基于CC-Link的温室大棚监控系统设计

基于CC-Link的温室大棚监控系统设计
王春峰;王清清;张飞飞;沈文亮
【摘要】设计了一种基于CC - Link现场总线的温室大棚监控系统,给出现场总线控制系统的定义,详述了CC-Link网络在温室大棚中的应用,并给出了具体的设计方法和步骤.实验表明,采用CC - Link网络系统极大地提高了系统的实时性与可靠性,实现了远程控制中心、现场控制以及现场设备间通讯的无缝连接,完成了执行器件的闭环控制,实现温室内的空气流动,使得各个参量均衡调节.该系统具有结构简单、可靠性高、扩展性好以及布线灵活等特点.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2011(033)012
【总页数】4页(P147-150)
【关键词】温室大棚;温湿度;CC-Link;监测与控制
【作者】王春峰;王清清;张飞飞;沈文亮
【作者单位】南京信息职业技术学院机电学院,南京210046;南京信息职业技术学院机电学院,南京210046;南京信息职业技术学院机电学院,南京210046;南京信息职业技术学院机电学院,南京210046
【正文语种】中文
【中图分类】S625.5+1
0 引言
温室大棚的智能化监控系统是构建高效农业种植业，提供可以改变农作物的生长环境、创造最佳生长条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所[1]。

温室生产以达到调节产期、促进生长发育、防治病虫害、提高质量和产量等为目的。

温室环境调节是设施农业的重要组成部分，也是我国农业发展的重点之一。

国内外温室种植业的实践经验表明，提高温室的远程监控和管理水平可充分发挥温室农业的高效性。

随着设施农业在我国的长足进步，与之相配套的各种设备的研究与应用也不断发展，温室大棚在现代农业和种植业已广泛应用。

由于育苗和一些农作物生长，对环境的温度和湿度有较高的要求，不仅要进行温度、湿度控制，还要对环境的CO2含量和有害残留物含量等参数进行监测，以达到植物最佳生长需求和绿色环保要求，即对环境提出综合控制要求[2-6]。

1 CC-Link现场总线
1.1 现场总线
现场总线是应用在生产最底层的一种总线型拓扑的网络。

这种总线是用做现场控制系统的，直接与所有受控的设备或节点串行相连的通信网络。

传统的控制系统难于实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，以至于很难满足自动控制技术现代化的需求。

为了实现信息集成和综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境中运行、性能可靠且造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。

现场总线就是在这种实际需求的推动下应运而生的。

现场总线控制具有结构简洁、高可靠性、可控性强、可互操作性、功能综合以及分散控制等优点。

总而言之，现场总线控制系统是高可靠、低成本、组态简单、可互操作性强、分散控制、方便运行且数据库一致的开放式系统[7]。

1.2 CC-Link现场总线功能及性能指标
CC-Link现场总线技术是Control and Communication Link的简称，即控制与
现场总线系统。

它使得具备高级信息的位处理单元与数据传送之间的简易连接成为现实，现场网络系统在提供更完善的现场信息的同时，还降低了电缆的成本。

CC-Link为开放的网络设置了一个新标准，它可以将三菱公司的产品与其它厂商的产品相连接，还可以形成高速与远距离的应用组态，使其能够适应网络的多样性。

CC-Link系统允许3种输入1输出(I/O)形式的连接：远程I/O、远程元件和智能化远程站等。

CC-Link现场总线最高通信速度可达10Mbifs，这样高的速度可以在不影响机器控制速度的同时允许大量的数据进行通信；主站与从站(远程站)之间的距离最长可达112km，在最高速度下，可达100m，通信速度与距离有关。

它最多可以挂64个从站，每617ms可传送2 048位I/O数据和512点16位数据，采用双绞线电缆作为传输介质。

与其它现场网络不同的是，CC-Link现场总线有自动更新参数的功能，即指定的可编程序控制器(PLC)内部元件区域的数据，会被自动地传送到所有远程I/O和当地PLC中[8]。

1.3 网络组成
CC-Link网络由主站(如Q series CPU，FX series等)、从站(远程数字I/O、远程模拟I/O、远程高速计数模块、远程操作员面板、远程RS232接口和变频器等)组成。

主站与从站的通信由两块主-从通信模块完成，主站与从站均连在一根双绞线上，主站靠地点来辩识从站，每一个从站都有一个不同的站号，主站发送的信息，只有相同的站号方可接受。

主站与从站的通信刷新速率极高，从而保证了信号的实时性。

2 控制系统设计
控制系统的设计框架如图1所示。

图1 控制系统设计架构Fig.1 The frame of the controll system
当温室大棚环境控制系统的参数设定好之后，系统就可以按照程序自动运行。

系统
采用PID控制的温度控制系统，又存在着正动作与逆动作两种控制方式，为了实
现系统的智能化控制，在开机初始化时对设定值与测量值进行比较做出选择，来决定系统使用正动作，还是逆动作的控制方式，此过程仅在开机初始化时执行一次，来对棚内温度做出加热，还是冷却的控制模式，并且对温度、湿度、光照度以及二氧化碳浓度分别设置报警值，进行上下限的限位报警。

最后，通过组态或人机界面(HMI)对这些参量进行远程实时监控，实现温室大棚的智能化远程控制。

2.1 通讯
通过远程控制中心对大棚内植物最佳生长环境的各个参量进行设置，并将这些设定值(SV)通过RS-232通讯电缆写入主站FX3u系列PLC中。

当FX3u系列PLC运
行后，通过CC-Link现场总线读取现场设备传感器的测量值(PV)。

主站PLC对写
入值与读取值进行运算后，将运算结果(MV)写入CC-Link远程寄存器中，用于控制各个设备站的执行器，从而使得大棚内的执行器件通过改变棚内的温度、湿度、二氧化碳以及光照度以使植物获得最佳的生长环境。

