基于PLC與WinCC組態(tài)軟件的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)溫室環(huán)境中溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控是實(shí)現(xiàn)設(shè)施作物生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的關(guān)鍵。以WinCC組態(tài)軟件為上位機(jī)編程軟件，以PLC為控制器，設(shè)計(jì)一種基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)人機(jī)界面友好，性能穩(wěn)定可靠，性價(jià)比高，能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)智能溫室環(huán)境因子的自動(dòng)控制，滿足溫室作物生長(zhǎng)環(huán)境控制要求。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；PLC；WinCC組態(tài)；智能溫室

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）10-0020-03

溫室綜合利用新材料、自動(dòng)控制、環(huán)境工程、生物工程等相關(guān)技術(shù)，在局部環(huán)境調(diào)控溫度、濕度、光照、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分等環(huán)境因子，以創(chuàng)造作物生長(zhǎng)最適宜的環(huán)境條件。溫室栽培改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，打破了植物生長(zhǎng)的地域和時(shí)空界限，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)文明的發(fā)展?，F(xiàn)代溫室越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫室生產(chǎn)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的標(biāo)志。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，特別是隨著農(nóng)業(yè)人口向城市轉(zhuǎn)移，對(duì)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，溫室技術(shù)也逐步向智能化方向發(fā)展。本課題采用基于西門子公司S7-200系列的可編程控制器（PLC）和WinCC組態(tài)軟件的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用傳感器自動(dòng)采集溫室環(huán)境參數(shù)，對(duì)溫室環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能化控制。通過(guò)采用組態(tài)軟件完成控制系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)操作的人性化和過(guò)程的可視化。

1 溫室環(huán)境控制要求及總體控制方案

總體上來(lái)講，溫室環(huán)境中涉及很多環(huán)境因子，而且這些環(huán)境因子之間是相互作用的，要更好地制定相應(yīng)的調(diào)控策略，就必須了解溫室內(nèi)部各環(huán)境因子之間的關(guān)系。影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境因子主要有溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等，因此溫室控制主要針對(duì)以上氣候因子進(jìn)行智能控制。溫度調(diào)控主要是通過(guò)加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，冬天采用加熱裝置如熱水管道加熱，夏季高溫采用開(kāi)天窗、開(kāi)啟簾幕系統(tǒng)、濕簾—風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等來(lái)進(jìn)行降溫。濕度調(diào)控通過(guò)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和噴灌系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。CO2濃度調(diào)控通過(guò)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及利用電磁閥控制二氧化碳儲(chǔ)液罐來(lái)實(shí)現(xiàn)。光照調(diào)控可利用遮幕系統(tǒng)以及人工光源來(lái)進(jìn)行控制。

本研究設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是由上位機(jī)和下位機(jī)組成的智能溫室控制系統(tǒng)。上位機(jī)為一臺(tái) PC機(jī)，下位機(jī)采用德國(guó)西門子PLC，CPU選用226。下位機(jī)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)各棟溫室環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)與控制，通過(guò)溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等傳感器將模擬量信號(hào)經(jīng)EM231模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，把這些數(shù)據(jù)暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)并與相應(yīng)的給定值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)控制計(jì)算，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)來(lái)控制加熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、簾幕系統(tǒng)、CO2施放裝置、噴灌系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的調(diào)控，以滿足溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)發(fā)育的需要。上位機(jī)通過(guò)串行通訊接口分別讀取各個(gè)溫室的數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、顯示、編輯、存儲(chǔ)以及打印輸出等操作?？刂葡到y(tǒng)的原理如圖1所示。 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的主電路和控制電路

主電路主要是通過(guò)交流接觸器、繼電器來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)、濕簾潛水泵、遮幕電機(jī)、天窗電機(jī)等實(shí)現(xiàn)控制，圖2為部分主電路原理圖。為提高系統(tǒng)的可靠性，采用手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種模式，供使用者自由切換控制電路。以內(nèi)遮陰電機(jī)控制電路（如圖3所示）為例，手動(dòng)控制模式由旋鈕開(kāi)關(guān)來(lái)手動(dòng)控制遮幕機(jī)的張開(kāi)或收縮；而采用PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，可通過(guò)PLC程序控制PLC輸出點(diǎn)信號(hào)的通斷來(lái)控制1KA1和1KA2，從而自動(dòng)控制遮幕機(jī)的張開(kāi)或收縮。

2.2 PLC外部接線

根據(jù)溫室控制的功能要求，進(jìn)行PLC的I/O地址分配，然后畫出CPU226的外部接線（如圖4所示）。輸入端將采集到外界的信號(hào)輸送給PLC，通過(guò)PLC程序運(yùn)行，輸出端根據(jù)輸出信號(hào)控制相應(yīng)的接觸器，從而控制風(fēng)機(jī)—濕簾系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、遮幕系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器采集的信號(hào)一般以模擬信號(hào)輸出，要將這些模擬量進(jìn)行采樣并輸入PLC，必須先對(duì)這些模擬量進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。EM231為模擬量輸入模塊，能實(shí)現(xiàn)將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC能接收的數(shù)字量信號(hào)，EM231模塊與傳感器及PLC的連接如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件采用WinCC flexible組態(tài)軟件進(jìn)行編程，下位機(jī)軟件采用STEP7-Micro/WIN進(jìn)行編程。

