董 超，劉向明，金 薇，蔡麗萍

(武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 湖北 武漢430205)

基于PLC的植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)的研究

董 超，劉向明，金 薇，蔡麗萍

(武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 湖北 武漢430205)

在植物工廠中培育作物時(shí)，需要對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境變量進(jìn)行精確的自動(dòng)化管理，針對(duì)這一控制要求，設(shè)計(jì)了基于PLC的植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以EX2N-100H為主控制器，采用可調(diào)式LED恒流驅(qū)動(dòng)和RGB光源板來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)光照參數(shù)，通過(guò)相應(yīng)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度、濕度、CO2濃度參數(shù)。通過(guò)組態(tài)王開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件，采用串行通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的通信方式，使上位機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)植物工廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，便于遠(yuǎn)程控制。運(yùn)行測(cè)試表明，系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展和維護(hù)。

植物工廠；可編程控制器；組態(tài)；無(wú)線通信

0 引言

近年來(lái)，由于人口的飛速增長(zhǎng)及可耕地的不斷減少，傳統(tǒng)種植農(nóng)作物藥殘超標(biāo)導(dǎo)致食品安全問(wèn)題日益突出，植物工廠受到前所未有的關(guān)注。作為技術(shù)高度密集、資源高效利用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式相比，植物工廠的作物單位面積種植產(chǎn)量高，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，生長(zhǎng)過(guò)程不使用農(nóng)藥，產(chǎn)品安全無(wú)污染[1-3]。

植物工廠是通過(guò)設(shè)施內(nèi)的高精度環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)對(duì)作物生育過(guò)程的光照、溫度、濕度、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境因素進(jìn)行自動(dòng)控制，是不受或很少受到自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式[4-5]。根據(jù)植物工廠控制要求，本文設(shè)計(jì)了植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用RGB三基色LED光源板為植物生長(zhǎng)的光源，采用可調(diào)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源來(lái)調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度，通過(guò)傳感器采集環(huán)境中光照、溫度、濕度、CO2濃度數(shù)據(jù)，采用PLC觸摸屏一體作為現(xiàn)場(chǎng)主控制器，通過(guò)程序可以數(shù)字化調(diào)節(jié)光照參數(shù)，自動(dòng)化地控制植物生長(zhǎng)環(huán)境中的相關(guān)變量。

1 植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)

植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分。第一部分是以PLC控制器為主的本地控制，第二部分是PC端上位機(jī)軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在本地控制中PLC為主控制器，其模擬輸入端分別實(shí)時(shí)采集植物工廠環(huán)境中空氣的溫度、濕度、CO2濃度和光照度參數(shù)，其模擬輸出端控制RGB三種燈光的強(qiáng)度。控制器的I/O端口，其輸入端口主要是用來(lái)接入開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)按鍵開(kāi)關(guān)功能的輸入；輸出端用來(lái)控制執(zhí)行器件啟停，如加熱機(jī)組、制冷機(jī)組、電磁閥、加濕機(jī)構(gòu)、除濕機(jī)構(gòu)等，通過(guò)控制程序進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)啟與停止。在上位機(jī)軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)控中，控制器串行通信接口與WiFi串口模塊串口輸入端連接，WiFi串口模塊將串行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為T(mén)CP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，工控機(jī)連接WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以與現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行通信，工控機(jī)上用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠中現(xiàn)場(chǎng)控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)象輸入點(diǎn)對(duì)象輸出點(diǎn)對(duì)象輸出點(diǎn)系統(tǒng)上電開(kāi)關(guān)X0紅光開(kāi)關(guān)Y0新風(fēng)機(jī)組Y7停止開(kāi)關(guān)X1綠光開(kāi)光Y1電磁閥(補(bǔ)充CO2)Y10緊急停止開(kāi)關(guān)X2藍(lán)光開(kāi)關(guān)Y2除濕機(jī)構(gòu)Y11溫度傳感器信號(hào)AD0紫外開(kāi)關(guān)Y3加濕機(jī)構(gòu)Y12濕度傳感器信號(hào)AD1制熱機(jī)組Y4紅光強(qiáng)度調(diào)節(jié)DA0Co2濃度傳感器AD2制冷機(jī)組Y5綠光強(qiáng)度調(diào)節(jié)DA1光照度傳感器信號(hào)AD3風(fēng)機(jī)Y6藍(lán)光強(qiáng)度調(diào)節(jié)DA2紫外強(qiáng)度調(diào)節(jié)DA3

