基于MPI网络的温室监控系统.pdf

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1、http:/ -1-基于基于 MPI 网络的温室监控系统网络的温室监控系统 李明1，2，赵龙庆2，杨承2，舒宇2，何超2，贾德文2 1南京理工大学动力学院，南京(210094)2西南林学院交通机械与土木工程学院，昆明(650224）E-mail：lm_ 摘摘 要：要：本文在分析国内现有先进温室控制系统的基础上，结合先进工业控制网络理论，提出了基于 MPI 网络的温室自动监控系统。该系统以 PC 作为远程监控设备、PLC 作为现场控制设备、触摸屏及文本显示器作为现场监控设备，采用 MPI 通信协议。同时，给出了基于PC和基于触摸屏的两类不同档次的HMI，分别实现网络远程监控和单温室现场监控功能。

2、该系统投入运行后，较好地实现了工艺控制要求，控制过程稳定可靠，具有较高的性价比，是一种更经济的温室网络监控系统。关键词：关键词：MPI 网络，温室，监控系统 中图分类号：中图分类号：TP393.03 1.引言引言 我国对于温室控制系统的研究比较晚，直到80 年代才开始出现微机控制系统1。近20几年，北京、上海、深圳和南京等地从荷兰、美国、日本及以色列等国家引进了许多大型温室，这些温室对于国内设施农业的发展起到了启发和借鉴作用，但因其造价和运行费用高、售后维修困难以及温室结构不适合我国地理气候条件等因素，而没有在国内推广。因此，研究操作简单、性价比高、符合我国国情的农业设施，成了设施农业的发展趋

3、势2。目前，国内自行研发的温室控制系统大多是单片机控制系统，这其中包括基于单片机的集中控制系统345和总线控制系统6789。这些基于单片机的控制系统虽然硬件成本不高，但其开发成本较高，而且一般通用性不强。PLC（可编程控制器）作为一种现代先进的控制器，具有可靠性高、适应性好、体积小、网络功能强、组态灵活等优点，因此在温室控制系统中得到了越来越广泛的应用。但现在基于PLC的温室控制系统大多是单个温室控制系统1011，虽然也有基于PLC的网络总线控制系统1213，但这种基于Profibus-DP总线的控制系统硬件和软件成本都非常高，很难被推广应用。为此，本文提出了一种基于MPI网络结构的温室自动监

4、控系统，它可以实现温室群控制，而其成本远低于Profibus-DP总线控制系统。2.温室自动监控系统的组成温室自动监控系统的组成 2.1 温室控制系统的工艺要求温室控制系统的工艺要求 根据现代先进温室花卉技术的要求，本文提出的基于MPI网络的温室控制系统主要满足下述工艺要求：(1)实时检测各温室内影响植物生长的重要环境因素：空气温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度、土壤温度、土壤湿度、PH值、土壤EC值等。(2)自动/手动监控各温室内的空气温度、空气湿度、光照强度、光照时间、CO2浓度、土壤温度、土壤湿度等环境参数。2.2 MPI网络简介网络简介 MPI网络是基于MPI（MultiPoint

5、Inteface）多点接口协议的一种通信网络，相对于其它总线网络结构，它更简单、更经济。由于西门子PLC S7-200/300/400 CPU上的RS485接口不仅是编程接口，同时也是一个MPI的通信接口，所以在没有额外硬件投资的状况下，可以实http:/ -2-现PG/OP、全局数据通信以及少量数据交换的S7通信等通信功能，其网络节点通常包括S7 PLC、TP/OP、PG/PC、ET200S以及RS485中继器等网络元器件。MPI网络最多可以连接32个节点。MPI网络的通信速率为19.2Kbit/s-12Mbit/s，通常默认设置为187.5Kbit/s，只有能够设置为PROFIBUS接口的

6、MPI网络才支持最大的12Mbit/s的通信速率。普通PC需要通过MPI/PROFIBUS通信卡（如CP5512/CP5611/CP5613等）联入MPI网络，其中CP5611和CP5613用于台式电脑，后者带网络诊断功能，但价格相对较高。总之，MPI网络结构是当通信速率要求不高、通信数据量不大时，可以采用的一种简单经济的通信网络。由于温室内环境参数变化缓慢、需要监测参量不多，所以温室群控制采用MPI网络是一种经济实用的网络控制方式。2.3 温室控制系统硬件配置温室控制系统硬件配置 为了实现上述工艺要求，本系统选用SIMATIC S7-200 系列PLC作为现场控制设备，因为该系列PLC具有较

7、高的性价比，且具有强大的网络通信功能。同时配置了空气温度/湿度传感器、光照强度传感器、CO2浓度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、PH值传感器及土壤EC值传感器等用于检测温室内各环境变量；装备了水帘、加热装置、空气加湿装置、CO2发生机、土壤灌溉装置、土壤追肥装置、通风电机、遮阳装置、补光灯等设备，用于改变温室内各环境变量的数值；网络监控设备选用普通PC，现场装备了触摸屏和文本显示器作为现场监控装置，它们都与PLC的RS-485通信接口相联。根据上述设备配置情况，单温室控制系统有8路模拟量输入、10路数字量输出、12路数字量输入。同时，PLC控制系统还应至少具有三个RS-485通信接口。

