基于PLC 和LabVIEW 智慧农业监控系统的设计与实现

基于PLC 和LabVIEW 智慧农业监控系统的设计与实现内容摘要：

基于 PLC 和 LabVIEW 智慧农业监控系统的设计与实现 刘少清 1,2，季振山 1，王勇 1，张祖超 1，许张后 1 (1.中国科学院等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031) (2.中国科学技术大学, 合肥 230022) 摘 要：通过对海岛上环境的勘察并结合实际需求，本系统搭建了一套海岛智慧农业监控系统，实现了 对风、电、光等可再生能源的采集监控，并且对海岛上的智慧农业大棚系统进行了智能控制。其硬件组成 主要包括各类传感器，电流电压变送器，西门子 S7-300PLC。软件设计采用西门子自带的编程软件，对 PLC 进行编程，并利用 LabVIEW 进行上位机界面的设计，通过 OPC UA 通讯协议，实现监控系统的数据 采集控制，实时显示的功能。经过测试，目前该系统已完全达到设计要求，下位机可以实现 24 小时全天 候不间断采集，对执行器的手自动控制功能稳定，上位机完成了数据的实时显示，历史存储等功能。 关键词：海岛智慧农业；监控系统；数据采集；PLC 中图分类号：TP277 文献标识码：A Design And Implementation Of Island Microgrid Monitoring System Shaoqing Liu1,2, Zhenshan Ji1, Yong Wang1,Zhuchao Zhang1, Zhanghou Xu1 (1. Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China) (2. University of Science and Technology of China, Hefei 230022, China) Abstract: The island environment investigation and combined with the actual needs of the system, build a set of islands wisdom agricultural monitoring system, the realization of wind, electricity, light and other renewable energy acquisition and monitoring, and the wisdom agriculture greenhouse system on the island of intelligent control. The hardware mainly includes various types of sensors, current voltage transducer, SIEMENS S7300PLC. software design using SIEMENS's own software, programming of PLC, design and PC interface with LabVIEW, through the OPC UA communication protocol to realize data acquisition and control monitoring system, real-time display function. After testing, the system has been fully meet the design requirements, the machine can achieve 24 hours of uninterrupted acquisition, the automatic control function of the actuator is stable, the host computer to complete the real-time display of data, historical memory and other function. Keyword: The island's wisdom agriculture; Monitoring system; Data acquisition;PLC 0 引言 我国的东海和南海分布着大大小小许多 岛屿，在国家重视海洋战略、发展海洋经 济的大环境下，海岛智慧农业的研究与建 设越来越有实际意义。海岛智慧农业充分 利用了当地的风能、太阳能和潮汐能，不 仅有助于缓解我国现有电力资源与需求在 空间分布上的不平衡程度，同时为解决海 岛上居民饮水用电以及生活食物困难的问 题提供了优秀的解决方案[1]。 该监控系统具备以下 4 个功能： 1)多种传感器采集现场环境信号； 2) 提供手自动切换模式，自动模式下通 过阈值比较，实现大棚的反馈控制[2]； 3) 提供实验数据实时显示 ,存储以及历史 回放功能[3]； 4) 利用 OPC UA 技术进行通讯，提供了 系统的可移植性。 基 金 项 目 : 国 家 磁 约 束 核 聚 变 能 发 展 研 究 专 项 ( 项 目 号 ： 2014GB103000); 国 家 自 然 科 学 基 金 (11505239) 作者简介：刘少清(1991-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，主要研究方向为计算机控制与数据采集。 