董超，劉向明,，金薇,，蔡麗萍

　　（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 湖北 武漢430205）

       摘要：在植物工廠中培育作物時(shí),，需要對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的光照,、溫度、濕度,、CO2濃度等環(huán)境變量進(jìn)行精確的自動(dòng)化管理,，針對(duì)這一控制要求，設(shè)計(jì)了基于PLC的植物工廠監(jiān)控系統(tǒng),。該系統(tǒng)以EX2N100H為主控制器,，采用可調(diào)式LED恒流驅(qū)動(dòng)和RGB光源板來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)光照參數(shù)，通過(guò)相應(yīng)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu),，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度,、濕度、CO2濃度參數(shù),。通過(guò)組態(tài)王開發(fā)上位機(jī)軟件,，采用串行通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的通信方式，使上位機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)植物工廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控,，便于遠(yuǎn)程控制,。運(yùn)行測(cè)試表明，系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定,、操作簡(jiǎn)單,、易于擴(kuò)展和維護(hù)。

　　關(guān)鍵詞：植物工廠,；可編程控制器,；組態(tài)；無(wú)線通信

　　中圖分類號(hào)：TH39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（6）：95-98,，102

0引言

　　近年來(lái)，由于人口的飛速增長(zhǎng)及可耕地的不斷減少,，傳統(tǒng)種植農(nóng)作物藥殘超標(biāo)導(dǎo)致食品安全問(wèn)題日益突出,，植物工廠受到前所未有的關(guān)注。作為技術(shù)高度密集,、資源高效利用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式相比，植物工廠的作物單位面積種植產(chǎn)量高,，機(jī)械化,、自動(dòng)化程度高，生長(zhǎng)過(guò)程不使用農(nóng)藥,，產(chǎn)品安全無(wú)污染［13］,。

　　植物工廠是通過(guò)設(shè)施內(nèi)的高精度環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng),，由計(jì)算機(jī)對(duì)作物生育過(guò)程的光照,、溫度、濕度,、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境因素進(jìn)行自動(dòng)控制,，是不受或很少受到自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式［45］。根據(jù)植物工廠控制要求,，本文設(shè)計(jì)了植物工廠監(jiān)控系統(tǒng),，該系統(tǒng)采用RGB三基色LED光源板為植物生長(zhǎng)的光源，采用可調(diào)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源來(lái)調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度,，通過(guò)傳感器采集環(huán)境中光照,、溫度、濕度,、CO2濃度數(shù)據(jù),，采用PLC觸摸屏一體作為現(xiàn)場(chǎng)主控制器,，通過(guò)程序可以數(shù)字化調(diào)節(jié)光照參數(shù)，自動(dòng)化地控制植物生長(zhǎng)環(huán)境中的相關(guān)變量,。

1植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)

　　植物工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,，該系統(tǒng)主要分為兩個(gè)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(jī)軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)控,。在本地控制中PLC為主控制器，其模擬輸入端分別實(shí)時(shí)采集植物工廠環(huán)境中空氣的溫度,、濕度,、CO2濃度和光照度參數(shù)，其模擬輸出端控制RGB三種燈光的強(qiáng)度,?？刂破鞯腎/O端口，其輸入端口主要是用來(lái)接入開關(guān)信號(hào),，實(shí)現(xiàn)按鍵開關(guān)功能的輸入,；輸出端用來(lái)控制執(zhí)行器件啟停，如加熱機(jī)組,、制冷機(jī)組,、電磁閥、加濕機(jī)構(gòu),、除濕機(jī)構(gòu)等,，通過(guò)控制程序進(jìn)行自動(dòng)開啟與停止。在上位機(jī)軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)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(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,，工控機(jī)連接WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以與現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行通信,，工控機(jī)上用組態(tài)王軟件開發(fā)人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)管理平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠中現(xiàn)場(chǎng)控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1LED光源板設(shè)計(jì)

