基于PLC与组态王的农业大棚温湿度监测系统设计.pdf

总第 236 期由于温室系统具有非线性、强耦合以及时变性的特征。传统的人工轮流系统设备监测方法对温室内温湿度的调控情况不佳。这种查询数据的方式效率低，无法对某一环境下的数据进行实时有效测量。温湿度任何一项超出指标都会影响成品质量。一般的单片机相当于一快集成的电路模块，有着丰富的功能，具有很高的可开发性，但是与 PLC相比不足之处略显明显，相对于 PLC 来说，单片机的学习较为繁琐，后期的维护工作也相对困难，以PLC 作为核心控制器，性价比更高。基于此，设计了基于 PLC 控制的温湿度传感器监测系统。由 PPI 协议与组态王建立有线通信，能够实现温湿度的实时监控，及时对环境进行检测，保证温室内作物的质量。通过设计远程查看数据。1系统总体设计1.1功能与组成系统可以实现温湿度的实时检测显示、在 PC 端的远程监控两种功能。温湿度的检测显示功能需要温湿度传感器与 PLC 以及模拟量模块接线配合实现。利用组态王 KINGVIEW 根据 PLC 设计的梯形图建立变量，并通过 PPI 通信电缆建立 PC 组态界面与PLC 的通信。建立通信连接之后，依据建立起来的数据变量库与组态王画面设计的图素动画运作来实现。因此，温湿度的监测系统分为 3 个部分：控制器部分、监控器部分、采集器部分。系统功能图如图 1所示。1.2工作过程系统的工作过程为 PLC 与传感器之间的控制过程。传感器将采集的数据转换为模拟量型的信号，采用有线的方式传输至模拟量模块接口并通过模拟量接口转换为 032 000 的当量值传输给 PLC,PLC通过提前编程好的梯形图程序进行换算、比较以及处理。通过输出控制与其有线连接的传感器启停，从而监测周围的温湿度环境参数。1.3硬件选用1.3.1PLC 的选用作为整个控制系统的核心，PLC 在一套完备的自动化控制系统中是不可或缺的一部分。利用传感器对周围的环境进行监测，将采集的数据发送至PLC 之后，经由梯形图分析处理，对其控制的相关元件发出执行指令。同时具备很多优点以及很多独到之处，如可靠性高，具有可观的抗干扰能力，环境适应性也很强。具有丰富的 I/O 接口模块，系统的设计安装调试也方便，假如在设备接线方面出了问题也很容易更改。对电源电压的要求也不高，一般来说就是常用的 220 V，并且可以和其他设备直接通过导线连接。软件部分的设计也只需要对 PLC 内部梯形图在 PC 端编程软件上直接进行更改。所以说，比起其他类型普通电气线路，PLC 线路的更改比起普通电基于PLC与组态王的农业大棚温湿度监测系统设计李家璇，杨洁（西南林业大学，云南昆明650224）摘要：文章设计并介绍了一种基于西门子 S7-200CPU224CNPLC 和组态王的环境温湿度监测系统，该监测系统不仅可以实时监控温室内的环境温湿度，还可以在 PC 端上进行实时显示，并生成实时趋势曲线与历史趋势曲线。此外，为该系统设计了接线框图，并详细介绍了系统的流程与模式，根据控制变量的不同进行了 PLC 的 I/O 地址分配和传感器工作模式下梯形图的设计，并针对不同控制对象进行了组态界面的设计。经过实地测试验证了其可靠性及监测精准性，满足环境温湿度的监测需求。关键词：可编程控制器;监控系统;温室;传感器粤早则蚤糟怎造贼怎则葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 驭 栽藻糟澡灶燥造燥早赠灾燥造援49 翼.4Aug援 圆园23第 49 卷第 4 期圆园23 年 8 月农业装备技术42总第 236 期气线路的更改要容易得多。随着我国制造业的不断持续发展与改进，市面上 PLC 的类型与型号也随着发展而不断丰富，功能也越来越多样化。所以对于监测控制系统的选型，要从多方面展开。首先考虑的就是编程时的 I/O 点数分配。在进行 I/O 点数分配之前需要计算一下系统所需要的 I/O 数目，为的是确认有多少元件发送信号至PLC 内，有多少元件从 PLC 发出信号至执行元件中，然后将这些输入与输出点数汇总起来就可以得出所需的 I/O 数目。将所需的 I/O 数目弄清之后，除了满足所需的控制需求，在选择内存容量时也应有适当的备用余量，余量一般为实际需求的 25%。通常情况下，I/O 点数的余量可以是实际需求的 10%15%。从合理的功能结构类型开始选择，PLC 按结构主要分为整体型和模块型。