基于PLC与MCGS组态技术的果蔬温室控制系统设计

孙式运，杨清志，丁振杰

(亳州职业技术学院智能工程系，安徽 亳州 236800)

为了提高经济效益，人们常采用反季节种植果蔬的方法。众所周知，农作物的生长离不开光照、温度、水分以及CO2。为了让上述环境指标稳定可靠，通常采用建造果蔬温室大棚的方法[1]。由于常见果蔬温室大棚利用太阳光照射和保温材料来控制环境温度，导致温度控制不够精确，同时对CO2浓度也无法实现精准控制。为了解决上述问题，笔者基于PLC和MCGS组态技术设计了果蔬温室控制系统。

1 系统总体设计方案

图1 果蔬温室控制系统总体设计框图

果蔬温室控制系统主要由硬件系统(包括温度传感器和CO2浓度传感器、PLC、加热器和CO2发生器、触摸屏)和软件系统(包括PLC控制程序和MCGS组态设计)组成。该系统以PLC为控制核心，用特殊功能模块把温度传感器和CO2浓度传感器采集到的模拟量转化为数字量，经过PLC运算处理后，输出结果控制加热器和CO2发生器的通断时间。用触摸屏对系统运行进行实时监控，运用MCGS组态技术实现系统动态控制、数据处理等功能。系统设定2种控制模式(自动模式和手动模式)，利用手动模式可对温度和CO2浓度进行人为控制调节，以应对一些突发状况；利用自动模式可对环境指标按照设定值进行自动调节控制。此外，可用自动手动切换开关或组态画面两种方式进行2种模式的切换。果蔬温室控制系统总体设计框图如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 PLC选型

PLC是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，可靠性高，控制功能强，维修方便[2～4]。根据系统控制要求和所需I/O点数以及执行设备的特点，选用三菱FX3U-32MR型号的PLC作为控制核心，利用FX3U-3A-ADP特殊功能模块进行A/D转换，采用TPC7062K彩色液晶触摸屏作为上位机。利用上位机可以对系统进行启停控制操作，也可以对系统运行进行实时监控，并将系统数据以表格和曲线的形式呈现出来。

2.2 系统硬件组成

系统硬件主要由传感器模块、开关模块、执行模块、触摸屏和PLC构成(图2)。传感器模块包括温度传感器和CO2浓度传感器，开关模块包括自动/手动切换开关和启动、停止2个按钮，PLC使用的是三菱FX3U-32MR型号的PLC，执行部件则用2个固态继电器分别控制1个加热器和1个CO2发生器。果蔬温室控制系统硬件原理图如图2所示。

图2 果蔬温室控制系统硬件原理图

图3 果蔬温室系统控制程序流程图

3 软件系统设计

3.1 PLC控制程序设计

果蔬温室控制系统主要利用温度传感器和CO2浓度传感器分别采集温度和CO2浓度现场参数，通过特殊功能模块FX3U-3A-ADP把模拟量转化为数字量，然后利用三菱FX系列PLC自带的PID运算功能计算出输出值，进而控制执行部件的工作时间，将温度和CO2浓度控制在设定值范围。具体控制流程如下：系统上电准备就绪后，按下启动按钮，传感器采集环境指标数据，加热器和CO2发生器开始工作。环境指标数据经过PID运算后，PLC输出结果控制加热器和CO2发生器的工作时间，达到保持温室温度和CO2浓度恒定的目的。果蔬温室控制系统程序流程图如图3所示。

3.2 MCGS组态设计

3.3.1 组态画面设计

MCGS的组态设计首先从创建组态画面开始，MCGS组态画面包括系统监控主画面、用户登陆管理画面、PID参数设置画面、数据报表画面和数据曲线画面等。通过系统监控主画面可以启动系统、监控系统运行过程、实时显示温室温度和CO2浓度；通过PID参数设置窗口可以对PID参数进行调整，以获取PID运算的比例积分Kp和积分时间Ti；通过用户管理画面可以登陆用户、添加和删除用户以及修改密码；数据报表窗口可以表格的形式查看实时数据和历史数据；通过数据曲线窗口则可查看数据的实时曲线和历史曲线。果蔬温室控制系统组态主画面如图4所示。

图4 果蔬温室控制系统主画面

3.3.2 数据库创建及设备

为了让系统组态画面活动起来，而且能够与PLC建立通信，对系统运行进行监控，需要对组态画面的元件设置数据变量，这些变量构成了组态系统数据库，其中有5个开关型数据和4个数值型数据。果蔬温室控制系统数据库如图5所示。

图5 果蔬温室控制系统数据库

3.3.3 添加PLC并创建设备通道

为了实现组态画面对PLC发送指令并读取PLC的数据以进行监控，需要添加PLC设备并创建通道。PLC的每个设备通道对应一个数据库里的变量，从而建立PLC设备与组态画面之间的通信。果蔬温室控制系统设备窗口如图6所示。

图6 果蔬温室控制系统设备窗口

4 系统运行调试

果蔬温室控制系统启动时，首先通过触摸屏设定运行模式，然后触摸启动按钮，系统就可以按照设定的温度和CO2浓度值进行自动调节工作，且温度和CO2浓度可以实时显示在触摸屏上，并可以通过数据报表窗口查看历史数据，还可以查看实时曲线和历史曲线。运行测试温室控制系统，显示在触摸屏上的温度和CO2浓度值与专业仪器测出的测量值几乎完全相同，说明该系统能够精确控制温度和CO2浓度，且数据报表以及数据曲线都能准确及时地反映真实数据。

5 结语

基于PLC及MCGS组态技术设计果蔬温室控制系统。运用温度传感器和二氧化碳浓度传感器采集环境指标，运用PLC进行分析处理，从而控制加热器和CO2发生器的工作时间，使系统温度和CO2浓度稳定在适宜农作物生长的范围内。运用MCGS组态技术对系统操作实时监控，既能对系统温度和CO2浓度形成数据报表以方便分析，又能实时调整相关的环境参数，具有操作方便、控制准确、维护方便和成本低廉的特点，可用于果蔬温室大棚的生产实践中。