　　LED能夠發(fā)出植物生長(zhǎng)所需要的單色光,，光譜域?qū)拑H為±20 nm,，經(jīng)過(guò)紅、藍(lán)光相應(yīng)混合后,，能夠形成與植物光合作用與形態(tài)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(gòu)成，RGB三基色燈珠內(nèi)包含紅,、綠,、藍(lán)三種基色單色燈，每一種顏色需要單獨(dú)的電源進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng),，采用可調(diào)穩(wěn)壓恒流驅(qū)動(dòng)電源,，可以根據(jù)控制要求改變?nèi)旌媳壤{(diào)節(jié)出不同植物生長(zhǎng)所需光譜［8］,。

　　2.2數(shù)據(jù)采集傳感器

　　在人工植物環(huán)境控制系統(tǒng)中，需要對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的光照強(qiáng)度,、溫度,、濕度、CO2濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,，因此要使用相應(yīng)傳感器,。PLC模擬輸入端要求輸入信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，所以采用的傳感器輸出信號(hào)都為模擬電壓信號(hào),。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(hào)：0～5 VDC ,；濕度量程：0～100%RH,，輸出信號(hào)：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(hào)：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(hào)：0～10 VDC。

　　2.3通信設(shè)計(jì)

　　為了方便用戶對(duì)人工植物環(huán)境控制系統(tǒng)操作與管理,，采用上下位機(jī)通信模式,，下位機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)的PLC控制器，上位機(jī)為工控機(jī),。在植物工廠中一般有多個(gè)植物種植房間,，每個(gè)種植房間內(nèi)有一臺(tái)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(dú)立隔離,，如果僅采用RS485通過(guò)傳統(tǒng)的電纜有線方式使現(xiàn)場(chǎng)安裝走線不方便，通信可靠度降低,，因而在此基礎(chǔ)上加入了串口WiFi無(wú)線模塊,。模塊內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及 TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換,。

　　2.4PLC輸入/輸出點(diǎn)分配

　　根據(jù)植物人工環(huán)境控制系統(tǒng)控制要求,，控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有3個(gè)開關(guān)輸入、11個(gè)開關(guān)量輸出,、4個(gè)模擬量輸入和4個(gè)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(jī),，該控制器兼容三菱FX2N系列編程指令,，具有16路開關(guān)量輸入、16路開關(guān)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(xié)議,，包括主機(jī)/從機(jī)模式，可組網(wǎng)多個(gè)PLC或其他設(shè)備［9］,。EX2N100H具有一塊10英寸液晶觸摸屏,，用來(lái)開發(fā)人機(jī)交互界面，基本按鍵操作用觸摸屏中的虛擬按鍵代替,，通過(guò)操作觸摸屏完成,。PLC輸入/輸出點(diǎn)具體分配情況如表1所示。

3軟件設(shè)計(jì)

　　3.1PLC程序設(shè)計(jì)

　　PLC程序設(shè)計(jì)采用模塊化編寫風(fēng)格,，將控制程序分為3部分：光照控制,、環(huán)境控制和通信控制。

　　3.1.1光照控制程序設(shè)計(jì)

　　根據(jù)植物生長(zhǎng)的要求,，光照控制設(shè)計(jì)為手動(dòng)控制模式和時(shí)控模式,，為了防止這兩種模式同時(shí)開啟造成操作混亂，引起設(shè)備故障,，將時(shí)控模式與手動(dòng)控制模式互鎖,，當(dāng)時(shí)控模式開啟時(shí)會(huì)自動(dòng)復(fù)位手動(dòng)操作模式，此時(shí)手動(dòng)操作無(wú)效,，需要用戶取消時(shí)控模式,，才能再啟動(dòng)手動(dòng)操作模式。

　　手動(dòng)操作模式即用戶手動(dòng)操作觸摸屏人機(jī)交互界面,，手動(dòng)開啟和關(guān)閉光源板的紅,、綠、藍(lán),、紫外這四路光源，手動(dòng)調(diào)節(jié)這四路燈光的強(qiáng)度,。時(shí)控模式是用戶先設(shè)定好一天中的某個(gè)時(shí)段（開始和結(jié)束時(shí)間）,，然后設(shè)置好在這時(shí)間段內(nèi)每種燈光開啟狀態(tài)和強(qiáng)度，開啟時(shí)控模式后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在設(shè)置時(shí)間段內(nèi)開啟用戶設(shè)置的燈光,，按用戶的參數(shù)自動(dòng)設(shè)置每種燈光的強(qiáng)度,，系統(tǒng)在用戶設(shè)定時(shí)間之外默認(rèn)關(guān)閉所有燈光，無(wú)需用戶手動(dòng)管理,。

