基于PLC的温室自动监控系统设计

王宏涛， 李红莉， 程真英， 陈晓怀

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,合肥 230009)

基于PLC的温室自动监控系统设计

王宏涛， 李红莉， 程真英， 陈晓怀

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,合肥 230009)

有效控制温室温湿度环境是温室业研究的重要课题之一，以西门子S7-200系列小型PLC作为控制器，组建温室自动监控系统，可实时采集控制温室的温湿度，并利用串行口通信实现与上位PC机的信息交互，用户可通过上位机监控软件监测温湿度信息，并可选择手动或自动两种控制模式实现温湿度调节控制。通过试验，该系统实现了温室温湿度信息的采集、显示与预警，并能够可靠实现温湿度控制；上位机监控软件界面友好，操作方便，能够保存采集的温湿度信息，方便用户进行数据分析。该设计对于温室环境自动监控以及PLC实践教学具有一定实际意义和应用价值。

温湿度控制； 可编程逻辑控制器； 串口通信； 实践教学

0 引 言

温室能够为农作物提供一个相对良好的生长环境，能够带来巨大的经济效益。随着科学技术的不断进步,温室产业发展迅速[1-6]。目前，美国、加拿大等农业强国在温室管理方面已经完全实现自动化、智能化操作，极大地节省了人力物力。我国温室管理自动化水平相对较低，控制效果不佳，因此通过自动监控系统有效调控温室的温湿度环境，对我国温室业的发展具有重要意义。

PLC控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强等突出优点，广泛应用于生产生活的各个领域。其中，西门子S7-200系列小型PLC结构紧凑、功能丰富、通信灵活方便[7-9]。因此，采用西门子S7-200系列PLC作为温室温湿度自动监控控制器，实现温室温湿度采集与控制，切实可行。

1 硬件组成

根据实际温室面积，可考虑采用多台PLC进行现场控制，利用网络，集中应用一台上位PC机实现分布式控制。每台PLC控制器均可与上位机进行交互，对所辖温室温湿度进行自动监控。上位机基于Labview图形化软件开发平台编制监控软件，设立自动和手动两种控制模式，方便用户进行监视和操控，用户可通过上位机指挥PLC控制器实现温湿度采集，根据温室控制要求，系统能够对温湿度超限情况做出报警，并控制通风、供热、除湿、加湿等设备，实现温室温湿度的自动调控。系统搭建方便，经济实用。

1.1 硬件配置

系统采用一体化温湿度传感器SM1910B采集温湿度信息，成本低、实用性强，较传统温湿度分别检测更加安全可靠，且可以避免过多的外部接线。温度测量范围-40 ℃～123.8 ℃，湿度测量范围(0%～100%)RH。传感器可通过RS485接口与PLC相连，采用工业广泛使用的MODBUS-RTU通信协议传输数据信息。

综合考虑温湿度监控所需要连接的输入输出设备，控制器采用S7-200系列小型PLC CPU224XP，它具有数字量I/O点数14输入10输出，模拟量I/O点数2输入1输出，以及两个RS485通信接口，可与温湿度传感器和上位PC机同时进行通信。

1.2 I/O地址分配

PLC控制器的输入主要是启停控制信号，输出信号主要控制交流接触器、继电器、电磁阀等，I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

1.3 PLC外部接线图

根据PLC的I/O地址分配列表，参考西门子PLC系统手册，可绘制出该系统的PLC外部接线如图1所示。在接线时，需要考虑电机保护，采用接触器辅助开关实现互锁保护。

图1 PLC外部接线图

2 通信协议

设计中采用串行自由口通信实现PLC与上位PC机的信息交互。上位PC机利用LabVIEW中VISA串口通信函数编写数据采集程序，采用串口通信的方式与PLC实现数据通信。

设计中自定义PC机与PLC通信协议，协议格式中包含数据包头、PLC地址、代码、校验位[10]。具体协议数据包定义如表2所示。

表2 自由口通信数据包定义

3 软件设计

3.1 PLC控制

PLC上电运行首先初始化，进行自由口通信设置，设置特殊标志寄存器中的SMB30和SMB130，选择自由口通信模式，波特率9 600 bit/s，打开通信和定时中断。PLC定时采集温室温湿度信息，并实时响应上位PC机的通信要求，根据要求传送温湿度数据或执行相应控制动作。程序流程如图2所示。

图2 PLC程序流程

3.2 上位机监控

图形化软件开发平台labview采用数据流编程方式，程序执行效率高，且方便创建友好的用户界面[11-15]。因此，上位机基于Labview平台编制温湿度监控软件。

系统开启后，温湿度传感器集现场温湿度值，通过PLC将采集到的温湿度值送入上位机中， PC机读取温湿度流程如图3所示。上位PC机将其与预先设定的温湿度值进行比较，根据手/自动控制模式选择相应控制流程，监控流程如图4所示。

图3 PC机读取温湿度 图4 PC机监控流程

在自动模式下，当采集到的温度值超过设定值时，上位机发出控制信号，控制信号通过 PC/PPI电缆将控制信号发给PLC，通过PLC对执行机构中的通风窗启动控制，当温度值低于预先设定的温度下限时，此时上位机发出控制信号，通过PLC启动执行机构中的供热系统，同时关闭通风窗，以调整温室环境中的温度值；同理当采集到湿度值超过预先设定的上限值时，上位机发出控制信号，通过PLC开启风机系统，当采集到的湿度值低于预先设定的湿度下限值时，开启电磁阀，打开加湿系统。

手动模式下，当采集到的温湿度值超出预先设定的上下限值时，此时进行手动控制来生成控制信号，通过PLC对执行机构中的相应系统进行控制。

4 系统测试

通过上位机监控软件登录后即可进入监控界面，能够准确进行实时显示、保存、报警、控制等功能。在运行过程中，可以自动保存采集到的温湿度数据。运行监控界面如图5所示。

图5 系统监控界面

5 结 语

所设计温室自动监控系统基于S7-200 PLC，控制可靠，由Labview开发的上位机监控软件使用友好方便。利用该系统可以有效将温室温湿度控制在要求范围内，同时可将检测值进行备份处理，可方便后续温室环境变化的研究分析。该设计对于温室环境自动监控以及PLC实践教学具有一定实际意义和应用价值。

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Design of the Greenhouse Automatic Monitoring System Based on PLC

WANGHongtao,LIHongli,CHENGZhenying,CHENXiaohuai

(School of Instrument Science and Opto-Electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

It is one of the important issues in the greenhouse industry to effectively control the temperature and humidity of greenhouse. This article describes a PLC-based greenhouse automatic monitoring system. The S7-200 PLC of SIEMENS is used as controller to collect and control the temperature and humidity information of greenhouse. The PLC communicates with the host PC by serial port. The host PC monitors the PLC to collect and control the temperature and humidity of greenhouse by PC monitoring software. Users can select manual or automatic control mode. In the test, the system has realized the acquisition, display and alarm functions about the greenhouse temperature and humidity information, and can reliably control the temperature and humidity. The PC monitor software is convenient for user operation. The design has a certain practical significance and application value for greenhouse environment monitoring and PLC practice teaching.

temperature and humidity control; programmable logic controller(PLC); serial communication; practical teaching

2016-08-31

国家自然科学基金项目(51275148)；院级教研项目(2016YQJY0110)

王宏涛(1967-)，男，河南偃师人，硕士，高级工程师，实验室主任， 研究方向为精密测试技术及仪器、实验室与设备管理。

Tel.:13955196760，0551-62901781;E-mail：wanght@hfut.edu.cn

TP 29

A

1006-7167(2017)05-0021-03