数据的实时查询和监测。

    2.1 上位机软件设计

    在系统设计中，选用昆仑通态组态软件MCGS6．2实现系统上位机软件的搭建，根据控制系统的要求，该系统主要包括温窀控制工程主界面、温室参数实时曲线、温室参数历史曲线、数据浏览等主要用户界。温室控制程界面给出控制系统的总体设备布置图，并实时显示一些重要参数，町以对现场参数根据控制要求进行调节，以满足作物牛长的需要。温室参数实时曲线和温室参数历史线分别以曲线的形式显示温窜环境参数和执行机构运行情况的当前数据曲线和一定时期的历史曲线，操作人员可以在曲线上获取所要查询的参数信息。数据浏览是以数字的形式给出温窀环境参数和执行机构的运行情况。在设计过程中首先在组态环境下建立工程，然后在用户窗口中制作工程画面，在设备丁具箱中选择所用硬件设备，按照温宅内设备的相应位置进行放置并进行连接。在搭建完成工程画面后还要进行数据对象的定义和动画连接，把相应的静态图片和实时数据库中的数据对象建立连接，实现动画效果。，曲线的显示由实时曲线控件和历史曲线构件来实现，最后进行设备的连接和通讯，经调试后投入运行。

 
图1系统的总体结构框
Fig．1 Overall structural fmmework of the system

    2.2 下位机软件设计

    下位机系统软件则采用西门子公司的STEP7一Micr0／7聊N32编程软件开发，主要实现对现场环境参数的采集，并根据一定的控制算法实现对执行机构的控制，对系统的控制包括温窀环境参数控制和灌溉控制。软件程序流程见图2。

    2.3 PLC与上位机的通讯

    该系统中采用西门子PPI通讯协议，运用西门子标准的PC＼PPI通讯电缆实现与上位机的通讯连接。为了完成上位机组态软件和PLC的通讯，需先对PLC和MCGS组态软件分别进行通讯连接设置。在PLC的连接中，在采用PC＼PPI电缆与上位机连接正确的基础上，通过上位机上的STEP'／．Micro／WIN32编程软件来设置PLC的参数。在丰菜单VIEW下，选择“communication”，在弹出对话框中完成对PLC通讯参数和地址的设置。该项目中的设置参数为远程地址选择2，本地地址选择0，通讯模式选择PC＼PPI电缆，协议为PPI协议，传送速率为9.6 kb，传送格式为11位。于MCGS组态软件开发平台上进人设备组态后，在“设备T具箱”中选中“串口通讯父设备”和“西门子s7—200PPI”，增加后设置两者的属性。串口父设备的属性设置：串口端f1号为COMl，通讯波特率为9600，8位数据位，l位停止位，偶校验，同步采集方式。PPI属性设置：设备名为$7200，最小采集周期200瑚，PLC地址为2，通信超时等待时间为20 Ills，初始状态为启动。

 
图2下位机系统软件程序流程
Fig．2 Process flow of the software in the lower computer system

3 结论

    该温拳监控系统采用计算机实时检测温室环境参数，并给PLC指令以调节各电动执行器，自动控制作物生长所需温度、湿度、水等生长条件，根据风速、风向、雨最等气候条件，进行紧急状态的报警。另外系统采用分散控制，结构合理，易于控制和扩展，价格便宜，可靠性高。系统可以通过上位机与Intemet相连，通过TCP—IP网络实现数据传输、参数设定、系统的远程监控，借助远程专家的知识对系统进行最佳控制，以使作物生长在最佳环境。