对于工艺流程相对固定、环境条件较好（维护较少）的场合，采用整体结构PLC，其他情况采用模块结构 PLC。系统的部点为集中式，根据选型的原则，选择整体式的 PLC。对于品牌型号的选择，主要需要考虑的是需求以及对某个品牌的熟悉程度，考虑到 PLC 本身的可靠性，文章选用德国西门子公司 S7-200 系列的 CPU224CN的继电器型 PLC（型号 214-1BD23-0XB8），具有开关量（数字量）14 路输入接口与 10 路输出接口。而且自带的编程软件 V4.0 STEP7 MicroWINSP9 操作面板显示很直观，易上手。1.3.2传感器的选用温湿度传感器是指可以将温度和湿度转变成为测量处理简易化的电信号或其他所需形式的信号输出的机械。根据自己的领域确定温湿度传感器测量范围与精度。因为每个行业使用的环境、工艺不同，所以对温度与湿度的测量范围与精度的要求也是不同的。市面上模拟量输出和数字量输出的传感器占了很大一部分。根据 PLC 的选型，对常用的自动控制系统的传感器进行研究与调研。选用山东建大仁科测控技术有限公司的高精度一体式模拟量温湿度传感器 RS-WS-V10-9（金属防水探头，电压输出010 V，量程-4080，0%RH100%RH，精度3%RH，0.5，自带温湿度数值显示屏幕），而且该传感器采用壁挂防水壳。多适用于室外及很多现场恶劣的场合。探头多种类型可选适用于不同现场。可接入现场数显表、PLC、变频器、工控主机等设备，安全可靠，安装方便，接线图如图 2 所示。图 2传感器四线制接线图图 1系统功能图李家璇等：基于 PLC 与组态王的农业大棚温湿度监测系统设计粤耘栽圆园23.443总第 236 期2系统梯形图设计2.1PLC 控制系统软件设计整个系统开始运行之后，温湿度传感器将采集得来的数值以模拟量信号的方式传输至 PLC 中，PLC 对这些信号值通过梯形图编程的方法进行分析换算、分析以及处理，并及时进行比较工作，最后得出结果并输出。图 3、图 4 为 PLC 梯形图程序中温湿度的换算过程。1.3.3拓展模块的选用由于温湿度传感器输入信号的类型是模拟量型，所以就要选择模拟量型的拓展模块。同理，如果是数字量型的传感器，就要选择数字量型的拓展模块，考虑到数字量输出时的刷新频率（0.1 或 0.2 ms）与PLC 的刷新频率一致。考虑到 PLC 的选型，所以拓展模块选用西门子 EM235 拓展模拟量模块。模拟量模块 EM235 提供了模拟量输入输出的功能，适用于复杂的控制场合。12 位的 A/D 转换器，多种输入输出范围，不用加放大器即可与传感器相连，供直流电电源为 24 V。EM235 有 4 路模拟量输入、1 路模拟量输出。输入输出可以为 010 V 的电压或是 020 mA 的电流。1.4I/O 地址分配输入输出地址如表 1 所示。变量名称输入地址变量名称输出地址启动总开关停止总开关温度数值湿度数值I0.0I0.1AIW0AIW2增温设备降温设备增湿设备除湿设备Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3表 1I/O 地址分配图 4湿度数据采集及转换换算过程图 3温度数据采集及转换换算过程农业装备技术粤耘栽圆园23.444总第 236 期由于后续的 KingView 组态王监控界面需要进行实时监控，所以需要在编译程序块无误的情况下提前将梯形图程序下载至 PLC 中，下载过程中需要提前将 PLC 的状态设置成 STOP 模式，下载完成后返回 RUN 模式。在与组态王建立通信之前，将程序下载至 PLC 之后。下一步则是在 STEP7 编程软件中打开程序状态监控，此时中间继电器 M0.0 处于 OFF状态，在 M0.0 处单击鼠标右键选择写入功能，将中间继电器 M0.0 写入成 ON 状态。这样后续在组态王数据词典中才可以精准的定义变量。2.2控制系统流程具体流程如图 5 所示。图 5系统流程3组态界面的设计3.1组态王软件简介上位机 PC 端通过要控制的对象设计监控组态界面，监控部分由组态王 6.55 软件设计开发的人机交互界面实现。关于组态监控实现的功能，首先需要实现的就是能够实时更新显示环境的温湿度数值，能够将温湿度的数值展示出变化趋势，直观的显示出温湿度某一时刻的变化数值或方便地查询出某一时间段的各变化数值。