烟叶烘烤温湿度物联网监控系统设计*

2021-02-07周文亮范东升许明忠罗勤站宋战锋

南方农机 2021年3期

周文亮，王靖，范东升，许明忠，罗勤站，宋战锋

（1.广西壮族自治区烟草公司百色市公司，广西百色 533000；2.西南大学智能传动工程技术研究中心，重庆 400716）

0 引言

烟叶采烤是整个烟草农业中用工最多、投入最大的环节，俗话说“三分栽七分烤”，而烟叶烘烤一直是烤烟生产发展的瓶颈，烘烤水平的高低直接关系烟农的收入水平[1-2]。温湿度条件是影响烟叶烘烤质量最关键最直接的因素，研究探索温湿度与烟叶烘烤品质的关系，对于发展烟叶、提高烟农收入具有重要意义[3]。

目前烟叶烘烤多采用人为控制或半自动控制方式[4]，部分地区已在使用烤房控制器，它是一种电子自动控制设备，具有将温湿度信息数字化并与设置的曲线进行对比来反馈控制的功能，从而实现自动化的烟叶烘烤，满足了当前大量烟叶烘烤的需求，有效提高了烘烤效率和质量，减少了管理工作。为进一步深度研究烟叶烘烤，相关企业和科研院所开发了多种专用的烟叶烘烤模拟烤房，技术水平不断提高，尤其是温湿度的控制精度基本能够满足试验要求，但在整体性能和功能完善方面，仍没有达到理想效果，存在保湿困难、温度场不均匀、气流强度不能调节、传感器种类和数量较少等问题，没有物联网监控平台，管理人员不能实时知晓烤房内温湿度信息，不能及时处理烤房内温度异常等紧急问题，也不能随时查询以往烟叶烘烤的温湿度数据信息以分析优化烘烤曲线[5]。本文通过GRM230 物联网系统和PLC 控制系统设计搭建的物联网远程监控系统，能实时远程更新并保存当前温湿度数据，且具备报警和干预功能，有效满足了烟农或烤房管理人员的需求，对进一步集群遍布在各个村寨的烤房信息具有支撑作用。

1 物联网系统组成

该物联网远程监控系统主要由GRM230 等模块组成，如图1 所示。GRM230 用于实现物联网功能，PLC 用于实现逻辑输出控制和信号采集，变送器用于温湿度传感器信息的采集转换，继电器组用于控制单元开关量控制，开关电源用于将220V 交流电转换为稳定24V 直流电，PC电脑则用于组态软件设计及监控。

图1 物联网系统结构图

1.1 GRM230 模块

该监控系统核心模块是GRM230，它是巨控科技用于实现远程监控和数据采集的4G 无线通讯模块，能直接通过RS485 接口直接与PLC、仪器仪表、传感器等通讯；具有本机IO 功能，对于简单的项目可以直接通过本机IO 口实现开关量控制和模拟量数据的输入采集和输出控制；具有多重通讯和非透明加密压缩传输功能，不仅节约流量，还解决了传统GPRS DTU 不稳定、使用复杂的问题；该模块还提供免费的多点上位机组态软件，节约了组态购买的开支，提供云监控服务、通用APP 和内置网页，管理人员可以在任何有网络的地域登录APP 查看数据，当遇到紧急情况时，也可以通过配置软件设置短信报警，便于及时处理；用户可以设置数据保存条件，实现温湿度数据的长期保存，以便后期通过API 接口读取和分析数据库数据。

1.2 PLC 模块

该远程监控系统使用的控制模块为三菱PLC，为充分考虑系统后期功能扩展，点数需求变多，该PLC 选用了板式 FX3U-32MT，主要支持 24 点输入、16 点输出、6 路高速输出脉冲、6 路高速脉冲输入、2 路模拟量输入、2 路模拟量输出、RS232（编程口）和 RS485 通讯等功能。其中 AD1、AD2 为 0～10V 的输入通道，GND 为输入零电位，+5V 主要用于有外部精密电源需求的电压信号。该PLC 软件兼容三菱梯形图编程软件，支持GX-developer 8.86 以及GXWorks2 等软件，支持在线监控和运行中下载，程序内存高达64 000 步，指令功能齐全，满足了系统需要。该物联网监控系统中，PLC 主要用于核心模块GR230 通讯、采集温度变送器提供的模拟量电压信号和输出控制继电器组。

1.3 温湿度变送器

温湿度变送器是一种将温湿度探头作为测温元件，并经过稳压滤波、运放、校正、V/I 转换等电路处理后，转换成与实际温湿度成线性关系的电压信号和电流信号的一种变送器装置，有的变送器还通过主控芯片提供485 或232 等输出接口供选择。该物联网监控系统所用的温湿度变送器选用的型号为HSTL-102WS 提供的输出信号多样，包括三线制 DC4-20mA、DC0-5V、DC0-10V 和两线制的 DC4-20mA、RS485 MOUDBUS RTU 协议信号。当采用模拟输出时，如数据为0 或输出值不在量程范围内，须仔细检查接线是否牢固，当采用协议读取变送器温湿度数据时，可以通过配置通讯格式，直接通过读取寄存器数据即可实现温湿度数据的采集：温度数据0000H、湿度数据0001H、设备地址0017H。

1.4 开关电源

由于该监控系统中主要模块均采用24V 直流电，因此，需要将220V 交流转换成稳定的24V 直流电，同时考虑到电源的负载和寿命、电压的稳定性以及电磁干扰对系统的影响，电源选用了型号为EDR-120-24 的开关电源，该电源符合欧盟EMC 电磁兼容EN61000-6-2 抗干扰标准，可在恶劣的电磁环境下正常工作，具备3 000VAC的隔离耐压，即使输入端有3 000VAC 的雷击对设备也不会有影响，同时该电源还具有短路保护、过载保护、过热保护等功能。