与此同时，远程控制中心的监控站会通过通讯电缆读取到现场的实时数据并备份。

主站PLC缓冲存储器和远程
设备站之间的关系如图2所示。

图2 主站与远程设备站间的通信缓冲区对应关系Fig.2 The corresponding connection of communication storage between the main station and the following station
2.2 控制策略及实现
PID控制是迄今为止最通用的控制方法，各种DCS、智能调节器等均采用该方法
或其较小的变形来控制。

尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。

FX系列PLC中内部带有PID调节功能，通过调用相应指令设置比例、积分和微分系数，来实现PID功能。

PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成
离散形式的PID控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计[9]。

在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图3所示。

图3 闭环控制系统方框图Fig.3 The chart of closed-loop control system
图3中，sp(t)是给定值；pv(t)为反馈量；c(t)为系统的输出量。

PID控制器的输入/输出关系式为
M(t)=KC[e(t)+1/TI×e(t)dt+TDde(t)/dt]+M0
(1)
式中 M(t)—控制器的输出；
M0—输出的初始值；
e(t)—误差信号，e(t)=sp(t)-pv(t)；
Kc—比例系数；
TI—积分时间常数；
TD—微分时间常数。

式(1)中，等号右边前3项分别是比例、积分和微分部分，它们分别与误差、误差
的积分和微分成正比。

根据温室大棚对环境因素的要求，PID参数的设定是控制系统设计的核心内容，是根据被控过程的特性确定PID控器的比例系数、积分时间和微分时间的大小，以
改善系统的动态特性和静态特性，取得最佳控制效果[10-11]。

基于三菱FX3U系
列PLC的参数设定程序如下：
MOVP D38 D500 //目标值的设定
MOVP K70 D512 //输入滤波常数设定<70%>
MOVP K0 D515 //微分增益(KD)设定<0%>
MOVP K2000 D532 //输出上限值设定<2s ON>
MOVP K0 D533 //输出下限值<0s ON>
MOVP K500 D510 //采样时间500ms
本系统通过PLC内部的PID算法控制大棚内的执行器件，实时地调节了温室内的
温度、湿度、二氧化碳以及光照度，取得了令人满意的控制效果。

2.3 上位机组态监控
采用易控组态软件进行“设备连接”、“创建监控画面”和“创建实时数据库”，通过通讯电缆和PLC以及由CC-Link构成现场总线网络，实现了PC机上对现场
状况的远程实时监控。

2.3.1 组态软件设备通讯的实现
设备通讯的实现需要配置IO通信，易控通过IO通道和PLC(在易控中被称为“设备”)建立通讯，读写被监控的PLC数据；易控所在的计算机和PLC作为通信的双方，需要各自配置相同的通信参数，才可以进行通信。

FX系列PLC的编程口(圆
形接口)的通信参数是固定的，为波特率9600，偶校验，1个停止位。

因此只需要对易控所在计算机的串口配置相同的通信参数即可。

2.3.2 定义数据库变量
易控通过工程树上的变量节点建立工程的数据库变量组，在变量组中再定义数据库变量；在易控中，数据库变量是联系上位机和下位设备的桥梁。

配置数据库变量操作步骤如下：在“工程”窗口的工程树上选择“变量”节点，在“变量”节点的右键菜单中选择“新建组”，输入变量组的名称；双击新建的“变量组”节点，在工作区中打开该变量组，新建一个变量与PLC 中的软元件对应，
并对其命名，其他属性保持默认设置不变；数据库变量建立完毕，下一步需要将
IO 变量和数据库变量进行关联。

关联的定义是从IO 变量开始的，即从IO 变量关联到数据库变量。

2.3.3 连接IO变量和数据库变量
IO 变量和数据库变量关联的过程是在易控工作区中找到需要关联的IO 变量，在
其“数据库变量”列中选择对应的数据库变量即可。

在易控开发环境下，在设备变量配置中把IO 变量和数据库变量建立，所以先要通过IO 通信的设备节点打开设备变量配置工作区。

在“配置IO 通信”中，使用的
是三菱FX3U 的PLC，则将双击工程树上IO 通信下的“串口通道”节点，将工作区切换到设备变量配置页，在新建的寄存器的“数据库变量”项中点击“ ”按钮
弹出“变量浏览器”窗口。

在变量组中选择所对应的软元件。

2.3.4 编译运行
建立完成，需要指定易控运行时最开始调入的画面。

编译前保存整个工程。

选择“运行”菜单中的“编译”或者单击常用工具栏中的“编译”，对工程进行编译。

如果工程有错误，则会在编译窗口中显示相应的错误信息，否则编译窗口自动消失。

如果出现错误，需要修正相应错误，直至编译通过。

运行的主要画面如图4所示。

图4 系统运行组态监控图Fig.4 The running system for configuration of monitoring and controlling
本系统经过实际运行，性能稳定可靠，操作系统简单方便，完全符合控制系统要求，达到了良好的控制效果。

3 结论
现场总线控制系统作为一种全数字化、网络化、开放式和分布式的新型控制系统，具有高度的可靠性和互操作性等特点，极大地节省了电缆的敷设和施工的费用。

采用CC-Link现场总线实现PLC和现场设备之间的通信控制策略，采用PID调节算法实现温室大棚环境因子的控制，克服了传统方式普遍存在的效率低、可靠性差和自动化程度不高等缺点，可实现高效节能、自动可靠、维护简单及管理方便的数字监控系统。

实际运行表明，本控制系统满足温室作物对生长环境的要求，控制非常稳定可靠。

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