基于PLC和LabVIEW的温室控制系统设计＊

梅鑫剑，王祥傲，汪先兵，刘哲文

基于PLC和LabVIEW的温室控制系统设计＊

梅鑫剑，王祥傲，汪先兵，刘哲文

（滁州学院 机械与电气工程学院，安徽 滁州 239000）

为了解决传统温室大棚的控制范围较大、监控环境因子较多、人工管理效率低等问题，设计了一种采用主从站分级控制模式，利用NI公司的LabVIEW虚拟仪器搭建上位机监控面板，结合诸多分站点传感器、执行器和西门子S7-1200系列PLC共同构建的温室控制系统。系统通过基于以太网的UDP协议，完成主站与从站PLC的实时数据交换，通过传感器和执行器，采集数据并输出响应，并使用LabVIEW用户界面进行远程监控。实验表明，系统具有操作简易、使用效率高以及调节精准等优点，能够保障温室各环境因子时刻处于适宜农作物生长的范围。

温室大棚；LabVIEW；PLC；UDP协议

中国是一个传统农业大国，长期以来依靠人工生产和半自动化生产的模式进行农业生产。而面对庞大的人口基数和日益增长的市场需求，这种传统农业种植方式的低效、低能等缺点逐渐暴露出来。随着信息与物联网控制技术的发展，温室大棚智能控制技术成为了解决高效生产问题的新途径。温室大棚智能控制作为设施农业种植与生产过程中的关键环节，是提高生产效率、保障农作物品质的重要措施[1]。因此，设计了一种基于PLC与LabVIEW的温室控制系统。

1 系统结构总体设计

本系统由上位机PC监控端和下位机测控端组成。PC监控端主要由LabVIEW可视化编程软件与STEP7 V14编程软件构成；测控端由多种传感器、输入按钮、驱动电机和西门子S7-1200系列PLC组成。可以通过输入按钮选择自动或手动控制系统。在自动控制下，PLC实时接收各种传感器采集的温度、湿度、光照度等采集量，根据PC机设定的相关参数值，通过内置的控制算法[2]进行采集数据的信号类型转换和标准化处理，实现对温室内的各种环境参数的实时控制；而在手动控制下，则跳过内部参数的设置与内置的控制算法，完全依赖输入按钮进行系统控制。本系统总体结构如图1所示。

2 系统硬件设计

本系统采用西门子S7-1200系列PLC控制器，其特点是设计紧凑、扩展能力强，具有14路数字量输入、10路数字量输出和2位0～10 V模拟量信号输入点，可用于控制各类设备。由于本系统涉及较多的模拟量信号的传输，因此扩展一个4路模拟量输入的SM1231模块。该拓展模块支持标准工业接口4～20 mA/0～10 V/0～5 V模拟量信号输入或输出，适用不同接口的传感器及输入元件。所使用的传感器可以将所测物化信息转化成数字量或电信号[3]，主要包括空气温度传感器、土壤湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳浓度传感器等几种传感器，且均使用量程较大、精度较高的传感器，而为了保证输入输出信号的准确与稳定，电源均选用DC 24 V电源供电。

图1 系统总体结构

3 系统软件设计

3.1 PLC的程序设计

作为主站控制器的PLC，不仅要实时地与向上位机进行数据传与交换，同时，还要对采集的模拟量或数字量数据进行标准化处理（因为A/D、D/A转换之间的对应关系，S7-1200 CPU用数值表示外部的模拟量信号，两者间有一定的数学关系，即模拟量/数值量的换算关系）与驱动执行模块动作[4]，实时收集空气温度、土壤湿度和二氧化碳浓度等温室大棚的环境信息，并帮助用户及相关专业机构对数据进行分析、整理、融合[5]，从而根据需要实时控制灯光及遮阳装置、灌溉装置、通风装置等执行元件动作，这正是本系统设计的优势所在。PLC的程序设计原理如图2所示。

图2 PLC的程序设计原理

3.2 LabVIEW的程序设计

利用LabVIEW2017软件完成用户端人机交互界面的程序设计。在进行系统设计时，采用模块化思想，每个模块的功能由一个子VI完成，通过调用子VI构成整个系统[6]。用户端人机交互界面由主视界面和辅助界面组成。监控系统主界面如图3所示，在主视界面中包括以下三大部分：①数据输入部分。对温室大棚内的温室温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等实时环境参数的上下限进行设定。②数据显示与警示部分。对下位机采集传输的温室大棚内环境因子参数进行显示，并自动与限值进行比较分析，对超限的参数进行示警。③功能选择部分。通过对不同功能按键的选择，实现调用数据图表及监控影像的辅助操作界面或停止、退出系统等功能。

4 结语

本设计通过S7-1200系列PLC与LabVIEW上位机设计软件，在局域以太网中基于UDP协议，采用主从站PLC分级控制模式，构建了集数据采集、显示、报警、调节等功能为一体的智能温室监控系统，简化了操作流程，扩大了监控范围。而手动与自动高效切换的调节方式，满足了不同时期农作物的生长对环境因子的不同要求。通过对植物生长数据的实时检测、分析与调节，解决了“经验种植”的效率低、准确性差等方面的问题，提高了温室种植的生产效率和经济效益。

图3 监控系统主界面

［1］邢希君，宋建成，吝伶艳.设施农业温室大棚智能控制技术的现状与展望［J］.江苏农业科学，2017，45（21）：10-15.

［2］张宏伟，解应博，陈凯彬，等.基于PLC的温室多参数监控系统设计［J］.测控技术，2018，37（6）：130-133.

［3］许东，高杰.基于无线传感器网络的智能生态保障系统［J］.自动化仪表，2017，38（10）：41-44.

［4］张侃谕，余玲文.基于57-224的自动化温室控制系统设计［J］.自动化仪表，2009，30（2）：36-38.

［5］廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法［J］.农业工程学报，2016，32（11）：233-243.

［6］谷宇希，孟先新，杨道华.基于LabVIEW的温室大棚监测与控制系统设计［J］.华北水利水电学院学报，2013，34（3）：110-112.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.017

2095－6835（2019）19－0043－02

梅鑫剑（1997—），男，安徽阜阳人，本科，学生，研究方向为工业自动化。

王祥傲（1983—），男，安徽滁州人，硕士，讲师，研究方向为电气自动化。

滁州学院大学生创新创业训练计划项目（编号：201810377012、201810377010）；滁州学院课程综合改革项目（编号：2016kcgg030）

〔编辑：张思楠〕