HMI和PLC在多站式温室育苗系统中的应用

张炳权　田思庆　魏强

摘要：基于HMI（触摸屏）和PLC（可编程逻辑控制器）设计的多站式温室育苗远程监控系统，用户可以根据植物的生长需要设置环境变量，以HMI作为人机交互界面，监控温室大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度等环境信息。以西门子PLCS7-200作为主控制器，通过给定值与测量值比较以及程序运算，驱动现场继电器、电动机和阀门实现自动控制。通过网络，实现管理区与现场的上、下位机通信，并将管理、监测和执行三者联结在一起，实现“三位一体”多站式温室育苗基地的智能化管理。该远程监控系统人机界面好，操作方便，具有良好的推广价值和市场前景。

关键词：HMI（触摸屏）；PLC（可编程逻辑控制器）；多站式；温室育苗；环境信息

中图分类号： TP273 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0399-04

我国国土资源丰富，农作物种植有着得天独厚的条件，大力发展农业自动化装备成为科研领域一个重要的研究方向。在温室环境中，针对设施化温室可调控因素多、经济附加值高的现状，研制出以PLC（可编程逻辑控制器）作为温室中所有设施的控制站，通过测量温室中的温度、湿度、光照强度、CO2浓度等来获得农作物生长的当前条件，通过模型分析、自动调控温室环境，控制空调、灌溉和施肥作业，同时发布预警信息，实现温室集约化、网络化自动管理，达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。温室环境监控系统有助于改善温室环境，提高育苗的质量和产量，使温室的管理由人工化走向自动化[1]。

温室育苗是现代农业发展的一个重要组成部分，因此科学合理的运行模式、更加成熟的自动化设备成为评判温室基地育苗质量的一个重要标准[2]。本研究按照现代育苗基地的现状，设计出多站式温室育苗系统，其特点是将管理、监测、执行3个部分有机地结合到一起，使温室育苗更加人性化、多元化、可视化。

1 系统组成和总体设计

本系统采用PLC作为现场控制器，外围的各类传感器和执行机构共同配合完成温室中温度、湿度、CO2浓度、光照度等的检测与控制。现场用HMI（触摸屏）作为设置环境变量的人机交互界面，并与办公区的网络进行联网，通过上、下位机通信，实现管理办公区与生产层的网络化管理，其中监控系统的视频影像也一同联入办公区，其示意图如图1所示。通过办公区的电脑可以远程访问温室内的HMI并对其进行相应权限的操作，本系统还可支持移动化办公，只要在办公区或者在场区内的Wi-Fi覆盖下，就可以在APP软件支持下通过手机或者其他移动设备，输入相应的HMI地址和密码，即可对任意一间温室内的HMI进行操作，真正做到了设备人性化、管理多元化、操作可视化。

2 系统硬件电路设计

整个系统的硬件结构示意图如图2所示。本系统场区硬件部分由西门子PLC S7-200 CPU226、数字扩展模块EM222（16输出）、模拟量扩展模块EM231（4输入）、模拟量扩展模块EM235（4输入/1输出）和威纶通公司的MT8100iE触摸屏等部分组成。外围检测部分由温度、湿度、CO2浓度、光照度、pH值检测传感器和监控摄像头等部分组成。执行机构分别由水泵、回水泵、补光灯组、二氧化碳补气阀、灌溉电磁阀等设备组成。

2.1 系统主电路

如图3所示，此系统主电路设备包括2台空调（每个空调还配有2台空调风机）、1个水泵、1个回水泵、3组光照灯、4组轮灌机构、1个二氧化碳补气阀和1台通风机等。闭合空气开关，如果接触器触电吸合，则其相对应设备启动。

2.2 系统的控制电路

控制电路包括2个部分：一部分是手动控制，通过手动按动按钮来控制设备的运转；另一部分是通过PLC自动控制，根据所设定的固有程序，自动启动或者停止设备，以达到自动育苗的目的。通过转换开关来实现手动和自动的转换，当SA1打到ON状态，线圈KA1、KA2、KA3、KA4吸合；当SA1打到OFF状态，KA1、KA2、KA3、KA4断开，这样就实现了手动/

自动模式的转换。手动模式下，无论PLC发出任何指令，设备都不会执行，只有切换回自动状态才会接受PLC的控制信号[3]。其中控制电路手/自动切换部分电路如图4所示；PLC控制部分电路如图5所示。

3 系统软件设计

3.1 PLC程序的设计

根据育苗基地的要求，在每座温室大棚中孕育不同的幼苗，因此根据不同的幼苗生长环境要求，可以随时设置系统参数。在PLC中设立多个寄存器，可方便技术人员通过触摸屏修改为适合该幼苗所需的环境参数。在温室中温度、光照度、pH值、营养液浓度和CO2浓度是幼苗生存的关键因素，因此这些参数的监控非常重要[4]。如果通过人工方式进行监控与调节育苗所需的生长环境与参数，将大大浪费人力、物力和财力。而通过本套系统可以实时测量和调节，使幼苗在温室中始终保持一个优越的生长环境，从而提高了幼苗的成活率[5]。