　　紅,、綠,、藍(lán)、紫外燈光開關(guān)控制由PLC輸出端Y0～Y3來(lái)控制,，燈光強(qiáng)度由模擬輸出DA0～DA1控制,。燈光強(qiáng)度的控制需要使用模擬輸出通道，在EX2N100H中啟動(dòng)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(duì)其賦值可以輸出相應(yīng)通道的模擬電壓信號(hào)。在燈光強(qiáng)度控制上使用數(shù)字化控制方式,，用戶輸入0～100的數(shù)值,，PLC將其存入寄存器，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算傳送給模擬輸出寄存器,，輸出相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)給LED恒流驅(qū)動(dòng)電源,，調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)度。光照控制程序流程圖如圖2所示,。

　　3.1.2環(huán)境控制程序設(shè)計(jì)

　　環(huán)境控制的主要環(huán)境變量包括溫度,、濕度和CO2濃度，對(duì)這些變量采取閉環(huán)控制方法,。采集傳感器數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)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(lái)設(shè)定,，模擬量輸入精度為12位，使用時(shí)直接讀取每一路模擬量對(duì)應(yīng)的寄存器數(shù)值,，AD0～AD3分別對(duì)應(yīng)D8030～D8032,，如有誤差可以進(jìn)行誤差修正。

　　溫度控制方案是設(shè)定一組溫度上下限值TH和TL,，PLC讀取當(dāng)前溫度T,，當(dāng)T>TH時(shí)，制冷機(jī)組開始啟動(dòng)工作,，直到當(dāng)前溫度降到TL時(shí),，制冷機(jī)組停止工作；當(dāng)前溫度T< TL時(shí),，制熱機(jī)組開始工作,，直到當(dāng)前溫度上升到TH時(shí)，制熱機(jī)組停止工作,，如此反復(fù),，完成溫度控制循環(huán)。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(guò)加濕機(jī)構(gòu)和除濕機(jī)構(gòu)來(lái)完成,，當(dāng)檢測(cè)濕度低設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)加濕機(jī)構(gòu),，當(dāng)高于設(shè)定值啟動(dòng)除濕機(jī)構(gòu)。CO2濃度控制系統(tǒng)由CO2鋼瓶,、減壓閥,、流量計(jì)、電磁閥等組成,，為了方便控制,，鋼瓶出口裝設(shè)減壓閥，將CO2降至0.1～0.15 MPa后釋放,。當(dāng)檢測(cè)CO2濃度小于設(shè)定值時(shí),，PLC通過(guò)輸出端對(duì)電磁閥通電，將CO2送至靠近風(fēng)機(jī)處的供氣管道中,，使CO2均勻送入房間,，當(dāng)CO2濃度大于設(shè)定值時(shí)，新風(fēng)機(jī)組啟動(dòng),，給室內(nèi)補(bǔ)充新鮮空氣使CO2濃度降到設(shè)定值,。

　　環(huán)境控制也設(shè)計(jì)為手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式，手動(dòng)模式下可以自由手動(dòng)控制環(huán)境相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟停,，如制熱機(jī)組,、制冷機(jī)組等、除濕機(jī)構(gòu),、風(fēng)機(jī)等,。自動(dòng)模式下，用戶設(shè)置設(shè)定好參數(shù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)管理執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制環(huán)境變量,。環(huán)境控制程序流程圖如圖3所示,。