季振山(1963-)，男，安徽合肥人，研究员，博士生导师，主要从事计算机控制和数据采集系统方向的研 究。 1 系统总体结构设计 本系统主要由上位机 PC 端和下位机采 集监控端组成。 PC 端主要由 LabVIEW 软 件和 STEP7 软件构成。 LabVIEW 进行监 控界面的设计，数据的显示控制以及存储 等 功 能 。 采 集 控 制 端 主 要 由 西 门 子 S7300PLC 和各类传感器构成。 PLC 通过采 集各类传感器的数据，同时控制相应的执 行器发生动作。同时，利用了 OPC UA 技 术进行通讯。其中，处理现场执行器多种 控制方式以及监控模块的设计，这是本系 统的重点和难点。 图一 监控系统总体框架图 2 系统硬件选型 该系统作为示范项目，采用了 1KW 的风 力发电，2KW 的光伏发电，并将收集的电 量储存在 12V800AH 的蓄电池中，供其他 设备使用。其中，温室大棚里需要采集温 湿度， CO2 浓度以及光照度等环境参数， 从而通过 PLC 进行数据比对，控制相应的 执行器发生动作。其中，本系统的采集控 制设备采用的是西门子 300 系列 PLC，以 下对其硬件进行详细介绍。 1）传感器 传感器是采集监控系统的基础，本系统选 用的传感器具有较高的性价比，全数字式 、 精 度 高 并 且 稳 定 性 好 。 温 度 范 围 -40 ～ 80℃,湿度范围 0-100%RH ，浓度范围 05000ppm ，照度范围 0-200000Lux[4] 。 同时，传感器将采集到的模拟量转换为 4- 20mA 输入 PLC 中。 2）PLC 控制器 PLC 是采集监控系统的核心，本系统选用 西门子 S7-300 系列 PLC ，其具有模块化、 紧凑化的优势，功能强大且稳定 [5] 。其中， 数字量模块为 32 通道，模拟量模块为 8 通 道，采样位宽为 16Bit。 3 系统软件设计 本系统采用西门子自带的编程软件 STEP7 为 S7-300PLC 进行编程，同时使 用 LabVIEW 进行上位机监控界面设计， 并通过 OPC UA 通讯协议将下位机 PLC 与 上位机连接在一起，实现实时通讯。 3.1 OPC UA 通讯技术 OPC UA ，是在传统 OPC 技术取得很大 成功之后的又一个突破，LabVIEW 通过与 OPC UA Server 的连接来读取其中的数据 也 就是 PLC 中 的数 据 . 同样 也可 以通 过 OPC UA Server 对 PLC 中的一个变量进 行改写[6]。 在 NI OPC Servers-Runtime 中创建通 道，在通道下创建与 PLC 通讯地址对应的 设备，同时在设备下创建与 PLC 变量地址 一直标签，即可实现上位机与下位机通讯 地址的绑定。 通过 OPC UA 工具包的程序 ,创建证书并 绑定服务器结束点 URL，即可连接上 OPC UA 服务器，实现数据通讯。该程序通过 OPC UA 数据变化为条件，读取 PLC 的数 据，同时利用客户端 VI 直接写入 PLC 数据， 实现实时数据通讯。 3.2 下位机程序设计 通过对下位机的编程，实现采集控制等功 能。其设计思路：启动程序，首先进行系 统初始化，然后运行主程序 OB1 组织块， 通过调用 FB1 功能块，开始系统的采集控 制， FB1 中采集现场数据，同时具备手自 动切换模式控制相应的执行器动作，最后 停止采集关闭程序。对应的 PLC 程序流程 图如图二所示，下面就程序设计核心部分 做详细介绍。 为保持温室大棚内植物生长所必须的环 境，需对大棚内温湿度，二氧化碳浓度和 光照度等数据进行采集 [7] ，同时通过控制 风机，水帘，遮阳帘以及电加热器等执行 器动作，使大棚内部的环境参数保持在一 个稳定适合植物生长的条件下。 图二 PLC 程序流程图 程序中 FB1 功能块是将传感器采集到的 模拟量转换为标准的 4-20mA 的电流信号， 再转换为实际的工程量，并将温湿度，二 氧化碳浓度以及光照度真实数据显示出来。 程序中 OB1 组织块是程序运行的主程序， 其中 OB1 通过调用 FB1，实现数据采集。 同时系统还具备手自动模式切换，手动模 式下，操作人员通过现场电气柜的按钮直 接控制执行器的动作。自动模式图是通过 采集到的数据与实际大棚适合环境的阈值 进行比较，从而控制相应的执行器发生动 作，保证大棚内部环境稳定。 3.3 上位机程序设计 为满足项目要求，上位机程序主要包含 几个部分，系统的登陆及用户管理模块， 系统中各个部分，包括大棚，风电光伏和 槽式集热器的监控模块，以及视频监控模 块。同时添加账号权限以及系统时间显示 功能。 通过 OPC UA 通信技术，将上位机程 序中监控变量的地址与 OPC UA 的变量地 址进行绑定，即可实现上位机程序与下位 机 PLC 的 间接 通讯 。同 时， 本系 统 使 用 MySQL 数 据 库 进 行 数 据 存 储 ， 通 过 Labview 软件中 ADO 工具包实现上位机 与 MySQL 数据库的绑定[8]，并将用户账号 信息、系统运行状态以及监控数据分类存 储到数据库中。下图为上位机采集控制程 序框图，下面就上位机各个部分进行详细 介绍。 图三 上位机核心程序框图 程序框图主要变量定义如下： 1 ） security polic