基于PLC和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn).pdf

基于PLC和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 鄧 順 華 龍 翰 威 鄭 吉 澍 李 萍 李 佩 原 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 重慶 401329 摘 要 重慶地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展 但存在夏季高溫導(dǎo)致溫室內(nèi)出現(xiàn)60 以上高溫等問題亟需解決 目前重慶的設(shè)施農(nóng)業(yè)在智能控制上基本靠引進(jìn) 存在與重慶環(huán)境不適應(yīng) 操作人員操作習(xí)慣不符等情 況 導(dǎo)致控制系統(tǒng)的利用效率不高 為徹底解決這些問題 避免季節(jié)變化和極端氣候條件對作物生長的 不利影響 提高溫室的智能化控制水平 針對重慶地區(qū)Venlo型玻璃溫室控制需求 設(shè)計研發(fā)了基于PLC 和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)智能溫室設(shè)施的最優(yōu)控制 建成投入使用1年來運(yùn)行良好 試 驗(yàn)結(jié)果表明 控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的智能控制 節(jié)約了人力成本 降低了能耗 關(guān)鍵詞 PLC SCADA 智能溫室 智能控制 系統(tǒng) 設(shè)計 中圖分類號 S126 TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B DOI 10 19415 ki 1673 890 x 2020 13 015 鄧順華 龍翰威 鄭吉澍 等 基于PLC和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) J 南方農(nóng)業(yè) 2020 14 13 55 58 收稿日期 2020 03 02 基金項 目 政府間 國 際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項 2017YFE0122100 重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范專項產(chǎn)業(yè)類重點(diǎn)研發(fā)項 目 cstc2018jszx cyzdX0045 作者簡介 鄧順華 1989 男 重慶梁平人 碩士 工程師 主要從事 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及智能裝備研究 E mail 362395225 為通信作者 E mail longhw 第14卷第13期 V ol 14 No 13 南方農(nóng)業(yè) South China Agriculture 2020年5月 May 2020 近年來 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速 設(shè)施栽培面積 約占世界的70 設(shè)施栽培面積和總產(chǎn)量已居世界首 位 2017年重慶市溫室大棚發(fā)展總面積達(dá)到2 743 075 萬平方米 1 其中塑料與玻璃連棟溫室面積超過11 59 萬平方米 目前從國外引進(jìn)的智能溫室控制系統(tǒng)存在 水土不服的情況 要么與當(dāng)?shù)丨h(huán)境不適應(yīng) 要么操作 人員不會操作等 而國內(nèi)的溫室控制系統(tǒng)大都還是原 始的電控柜 只能手動操作 或者有簡單的屏幕控 制系統(tǒng) 2 智能化程度不高 已無法滿足當(dāng)前智慧農(nóng) 業(yè) 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求 在勞動力不斷減少的大背 景下 人工智能不斷發(fā)展 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)也將向著智 能化 節(jié)能化 工廠化方向發(fā)展 3 4 可為社會提供更 加豐富 安全 優(yōu)質(zhì)的綠色健康食品 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 基于PLC和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)從 總體架構(gòu)分為硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)綜合管理業(yè)務(wù)系統(tǒng) 