基于PLC和組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)與管理效率，設(shè)計(jì)了一種基于PLC和組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)。由觸摸屏和組態(tài)王軟件組成上位機(jī)，對(duì)大棚的溫度及土壤濕度進(jìn)行監(jiān)控；由西門子S7-200系列PLC組成下位機(jī)。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)的溫度及土壤濕度參數(shù)，控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)大棚灌溉的智能化。

關(guān)鍵詞：智能灌溉；組態(tài)王；PLC；EM235；傳感器

中圖分類號(hào)： TP273；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（201412-0439-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-03-24

基金項(xiàng)目：河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：12A510021。

作者簡(jiǎn)介：葛瑜（1973—，女，浙江寧海人，碩士，副教授，從事控制科學(xué)與工程方面的研究工作。E-mail：gy_73@163com。

溫室工程是我國(guó)現(xiàn)在非常重視的一個(gè)項(xiàng)目，大棚栽培可以人為改善種植環(huán)境，生產(chǎn)反季節(jié)農(nóng)作物供應(yīng)市場(chǎng)，提高農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格，從而幫助廣大農(nóng)民致富，實(shí)現(xiàn)全國(guó)富裕。目前，很多蔬菜、花卉、水果等都是從溫室大棚中種植出來(lái)的，以溫室為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)必將成為本世紀(jì)最有活力的新產(chǎn)業(yè)。我國(guó)溫室產(chǎn)業(yè)起步較晚，雖然國(guó)家在1970年后開(kāi)始大力度扶持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但是溫室智能灌溉的研究還處于研究試制階段[1-3]，沒(méi)有成熟配套的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備。灌溉技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)非常成熟，設(shè)備也已經(jīng)市場(chǎng)化，但國(guó)外引進(jìn)的產(chǎn)品由于沒(méi)有漢化，對(duì)使用者的要求較高，并且價(jià)格昂貴，要想在國(guó)內(nèi)大面積推廣使用具有很大的難度。

PLC是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)智能裝置，具有控制簡(jiǎn)單，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)方便，易于改造的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、石油、鋼鐵、電力、汽車、[JP2]機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、輕紡、環(huán)保等行業(yè)，是現(xiàn)代工業(yè)控制的主要設(shè)備[4-7]。工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)PLC進(jìn)行組態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制中一些難以直觀顯示的情況進(jìn)行轉(zhuǎn)換顯示，同時(shí)上位機(jī)的運(yùn)用又能夠使工業(yè)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可以大大提高生產(chǎn)效率?；诖?，本研究設(shè)計(jì)了一套基于PLC和組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的溫度、土壤濕度，并控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，這樣能提高生產(chǎn)效率，使大棚的生產(chǎn)與管理實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?/p>

1系統(tǒng)總體框圖

基于PLC與組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于PLC與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行了深入的運(yùn)用，通過(guò)上位機(jī)程序與下位機(jī)程序的結(jié)合對(duì)大棚生產(chǎn)與管理進(jìn)行自動(dòng)化控制，不僅能夠使大棚中一些溫度與濕度控制更加精準(zhǔn)，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)一人對(duì)多個(gè)大棚進(jìn)行控制，這樣能夠提高生產(chǎn)與管理的效率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

[F（W11][TPGY111tif][F]

2控制要求

下位機(jī)采用西門子公司的PLC226，而溫度與濕度采集模塊采用EM235，采集的模擬量主要為溫度與濕度。整個(gè)控制系統(tǒng)中除了可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制外，為了實(shí)現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)還在每個(gè)PLC執(zhí)行單元處增加可手動(dòng)進(jìn)行一些控制的按鈕。這些按鈕可以直接對(duì)PLC的下連接設(shè)備進(jìn)行控制，無(wú)需經(jīng)過(guò)上位機(jī)，進(jìn)行手動(dòng)控制過(guò)后對(duì)上位機(jī)中程序的運(yùn)行無(wú)影響。具體控制過(guò)程為三大部分，其中又有三種不同的控制方式，三種不同的控制方式是為了使整個(gè)系統(tǒng)在控制過(guò)程中更加智能化與人性化。三種方式中有二種方式是可以通過(guò)上位機(jī)設(shè)置的切換鍵進(jìn)行切換操作，而另一種方式不需要切換，可直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的輸入進(jìn)行相應(yīng)操作。

