基于PLC、MCGS组态技术的北方寒地温室环境监控系统设计

胡金山　王熙

摘要：北方寒地温室环境中温湿度直接影响温室作物的生长周期、单位产量。传统温室控制根据温室管理者种植经验，人工手动调节温室内温湿度参数，存在反应时间长、处理不及时、运行成本高等问题。本系统利用PLC技术、MCGS组态技术，不仅实现温室环境的实时控制，而且良好的人机交互界面降低了温室管理者的操作难度。下位机实时采集温室内参数，自动执行相应机构动作。上位机显示当前各参数信息和控制情况，并进行数据存储，提高了温室管理的效率和难度，满足温室作物生长要求，提高农民的经济效益。

关键词：北方寒地；温室环境；PLC技术；MCGS组态技术

中图分类号： TP277.2；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0510-03

我国是农业大国，温室作物生产水平相对较低。温室生产过程中，温室温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等环境因子直接或间接影响温室作物的生长和产量[1]。其中，温度、湿度这2个环境因子影响效果较为显著。温室环境监控系统是在充分利用自然资源的基础上，通过监测并改变环境因子，如温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等环境因子来获得作物生长的最佳条件[2-4]。我国大部分温室集中在北方地区，冬季温度往往低于0℃，必须依靠温室环境监控系统创造适宜的温室作物生长环境。为了满足北方地区现代化农业生产的要求，研究人员设计了温室环境监控系统[5]。该系统可以实现实时对温室环境因子中的温度、湿度进行监测，利用可编程控制器（PLC）处理采集的数据，通过调节相关执行机构自动调节温室环境因子，实现温室环境信息采集[6-7]。系统整体运行稳定性强，温室环境因子调节效果好，整体设计要求合理，能达到增加作物单位产量、改善作物品质、调节作物生长周期、提高经济效益的目的。

1 系统组成

温室作物生长过程中，温室温度、湿度是决定作物高产与否的关键性因素。对于现代农业温室系统来说，最佳的温室调控效果是根据温室作物不同生长期提供适宜的温度、湿度，保证温室作物快速、正常生长。本系统是以PLC为核心的温室监控系统，采用PID控制方式，以MCGS组态触摸屏（昆仑通态公司）为上位机，显示温室当前状态，进行自动控制切换、手动控制，将数据生成实时曲线、历史曲线，完成数据的记录、存储。执行机构主要包括温度控制机构、湿度控制机构。其中温室增温采用低温热水地板辐射采暖技术，通过控制通风装置、遮阳装置调控降温。采用喷灌系统给温室加湿，通风装置降低温室湿度。整个系统构成若干个完整的回路，实现对温室温度、湿度的实时监测与控制[8]。系统组成如图1所示。

2 硬件配置及工作原理

2.1 硬件配置

PLC采用PLC CPU 224XP（福州奈特电子科技有限公司），

该款PLC为国产PLC，完全兼容西门子S7-200 PLC CPU 224XP，具有24个输入点数、16个输出点数、2个 0～10 V 模拟量输入、1个模拟量输出、2个RS 485接口。 西门子EM235模拟量输入输出模块在本系统中作为模拟量输入输出模块采用，其主要作用是将传感器采集到的PLC无法识别的0～10 V 或0～20 mA模拟量转换为PLC可识别的数字信号，执行机构所需要的0～10 V或0～20 mA运行信号是逆过程，从而完成整个数据采集及执行机构控制闭合回路。

温度检测部分选用SBWZ系列温度变送器，分度号为Pt100，精度为0.2%F.S，工作电压为24 V直流电，输出为4～20 mA电流，量程为0～100 ℃，通过与Pt100热电阻连接完成温度检测。输出信号为4～20 mA电流信号。湿度采集部分选用SWR-100土壤水分传感器，输出信号为0～10 V直流电压。温度采集和控制硬件连接如图2所示。

人机交互部分采用MCGS组态触摸屏，与PLC的通信采用RS-232数据传输，从而完成实时状况的显示及相关数据的存储。

2.2 工作原理

本温室环境监控系统中，温湿度传感器将检测到的温湿度值通过温湿度变送器传送给PLC的模拟量I/O，将传送过来的模拟量转换为数字量，并将结果传送给PLC。PLC将检测到的温湿度值与设定值进行比对，并按照设定的控制规律对误差值进行运算，将运算结果通过PLC的模拟量I/O，将数字量转换为执行机构可识别的0～10 V电压信号或0～20 mA电流信号。驱动相应执行机构完成特定动作，从而实现温室环境的实时监测、在线控制。