各类传感器将检测到的温度、湿度、二氧化碳浓度等参数转换成4～20 mA的电流信号，然后通过模拟量输入模块将

标准的模拟信号转变成数字信号，在程序中对这些数字信号进行量化处理后，显示出实际的被测参数。在控制系统中，通过触摸屏设置育苗所需要的理想参数，传感器将检测到的测量值与标准值进行比较，当测量值高于标准值或者低于标准值时，PLC发出相应指令驱动执行机构动作，使得被控参数满足控制精度要求[6]。

报警环节包括设备故障报警和环境超标报警。在现场安装有报警装置，当设备或者参数超标时，现场发出警告信号报告给技术或者管理人员，技术人员第一时间可以对系统问题进行处理。系统主程序流程图如图6；温度控制子程序流程图如图7；光照子程序流程图如图8。仅以温度控制子程序流程图为例进行以下讲解，在进入温度子程序后先判断程序是手动控制还是自动控制，如果是手动控制就执行手动控制的程序，在HMI中手动控制界面内可以随意控制想要启动或者停止的设备。如果是自动控制，那么程序中有8个提前设置好的时间点，这8个时间点中有6个时间点决定了三挡光照灯组的开启和关闭，当到达T1时间点时，第一挡灯光开启；当到达T2时间点时，第二挡灯光开启；当到达T3时间点时，第三挡灯光开启；而当到达T5时间点时，第一挡灯光关闭；当到达T6时间点时，第二挡灯光关闭；当到达T7时间点时，第三挡灯光关闭。这些时间点的设定是根据不同幼苗和地区来设定的，需要专业人员来设定。

3.2 触摸屏程序的设计

威纶通公司生产的MT8100iE触摸屏（HMI）内部支持VNC服务，同时还支持EasyAccess服务。VNC服务可以将HMI的使用延伸至办公区或移动设备，触摸屏通过网线联入局域网，工程人员在办公区的PC设备上通过VNC软件，输入所要访问温室的HMI的IP地址以及密码就可以将现场的HMI的画面传到PC机上，并进行操作。VNC在PC机上的登录画面如图9所示。EasyAccess服务可以将采集到的温室内环境参数的历史数据上传至网络，工程师可以在任意有网络的地方登录到相应的网站查询现场环境和设备运行的历史数据[7]。

HMI的主要功能是人机的信息交互，通过HMI可以直观地看到温室内环境参数的各项指标以及各参数运行的实时曲

线。在HMI画面的设计中，主要包括以下几类画面：第一类是总貌画面，包含所有的控制画面，方便用户快速准确找到所需要设置的参数位置；第二类是设置画面，主要是温度、湿度、光照和二氧化碳等各项参数的设置画面；第三类是实时趋势画面，根据环境参数变化形成参数曲线画面，方便管理人员观察环境参数的变化趋势；第四类是报警画面，负责监测现场状况，当现场运行的设备出现异常情况或环境参数数据出现异常变化的时候弹出报警框，在提供声光报警的同时显示故障的位置，并存有历史记录。如图10为部分HMI上的画面。

4 结论

育苗基地温室系统通过网络，将现场和办公区联结到一起，做到集中管理、分散控制。下设的不同现场基地可适合不同的幼苗培育，只要技术人员在HMI上输入适合该幼苗生长的环境，就可以按照所给出的参数在温室内营造出预想的环境，提高幼苗的成活率。本系统具有自动化管理程度高、系统易扩展、可靠性高和经济性强等特点，尤其是可以适时调整被

控参数，适合不同农作物的育苗环境，具有广泛的市场和潜力。此系统更加适合大范围的育苗温室，工作人员在办公区就可轻松监测幼苗的生长状况，并且可以通过记录的数据进行分析汇总。当遇到技术问题还可以远程求助该方面的专家，真正实现了城乡科技的结合。

参考文献：

[1]何 勇，聂鹏程，刘 飞. 农业物联网与传感仪器研究进展[J]. 农业机械学报，2013，44（10）：216-226.

[2]高 尚，陈景波. 智能温室控制系统的研发与开发[J]. 中国高新技术企业，2015（4）：13-14.

[3]付焕森，赵振江. 基于PLC和组态技术现代农业温室控制系统设计[J]. 农机化研究，2013，35（12）：185-188.

[4]韩 剑，吴德清. 基于Andriod与GSM的温室大棚远程监控系统[J]. 江苏农业科学，2015，43（4）：397-399.

[5]刘 义，王 熙. PLC与变频器在滴灌系统中的应用[J]. 农机化研究，2013，35（9）：209-212.

[6]西门子S7-200可编程控制器系统手册[Z]. 2004.

[7]威纶通EBpro软件使用说明书[Z]. 2014.