基于MCGS组态技术的温室环境监控系统设计

郭东平, 赵媛

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)



基于MCGS组态技术的温室环境监控系统设计

郭东平, 赵媛

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

温室监控技术因程序设计复杂、人机界面不够友好而造成系统开发困难，将MCGS组态技术引入现代温室监控系统中，通过温湿度传感器测量参数并以PLC为处理核心、MCGS触摸屏为人机交互界面可有效实现温室环境的监视与控制。结果表明基于MCGS组态技术的温室环境监控系统具有人机界面友好、开发周期短的特点，可应用于各种中、小型温室大棚环境监控系统中。

温室监控；触摸屏；组态技术；传感器；PLC；MCGS

0 引 言

温室作为植物的最佳生长环境，可以提供各种植物生长所需的一切环境因子，例如：环境温度、环境湿度、土壤温度、土壤湿度、光照度等。故温室的环境因子控制是现代农业成产的关键技术环节，目前可利用单片机或PLC(Programmable Logic Controller)等技术实现控制，但是监视技术目前较为单一，中小型温室普遍采用人工监视或手持检测设备进行单一的温湿度等基本参数检测，而对环境检测、控制、显示基本是分离的[1]，即便现有的温室监控系统具有一定的监视显示环节也存在开发周期长、技术难度高等客观因素，因此本文以温湿度参数监测为例，提出一种基于MCGS(Monitor and Control Generated System)组态技术的温室环境监控系统的设计方案。

1 系统总体设计

本次温室监控系统采用PLC作为核心控制器[2-4]，利用传感器监测环境参数，通过模拟量单元处理数据传送给PLC，最后通过MCGS触摸屏作为人机交互界面，对温室现场参数进行实时监控。为了方便及有效地应对温室环境的其他突发状况，本系统具有手动工作模式和自动工作模式，在手动工作模式下系统可实现对外部控制设备的直接启停操作；自动模式下无需人工介入便可进入正常调节温室环境因子的工作状态。

1.1 系统结构图

本系统主要使用PLC作为控制核心，将环境温湿度及土壤温湿度传感器以及光照度传感器与模拟量单元进行连接，进行温湿度及光照度的参数采集，再经过PLC程序进行逻辑运算与控制，对风机、补光灯、加热设备、滴灌泵、喷灌泵进行闭环控制来调节温室的环境参数，最后通过连接一块MGCS触摸屏，来对整个系统进行监控。系统整体设计框图如图1所示。

图1 系统整体框图

1.2 主电路接线图

本系统主电路如图2所示，采用三相四线制供电，断路器QF作为主电路控制开关，采用KM1-KM4四个交流接触器以及一个中间继电器KA用于分别控制降温风机、滴灌泵、喷灌泵、加热器、补光灯的启动和停止。

图2 系统主电路图

1.3 PLC硬件电路接线图

依据系统的控制要求本系统采用三菱系列FX2N-32MR型PLC，以及两块FX0N-3A模拟量单元[5]，用于控制5个输出设备，及4路温湿度模拟信号的采集；PLC的输出点Y0-Y4控制加热灯、补光灯、通风风扇、喷灌泵、滴灌泵，并使用中间继电器进行电气隔离，两块模拟量单元分别连接环境温湿度及土壤温湿度传感器，并采用24 V稳压电源单独供电，保证了采集信号参数的稳定性。

为了提高系统运行的可靠性及操作的便利性，本系统采用了转换开关SA作为手动模式和自动模式的切换，当SA1开关置于手动位置时，即使PLC控制器故障也可直接通过外部设备对应的按钮对外部设备进行手动直接启停控制；在自动模式下则只需要在触摸屏上设定好所需的环境、土壤温湿度参数值，系统即可对温室环境、土壤实时参数进行自动调节，硬件电路接线如图3所示。

图3 PLC硬件接线图

2 组态监控设计

本次温室监控系统人机界面设计采用国内装机量较大的北京昆仑通泰MCGS 7.2嵌入版工控组态软件，配合TPC7062K触摸屏完成PLC智能温湿度监控人机界面的设计。MCGSE (Monitor and Control Generated System for Embeded)嵌入式通用监控系统是一种用于快速构造和生成监控系统的组态软件。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用[6-8]。因此使用MGGS组态软件可以以较短的时间开发出系统的人机界面，从而缩短了整个项目的工期[9]。

2.1 建立工程

进入 MCGS 组态环境，首先新建一个工程名为“温室控制系统”，选择TPC类型为TPC7062K型触摸屏，其它为缺省设置，进入系统工作台界面后再建立三个用户窗口，分别为温湿度监控系统、温湿度曲线、温湿度历史曲线。如图4所示。

图4 系统工作台界面

2.2 建立实时数据库

实时数据库是MCGS工程文件的数据交换及数据处理的核心，在实时数据库界面下建立与PLC系统相关的数据变量，是构成实时数据库的基本单元，本系统主要有三种变量类型需要建立，分别为数值型、开关量、组对象，需要建立环境温湿度、土壤温湿度等共计27个变量。主要变量类型如表1所示。