硬件設(shè)備包括溫室控制柜 環(huán)境監(jiān)測傳感器 觸摸 屏 外遮陽 內(nèi)遮蔭 內(nèi)保溫 頂開窗 軸流風(fēng)機(jī) 環(huán)流風(fēng)機(jī) 百葉窗等 系統(tǒng)采用西門子PLC為下位機(jī) 控制器 觸摸屏采用昆侖通態(tài)的TPC1561HI為人機(jī)交 互設(shè)備 數(shù)據(jù)綜合管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)庫 服務(wù) 層 通訊層和前端設(shè)備層 采用SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā) 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示 2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 智能溫室控制系統(tǒng)采用PLC為下位機(jī)執(zhí)行控制 器 采用PROFINET協(xié)議與現(xiàn)場控制觸摸屏通信 5 通過擴(kuò)展EM DT32模塊與EM AM06模塊對PLC的IO與 模擬輸入輸出口進(jìn)行擴(kuò)展以滿足系統(tǒng)需求 控制系統(tǒng) 硬件接口與軟件協(xié)議如圖2所示 智能溫室控制系統(tǒng)包括外遮陽 內(nèi)遮蔭 內(nèi)保 溫 頂開窗 側(cè)開窗等大功率用電設(shè)備 考慮到PLC 輸出點(diǎn)位電流最大負(fù)荷為0 5A 為保障電路穩(wěn)定運(yùn) 行 防止輸出端口因負(fù)載電流過大而損壞 在系統(tǒng)控 55 鄧順華 龍翰威 鄭吉澍 李 萍 李佩原 基于PLC和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 動控制分為面板控制和遠(yuǎn)程手動控制 面板控制為控 制柜面板旋鈕控制 遠(yuǎn)程控制為服務(wù)器軟件手動控 制 當(dāng)輸入設(shè)備狀態(tài)改變時 PLC對應(yīng)輸出口狀態(tài)改 變 設(shè)備狀態(tài)改變 自動控制分為定時控制和智能控 制 定時控制模式下可以選取相應(yīng)的設(shè)備設(shè)定對應(yīng)的 開啟 關(guān)閉時間 達(dá)到設(shè)定時間時 選定的設(shè)備自動 開啟 關(guān)閉 智能控制為設(shè)定溫度 光照度閾值 當(dāng) 溫室內(nèi)溫度 光照度達(dá)到設(shè)定閾值時 通過調(diào)用PID 算法計算當(dāng)前應(yīng)開啟的設(shè)備及數(shù)量 自動開啟對應(yīng)的 設(shè)備 當(dāng)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)至設(shè)定區(qū)域時 設(shè)備自動關(guān) 停 其控制流程如圖3所示 圖1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu) 圖2 控制系統(tǒng)硬件接口與軟件協(xié)議 制電路中加入了中間繼電器完成對接觸器的控制 最 終實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制 為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動控制 實(shí)時感 知溫室內(nèi)環(huán)境因子的變化情況 設(shè)計了12組室內(nèi)環(huán)境 因子監(jiān)測傳感器實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度 濕度 二氧化碳濃 度 光照度實(shí)時在線監(jiān)測 設(shè)計了1個室外小型氣象 站 實(shí)現(xiàn)了室外溫度 濕度 光照強(qiáng)度 風(fēng)速 風(fēng)向 等參數(shù)的實(shí)時在線監(jiān)測 為減少布線工作量 傳感器 采用LoRa無線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸 LoRa基站 氣象 站與PLC采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3 1 PLC程序設(shè)計 PLC程序分為手動控制 自動控制兩種模式 手 圖3 PLC程序控制流程 3 2 觸摸屏程序設(shè)計 為方便管理員現(xiàn)場管理與操作 控制系統(tǒng)設(shè)有現(xiàn) 場操作屏 該觸摸屏采用昆侖通泰的TPC1561HI 是一 套以先進(jìn)的Cortex A8 CPU為核心 主頻1 GHz 的高 性能嵌入式一體化觸摸屏 可以同時4串口輸出 