基于PLC 的植物工厂环境监控系统设计

张 慧，丁锦宏

(江苏工程职业技术学院，江苏 南通 226007)

基于PLC 的植物工厂环境监控系统设计

张 慧，丁锦宏

(江苏工程职业技术学院，江苏 南通 226007)

植物工厂的内部温度、湿度、CO2浓度、光照度等都是影响作物生长的重要环境因素。介绍了一套基于PLC的植物工厂环境监控系统，该系统通过传感器检测作物生长的环境参数，将此反馈给PLC完成数据处理，控制相关执行机构。利用MCGS组态对植物工厂环境进行远程监控。

植物工厂；环境监控；PLC；MCGS

0 引言

“植物工厂”即是对植物进行工厂化的生产与管理，与传统农业相比，它不再受外界环境条件的影响，比如光照、雨水以及病虫害等，使植物能够快速、健康地生长，是一种新型的省力型生产方式[1]。在植物工厂中，控制系统是最为核心的部分。植物工厂智能环境控制系统就是对温室内作物生长的主要环境参数进行测控，实现对作物的生长环境的自动控制，创造适宜作物生长发育的环境条件。

针对植物工厂各温室内环境参数(温度、湿度、光照和CO2浓度等)采集、监控的需要，本文设计了基于PLC的植物工厂环境监控系统。此系统是在检测温度、湿度和气体浓度的基础上实现植物工厂内小环境的调节，使整个系统更加自动化。

1 方案及控制

植物工厂环境监测系统总的设计方案如图1所示，系统主要由上位机、传感器、下位机和执行机构4个主体部分组成。首先由各环境参数传感器采集数据，然后通过A/D转换模块，将模拟量转换为数字量，上传到PLC系统中。PLC作为控制中心，对信号进行分析并产生相应的控制信号来控制电机设备，如加热器、加湿器和补光灯等的启动和停止，使各环境因素保持在适合植物生长的最佳范围内。触摸屏采用MCGS组态界面，通过RS-485接口和PLC保持通讯，对植物工厂环境进行远程监控。

2 硬件选择

2.1 PLC选择

本系统选用三菱FX2N-32MR型号的PLC作为控制主机，该型号的PLC共有32个I/O口，为继电器输出，既可带交流负载，又可带直流负载。同时扩展有8路模拟量输入通道的FX2N-8AD，转换传感器采集的各种环境数据[2]。

图1 植物工厂环境监测系统总设计图

(1) 数字I/O分配如表1所示。

表1 I/O地址分配

(2) 模拟量输入通道分配如表2所示。

2.2 传感器选择

温度传感器选用日本林电工产品HAYASHI DENKO铂电阻PT-100，该传感器温度测量范围广，测量精度高。传感器技术参数如下：测量精度±0.5 ℃，测量范围-40 ℃～100 ℃，输出信号420 mA。

湿度传感器选择JX95/01。该湿度传感器采用专用温度补偿电路和线性化处理电路。传感器技术参数如下：12/24 V DC供电，测量精度±3%RH，测量范围0～100%RH，输出信号420 mA。

表2 模拟量输入通道分配

CO2传感器选用深圳矢量联合科技有限公司生产的VEC2000系列的红外CO2检测仪。该检测仪采用NDIR红外CO2传感器，精度高，响应时间短。技术参数如下：测量精度±30ppm+3%读数，稳定性2%，分辨率1 ppm，测量范围0 ppm～5 000 ppm，输出信号420 mA。

光照传感器选用NHZD10AI，该传感器采用进口的专用照度传感核心，其稳定性好、抗外界干扰能力强。其技术参数如下：灵敏度8 μA/Lx，测量范围0 Lx～2 000 Lx，输出信号4 mA～20 mA。

2.3 硬件接线图

PLC的外部接线图如图2所示。

图2 PLC外部接线图

3 软件设计

3.1 PLC程序设计

植物工厂系统包括两种运行状态：手动操作状态和自动运行状态。如果植物工厂控制系统出现故障或者需要人工操作时，将操作系统调整为手动状态，传感器停止对环境进行检测，不同的开关按钮控制不同电动设备的启动和停止，以此来保证植物工厂的正常运行。

一般情况下，控制系统采用自动控制的方式。温湿度、CO2和光照传感器对植物工厂内的环境因素进行检测，通过PLC 的A/D转换模块将检测出来的模拟量信号转化为数字量信号发送给PLC。PLC通过对接收的数据与预定的数值比较，产生输出控制信号，对执行器进行实时控制。

控制流程图如图3所示。

图3 控制流程图

3.2 人机界面设计

MCGS(Monitor and Control Generated System)是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，该软件基于Windows平台，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制[3]。

在FX系列PLC与组态王实现通讯的系统中，组态王与PLC之间采用RS485协议的设备构件实现通讯。

首先进入登录界面，如图4所示，进入系统后的运行界面如图5所示。

图4 登录界面

图5 植物工厂监控画面

4 小结

提供一个良好的生长环境对植物至关重要。本系统的主要功能是完成植物工厂内部环境参数的采集和处理，并直接控制现场环境，它以PLC作为控制核心，利用MCGS实现人机界面，能实时处理各种情况。

[1] 杨国伟.一种新型的农业生产方式——植物工厂[J].农业与技术，2013(10):13-14.

[2] 郁汉琪．电气控制与可编程序控制器应用技术 [M].南京：东南大学出版社, 2009.

[3] 李智明. 工控组态设计与应用[M].大连：大连理工大学出版社，2014.

Design of Environmental Control System Based on PLC for Plant Factory

ZHANG Hui， DING Jin-hong

(Jiangshu College of Engineering and Technology, Nantong 226007, China)

The internal temperature, humidity, carbon dioxide concentration and light intensity of a plant factory are important environment factors on the plant growth. This paper introduces a set of environmental control system based on PLC. The environmental parameters of crop growth are detected by sensors, then the data are sent to PLC and treated, to control the actuating mechanism. The MCGS is used to perform remote monitoring for plant factory environment.

plant factory; environmental control; PLC; MCGS

1672- 6413(2015)06- 0151- 02

2015- 01- 22；

2015- 09- 21

张慧(1982-)，女，江苏盐城人，讲师，硕士，研究方向：自动化控制。

TP273

A