控制方式1：整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中全部是由上位機(jī)軟件程序與下位機(jī)硬件程序結(jié)合進(jìn)行控制。下位機(jī)通過(guò)EM235模塊對(duì)外界溫濕度及土壤濕度進(jìn)行信息采集，然后將采集到的溫度與濕度信息傳遞給上位機(jī)組態(tài)軟件，上位機(jī)組態(tài)軟件會(huì)將采集到的溫度和濕度與設(shè)置的溫度和濕度信息進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)滿足溫度過(guò)高或者土壤濕度過(guò)低條件后會(huì)打開(kāi)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如打開(kāi)通風(fēng)機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，打開(kāi)灌溉機(jī)對(duì)土壤濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，溫度與濕度的設(shè)定可以通過(guò)組態(tài)軟件相應(yīng)的設(shè)置鍵進(jìn)行溫度與濕度設(shè)定值的輸入，輸入的溫度與濕度數(shù)據(jù)會(huì)存入組態(tài)程序中，當(dāng)程序執(zhí)行外界信息與內(nèi)部設(shè)定信息對(duì)比后，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)操作是通過(guò)對(duì)M區(qū)的讀寫不定期實(shí)現(xiàn)的。這種方式是為了滿足管理員無(wú)法經(jīng)常性在計(jì)算機(jī)前進(jìn)行管理操作而設(shè)計(jì)的，這樣的設(shè)計(jì)可以為大棚植物生長(zhǎng)提供一個(gè)更加合理穩(wěn)定的環(huán)境。

控制方式2：當(dāng)組態(tài)畫面中切換到手動(dòng)檔后，整個(gè)系統(tǒng)不再全部依靠上位機(jī)軟件程序與下位機(jī)硬件程序進(jìn)行控制，組態(tài)畫面中會(huì)顯示當(dāng)前大棚的溫度與土壤濕度信息，管理員可以通過(guò)組態(tài)畫面觀察到溫度與土壤濕度信息，在這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)，管理員可以通過(guò)組態(tài)畫面上相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)按鈕來(lái)打開(kāi)通風(fēng)機(jī)與灌溉機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作，整個(gè)控制過(guò)程都要依靠管理人員進(jìn)行手動(dòng)控制，控制也是通過(guò)對(duì)M區(qū)進(jìn)行讀寫操作來(lái)完成的。這樣進(jìn)行控制設(shè)計(jì)是為了在一些特定的條件滿足不同的管理需求，體現(xiàn)設(shè)計(jì)的人性化。

控制方式3：直接控制方式，為了更加方便管理人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，在設(shè)計(jì)時(shí)在大棚附近增加了可以進(jìn)行直接控制的控制面板，通過(guò)控制面板可以直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，這些在接線端子圖上可以直觀看出來(lái)，控制時(shí)無(wú)需對(duì)控制方式進(jìn)行切換，控制直接通過(guò)I/O口進(jìn)行輸入。這種控制方式，可以滿足管理人員對(duì)一些現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)上位機(jī)組態(tài)畫面進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，還有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)程序運(yùn)行過(guò)程中流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)又分為上位機(jī)畫面設(shè)計(jì)與上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。

31上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

以6個(gè)大棚為例設(shè)計(jì)了上位機(jī)的監(jiān)控界面，為了便于管理人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制，該界面具有手動(dòng)控制功能。為了能使組態(tài)畫面更加人性化與合理化，在設(shè)計(jì)畫面時(shí)對(duì)每個(gè)大棚溫度與濕度都設(shè)計(jì)了比較友好的輸入窗口，在大棚種植不同的農(nóng)作物時(shí)，可以更加方便對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，不用再進(jìn)行對(duì)程序修改，這樣的設(shè)計(jì)可以降低對(duì)管理員的素質(zhì)要求，能夠滿足大眾使用，并且使系統(tǒng)具有柔性。其監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖2所示。

[F（W14][TPGY222tif；S+2mm][F]

32上位機(jī)程序與下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要是對(duì)一些界面的動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)還對(duì)一些傳輸?shù)较挛粰C(jī)的信息進(jìn)行運(yùn)算處理，比如對(duì)某個(gè)下位機(jī)上傳的溫度信息進(jìn)行與設(shè)定信息的對(duì)比，如果采集到的溫度信息比設(shè)定的溫度大，則上位機(jī)會(huì)給下位機(jī)一個(gè)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)的請(qǐng)求，下位機(jī)收到請(qǐng)求后執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的程序流程如圖3所示。

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)中，首先要做到必須與上位機(jī)程序相結(jié)合，其中定義的一些數(shù)據(jù)變量一定要滿足上位機(jī)中設(shè)定的數(shù)據(jù)類型。

[F（W17][TPGY333tif；S+2mm][F]

4外部接線端子圖

因整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)智能控制部分程序主要在上位機(jī)程序中，因此下位機(jī)接線端子圖中簡(jiǎn)化了接線。接線端子圖（圖4中主要是一些為進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制而接的按鈕，左邊為輸入信號(hào)，右邊為執(zhí)行單元，操作左邊對(duì)應(yīng)的按鈕可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)右邊輸出單元進(jìn)行控制。

5總結(jié)

本研究設(shè)計(jì)了一種基于PLC和組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)以上位機(jī)為核心，下位機(jī)為執(zhí)行單元，最大程度地提高系統(tǒng)的智能化水平，同時(shí)由于系統(tǒng)采用組態(tài)進(jìn)行智能控制，可以極大程度上節(jié)約外部接線。采用PLC對(duì)大棚進(jìn)行控制，可以極大地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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