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）

       摘要：在植物工廠中培育作物時，需要對作物生長環(huán)境中的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境變量進(jìn)行精確的自動化管理，針對這一控制要求，設(shè)計了基于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)動和RGB光源板來實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)光照參數(shù)，通過相應(yīng)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境中的溫度、濕度、CO2濃度參數(shù)。通過組態(tài)王開發(fā)上位機(jī)軟件，采用串行通信和無線網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的通信方式，使上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)對植物工廠現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，便于遠(yuǎn)程控制。運(yùn)行測試表明，系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單、易于擴(kuò)展和維護(hù)。

　　關(guān)鍵詞：植物工廠；可編程控制器；組態(tài)；無線通信

　　中圖分類號：TH39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.029

　　引用格式：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

0引言

　　近年來，由于人口的飛速增長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、自動化程度高，生長過程不使用農(nóng)藥，產(chǎn)品安全無污染［13］。

　　植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)的高精度環(huán)境控制，實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，由計算機(jī)對作物生育過程的光照、溫度、濕度、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境因素進(jìn)行自動控制，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光源板為植物生長的光源，采用可調(diào)LED恒流驅(qū)動電源來調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度，通過傳感器采集環(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)場主控制器，通過程序可以數(shù)字化調(diào)節(jié)光照參數(shù)，自動化地控制植物生長環(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時采集植物工廠環(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接入開關(guān)信號，實現(xiàn)按鍵開關(guān)功能的輸入；輸出端用來控制執(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，通過控制程序進(jìn)行自動開啟與停止。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TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，工控機(jī)連接WiFi無線網(wǎng)絡(luò)可以與現(xiàn)場控制器進(jìn)行通信，工控機(jī)上用組態(tài)王軟件開發(fā)人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)管理平臺來實現(xiàn)對植物工廠中現(xiàn)場控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2硬件設(shè)計

　　2.1LED光源板設(shè)計

　　LED能夠發(fā)出植物生長所需要的單色光，光譜域?qū)拑H為±20 nm，經(jīng)過紅、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，采用可調(diào)穩(wěn)壓恒流驅(qū)動電源，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，需要對植物生長環(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為模擬電壓信號，所以采用的傳感器輸出信號都為模擬電壓信號。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：0～5 VDC ；濕度量程：0～100%RH，輸出信號：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：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：0～10 VDC。

　　2.3通信設(shè)計

　　為了方便用戶對人工植物環(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植物種植房間，每個種植房間內(nèi)有一臺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通過傳統(tǒng)的電纜有線方式使現(xiàn)場安裝走線不方便，通信可靠度降低，因而在此基礎(chǔ)上加入了串口WiFi無線模塊。模塊內(nèi)置無線網(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)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

　　2.4PLC輸入/輸出點分配

　　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)計有3個開關(guān)輸入、11個開關(guān)量輸出、4個模擬量輸入和4個模擬量輸出。可編程控制器選用顧美公司的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路開關(guān)量輸入、16路開關(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PLC或其他設(shè)備［9］。EX2N100H具有一塊10英寸液晶觸摸屏，用來開發(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，通過操作觸摸屏完成。PLC輸入/輸出點具體分配情況如表1所示。

3軟件設(shè)計

　　3.1PLC程序設(shè)計

　　PLC程序設(shè)計采用模塊化編寫風(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

　　根據(jù)植物生長的要求，光照控制設(shè)計為手動控制模式和時控模式，為了防止這兩種模式同時開啟造成操作混亂，引起設(shè)備故障，將時控模式與手動控制模式互鎖，當(dāng)時控模式開啟時會自動復(fù)位手動操作模式，此時手動操作無效，需要用戶取消時控模式，才能再啟動手動操作模式。

　　手動操作模式即用戶手動操作觸摸屏人機(jī)交互界面，手動開啟和關(guān)閉光源板的紅、綠、藍(lán)、紫外這四路光源，手動調(diào)節(jié)這四路燈光的強(qiáng)度。時控模式是用戶先設(shè)定好一天中的某個時段（開始和結(jié)束時間），然后設(shè)置好在這時間段內(nèi)每種燈光開啟狀態(tài)和強(qiáng)度，開啟時控模式后系統(tǒng)會自動在設(shè)置時間段內(nèi)開啟用戶設(shè)置的燈光，按用戶的參數(shù)自動設(shè)置每種燈光的強(qiáng)度，系統(tǒng)在用戶設(shè)定時間之外默認(rèn)關(guān)閉所有燈光，無需用戶手動管理。

　　紅、綠、藍(lán)、紫外燈光開關(guān)控制由PLC輸出端Y0～Y3來控制，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，對其賦值可以輸出相應(yīng)通道的模擬電壓信號。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)的模擬電壓信號給LED恒流驅(qū)動電源，調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度。光照控制程序流程圖如圖2所示。

　　3.1.2環(huán)境控制程序設(shè)計

　　環(huán)境控制的主要環(huán)境變量包括溫度、濕度和CO2濃度，對這些變量采取閉環(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來設(shè)定，模擬量輸入精度為12位，使用時直接讀取每一路模擬量對應(yīng)的寄存器數(shù)值，AD0～AD3分別對應(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，制冷機(jī)組開始啟動工作，直到當(dāng)前溫度降到TL時，制冷機(jī)組停止工作；當(dāng)前溫度T< TL時，制熱機(jī)組開始工作，直到當(dāng)前溫度上升到TH時，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加濕機(jī)構(gòu)和除濕機(jī)構(gòu)來完成，當(dāng)檢測濕度低設(shè)定值時啟動加濕機(jī)構(gòu)，當(dāng)高于設(shè)定值啟動除濕機(jī)構(gòu)。CO2濃度控制系統(tǒng)由CO2鋼瓶、減壓閥、流量計、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CO2濃度小于設(shè)定值時，PLC通過輸出端對電磁閥通電，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，新風(fēng)機(jī)組啟動，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)計為手動控制模式和自動控制模式，手動模式下可以自由手動控制環(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。自動模式下，用戶設(shè)置設(shè)定好參數(shù)系統(tǒng)會自動管理執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制環(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

　　本系統(tǒng)中控制器EX2N100H與串口WiFi無線模塊是通過串行通信方式通信，串口WiFi無線模塊通過串行通信將PLC控制器的數(shù)據(jù)透明傳輸至無線網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)程序通過無線網(wǎng)絡(luò)完成對現(xiàn)場PLC控制器的監(jiān)控。EX2N100H進(jìn)行串口通信之前需要通過程序進(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)長度8位、無奇偶驗證、1個停止位、波特率9 600 b/s。D8120為從機(jī)站號寄存器，配置從機(jī)地址1～247，D8126為發(fā)送延時寄存器，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只在第一個掃描周期執(zhí)行串口通信配置程序。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計

　　上位機(jī)監(jiān)控軟件可以通過無線WiFi與同一個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、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來開發(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)計功能

　　可以統(tǒng)計任意時刻的光照強(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繪制任意時刻的室內(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)計了植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)光照參數(shù)，自動化地管理環(huán)境中的溫度、濕度、CO2濃度，適應(yīng)于多種作物生長要求。采用串行通信和無線網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的方式，使植物工廠現(xiàn)場安裝布局更靈活，通過組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)軟件監(jiān)控終端，使系統(tǒng)操作更加簡單、擴(kuò)展性更好、穩(wěn)定性更高，顯著提高了植物工廠的自動化控制和管理水平。

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