　　3.1.3通信程序設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中控制器EX2N100H與串口WiFi無(wú)線模塊是通過(guò)串行通信方式通信，串口WiFi無(wú)線模塊通過(guò)串行通信將PLC控制器的數(shù)據(jù)透明傳輸至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,，上位機(jī)程序通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器的監(jiān)控,。EX2N100H進(jìn)行串口通信之前需要通過(guò)程序進(jìn)行串口通信相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，D8120為通信參數(shù)配置寄存器,，將十六進(jìn)制0x4081傳送給D8120,，即串口通信協(xié)議配置為Modbus RTU從機(jī)模式、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8位,、無(wú)奇偶驗(yàn)證,、1個(gè)停止位、波特率9 600 b/s,。D8120為從機(jī)站號(hào)寄存器，配置從機(jī)地址1～247,，D8126為發(fā)送延時(shí)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(zhí)行一次，使用位元件M8002只在第一個(gè)掃描周期執(zhí)行串口通信配置程序,。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)監(jiān)控軟件可以通過(guò)無(wú)線WiFi與同一個(gè)WiFi網(wǎng)絡(luò)中的PLC進(jìn)行通信,，用于遠(yuǎn)距離植物工廠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，植物工廠中光照參數(shù)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)不間斷連續(xù)收集,、整理,、統(tǒng)計(jì)、制圖以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線記錄［1011］,。上位機(jī)軟件用組態(tài)王軟件Kingview6.55來(lái)開發(fā),，其主要功能如下：

　　（1）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

　　它可以遠(yuǎn)程監(jiān)視植物工廠中的當(dāng)前狀態(tài),，包括紅,、綠、藍(lán),、紫外四種顏色光照開關(guān),、每種顏色燈光強(qiáng)度，植物工廠環(huán)境中溫度,、濕度,、CO2濃度當(dāng)前數(shù)據(jù)，制熱機(jī)組,、制冷機(jī)組,、除濕機(jī)構(gòu)、加濕機(jī)構(gòu),、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài),，可以遠(yuǎn)程修改PLC控制器的全部設(shè)定參數(shù)。

　?。?）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能

　　可以統(tǒng)計(jì)任意時(shí)刻的光照強(qiáng)度,、室內(nèi)溫度、濕度,、CO2濃度全月,、全周、全日和本時(shí)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(shí)繪制任意時(shí)刻的室內(nèi)溫度,、濕度,、光照強(qiáng)度、CO2濃度的變化曲線并可以打印輸出。

4結(jié)論

　　本文以PLC和組態(tài)王為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了植物工廠監(jiān)控系統(tǒng),，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)光照參數(shù),，自動(dòng)化地管理環(huán)境中的溫度、濕度,、CO2濃度,，適應(yīng)于多種作物生長(zhǎng)要求。采用串行通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的方式,，使植物工廠現(xiàn)場(chǎng)安裝布局更靈活,，通過(guò)組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)軟件監(jiān)控終端，使系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)單,、擴(kuò)展性更好,、穩(wěn)定性更高，顯著提高了植物工廠的自動(dòng)化控制和管理水平,。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 邱兆美,趙龍,賈海波. 植物工廠發(fā)展趨勢(shì)與存在問(wèn)題分析［J］. 農(nóng)機(jī)化究,2013，35(10):230-233.

　?。?］ 余錫壽,劉躍萍. 植物工廠栽培技術(shù)的發(fā)展及其展望［J］. 農(nóng)業(yè)展望,2013,，9(7):58-61.

　　［3］ 付煥森,趙振江. 基于PLC和組態(tài)技術(shù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 農(nóng)機(jī)化究,2013(12):185188.

　?。?］ KWON S Y, RYU S H, LIM J H. Design and implementation of an integrated management system in a plant factory to save energy［J］.Cluster Computing,2014,，17(3):727-740.

　　［5］ HENDRAWAN Y, RIZA D F A, MURASE H. Applications of intelligent machine vision in plant factory［J］. IFAC Proceedings Volumes,2014,47(3):8122-8127.

　?。?］  江天,張瀟. 智能LED植物生長(zhǎng)系統(tǒng)［J］. 照明工程學(xué)報(bào),2013(1):168-172.

　?。?］ 劉文科,楊其長(zhǎng). LED植物光質(zhì)生物學(xué)與植物工廠發(fā)展［J］. 科技導(dǎo)報(bào),2014,32(10):25-28.