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 LED光源板設(shè)計(jì)

LED能夠發(fā)出植物生長(zhǎng)所需要的單色光，光譜域?qū)拑H為±20 nm，經(jīng)過(guò)紅、藍(lán)光相應(yīng)混合后，能夠形成與植物光合作用與形態(tài)建成基本吻合的光譜[6-7]。LED光源板由RGB三基色LED燈珠和紫外燈珠構(gòu)成，RGB三基色燈珠內(nèi)包含紅、綠、藍(lán)三種基色單色燈，每一種顏色需要單獨(dú)的電源進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，采用可調(diào)穩(wěn)壓恒流驅(qū)動(dòng)電源，可以根據(jù)控制要求改變?nèi)旌媳壤{(diào)節(jié)出不同植物生長(zhǎng)所需光譜[8]。

2.2 數(shù)據(jù)采集傳感器

在人工植物環(huán)境控制系統(tǒng)中，需要對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的光照強(qiáng)度、溫度、濕度、CO2濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此要使用相應(yīng)傳感器。PLC模擬輸入端要求輸入信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，所以采用的傳感器輸出信號(hào)都為模擬電壓信號(hào)。溫度和濕度采集采用CWS11-07溫濕度變送器，溫度量程：-20℃～80℃，輸出信號(hào)：0～5 VDC ；濕度量程：0～100%RH，輸出信號(hào)：0～5 VDC。光照度采集采用HSTL_GZD光照度傳感器，光照度量程：0～10 000 lux，輸出信號(hào)：0～10 VDC。CO2濃度傳感器采用的是HSTL_ CO2傳感器，CO2濃度量程: 0～5 000 PPM，輸出信號(hào)：0～10 VDC。

2.3 通信設(shè)計(jì)

為了方便用戶對(duì)人工植物環(huán)境控制系統(tǒng)操作與管理，采用上下位機(jī)通信模式，下位機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)的PLC控制器，上位機(jī)為工控機(jī)。在植物工廠中一般有多個(gè)植物種植房間，每個(gè)種植房間內(nèi)有一臺(tái)PLC控制器，而植物種植房間都是封閉式管理，控制器與控制器之間獨(dú)立隔離，如果僅采用RS485通過(guò)傳統(tǒng)的電纜有線方式使現(xiàn)場(chǎng)安裝走線不方便，通信可靠度降低，因而在此基礎(chǔ)上加入了串口WiFi無(wú)線模塊。模塊內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及 TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

2.4 PLC輸入/輸出點(diǎn)分配

根據(jù)植物人工環(huán)境控制系統(tǒng)控制要求，控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有3個(gè)開(kāi)關(guān)輸入、11個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出、4個(gè)模擬量輸入和4個(gè)模擬量輸出?？删幊炭刂破鬟x用顧美公司的EX2N-100H，EX2N-100H是PLC觸摸屏一體機(jī)，該控制器兼容三菱FX2N系列編程指令，具有16路開(kāi)關(guān)量輸入、16路開(kāi)關(guān)量輸出、 6路模擬量輸入、6路模擬量輸出，配有RS485串行通信接口，支持Modbus通信協(xié)議，包括主機(jī)/從機(jī)模式，可組網(wǎng)多個(gè)PLC或其他設(shè)備[9]。EX2N-100H具有一塊10英寸液晶觸摸屏，用來(lái)開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面，基本按鍵操作用觸摸屏中的虛擬按鍵代替，通過(guò)操作觸摸屏完成。PLC輸入/輸出點(diǎn)具體分配情況如表1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用模塊化編寫(xiě)風(fēng)格，將控制程序分為3部分：光照控制、環(huán)境控制和通信控制。

3.1.1 光照控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)植物生長(zhǎng)的要求，光照控制設(shè)計(jì)為手動(dòng)控制模式和時(shí)控模式，為了防止這兩種模式同時(shí)開(kāi)啟造成操作混亂，引起設(shè)備故障，將時(shí)控模式與手動(dòng)控制模式互鎖，當(dāng)時(shí)控模式開(kāi)啟時(shí)會(huì)自動(dòng)復(fù)位手動(dòng)操作模式，此時(shí)手動(dòng)操作無(wú)效，需要用戶取消時(shí)控模式，才能再啟動(dòng)手動(dòng)操作模式。