8、另外，根据MPI网络的配置要求，本系统中网络监控设备PC通过CP 5611通信卡联入MPI网络。为了保证PLC的通信速率，同时满足至少三个RS-485通信口的要求，各温室的PLC通过EM 277联入MPI网络。EM 277是一个DP通信模块，它支持最高12Mbit/s的通信速率，通过扩展该模块，S7-200 PLC即可以作为一个DP从站，又可以作为一个MPI从站。在新型S7-200系列PLC中，CPU 221无扩展功能，具有一个RS-485通信接口，只可作为小点数的微型控制器；CPU 222有扩展功能，也具有一个RS-485通信接口，本机有8个数字量输入和6个数字量输出；CPU 224具有更强

9、的控制功能和扩展功能，其本机有14个数字量输入和10个数字量输出，具有一个RS-485通信接口；CPU 226是一种最新的S7-200系列PLC，其本机有24个数字量输入和16个数字量输出，且具有两个RS-485通信接口。根据上述分析，CPU 224和CPU 226都能满足单温室控制系统的数字量I/O点数要求，但CPU 226具有两个RS-485通信接口，扩展EM 277通信模块后，就可以达到三个RS-485通信接口，因此，本系统选用CPU 266作为单温室控制设备。因为CPU 226本机不带模拟量输入输出功能，所以需要添加模拟量扩展模块，适用于S7-200的模拟量扩展模块有三种：EM231(

10、4路模拟量输入)、EM232(2路模拟量输出)、EM235(4路模拟量输入，1路模拟量输出)。因为本系统需要8路模拟量输入，而且考虑到进行智能控制时需要模拟量输出，因此选用两块EM235作为模拟量扩展模块。http:/ -3-单温室控制系统的结构示意图如图1所示，MPI网络控制系统示意图如图2所示。由于各温室采用相同的控制系统，故在图2中仅给出1号温室的内部控制系统结构，其它各温室与之相同。当然，也可以根据实际需要，各温室选择不同的控制结构，只要对应的设备支持MPI通信协议即可，这里不再详述。3.温室自动监控系统组态温室自动监控系统组态 目前，我国大型温室基本没有自己的监控软件，一般是用一些通

11、用的计算机语言编制相应的人机界面，但这种界面往往不具备较好的监视功能，而且程序扩展性不好15。由于专业的监控组态软件是面向监控和数据采集的软件平台工具，主要包括HMI（人机界面）、实时数据库、实时控制、SCADA(Supervisory Contol and Data Acpuisition)、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持等内容。所以，选用专业的工业控制软件可以非常方便地编制符合实际需要的HMI。本文提出的温室自动监控系统有两类HMI，一类是基于PC的网络监控HMI；另一类是基于触摸屏的现场监控HMI。由于后者需要专业的组态软件ProTool CS中进行编制，而该软件也提供

12、了基于PC的组态功能，所以本文选择该组态软件开发上述两类HMI。图 1 单温室监控系统结构示意图 Fig 1 Supervision and control system structure of a single-greenhouse EM277 CPU 226EM235空气温度传感器空气湿度传感器COB2B浓度传感器光照强度传感器土壤温度传感器土壤水分传感器PH 值传感器 EC 值传感器 传 感 器 输 入 水 帘 加 热 装 置空气加湿装置COB2 B发 生 机土壤灌溉装置土壤追肥装置通 风 电 机遮 阳 装 置补 光 灯 执行装置输出TP 170B TD 200 EM235PC CP

13、5611 通信打印机TP 170BTD 200EM 277 CPU 226 EM 235 EM 235 1 号温室 MPI N 号温室 图 2 温室 MPI 网络监控系统结构示意图 Fig 2 Supervision and control system structure of a MPI networkhttp:/ -4-基于PC的网络监控HMI实现对整个温室群的自动监控，主要由基本信息显示、工艺参数配置、设备监视、工艺实时/历史曲线显示等四个主要界面组成。基于触摸屏的现场监控HMI也主要由以上四个界面组成，所不同的是，该HMI只实现对应单个温室的自动监控。文本显示器TD200在PLC的编

14、程软件中进行组态，它主要用于现场显示温室内主要环境参量的实时值。4.温室自动监控系统的主要功能温室自动监控系统的主要功能 本文提出的基于MPI网络的温室群自动监控系统可以根据工艺要求实现对各温室内的温度、湿度、CO2浓度、光照强度、光照时间等影响植物生长的重要环境因素进行实时监控。工艺人员可以通过两个友好的HMI方便地设定和修改各种工艺参数。该系统主要具备下列功能：（1）基本信息显示功能：显示各温室内植物的基本信息（如中文名/拉丁名、产地、引种地等）以及影响植物生长的各种环境变量（如空气温度/温度、光照强度、CO2浓度、土壤温度/湿度、土壤PH值、EC值等）的实时数值；（2）工艺参数配置和修改

