基于PLC和SCADA技术的智能温室控制系统设计与实现

邓顺华　龙翰威　郑吉澍　李萍　李佩原

摘   要   重庆地区设施农业不断发展，但存在夏季高温导致温室内出现60 ℃以上高温等问题亟需解决。目前重庆的设施农业在智能控制上基本靠引进，存在与重庆环境不适应、操作人员操作习惯不符等情况，导致控制系统的利用效率不高。为彻底解决这些问题，避免季节变化和极端气候条件对作物生长的不利影响，提高温室的智能化控制水平，针对重庆地区Venlo型玻璃温室控制需求，设计研发了基于PLC和SCADA技术的智能温室控制系统，实现智能温室设施的最优控制，建成投入使用1年来运行良好，试验结果表明，控制系统能实现温室环境参数的智能控制，节约了人力成本，降低了能耗。

关键词   PLC;SCADA;智能温室;智能控制系统;设计

中图分类号：S126;TP273    文献标志码：B    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.13.015

近年来，我国设施农业发展迅速，设施栽培面积约占世界的70%，设施栽培面积和总产量已居世界首位。2017年重庆市温室大棚发展总面积达到2 743.075万平方米[1]，其中塑料与玻璃连栋温室面积超过11.59万平方米。目前从国外引进的智能温室控制系统存在水土不服的情况，要么与当地环境不适应，要么操作人员不会操作等，而国内的温室控制系统大都还是原始的电控柜，只能手动操作，或者有简单的屏幕控制系统[2]，智能化程度不高，已无法满足当前智慧农业、精准农业发展的需求。在劳动力不断减少的大背景下，人工智能不断发展，我国设施农业也将向着智能化、节能化、工厂化方向发展[3-4]，可为社会提供更加丰富、安全、优质的绿色健康食品。

1 系统总体方案设计

基于PLC和SCADA技术的智能温室控制系统从总体架构分为硬件设备和数据综合管理业务系统。硬件设备包括温室控制柜、环境监测传感器、触摸屏、外遮阳、内遮荫、内保温、顶开窗、轴流风机、环流风机、百叶窗等，系统采用西门子PLC为下位机控制器，触摸屏采用昆仑通态的TPC1561HI为人机交互设备;数据综合管理业务系统包含数据库、服务层、通讯层和前端设备层，采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）即数据采集与监视控制系统进行开发。系统总体架构如图1所示。

2 控制系统硬件设计

智能温室控制系统采用PLC为下位机执行控制器，采用PROFINET协议与现场控制触摸屏通信[5]，通过扩展EM DT32模块与EM AM06模块对PLC的IO与模拟输入输出口进行扩展以满足系统需求。控制系统硬件接口与软件协议如图2所示。

智能温室控制系统包括外遮阳、内遮荫、内保温、顶开窗、侧开窗等大功率用电设备，考虑到PLC输出点位电流最大负荷为0.5A，为保障电路稳定运行，防止输出端口因负载电流过大而损坏，在系统控制电路中加入了中间继电器完成对接触器的控制，最终实现对设备的控制。为实现系统自动控制，实时感知温室内环境因子的变化情况，设计了12组室内环境因子监测传感器实现温室内温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度实时在线监测;设计了1个室外小型气象站，实现了室外温度、湿度、光照强度、风速、风向等参数的实时在线监测。为减少布线工作量，传感器采用LoRa无线通信实现数据传输，LoRa基站、气象站与PLC采用Modbus协议进行通信。

3 系统软件设计

3.1 PLC程序设计

PLC程序分为手动控制、自动控制两种模式。手动控制分为面板控制和远程手动控制，面板控制为控制柜面板旋钮控制，远程控制为服务器软件手动控制，当输入设备状态改变时，PLC对应输出口状态改变，设备状态改變。自动控制分为定时控制和智能控制，定时控制模式下可以选取相应的设备设定对应的开启、关闭时间，达到设定时间时，选定的设备自动开启、关闭;智能控制为设定温度、光照度阈值，当温室内温度、光照度达到设定阈值时，通过调用PID算法计算当前应开启的设备及数量，自动开启对应的设备，当环境温度调节至设定区域时，设备自动关停。其控制流程如图3所示。

3.2 触摸屏程序设计

为方便管理员现场管理与操作，控制系统设有现场操作屏，该触摸屏采用昆仑通泰的TPC1561HI，是一套以先进的Cortex-A8 CPU为核心（主频1 GHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏，可以同时4串口输出，USB支持鼠标、键盘、扫描枪、打印机等，具备强大的图像显示和数据处理功能[6]。现场触摸屏操作界面包含：欢迎界面、设备运转状态监控画面、参数设置界面、数据查询界面（传感器参数实时数值、历史曲线）与报警界面。系统设备运转状态监控画面如图4所示。

系统欢迎界面为系统介绍与管理员登录界面;设备运转状态监控画面包括温室内所有设备的运转状态及对应动画、控制按钮、页面传感器实时值;数据查询界面包含有当前传感器值、实时曲线、历史曲线等;参数设置界面包含自动控制和定时控制的参数设置，系统为防止误操作，设有单独的权限，需独立密码进行二次验证才能操作;报警界面包含有设备运行故障报警和参数异常报警，同时设置有确认取消功能。