手動(dòng)操作模式即用戶手動(dòng)操作觸摸屏人機(jī)交互界面，手動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉光源板的紅、綠、藍(lán)、紫外這四路光源，手動(dòng)調(diào)節(jié)這四路燈光的強(qiáng)度。時(shí)控模式是用戶先設(shè)定好一天中的某個(gè)時(shí)段(開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間)，然后設(shè)置好在這時(shí)間段內(nèi)每種燈光開(kāi)啟狀態(tài)和強(qiáng)度，開(kāi)啟時(shí)控模式后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在設(shè)置時(shí)間段內(nèi)開(kāi)啟用戶設(shè)置的燈光，按用戶的參數(shù)自動(dòng)設(shè)置每種燈光的強(qiáng)度，系統(tǒng)在用戶設(shè)定時(shí)間之外默認(rèn)關(guān)閉所有燈光，無(wú)需用戶手動(dòng)管理。

紅、綠、藍(lán)、紫外燈光開(kāi)關(guān)控制由PLC輸出端Y0～Y3來(lái)控制，燈光強(qiáng)度由模擬輸出DA0～DA1控制。燈光強(qiáng)度的控制需要使用模擬輸出通道，在EX2N-100H中啟動(dòng)模擬輸出通道DA0～DA3需要將位元件M8080置ON。字元件D8080～D8083為模擬輸出通道DA0～DA3的輸出寄存器，對(duì)其賦值可以輸出相應(yīng)通道的模擬電壓信號(hào)。在燈光強(qiáng)度控制上使用數(shù)字化控制方式，用戶輸入0～100的數(shù)值，PLC將其存入寄存器，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算傳送給模擬輸出寄存器，輸出相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)給LED恒流驅(qū)動(dòng)電源，調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度。光照控制程序流程圖如圖2所示。

圖2 光照控制程序流程圖

3.1.2 環(huán)境控制程序設(shè)計(jì)

環(huán)境控制的主要環(huán)境變量包括溫度、濕度和CO2濃度，對(duì)這些變量采取閉環(huán)控制方法。采集傳感器數(shù)據(jù)需要使用控制器的模擬輸入功能，溫度、濕度和CO2濃度分別對(duì)應(yīng)控制器EX2N-100H的模擬通道AD0～AD1，采樣周期分別由字元件D8050～D8052來(lái)設(shè)定，模擬量輸入精度為12位，使用時(shí)直接讀取每一路模擬量對(duì)應(yīng)的寄存器數(shù)值，AD0～AD3分別對(duì)應(yīng)D8030～D8032，如有誤差可以進(jìn)行誤差修正。

溫度控制方案是設(shè)定一組溫度上下限值TH和TL，PLC讀取當(dāng)前溫度T，當(dāng)T>TH時(shí)，制冷機(jī)組開(kāi)始啟動(dòng)工作，直到當(dāng)前溫度降到TL時(shí)，制冷機(jī)組停止工作；當(dāng)前溫度T

時(shí)，制熱機(jī)組停止工作，如此反復(fù)，完成溫度控制循環(huán)。濕度和CO2濃度控制方法與溫度控制相似，濕度的控制主要通過(guò)加濕機(jī)構(gòu)和除濕機(jī)構(gòu)來(lái)完成，當(dāng)檢測(cè)濕度低設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)加濕機(jī)構(gòu)，當(dāng)高于設(shè)定值啟動(dòng)除濕機(jī)構(gòu)。CO2濃度控制系統(tǒng)由CO2鋼瓶、減壓閥、流量計(jì)、電磁閥等組成，為了方便控制，鋼瓶出口裝設(shè)減壓閥，將CO2降至0.1～0.15 MPa后釋放。當(dāng)檢測(cè)CO2濃度小于設(shè)定值時(shí)，PLC通過(guò)輸出端對(duì)電磁閥通電，將CO2送至靠近風(fēng)機(jī)處的供氣管道中，使CO2均勻送入房間，當(dāng)CO2濃度大于設(shè)定值時(shí)，新風(fēng)機(jī)組啟動(dòng)，給室內(nèi)補(bǔ)充新鮮空氣使CO2濃度降到設(shè)定值。