主要由工程管理器、工程浏览器、工程运行界面三部分构成。在组态王软件里，第一个工作是从工程管理器开始的，每建立一个项目在软件里称之为一个工程。每个工程之间是相互独立的，其相互之间不能共用一套的系统目录。在创建的每一个工程的路径下，会生成不同的重要数据文件，并且这些是不允许随意直接更改的。组态王的外部设备可以是能与其进行数据交换的程序或设备，在本监测系统中组态王的外部设备为西门子 S7-200PLC，外部设备与软件之间一般采用串口交换数据。只有在定义外部设备之后，组态界面才能通过 I/O 变量与 PLC 交换数据。在工程浏览器界面的设备中通过设备配置向导来定义外部设备，通过 USB-PPI 通信电缆将远程上位机 PC 与下位机 PLC 连接，在设备配置向导中找到西门子 S7-200 系列 PPI 通信，为了保证 PLC 与组态王的通信正常，PPI 通信电缆连接的串口要与组态王配置相同，因此根据 PC 端的连接口来进行串口号的选择。3.2数据库变量说明组态王软件的核心为数据库，作为整个流程的中介，监测系统的运行状态无论是以动画效果反应在交互界面，还是发布指令，都离不开实时数据库。因此，数据库是联系 PC 与 PLC 直接的桥梁。数据词典就是这些数据库变量的集合，记录着一个工程下所有可以使用的数据变量信息。数据词典中的变量分为 I/O 变量与内存变量两大类，内存变量指的是组态王软件内部的变量，不能与外部设备进行变量交换，如年月日、用户名、启动历史记录等。I/O 变量是一种动态双向的变量，是组态王与其他应用程序交换数据的变量。当远程应用程序中的值改变时，变量也随之更新，比如发送给PLC 的开关指令就是 I/O 变量。基本的变量类型根据数据类型分为离散型、实数型、整数型和字符串型。其中离散型的 I/O 变量类似一般编程语言中的0、1 两种取值，常用于表示一些开关量。I/O 实型变量通常表示一些模拟量数值。在对变量类型进行辨别之后，可以设置出我们监测系统的数据词典变量，见表 2。3.3监测界面设计监测界面设计成 3 个界面：温湿度监控系统人机交互界面、温湿度实时趋势曲线界面、温湿度历史趋势曲线界面。3.4系统的测试环节在完成外部设备的接线工作并在组态软件完成监测界面的搭建以及二者成功建立通信之后。接下来需要测试系统的可行性。以模拟温室作为监测环境来验证系统的可行李家璇等：基于 PLC 与组态王的农业大棚温湿度监测系统设计粤耘栽圆园23.445总第 236 期表 2PPI 协议变量设置性，测出一段时间内室内的温湿度，并在远程监控PC 端监测界面得出实时温湿度数据以及历史趋势曲线，温湿度的取值区间设置为 2 min，具体数据见表 3。表 3具体测试数据时间温度/湿度/%RH14530126.3054.1514550126.3054.1714570126.4254.1514590126.5754.1715010126.6054.1715030126.5454.2715050126.1854.3015070126.1554.3215090125.9754.2215110125.9754.2715130125.8554.2715150126.0354.3015170125.9454.3515190125.8254.3215210125.8254.3215230125.8554.3215250125.8854.3015270126.0354.3215290126.1554.3515310126.1854.3215330126.0354.3215350125.8254.6015370125.1354.77远程监控 PC 端监测主界面可以实时的显示出当下某一时刻的温湿度数值，并通过组态王软件内的“showpicture”函数实现对实时趋势曲线和历史趋势曲线界面的切换。主界面测试见图 6。图 6主界面测试图实时趋势曲线界面可以显示温湿度数值的实时变化趋势，同时在此界面也利用“showpicture”函数实现对主界面的切换，历史趋势曲线界面也如此。实时趋势曲线界面测试结果见图 7。历史趋势曲线界面可以显示并查询现在和过去的温湿度变化趋势，测试结果见图 8。经过一系列测试工作，温湿度传感器在测试环境下可以通过金属探头精准的采集到周围的环境数据，并且可以通过 PPI 线将采集到的数据精准在上位机 PC 端实时显示，达到了预期标准。