3 软件设计

3.1 上位机软件设计

上位机软件设计采用MCGS组态软件，MCGS组态软件是基于Windows平台开发出来用于快速构造、生成上位机监控系统的组态软件系统，此组态软件可在Microsoft Windows XP/7等操作系统上运行。能够为用户提供解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集并进行采集数据的存储、处理实时数据和历史数据、危险报警和系统保护安全机制、系统流程控制状态显示、监控画面动画显示、历史和实时趋势曲线的绘制以及企业监控网络等功能。使用MCGS组态软件，在相对较短的时间内，用户可以轻而易举地完成系统运行稳定、监控功能全面、系统维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠[9]。

根据系统要求，人机交互界面设计如下：（1）监控主画面（图3）。显示温湿度传感器检测到的温室温湿度等参数，进行相关参数的设定及专家建议值的显示；进行系统自动控制与手动控制的切换，执行手动控制相关动作；系统出现故障时，进行报警提示并记录相应的报警信息。（2）实时趋势曲线画面。根据实时监测到的温室环境参数生成实时趋势曲线，温室管理人员可方便、直观地观察温室环境各参数的变化趋势。（3）历史趋势曲线画面。根据记录的温室各参数生成历史趋势曲线，并进行数据存储。以便日后农学专家进行相关试验研究，并提出适合温室农作物生长的各项参数最佳值，为温室管理者提供专家意见、管理意见。endprint

3.2 下位机软件设计

STEP7-Micro/win32是西门子公司专为SIMATIC系类S7-200研制开发的基于Windows平台的应用编程软件。用户可以使用个人计算机创建、编辑、修改程序，STEP7-Micro/win32的图形编辑器可以检查语法的正确与否，并支持在线实时监控用户程序的运行状态，也可以根据用户需要强制执行某个参数或状态。本系统采用此编程软件中的PID功能指令，将采集到的温室环境参数按照采样时间执行PID功能指令，按照PID控制算法规律，根据PID功能指令当时给出的比例、积分、微分数据，计算输出量，并通过相应的执行机构完成温室环境的实时调控，软件流程图如图4所示。

根据温室环境监控系统系统需求、系统组成，将PLC的输入端子、输出端子分配如表1所示。本研究以温度监控部分为例，阐述了 PLC在温度检测和控制上的原理和编程。温度传感器Pt100将检测到温度通过温度变送器SBWZ，信号为4～20 mA电流信号，经过500 Ω电阻，输出信号转换为0～10 V 电压信号，通过PLC自带模拟量I/O将采集到的模拟量转换为数字量，并将处理结果传送给PLC。PLC将检测到温度值与设定值进行比对，如果检测值高于设定值，则通过PLC进行PID运算，降低低温热水地板辐射系统中热水供应管端比例阀的开度，调整冷水混合与热水混合的比例，从而使得流经整个低温热水地板辐射系统的水温下降，达到降低温室温度的目的（图5）。

4 结论

温室环境监控系统是一个非线性、时变大、惯性大的相对复杂的系统，在整个控制因素中，温湿度监控尤为重要，直接影响温室作物的生长和产出。该温室环境监控系统采用PID调节，可通过实际生产经验和专家建议设定PID控制参数，达到最佳的控制效果。该系统整体设计合理，系统稳定性强，控制效果好，超调量小，能够很好地实现对温室环境温湿度进行监测，满足温室作物对生长条件的要求，达到了增加作物单位产量、改善作物品质、调节作物生长周期，提高经济效益的目的。

参考文献：

[1]金 博，乔晓军，王 成，等. 基于触摸屏的温室环境监控系统的人机界面实现[J]. 农业工程学报，2004，20（1）：267-269.

[2]刘 方. 虚拟仪器技术在温室控制系统中的应用研究[J]. 农业装备技术，2010，36（1）：9-10.

[3]吴小伟，史志中，钟志堂，等. 国内温室环境在线控制系统的研究进展[J].农机化研究， 2013（4）：1-5.

[4]王 秀. 多功能智能温室监控系统设计[J]. 安徽农业科学，2011，39（13）：8086-8088.

[5]高 路. 北方寒地温室大棚自动测控系统设计[J]. 时代报告：学术版，2011（8）：299.

[6]李锡文，杨明金，杨仁全. 现代温室环境智能控制的发展现状及展望[J]. 农机化研究，2008（4）：9-13.

[7]王纪章，李萍萍，彭玉礼. 基于无线网络的温室环境监控系统[J]. 江苏农业科学，2012，40（12）：373-375.

[8]章海亮，刘雪梅，刘燕德. 温室环境下多变量的控制系统设计[J].农机化研究，2010（4）：147-150.

[9]李 毅. 枕式包装机上位机监控系统设计[J]. 电脑知识与技术，2010，6（13）：3541-3542.耿永志. 农村社会治理的农民参与研究——以垃圾治理为例[J]. 江苏农业科学，2015，43（10）：513-516.endprint