1.5 继电器组

在烟叶烘烤中，涉及到的控制单元较多，如加热单元、电动风阀、排湿风机等，这些单元中有的是开关信号，有的需要通过控制信号模拟调节，每个可调节的单元输入端一般可配备一电源输出接触器，以便紧急情况发生时关闭或者管理人员根据报警等级选择性关闭，以免造成严重后果。该监控系统设计上暂时只考虑到一个加热单元的开关信号，通过PLC 控制电磁阀间接实现接触器的控制，在后续进一步扩大优化系统后，会增加更多的控制单元。

2 温湿度采集系统设计

2.1 温湿度变送器

该系统选用的变送器的温湿度精度较高分别为±0.3%和±3%RH，其温度量程为-40℃～120℃，湿度量程为0%RH～100%RH，由于选用的PLC 模拟量输入仅支持0～10V 模拟量电压信号，因此，变送器的温湿度信号输出形式选择了DC0-10V 便于采集。同时，由于整个系统的模块共用24V 电源，温湿度变送器的白色温度信号和棕色湿度信号可以直接接入AD1 和AD2，其接线图如2 所示。

图2 温湿度变送器接线图

2.2 PLC 编程及其 IO 分配

该物联网监控系统主要用于实现温湿度数据采集的同时实现开关量的控制，系统中需用到的IO 口及寄存器如表1 所示。

表1 PLC 输入输出信号对照表

三菱PLC 通过读取数据寄存器D8112 和D8113 即可将温湿度变送器0～10V 的模拟量电压信号转变为数字量0～4095，为便于数据管理该设计通过MOV 指令将转换后的数字量其转存至D100 和D102 中，最后并通过数学线性运算将温湿度数据转换成实际的温湿度数值，并保存至数据寄存器D200 和D202 中。数据寄存器D300 用于储存上限温度值，当烤房内温度逼近预设温度值时，监控系统提示报警，管理人员可根据报警提示选择性按下紧急停止按钮切断加热棒电源开关；当烤房内温度继续爬升超过预设温度值一定时间时，Y3 自动断开加热单元继电器从而关闭加热棒单元，烤房停止烟叶烘烤，同时发出短信报警提示管理人员现场排除故障，当故障排除后管理人员需远程解除报警，才能重新启动加热单元。

3 物联网模块配置及组态界面设计

3.1 GRM230 模块配置

该物联网监控系统模块使用的配置软件为Grmdev5，通过该软件能实现快速连接指定PLC、添加数据词典、添加短信报警、设置来电动作、设置短信控制和事件逻辑控制、新建定时器以及设置用户权限等功能。

该监控系统使用的PLC 为三菱PLC，GRM230 模块与PLC 通过编程口直接相连，因此，在配置COM 参数时需选择驱动名称为 MITSUBISHI FX 系列PLC 编程口协议，并设置端口信息与三菱PLC 端一致：数据位7，停止位1，波特率9 600，偶校验，并新建设备1；将温度数据寄存器D200、湿度数据寄存器D202、温度上限寄存器D300、紧急停止辅助继电器M1 和报警解除辅助继电器M2 添加至数据词典，设置变量名称分别为温度、湿度、温度上限、紧急停止和报警解除，如图3 所示。

图3 变量名称列表图

添加短信条件报警，当温度大于或等于温度上限时，向管理员或农户发送报警短信，短信内容参照模板包括时间、日期、报警名称、报警描述，也可以通过配置报警参数将当前温度值和温度上限数据一并发送。

添加事件控制，按照系统要求，当温度数据超限时，除了发送报警短信还需要触发Y3 关闭加热单元。在事件控制编辑器中添加触发表达式与短信触发条件一致，选择触发模式为：表达式为真，触发1 次（带延时），设置延时数值为3 000，即5min，执行事件的内容为置位M1，关闭加热单元。

该监控系统的管理人员有时不止一个，不同的人员管理权限也不一样，低权限的人员只能查看信息，高权限的人员不仅具有低权限人员的全部权限，还具备设定的更高权限，比如直接操作数据，解除报警等。设置短信用户和组可以区别不同权限的手机号，系统会自动识别并执行响应相应用户的指令。

3.2 组态设计

模块配置并编译完成之后，通过有线网口将工程下载至模块。通过GRM OPC 管理器添加GRM 网络设备并输入设备序列号和设备密码，即可刷新配置的数据词典，通过GiantView 组态软件配置OPC 协议即可将数据添加至组态软件，并默认刷新周期为500ms，从而进一步在软件中添加控件、脚本、报警等信息实现组态界面的编程。

该监控系统需用到的基本控件包括按钮、文本和图片，用于实现紧急停止、报警解除和温度上限值得设定；需用到的高级控件包括实时曲线图、历史曲线图、实时报警窗口和历史报警窗口等，实时曲线图和实时报警窗口用于温湿度数据和报警信息的在线显示，历史曲线和历史报警窗口用于管理人员随时查看以往温湿度数据和报警信息。在使用报警窗口前需添加报警变量，设置报警界限和对应的报警信息。最终监控界面的主界面如图4 所示。

图4 监控组态显示

为满足大量数据的长时间保存，组态软件的数据记录功能可以设置记录触发条件、记录类型（定时记录或数据变化时记录）和记录的变量名称，该监控系统主要需要记录的信息包括时间和温湿度数据即可，在后期需要更多功能时还可以根据实际情况不断扩展，由于该数据记录功能有容量限制，用户需根据使用情况选择不同的容量标准或尽可能降低保存频次以节约空间成本。