3.3 服务器软件设计

智能温室控制系统服务器端采用SCADA即数据采集与监视控制系统进行开发。SCADA以数据采集、传输、存储和管理为基础，通过运用通信及计算机网络、信息采集与处理等技术，建设以温室环境监测、温室设施监控、温室设施等为核心业务的监控作业平台，开发软件采用的北京亚控科技KingSCADA 3.53。KingSCADA软件具有易学、模型多、接口丰富等优点[7]，在开发时能减少工作量，缩短开发周期。服务器通过局域网采集温室控制系统数据进行数据监控、数据管理及统计分析，通过将系统打包web发布，远程用户直接通过浏览器查看、操作控制系统。服务器端包含设备运行状态与控制界面、数据报表界面、手动控制界面、自动控制界面、预警提示界面。服务器温室控制系统首页如图5所示。

3.3.1 设备运行状态与控制

运行状态界面实时显示温室2.5D效果图，实时显示外遮阳、内遮荫、顶开窗、内保温、电动门、湿帘水泵、湿帘外翻窗、侧遮荫、轴流风机、百叶窗和侧开窗等设备的运行状态和设备开启、关闭控制操作按钮，显示传感器所在位置，点击显示传感器实时数字情况等。

3.3.2 数据报表

数据报表实现温室12组传感器与户外气象站的温度、湿度、光照度、二氧化碳实时数据、历史数据等查询。实时数据显示包含温度、湿度、光照度和二氧化碳监测曲线，显示当日0点到当前时间的数据曲线;历史数据可以根据用户需要进行查询，选定查询参数、时间，自动生成数据报表或数据曲线，并可以下载或打印。

3.3.3 手动控制

手动控制界面可以实现远程控制温室所有设备的开启、关闭操作。当设备状态改变时，控制界面设备状态也会进行相应改变。设备操作后台系统会自动记录操作事件、操作人员，管理员可以设定时间进行查询，方便温室的管理。

3.3.4 自动控制

玻璃温室自动控制界面主要实现系统自動运行时间设置和运行模式选择。当选定定时控制模式时，需要选定设备并设置对应的运行时间，当时间到达时，系统会自动下发对应指令实现控制。当选定自动控制时，需要设定温度、光照度的控制阈值，当温度、光照度达到阈值时，下发对应指令，PLC执行智能控制程序进行控制。

3.3.5 报警提示

报警提示包含设备故障提示、环境因子超限提示，提示信息包含报警日期、报警时间、报警参数名称、当前报警值、报警类型和操作员等数据信息。当报警信息发出时，系统会通过DTU向用户指定的手机号码、绑定的微信号码发送报警信息，同时现场的警报器也会同时响起，直到有管理员确认解除。报警提示系统提供历史报警数据查询，管理员可以根据开始时间和结束时间查询符合条件的报警数据，可以将报警数据导出打印。

4 小结

本文针对重庆地区Venlo型玻璃温室控制需求，设计研发了一套基于PLC与SCADA技术的智能温室控制系统，使用温室内环境监测传感器实现对温室内温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度实时在线监测，通过PLC将数据采集至控制系统，通过阈值设定、设备选择，实现温室外遮阳、内遮荫等设施的自动控制。试验结果分析表明，该系统能根据温度自动控制设备的开启与关闭，减少了人工投入成本，降低了温室设施的能耗，对重庆地区Venlo型玻璃温室向现代化、信息化、智能化发展有一定促进作用，具有良好的应用推广价值和经济效益。

参考文献：

[1] 李峦松.重庆市设施农业现状与问题分析[J].西南农业大学学报（社会科学版），2005（3）：18-19，22.

[2] 骆碧雯.基于WSN的智能温室系统研究与实现[D].杭州：浙江农林大学，2019.

[3] 范治慧.农业温室智能控制系统的设计与开发[D].大连：大连海洋大学，2019.

[4] 陈哲，李德英，刘卫兵，等.基于S7-1200 PLC与触摸屏的西瓜温室大棚智能控制[J].自动化与仪表，2019，34（7）：35-38，64.

[5] 周红英.基于组态软件的冷凝水回收与监测控制系统研究[D].苏州：苏州大学，2012.

[6] 梁博，张存喜.基于MCGS鲳鱼自动变频分拣传送系统[J].机械工程师，2020（2）：39-42.

[7] 张蕾，王趁义.KingSCADA在天津北塘污水处理厂的应用[J].科技创新与应用，2013（21）：137.

（责任编辑：易  婧）

收稿日期：2020-03-02

基金项目：政府间国际科技创新合作重点专项（2017YFE0122100）;重庆市技术创新与应用示范专项产业类重点研发项目（cstc2018jszx-cyzdX0045）。

作者简介：邓顺华（1989—），男，重庆梁平人，硕士，工程师，主要从事农业物联网及智能装备研究。E-mail： 362395225@qq.com。

为通信作者，E-mail： longhw@163.com。