3.1 WinCC組態(tài)軟件

SIMATIC WinCC flexible是西門子公司開(kāi)發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件，主要用于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，能提供對(duì)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制、管理和集成等一系列的功能，同時(shí)也為用戶實(shí)現(xiàn)這些功能的組態(tài)過(guò)程提供了豐富及易于使用的手段和工具。WinCC flexible是在被廣泛認(rèn)可的ProTool組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，并與ProTool保持了一致性，可以非常方便地將ProTool組態(tài)的項(xiàng)目移植到WinCC flexible中。WinCC flexible具有開(kāi)放簡(jiǎn)易的擴(kuò)展功能，帶有VB腳本功能，集成ActiveX控件，可以將人機(jī)界面集成到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。

作為一款監(jiān)控軟件，WinCC flexible主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1） 實(shí)時(shí)顯示溫室設(shè)備的工作狀態(tài)。能夠?qū)崟r(shí)顯示溫室環(huán)境的溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境信息，并可查詢歷史環(huán)境參數(shù)和實(shí)時(shí)曲線。2） 設(shè)置了登陸用戶、退出用戶、修改密碼等功能。用戶通過(guò)用戶名和密碼可以登錄系統(tǒng)，并通過(guò)控件來(lái)操控溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的調(diào)控。3） 修改環(huán)境參數(shù)設(shè)置?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置環(huán)境參數(shù)的最高限和最低限，將被控制對(duì)象設(shè)置在合適的范圍。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用西門子STEP7-Micro/WIN V4.0來(lái)實(shí)現(xiàn)。STEP7-Micro/WIN編程軟件能完成PLC應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯用戶程序；也可以直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式和參數(shù)，以及運(yùn)行監(jiān)控等。

4 系統(tǒng)運(yùn)行及試驗(yàn)分析

本控制系統(tǒng)通過(guò)軟硬件開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試，最后在生產(chǎn)型溫室進(jìn)行安裝調(diào)試。試驗(yàn)中系統(tǒng)在手動(dòng)控制與自動(dòng)控制兩種模式下能正常工作，手動(dòng)控制可以通過(guò)手動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟與關(guān)閉，自動(dòng)控制狀態(tài)下通過(guò)對(duì)待測(cè)參數(shù)控制量的設(shè)定來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的控制。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集，實(shí)時(shí)顯示并自動(dòng)記錄溫室環(huán)境溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子。試驗(yàn)期間，PLC系統(tǒng)運(yùn)行可靠，硬件系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)任何故障，軟件系統(tǒng)也正常運(yùn)行。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的溫濕度值適時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作。在上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)串行口通訊期間，沒(méi)有發(fā)生通訊中斷、系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行等狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明，將系統(tǒng)應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)工作正常，性能穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)代溫室所存在的問(wèn)題，采用PLC和WinCC組態(tài)軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)溫室智能控制系統(tǒng)。自2010年運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)硬件運(yùn)轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)定可靠，軟件系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作便捷，適合在溫室控制系統(tǒng)中應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉永華，陳志明.溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2008，34（5）：55-59.

[2] 張伏，王唯，張亞坤，等.PLC和MCGS組態(tài)軟件在溫室控制中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（10）：205-208.

[3] 李君華，王生學(xué)，張侃諭.基于PLC和組態(tài)軟件的現(xiàn)代溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008（2）：25-27.

[4] 陳國(guó)輝，郭艷玲.基于OPQ的日光溫室控制系統(tǒng)軟硬件方案研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2005，33（3）：17-19.

[5] 吳小偉，史志中，鐘志堂，等.國(guó)內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（4）：1-6.

[6] 劉永華，姜秀玲.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[7] 陽(yáng)勝峰，吳志敏.西門子PLC與變頻器觸摸屏綜合應(yīng)用教程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

Abstract： In the greenhouse environment， to control environmental factors， such as temperature， humidity， light， CO2 concentration etc.， is the key of achieving high yield， high quality and high efficiency. This article expounds a design of an intelligent greenhouse control system based on PLC， this system uses WinCC configuration software as PC programming software， uses PLC as controller. It has friendly interface. Its stability and performance are reliable， and its price is reasonable. It can realize the automatic control of the environmental factors in intelligent greenhouse.