USB 支持鼠標(biāo) 鍵盤 掃描槍 打印機(jī)等 具備強(qiáng)大的圖 像顯示和數(shù)據(jù)處理功能 6 現(xiàn)場觸摸屏操作界面包含 歡迎界面 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控畫面 參數(shù)設(shè)置界面 數(shù)據(jù)查詢界面 傳感器參數(shù)實(shí)時數(shù)值 歷史曲線 與 報警界面 系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控畫面如圖4所示 系統(tǒng)歡迎界面為系統(tǒng)介紹與管理員登錄界面 設(shè) 備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控畫面包括溫室內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及 對應(yīng)動畫 控制按鈕 頁面?zhèn)鞲衅鲗?shí)時值 數(shù)據(jù)查詢界 面包含有當(dāng)前傳感器值 實(shí)時曲線 歷史曲線等 參數(shù) 設(shè)置界面包含自動控制和定時控制的參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)為 56 第14卷第13期 V ol 14 No 13 南方農(nóng)業(yè) South China Agriculture 2020年5月 May 2020 圖4 觸摸屏控制頁面 防止誤操作 設(shè)有單獨(dú)的權(quán)限 需獨(dú)立密碼進(jìn)行二次驗(yàn) 證才能操作 報警界面包含有設(shè)備運(yùn)行故障報警和參數(shù) 異常報警 同時設(shè)置有確認(rèn)取消功能 3 3 服務(wù)器軟件設(shè)計 智能溫室控制系統(tǒng)服務(wù)器端采用SCADA即數(shù) 據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā) SCADA以數(shù)據(jù)采 集 傳輸 存儲和管理為基礎(chǔ) 通過運(yùn)用通信及計算 機(jī)網(wǎng)絡(luò) 信息采集與處理等技術(shù) 建設(shè)以溫室環(huán)境監(jiān) 測 溫室設(shè)施監(jiān)控 溫室設(shè)施等為核心業(yè)務(wù)的監(jiān)控作 圖5 溫室控制系統(tǒng)首頁 業(yè)平臺 開發(fā)軟件采用的北京亞控科技KingSCADA 3 53 KingSCADA軟件具有易學(xué) 模型多 接口豐富 等優(yōu)點(diǎn) 7 在開發(fā)時能減少工作量 縮短開發(fā)周期 服務(wù)器通過局域網(wǎng)采集溫室控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù) 監(jiān)控 數(shù)據(jù)管理及統(tǒng)計分析 通過將系統(tǒng)打包web發(fā) 布 遠(yuǎn)程用戶直接通過瀏覽器查看 操作控制系統(tǒng) 服務(wù)器端包含設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與控制界面 數(shù)據(jù)報表界 面 手動控制界面 自動控制界面 預(yù)警提示界面 服務(wù)器溫室控制系統(tǒng)首頁如圖5所示 57 3 3 1 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與控制 運(yùn)行狀態(tài)界面實(shí)時顯示溫室2 5D效果圖 實(shí)時顯 示外遮陽 內(nèi)遮蔭 頂開窗 內(nèi)保溫 電動門 濕簾 水泵 濕簾外翻窗 側(cè)遮蔭 軸流風(fēng)機(jī) 百葉窗和側(cè) 開窗等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備開啟 關(guān)閉控制操作按 鈕 顯示傳感器所在位置 點(diǎn)擊顯示傳感器實(shí)時數(shù)字 情況等 3 3 2 數(shù)據(jù)報表 數(shù)據(jù)報表實(shí)現(xiàn)溫室12組傳感器與戶外氣象站的 溫度 濕度 光照度 二氧化碳實(shí)時數(shù)據(jù) 歷史數(shù)據(jù) 等查詢 實(shí)時數(shù)據(jù)顯示包含溫度 濕度 光照度和二 氧化碳監(jiān)測曲線 顯示當(dāng)日0點(diǎn)到當(dāng)前時間的數(shù)據(jù)曲 線 歷史數(shù)據(jù)可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行查詢 選定查詢 參數(shù) 時間 自動生成數(shù)據(jù)報表或數(shù)據(jù)曲線 并可以 