15、功能：设定和修改各温室内重要环境变量（如空气温度/湿度、土壤温度/湿度、CO2浓度、光照强度、光照时间等）的最佳值；（3）设备监控功能：显示了各温室设备的实时状态，而且用户可以根据需要强制改变各设备的状态；（4）实时/历史曲线显示功能：本系统将所测各温室环境参量实时地存入到对应的Excel数据库，并在两类HMI上显示实时/历史曲线；（5）报警功能：对各温室的重要环境因素都配备了报警功能，一旦这些因素超出植物生长的极限，两类HMI都会发出报警信息通知用户；（6）其它功能：除了具备上述基本功能外，本系统还提供了登录权限保护功能和打印功能。前者为不同层次的用户提供对应的使用权限，以保护系统的安全和稳

16、定。后者为用户提供了打印温室基本信息及实时/历史曲线的功能。5.结论结论 本文在了解和分析国内现有温室（群）控制系统的基础上，结合现代先进的总线控制理论，提出了一种符合我国国情的经济适用的基于MPI网络结构的温室群网络自动监控系统。本系统可以通过增减相应的可选设备，满足不同层次用户的需要，第一种是不选用任何现场监控设备，这是一种最简单的网络监控系统，只具备远程监控功能，没有现场监控能力；第二种是现场采用文本显示装置（如TD200）作为监控设备的简单网络控制系统，该系统造价相对较低，但现场监控能力不强；第三种是现场采用触摸屏（如TP170B）作为监控设备的高级网络控制系统，该系统不仅具有强大的网

17、络控制功能，还具备完善的现场监控能力，只是系统造价相对较高；当然，用户也可以同时选用以上两种监控设备，这样可以使现场监控更加安全可靠。该系统投入运行后，较好地实现了工艺控制要求，控制过程稳定可靠，与国内外其它先进温室（群）控制系统相比，具有较高的性价比，适合在我国推广使用。http:/ -5-参考文献参考文献 1 汪小旵，丁为民温室环境控制技术探讨J 农机化研究，2000，28(3)：41-45 2 左志宇，毛罕平，李 俊 基于 Internet 温室环境控制系统研究设计 J 农机化研究，2003，(4)：104-107 3 刘源，刘玉乐微机温室综合环境控制系统J 天津农学院学报，1999，6

18、(4)：38-41 4 汪小旵，丁为民温室环境计算机控制系统设计J 农机化研究，2001，(4)：49-51 5 吴华，田贤峰，陶东香 基于 PIC16F877 的温室自动控制系统J 计算机测量与控制，2003，11(7)：514-515 6 王再明 工业现场控制总线在农业温室大棚中的应用 J 黄石高等专科学校学报，2003，19(6)：15-17 7 霍淑珍 基于 CAN 总线的分布式温室控制系统J 机电产品开发与创新，2004，17(4)：83-84 8 杜辉，胥芳，陈教料 基于 CAN 总线网络技术的温室控制系统设计J 机床与液压，2004，(6)：117-118 9 马云峰 基于单总线

19、技术的农业温室控制系统设计J 微型机与应用，2002，(3)：13-15 10何世钧，徐军峰，张路可编程序控制器在智能化温室系统中的应用J 基础自动化，2000，7(4)：53-54 11宋健 PLC 与 PC 机通讯在温室环境测控系统中的应用J 农机化研究，2004，(2)：224-225 12孟华，颜翠英，齐树兴 利用 PLC 设计农业温室控制系统J 河北农业大学学报，2004，27(4)：110-112 13金博，乔晓军，王成，滕弘飞 基于触摸温室环境监控系统的人机界面实现J 农业工程学报，2004，20(1)：267-269 14崔坚西门子工业网络通信指南M 北京:机械工业出版社，20

20、05 15何小于，陈冰泉，陈宜操，张燕浩 SYNALL 组态软件在农用温室微机监控中的应用J 武汉交通科技大学学报，2000，24(5)：538-540 Supervision and Control System of Greenhouse Based on MPI Network Li Ming1,2,Zhao Longqing2,Yang Cheng2,Shu Yu2,He Chao2,Jia Deweng2 1 College of Power Engineering,，NUST，Nanjing，PRC(210094)2 School of Transportation,Machine

21、ry and Civil Engineering,Southwest Forestry University,Kunming,PRC(650224)Abstract After analyzing a lot of advanced control systems of home greenhouses and studying modern industrial control networks,the paper proposed a supervision and control system of greenhouse based on MPI network.The system a

22、dopted MPI protocol and had three primary parts:a PC as a remote monitor;PLCs as field controllers;touch-sensitive screen and text displayer as field monitors.Two HMIs were designed for supervising and controlling the environments of greenhouse:one was a remote monitor based on PC,the other was a fi

23、led monitor based on touch-sensitive screen.The system could make the environment suitable for plant growth.The system was more economical for its lower cost in comparison with other field bus control system.Keywords:MPI network,greenhouse,supervision and control system 作者简介：作者简介：李明，男，1977 年生，博士研究生，主要研究方向是非线性自适应逆控制。