董超，劉向明，金薇，蔡麗萍

　　（武漢工程大學 機電工程學院, 湖北 武漢430205）

       摘要：在植物工廠中培育作物時，需要對作物生長環境中的光照、溫度、濕度、CO2濃度等環境變量進行精確的自動化管理，針對這一控制要求，設計了基于PLC的植物工廠監控系統。該系統以EX2N100H為主控制器，采用可調式LED恒流驅動和RGB光源板來實現數字化調節光照參數，通過相應傳感器和執行機構，系統可以自動調節植物生長環境中的溫度、濕度、CO2濃度參數。通過組態王開發上位機軟件，采用串行通信和無線網絡通信相結合的通信方式，使上位機通過無線網絡對植物工廠現場進行監控，便于遠程控制。運行測試表明，系統功能完善、運行穩定、操作簡單、易于擴展和維護。

　　關鍵詞：植物工廠；可編程控制器；組態；無線通信

　　中圖分類號：TH39文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.029

　　引用格式：董超，劉向明，金薇，等. 基于PLC的植物工廠監控系統的研究［J］.微型機與應用，2017,36（6）：95-98，102

0引言

　　近年來，由于人口的飛速增長及可耕地的不斷減少，傳統種植農作物藥殘超標導致食品安全問題日益突出，植物工廠受到前所未有的關注。作為技術高度密集、資源高效利用的農業生產方式，與傳統農業模式相比，植物工廠的作物單位面積種植產量高，機械化、自動化程度高，生長過程不使用農藥，產品安全無污染［13］。

　　植物工廠是通過設施內的高精度環境控制，實現作物周年連續生產的高效農業系統，由計算機對作物生育過程的光照、溫度、濕度、CO2濃度以及營養液等環境因素進行自動控制，是不受或很少受到自然條件制約的省力型生產方式［45］。根據植物工廠控制要求，本文設計了植物工廠監控系統，該系統采用RGB三基色LED光源板為植物生長的光源，采用可調LED恒流驅動電源來調節燈光強度，通過傳感器采集環境中光照、溫度、濕度、CO2濃度數據，采用PLC觸摸屏一體作為現場主控制器，通過程序可以數字化調節光照參數，自動化地控制植物生長環境中的相關變量。

1植物工廠監控系統

　　植物工廠監控系統整體結構框圖如圖1所示，該系統主要分為兩個部分。第一部分是以PLC控制器為主的本地控制，第二部分是PC端上位機軟件的遠程監控。在本地控制中PLC為主控制器，其模擬輸入端分別實時采集植物工廠環境中空氣的溫度、濕度、CO2濃度和光照度參數，其模擬輸出端控制RGB三種燈光的強度。控制器的I/O端口，其輸入端口主要是用來接入開關信號，實現按鍵開關功能的輸入；輸出端用來控制執行器件啟停，如加熱機組、制冷機組、電磁閥、加濕機構、除濕機構等，通過控制程序進行自動開啟與停止。在上位機軟件的遠程監控中，控制器串行通信接口與WiFi串口模塊串口輸入端連接，WiFi串口模塊將串行通信協議轉換為TCP/IP網絡傳輸協議，工控機連接WiFi無線網絡可以與現場控制器進行通信，工控機上用組態王軟件開發人機交互界面和數據管理平臺來實現對植物工廠中現場控制器的遠程監控。

2硬件設計

　　2.1LED光源板設計

　　LED能夠發出植物生長所需要的單色光，光譜域寬僅為±20 nm，經過紅、藍光相應混合后，能夠形成與植物光合作用與形態建成基本吻合的光譜［67］。LED光源板由RGB三基色LED燈珠和紫外燈珠構成，RGB三基色燈珠內包含紅、綠、藍三種基色單色燈，每一種顏色需要單獨的電源進行獨立驅動，采用可調穩壓恒流驅動電源，可以根據控制要求改變三基色混合比例調節出不同植物生長所需光譜［8］。