Key words： control system； PLC； WinCC configuration； intelligent greenhouse

4 系統(tǒng)運(yùn)行及試驗(yàn)分析

本控制系統(tǒng)通過(guò)軟硬件開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試，最后在生產(chǎn)型溫室進(jìn)行安裝調(diào)試。試驗(yàn)中系統(tǒng)在手動(dòng)控制與自動(dòng)控制兩種模式下能正常工作，手動(dòng)控制可以通過(guò)手動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟與關(guān)閉，自動(dòng)控制狀態(tài)下通過(guò)對(duì)待測(cè)參數(shù)控制量的設(shè)定來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的控制。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集，實(shí)時(shí)顯示并自動(dòng)記錄溫室環(huán)境溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子。試驗(yàn)期間，PLC系統(tǒng)運(yùn)行可靠，硬件系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)任何故障，軟件系統(tǒng)也正常運(yùn)行。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的溫濕度值適時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作。在上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)串行口通訊期間，沒(méi)有發(fā)生通訊中斷、系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行等狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明，將系統(tǒng)應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)工作正常，性能穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)代溫室所存在的問(wèn)題，采用PLC和WinCC組態(tài)軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)溫室智能控制系統(tǒng)。自2010年運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)硬件運(yùn)轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)定可靠，軟件系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作便捷，適合在溫室控制系統(tǒng)中應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉永華，陳志明.溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2008，34（5）：55-59.

[2] 張伏，王唯，張亞坤，等.PLC和MCGS組態(tài)軟件在溫室控制中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（10）：205-208.

[3] 李君華，王生學(xué)，張侃諭.基于PLC和組態(tài)軟件的現(xiàn)代溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008（2）：25-27.

[4] 陳國(guó)輝，郭艷玲.基于OPQ的日光溫室控制系統(tǒng)軟硬件方案研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2005，33（3）：17-19.

[5] 吳小偉，史志中，鐘志堂，等.國(guó)內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（4）：1-6.

[6] 劉永華，姜秀玲.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[7] 陽(yáng)勝峰，吳志敏.西門子PLC與變頻器觸摸屏綜合應(yīng)用教程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

Abstract： In the greenhouse environment， to control environmental factors， such as temperature， humidity， light， CO2 concentration etc.， is the key of achieving high yield， high quality and high efficiency. This article expounds a design of an intelligent greenhouse control system based on PLC， this system uses WinCC configuration software as PC programming software， uses PLC as controller. It has friendly interface. Its stability and performance are reliable， and its price is reasonable. It can realize the automatic control of the environmental factors in intelligent greenhouse.

Key words： control system； PLC； WinCC configuration； intelligent greenhouse

4 系統(tǒng)運(yùn)行及試驗(yàn)分析

本控制系統(tǒng)通過(guò)軟硬件開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試，最后在生產(chǎn)型溫室進(jìn)行安裝調(diào)試。試驗(yàn)中系統(tǒng)在手動(dòng)控制與自動(dòng)控制兩種模式下能正常工作，手動(dòng)控制可以通過(guò)手動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟與關(guān)閉，自動(dòng)控制狀態(tài)下通過(guò)對(duì)待測(cè)參數(shù)控制量的設(shè)定來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的控制。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集，實(shí)時(shí)顯示并自動(dòng)記錄溫室環(huán)境溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因子。試驗(yàn)期間，PLC系統(tǒng)運(yùn)行可靠，硬件系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)任何故障，軟件系統(tǒng)也正常運(yùn)行。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的溫濕度值適時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作。在上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)串行口通訊期間，沒(méi)有發(fā)生通訊中斷、系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行等狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明，將系統(tǒng)應(yīng)用于溫室控制系統(tǒng)工作正常，性能穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)代溫室所存在的問(wèn)題，采用PLC和WinCC組態(tài)軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)溫室智能控制系統(tǒng)。自2010年運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)硬件運(yùn)轉(zhuǎn)正常，性能穩(wěn)定可靠，軟件系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作便捷，適合在溫室控制系統(tǒng)中應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉永華，陳志明.溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2008，34（5）：55-59.

[2] 張伏，王唯，張亞坤，等.PLC和MCGS組態(tài)軟件在溫室控制中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（10）：205-208.

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[4] 陳國(guó)輝，郭艷玲.基于OPQ的日光溫室控制系統(tǒng)軟硬件方案研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2005，33（3）：17-19.

[5] 吳小偉，史志中，鐘志堂，等.國(guó)內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（4）：1-6.

[6] 劉永華，姜秀玲.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[7] 陽(yáng)勝峰，吳志敏.西門子PLC與變頻器觸摸屏綜合應(yīng)用教程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

Abstract： In the greenhouse environment， to control environmental factors， such as temperature， humidity， light， CO2 concentration etc.， is the key of achieving high yield， high quality and high efficiency. This article expounds a design of an intelligent greenhouse control system based on PLC， this system uses WinCC configuration software as PC programming software， uses PLC as controller. It has friendly interface. Its stability and performance are reliable， and its price is reasonable. It can realize the automatic control of the environmental factors in intelligent greenhouse.

Key words： control system； PLC； WinCC configuration； intelligent greenhouse