用外力去接触传感器的金属探头，温湿度数值同时因为外力对金属探头的作用从而迅速响应，组态界面的数值显示与曲线同时也发生变化。变量名变量类型寄存器数据类型读写属性连接设备启动总开关I/O 离散I0.0bit读写PLC(PPI)停止总开关I/O 离散I0.1bit读写PLC(PPI)增温设备I/O 离散Q0.0bit只读PLC(PPI)降温设备I/O 离散Q0.1bit只读PLC(PPI)增湿设备I/O 离散Q0.2bit只读PLC(PPI)除湿设备I/O 离散Q0.3bit只读PLC(PPI)温度数值I/O 实数VD200FLOAT只读PLC(PPI)湿度数值I/O 实数VD400FLOAT只读PLC(PPI)农业装备技术粤耘栽圆园23.446总第 236 期图 7实时趋势曲线界面测试图图 8历史趋势曲线界面测试图4结语采用了 PLC 控制器与组态王软件作为基础设计了一种远程温湿度监测系统并可以成功运行工作。在实验室的环境下进行了功能的测试并得到了预期的结果。后续将完善此监测系统并应用于农业温室大棚，设计出一套完整的环境监测系统。目前加入的指标只有温度和湿度，对农业的大棚的环境监测不足以说明问题。对之后控制系统的完善，考虑到农作物生长的环境与人文干预，还应加入光照度、二氧化碳浓度、土壤湿度等指标。考虑到远程监控的问题，新加入的指标传感器都应选择模拟量型。考虑到李家璇等：基于 PLC 与组态王的农业大棚温湿度监测系统设计粤耘栽圆园23.447总第 236 期等地下害虫和草地贪夜蛾等苗期害虫。生长期采取理化诱控措施，在玉米螟、斜纹夜蛾、甜菜夜蛾等成虫发生期使用杀虫灯结合性诱剂诱杀害虫。玉米抽雄和大豆分枝前，视田间病虫发生情况采取有效措施，害虫发生轻时，可选用苏云金杆菌、球孢白僵菌、甘蓝夜蛾核型多角体病毒、金龟子绿僵菌等生物制剂进行防治；害虫发生危害重时，直接选用四氯虫酰胺、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐、乙基多杀菌素等杀虫剂喷雾防治；玉米、大豆叶斑类病害、锈病等于发病初期，选用吡唑醚菌酯、戊唑醇等杀菌剂喷雾防治。开花后是大豆保荚、玉米保穗的关键时期，抓住玉米大喇叭口或大豆花荚期，选用唑醚 氟环唑、丙环 嘧菌酯等杀菌剂和氯虫苯甲酰胺、高效氯氟氰菊酯、氯虫 高氯氟等高效低毒化学药剂进行重点防治。推广大豆玉米带状复合种植是保障粮食安全、扩大油料生产的重要抓手，2022 年是我镇推广大豆玉米带状复合种植的第一年，我们积极组织开展了大豆玉米带状复合种植技术观摩培训及经验交流系列活动，为农户提供大豆玉米带状复合种植技术。我们将认真总结带状复合示范种植推广工作经验成效，分析存在问题和不足，为今后粮油扩产、确保粮食安全、农民增收及本地区技术模式的成熟化作出应有贡献。外接模拟量模块 EM235 的接口会不足，可以将原本的 CPU224CN 型 PLC 更换成 CPU224XP 型。参考文献：1 李宗昊,杨洁,钱苏珂.基于 PLC 与组态王的花卉大棚温湿度监控系统设计J.河南农业科学,2022(2):159-168.2 孙佳星,孙盛旭,罗丹.基于 PLC 的现代农业大棚自动控制设计方法探析J.湖北农机化,2020(2):147.3 张飞云,胡翔.基于 PLC 的智能大棚控制系统设计J.许昌学院学报,2019,38(2):120-123.4 吴世海,钟国荣,鲍义东,等.基于 PLC 的智能温室控制系统设计探讨J.数字通信世界,2019(8):111.5 胡晨秋.基于 PLC 技术的农业温室控制系统研究J.农业技术与装备,2019(10):55-56.6 陈根,易治国.基于物联网的农业温室大棚环境监控系统设计J.南方农机,2022,53(16):130-132.7 丁静,陶晔,孙进.基于 PLC 与 MCGS 组态技术的温湿度控制系统设计J.中国农机化学报，2017，38(8):87-90，124.8 薛义鹏,陈鑫,孙馨瑶,等.基于 STM32 和阿里云的棉纺车间环境温湿度监测系统J.自动化与仪表,2022,37(8):67-70，86.9 冯毅,吴必瑞.基于组态王和 PLC 的蔬菜温室温湿度监控系统J.中国农机化学报,2015,36(1):132-135.10 王文庆,沈建冬,魏秋月,等.可编程控制器原理及应用M.北京：人民邮电出版社，2014.农业装备技术粤耘栽圆园23.4（上接第 38 页）48