環(huán)境控制也設(shè)計(jì)為手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式，手動(dòng)模式下可以自由手動(dòng)控制環(huán)境相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟停，如制熱機(jī)組、制冷機(jī)組等、除濕機(jī)構(gòu)、風(fēng)機(jī)等。自動(dòng)模式下，用戶設(shè)置設(shè)定好參數(shù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)管理執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制環(huán)境變量。環(huán)境控制程序流程圖如圖3所示。

3.1.3 通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中控制器EX2N-100H與串口WiFi無(wú)線模塊是通過(guò)串行通信方式通信，串口WiFi無(wú)線模塊通過(guò)串行通信將PLC控制器的數(shù)據(jù)透明傳輸至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)程序通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器的監(jiān)控。EX2N-100H進(jìn)行串口通信之前需要通過(guò)程序進(jìn)行串口通信相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，D8120為通信參數(shù)配置寄存器，將十六進(jìn)制0x4081傳送給D8120，即串口通信協(xié)議配置為Modbus RTU從機(jī)模式、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8位、無(wú)奇偶驗(yàn)證、1個(gè)停止位、波特率9 600 b/s。D8120為從機(jī)站號(hào)寄存器，配置從機(jī)地址1～247，D8126為發(fā)送延時(shí)寄存器，一般配置為20 ms。串口通信配置程序只需要程序初始執(zhí)行一次，使用位元件M8002只在第一個(gè)掃描周期執(zhí)行串口通信配置程序。

圖3 環(huán)境控制程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件可以通過(guò)無(wú)線WiFi與同一個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò)中的PLC進(jìn)行通信，用于遠(yuǎn)距離植物工廠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，植物工廠中光照參數(shù)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)不間斷連續(xù)收集、整理、統(tǒng)計(jì)、制圖以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線記錄[10-11]。上位機(jī)軟件用組態(tài)王軟件Kingview6.55來(lái)開(kāi)發(fā)，其主要功能如下：

(1)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

它可以遠(yuǎn)程監(jiān)視植物工廠中的當(dāng)前狀態(tài)，包括紅、綠、藍(lán)、紫外四種顏色光照開(kāi)關(guān)、每種顏色燈光強(qiáng)度，植物工廠環(huán)境中溫度、濕度、CO2濃度當(dāng)前數(shù)據(jù)，制熱機(jī)組、制冷機(jī)組、除濕機(jī)構(gòu)、加濕機(jī)構(gòu)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以遠(yuǎn)程修改PLC控制器的全部設(shè)定參數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能

可以統(tǒng)計(jì)任意時(shí)刻的光照強(qiáng)度、室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度全月、全周、全日和本時(shí)段的最大值、最小值和平均值。

(3)生成曲線圖像功能

它能以平面圖方式同時(shí)繪制任意時(shí)刻的室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度的變化曲線并可以打印輸出。

4 結(jié)論

本文以PLC和組態(tài)王為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)光照參數(shù)，自動(dòng)化地管理環(huán)境中的溫度、濕度、CO2濃度，適應(yīng)于多種作物生長(zhǎng)要求。采用串行通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的方式，使植物工廠現(xiàn)場(chǎng)安裝布局更靈活，通過(guò)組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件監(jiān)控終端，使系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性更好、穩(wěn)定性更高，顯著提高了植物工廠的自動(dòng)化控制和管理水平。

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Research on plant monitoring and control system based on PLC

Dong Chao, Liu Xiangming, Jin Wei, Cai Liping

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China)

When cultivating crops in the plant factory, the environment variables for crop growth such as light, temperature, humidity, CO2concentration need to make a precise automation management. Aiming at the control requirements, plant factory monitoring system based on PLC is designed. The system takes EX2N-100H as the main controller and adopts adjustable LED constant current drive and RGB light board, to implement the digital adjusting the parameters of the light; through the corresponding sensors and actuators, the system can automatically adjust the plant growth parameters of temperature, humidity, CO2concentration in the environment. By software developed by Kingview for host computer, using the communication mode combining serial communication and wireless communication, the host computer monitors the plant factory through the wireless network to facilitate remote control. The test operation shows that the system has integrated function, stable operation, simple operation, easy expansion and maintenance.

plant factory; PLC; configuration; wireless communication

TH39

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.06.029

董超，劉向明，金薇，等. 基于PLC的植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(6)：95-98，102.

2016-09-26)

董超(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械電子工程。

劉向明(1953-)，男，工學(xué)博士，教授，主要研究方向：機(jī)密機(jī)械與控制技術(shù)。