　　2.2數據采集傳感器

　　在人工植物環境控制系統中，需要對植物生長環境的光照強度、溫度、濕度、CO2濃度進行數據采集，因此要使用相應傳感器。PLC模擬輸入端要求輸入信號為模擬電壓信號，所以采用的傳感器輸出信號都為模擬電壓信號。溫度和濕度采集采用CWS1107溫濕度變送器，溫度量程：-20℃～80℃，輸出信號：0～5 VDC ；濕度量程：0～100%RH，輸出信號：0～5 VDC。光照度采集采用HSTL_GZD光照度傳感器，光照度量程：0～10 000 lux，輸出信號：0～10 VDC。CO2濃度傳感器采用的是HSTL_ CO2傳感器，CO2濃度量程: 0～5 000 PPM，輸出信號：0～10 VDC。

　　2.3通信設計

　　為了方便用戶對人工植物環境控制系統操作與管理，采用上下位機通信模式，下位機為現場的PLC控制器，上位機為工控機。在植物工廠中一般有多個植物種植房間，每個種植房間內有一臺PLC控制器，而植物種植房間都是封閉式管理，控制器與控制器之間獨立隔離，如果僅采用RS485通過傳統的電纜有線方式使現場安裝走線不方便，通信可靠度降低，因而在此基礎上加入了串口WiFi無線模塊。模塊內置無線網絡協議IEEE802.11協議棧以及 TCP/IP 協議棧，能夠實現用戶串口數據到無線網絡之間的轉換。

　　2.4PLC輸入/輸出點分配

　　根據植物人工環境控制系統控制要求，控制系統中設計有3個開關輸入、11個開關量輸出、4個模擬量輸入和4個模擬量輸出。可編程控制器選用顧美公司的EX2N100H，EX2N100H是PLC觸摸屏一體機，該控制器兼容三菱FX2N系列編程指令，具有16路開關量輸入、16路開關量輸出、 6路模擬量輸入、6路模擬量輸出，配有RS485串行通信接口，支持Modbus通信協議，包括主機/從機模式，可組網多個PLC或其他設備［9］。EX2N100H具有一塊10英寸液晶觸摸屏，用來開發人機交互界面，基本按鍵操作用觸摸屏中的虛擬按鍵代替，通過操作觸摸屏完成。PLC輸入/輸出點具體分配情況如表1所示。

3軟件設計

　　3.1PLC程序設計

　　PLC程序設計采用模塊化編寫風格，將控制程序分為3部分：光照控制、環境控制和通信控制。

　　3.1.1光照控制程序設計

　　根據植物生長的要求，光照控制設計為手動控制模式和時控模式，為了防止這兩種模式同時開啟造成操作混亂，引起設備故障，將時控模式與手動控制模式互鎖，當時控模式開啟時會自動復位手動操作模式，此時手動操作無效，需要用戶取消時控模式，才能再啟動手動操作模式。

　　手動操作模式即用戶手動操作觸摸屏人機交互界面，手動開啟和關閉光源板的紅、綠、藍、紫外這四路光源，手動調節這四路燈光的強度。時控模式是用戶先設定好一天中的某個時段（開始和結束時間），然后設置好在這時間段內每種燈光開啟狀態和強度，開啟時控模式后系統會自動在設置時間段內開啟用戶設置的燈光，按用戶的參數自動設置每種燈光的強度，系統在用戶設定時間之外默認關閉所有燈光，無需用戶手動管理。

　　紅、綠、藍、紫外燈光開關控制由PLC輸出端Y0～Y3來控制，燈光強度由模擬輸出DA0～DA1控制。燈光強度的控制需要使用模擬輸出通道，在EX2N100H中啟動模擬輸出通道DA0～DA3需要將位元件M8080置ON。字元件D8080～D8083為模擬輸出通道DA0～DA3的輸出寄存器，對其賦值可以輸出相應通道的模擬電壓信號。在燈光強度控制上使用數字化控制方式，用戶輸入0～100的數值，PLC將其存入寄存器，經過轉換和運算傳送給模擬輸出寄存器，輸出相應的模擬電壓信號給LED恒流驅動電源，調節燈光強度。光照控制程序流程圖如圖2所示。