2.3 人机组态界面设计

依据系统功能要求，在组态触摸屏中设计出空气温湿度、土壤温湿度的数据显示界面，利用组态软件“输入框”的功能作为温湿度的上、下限设定值输入框，同时设计出“虚拟报警灯”用于超限报警；在操作模式上，要求系统具备自动、手动工作模式，因此在触摸屏界面中同时设计出了外部控制设备的“虚拟开关”，分别为加热设备手动启停开关、补光设备手动启停开关、风扇手动启停开关、滴灌、喷灌手动启停开关，并与实时数据库中建立的变量进行动画连接。

表1 控制系统变量分配表

2.4 设备连接

动画连接完成后需要进入MCGS工作台的设备窗口进行通用串口父设备的基本属性设计才能与PLC设备进行通信，否则将无法与PLC连接成功。

2.4.1 通用串口父设备设置方法

MCGS组态设备窗口下子设备需要添加在父设备下才能有效运行，因此在设备窗口界面下先添加通用串口父设备，并挂接三菱FX系列编程口为子设备，并对通用串口父设备进行基本属性设置，将与PLC通信波特率必须设置成6 bps～9 600 bps，数据位位数设置成0～7位，数据校验方式选择偶校验，方可与三菱系列PLC正常通信。

2.4.2 三菱FX系列编程口的属性设计

对于子设备三菱系列编程口的属性设置，需要先增加本次PLC所使用的设备通道编号，并与实时数据库中对应的变量进行连接，才能将控制器PLC的I/0信号读入MCGS组态设备中。具体PLC变量连接通道可参照表1中所示。

2.4.3 运行调试

图5 触摸屏人机交互界面

根据系统的设计方案，制作了长120 cm、宽60 cm、高150 cm的小型PLC温室控制系统，设备安装完成后将组态人机界面配置文件下载至TPC7062K触摸屏进行连机运行，在系统启动工作界面下，设置好环境及土壤温湿度的上下限值，并分别将系统切换到自动或手动模式，查看运行情况是否与设计要求一致。经过反复的运行与调试后，系统在手动模式时，可直接通过对应的按钮有效启停降温风扇、加热灯、LED补光灯等温室调节设备，在自动模式下，系统可根据环境的温湿度变化自行启停降温风扇、加热灯、LED补光灯等温室调节设备，从而实现自动控制，并达到了设计要求。图5所示为系统自动工作状态时MCGS触摸屏的工作界面，其中空气温度、土壤温度超出下限设定值、土壤湿度超出上限设定值时报警灯、加热信号指示灯和补光信号指示灯点亮。

3 结束语

本次设计利用三菱FX2N-32MR系列PLC和北京昆仑通泰MGCS组态软件及TPC7062K型触摸屏，实现了温室环境监控系统设计，同时系统具有手动启停模式和自动运行两种工作模式应对不同工作环境下的特殊需求，经测试运行后，本系统运行稳定，操作方便，从而可以对各类中、小型温室大棚环境的监控提供设计方案。

[1] 龙建明,熊刚,张争刚,等.基于单片机温室环境控制系统的设计[J].湖北农业科学,2015,5(9):2238-2241.

[2] 狄敬国,李秀美.基于PLC、变频器和触摸屏技术的温室大棚控制系统设计[J].农业装备技术,2012,38(5):39-41.

[3] 黄军友.基于PLC和组态的车辆清洗系统设计[J].自动化技术与应用,2014,32(4):40-46.

[4] 张伏,王唯,张亚坤,等.PLC和MCGS组态软件在温室控制中的应用[J].农机化研究,2014,10(10):205-208.

[5] 赵华军.FX0N-3A模拟量模块的应用[J].工业控制计算机,2010,23(11):33-36.

[6] 王宇,任思璟,李忠勤.PLC电气控制与组态设计[M].北京:电子工业出版社,2010.

[7] 何文勇.PLC 和组态软件在联合站集输控制系统中的应用[J].工业控制计算机,2008,21(12):6-8.

[8] 齐岩磊,陈娟,祁欣.基于单片机和组态王的温度监控系统的设计[J].电子测量技术,2011,34(7):54-57.

[9] 马国华.监控组态软件的相关技术发展趋势[J].自动化博览,2009,27(2):16-19.

Design of Greenhouse Environment Monitoring System Based on MCGS Configuration Technology

Guo Dongping, Zhao Yuan

(Yangling Vocational and Technical College, Yangling Shaanxi 712100, China)

Greenhouse monitoring technology is difficult to develop due to programming complexity, not friendly enough for human-computer interface. By introducing MCGS configuration technology into the modern greenhouse monitoring system, measuring the parameters by temperature and humidity sensors and taking PLC as the processing core, MCGS interactive touch screen interface can effectively implement monitoring and control of greenhouse environment. The results show that the greenhouse environment monitoring system based on MCGS configuration technology features friendly interface, short development cycle, and can be applied in a variety of medium and small greenhouse control system.

greenhouse monitoring； touch screen； configuration technology； sensor； PLC； MCGS

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.030

TP29

A

1000-3886(2016)04-0097-03

郭东平(1982-)，男，陕西咸阳人，硕士，讲师，主要从事电气与自动化技术方面的教学和科研工作。

【通信简介】 赵媛(1979-)，女，陕西长安人，本科，讲师，主要从事机电及电气专业的教学和科研工作。

定稿日期: 2016-01-27