下載或打印 3 3 3 手動控制 手動控制界面可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制溫室所有設(shè)備的 開啟 關(guān)閉操作 當(dāng)設(shè)備狀態(tài)改變時 控制界面設(shè)備 狀態(tài)也會進(jìn)行相應(yīng)改變 設(shè)備操作后臺系統(tǒng)會自動記 錄操作事件 操作人員 管理員可以設(shè)定時間進(jìn)行查 詢 方便溫室的管理 3 3 4 自動控制 玻璃溫室自動控制界面主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動運(yùn)行時 間設(shè)置和運(yùn)行模式選擇 當(dāng)選定定時控制模式時 需 要選定設(shè)備并設(shè)置對應(yīng)的運(yùn)行時間 當(dāng)時間到達(dá)時 系統(tǒng)會自動下發(fā)對應(yīng)指令實(shí)現(xiàn)控制 當(dāng)選定自動控制 時 需要設(shè)定溫度 光照度的控制閾值 當(dāng)溫度 光 照度達(dá)到閾值時 下發(fā)對應(yīng)指令 PLC執(zhí)行智能控制 程序進(jìn)行控制 3 3 5 報警提示 報警提示包含設(shè)備故障提示 環(huán)境因子超限提 示 提示信息包含報警日期 報警時間 報警參數(shù)名 稱 當(dāng)前報警值 報警類型和操作員等數(shù)據(jù)信息 當(dāng) 報警信息發(fā)出時 系統(tǒng)會通過DTU向用戶指定的手機(jī) 號碼 綁定的微信號碼發(fā)送報警信息 同時現(xiàn)場的警 報器也會同時響起 直到有管理員確認(rèn)解除 報警提 示系統(tǒng)提供歷史報警數(shù)據(jù)查詢 管理員可以根據(jù)開始 時間和結(jié)束時間查詢符合條件的報警數(shù)據(jù) 可以將報 警數(shù)據(jù)導(dǎo)出打印 4 小結(jié) 本文針對重慶地區(qū)Venlo型玻璃溫室控制需求 設(shè)計研發(fā)了一套基于PLC與SCADA技術(shù)的智能溫室控 制系統(tǒng) 使用溫室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測傳感器實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)溫 度 濕度 光照度 二氧化碳濃度實(shí)時在線監(jiān)測 通 過PLC將數(shù)據(jù)采集至控制系統(tǒng) 通過閾值設(shè)定 設(shè)備 選擇 實(shí)現(xiàn)溫室外遮陽 內(nèi)遮蔭等設(shè)施的自動控制 試驗(yàn)結(jié)果分析表明 該系統(tǒng)能根據(jù)溫度自動控制設(shè)備 的開啟與關(guān)閉 減少了人工投入成本 降低了溫室設(shè) 施的能耗 對重慶地區(qū)Venlo型玻璃溫室向現(xiàn)代化 信 息化 智能化發(fā)展有一定促進(jìn)作用 具有良好的應(yīng)用 推廣價值和經(jīng)濟(jì)效益 參考文獻(xiàn) 1 李巒松 重慶市設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀與問題分析 J 西南 農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 社會科學(xué)版 2005 3 18 19 22 2 駱碧雯 基于WSN的智能溫室系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) D 杭州 浙江農(nóng)林大學(xué) 2019 3 范治慧 農(nóng)業(yè)溫室智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā) D 大連 大連海洋大學(xué) 2019 4 陳哲 李德英 劉衛(wèi)兵 等 基于S7 1200 PLC與觸 摸屏的西瓜溫室大棚智能控制 J 自動化與儀 表 2019 34 7 35 38 64 5 周紅英 基于組態(tài)軟件的冷凝水回收與監(jiān)測控制系 統(tǒng)研究 D 蘇州 蘇州大學(xué) 2012 6 梁博 張存喜 基于MCGS鯧魚自動變頻分揀傳送系 統(tǒng) J 機(jī)械工程師 2020 2 39 42 7 張蕾 王趁義 KingSCADA在天津北塘污水處理廠 的應(yīng)用 J 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2013 21 137 責(zé)任編輯 易 婧 鄧順華 龍翰威 鄭吉澍 李 萍 李佩原 基于PLC和SCADA技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 58