　　3.1.2環境控制程序設計

　　環境控制的主要環境變量包括溫度、濕度和CO2濃度，對這些變量采取閉環控制方法。采集傳感器數據需要使用控制器的模擬輸入功能，溫度、濕度和CO2濃度分別對應控制器EX2N100H的模擬通道AD0～AD1，采樣周期分別由字元件D8050～D8052來設定，模擬量輸入精度為12位，使用時直接讀取每一路模擬量對應的寄存器數值，AD0～AD3分別對應D8030～D8032，如有誤差可以進行誤差修正。

　　溫度控制方案是設定一組溫度上下限值TH和TL，PLC讀取當前溫度T，當T>TH時，制冷機組開始啟動工作，直到當前溫度降到TL時，制冷機組停止工作；當前溫度T< TL時，制熱機組開始工作，直到當前溫度上升到TH時，制熱機組停止工作，如此反復，完成溫度控制循環。濕度和CO2濃度控制方法與溫度控制相似，濕度的控制主要通過加濕機構和除濕機構來完成，當檢測濕度低設定值時啟動加濕機構，當高于設定值啟動除濕機構。CO2濃度控制系統由CO2鋼瓶、減壓閥、流量計、電磁閥等組成，為了方便控制，鋼瓶出口裝設減壓閥，將CO2降至0.1～0.15 MPa后釋放。當檢測CO2濃度小于設定值時，PLC通過輸出端對電磁閥通電，將CO2送至靠近風機處的供氣管道中，使CO2均勻送入房間，當CO2濃度大于設定值時，新風機組啟動，給室內補充新鮮空氣使CO2濃度降到設定值。

　　環境控制也設計為手動控制模式和自動控制模式，手動模式下可以自由手動控制環境相關執行機構的啟停，如制熱機組、制冷機組等、除濕機構、風機等。自動模式下，用戶設置設定好參數系統會自動管理執行機構來控制環境變量。環境控制程序流程圖如圖3所示。

　　3.1.3通信程序設計

　　本系統中控制器EX2N100H與串口WiFi無線模塊是通過串行通信方式通信，串口WiFi無線模塊通過串行通信將PLC控制器的數據透明傳輸至無線網絡中，上位機程序通過無線網絡完成對現場PLC控制器的監控。EX2N100H進行串口通信之前需要通過程序進行串口通信相關參數的設置，D8120為通信參數配置寄存器，將十六進制0x4081傳送給D8120，即串口通信協議配置為Modbus RTU從機模式、數據長度8位、無奇偶驗證、1個停止位、波特率9 600 b/s。D8120為從機站號寄存器，配置從機地址1～247，D8126為發送延時寄存器，一般配置為20 ms。串口通信配置程序只需要程序初始執行一次，使用位元件M8002只在第一個掃描周期執行串口通信配置程序。

3.2上位機軟件設計

　　上位機監控軟件可以通過無線WiFi與同一個WiFi網絡中的PLC進行通信，用于遠距離植物工廠現場監控，植物工廠中光照參數和環境參數數據不間斷連續收集、整理、統計、制圖以及設備運行狀態的在線記錄［1011］。上位機軟件用組態王軟件Kingview6.55來開發，其主要功能如下：

　　（1）遠程監控功能

　　它可以遠程監視植物工廠中的當前狀態，包括紅、綠、藍、紫外四種顏色光照開關、每種顏色燈光強度，植物工廠環境中溫度、濕度、CO2濃度當前數據，制熱機組、制冷機組、除濕機構、加濕機構、電磁閥等執行機構的開關狀態，可以遠程修改PLC控制器的全部設定參數。

　　（2）數據統計功能

　　可以統計任意時刻的光照強度、室內溫度、濕度、CO2濃度全月、全周、全日和本時段的最大值、最小值和平均值。

　　（3）生成曲線圖像功能

　　它能以平面圖方式同時繪制任意時刻的室內溫度、濕度、光照強度、CO2濃度的變化曲線并可以打印輸出。

4結論

　　本文以PLC和組態王為基礎設計了植物工廠監控系統，該系統可以實現數字化調節光照參數，自動化地管理環境中的溫度、濕度、CO2濃度，適應于多種作物生長要求。采用串行通信和無線網絡通信相結合的方式，使植物工廠現場安裝布局更靈活，通過組態軟件開發上位機軟件監控終端，使系統操作更加簡單、擴展性更好、穩定性更高，顯著提高了植物工廠的自動化控制和管理水平。

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