談煙葉烘烤溫濕度物聯網監(jiān)控系統(tǒng)設計
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摘要：煙葉烘烤的溫濕度條件與煙葉最終的品質直接相關，烤房控制器通過將目標溫濕度曲線數據與當前烤房溫濕度對比反饋閉環(huán)控制，實現了自動烘烤控制的功能，在一定程度上提高了煙葉烘烤的效率和質量，節(jié)約了人工成本，減少了管理工作。但由于地理空間位置的限制，要實現大規(guī)模密集烤房的管理，仍存在諸多問題，本文通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計，實時更新并記錄烤房內溫濕度數據，設置溫度超限報警和提供緊急開關，對于管理人員及時掌握分析烤房烘烤信息并響應緊急情況具有重要作用，對進一步實現規(guī)模烘烤監(jiān)控和管理具有支撐作用。
關鍵詞：物聯網；溫濕度；煙葉烘烤
引言
煙葉采烤是整個煙草農業(yè)中用工最多、投入最大的環(huán)節(jié)，俗話說“三分栽七分烤”，而煙葉烘烤一直是烤煙生產發(fā)展的瓶頸，烘烤水平的高低直接關系煙農的收入水平[1-2]。溫濕度條件是影響煙葉烘烤質量最關鍵最直接的因素，研究探索溫濕度與煙葉烘烤品質的關系，對于發(fā)展煙葉、提高煙農收入具有重要意義[3]。目前煙葉烘烤多采用人為控制或半自動控制方式[4]，部分地區(qū)已在使用烤房控制器，它是一種電子自動控制設備，具有將溫濕度信息數字化并與設置的曲線進行對比來反饋控制的功能，從而實現自動化的煙葉烘烤，滿足了當前大量煙葉烘烤的需求，有效提高了烘烤效率和質量，減少了管理工作。為進一步深度研究煙葉烘烤，相關企業(yè)和科研院所開發(fā)了多種專用的煙葉烘烤模擬烤房，技術水平不斷提高，尤其是溫濕度的控制精度基本能夠滿足試驗要求，但在整體性能和功能完善方面，仍沒有達到理想效果，存在保濕困難、溫度場不均勻、氣流強度不能調節(jié)、傳感器種類和數量較少等問題，沒有物聯網監(jiān)控平臺，管理人員不能實時知曉烤房內溫濕度信息，不能及時處理烤房內溫度異常等緊急問題，也不能隨時查詢以往煙葉烘烤的溫濕度數據信息以分析優(yōu)化烘烤曲線[5]。本文通過GRM230物聯網系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)設計搭建的物聯網遠程監(jiān)控系統(tǒng)，能實時遠程更新并保存當前溫濕度數據，且具備報警和干預功能，有效滿足了煙農或烤房管理人員的需求，對進一步集群遍布在各個村寨的烤房信息具有支撐作用。
1物聯網系統(tǒng)組成
該物聯網遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由GRM230等模塊組成，如圖1所示。GRM230用于實現物聯網功能，PLC用于實現邏輯輸出控制和信號采集，變送器用于溫濕度傳感器信息的采集轉換，繼電器組用于控制單元開關量控制，開關電源用于將220V交流電轉換為穩(wěn)定24V直流電，PC電腦則用于組態(tài)軟件設計及監(jiān)控。
1.1GRM230模塊
該監(jiān)控系統(tǒng)核心模塊是GRM230，它是巨控科技用于實現遠程監(jiān)控和數據采集的4G無線通訊模塊，能直接通過RS485接口直接與PLC、儀器儀表、傳感器等通訊；具有本機IO功能，對于簡單的項目可以直接通過本機IO口實現開關量控制和模擬量數據的輸入采集和輸出控制；具有多重通訊和非透明加密壓縮傳輸功能，不僅節(jié)約流量，還解決了傳統(tǒng)GPRSDTU不穩(wěn)定、使用復雜的問題；該模塊還提供免費的多點上位機組態(tài)軟件，節(jié)約了組態(tài)購買的開支，提供云監(jiān)控服務、通用APP和內置網頁，管理人員可以在任何有網絡的地域登錄APP查看數據，當遇到緊急情況時，也可以通過配置軟件設置短信報警，便于及時處理；用戶可以設置數據保存條件，實現溫濕度數據的長期保存，以便后期通過API接口讀取和分析數據庫數據。
1.2PLC模塊
該遠程監(jiān)控系統(tǒng)使用的控制模塊為三菱PLC，為充分考慮系統(tǒng)后期功能擴展，點數需求變多，該PLC選用了板式FX3U-32MT，主要支持24點輸入、16點輸出、6路高速輸出脈沖、6路高速脈沖輸入、2路模擬量輸入、2路模擬量輸出、RS232（編程口）和RS485通訊等功能。其中AD1、AD2為0～10V的輸入通道，GND為輸入零電位，+5V主要用于有外部精密電源需求的電壓信號。該PLC軟件兼容三菱梯形圖編程軟件，支持GX-developer8.86以及GX-Works2等軟件，支持在線監(jiān)控和運行中下載，程序內存高達64000步，指令功能齊全，滿足了系統(tǒng)需要。該物聯網監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC主要用于核心模塊GR230通訊、采集溫度變送器提供的模擬量電壓信號和輸出控制繼電器組。
1.3溫濕度變送器
溫濕度變送器是一種將溫濕度探頭作為測溫元件，并經過穩(wěn)壓濾波、運放、校正、V/I轉換等電路處理后，轉換成與實際溫濕度成線性關系的電壓信號和電流信號的一種變送器裝置，有的變送器還通過主控芯片提供485或232等輸出接口供選擇。該物聯網監(jiān)控系統(tǒng)所用的溫濕度變送器選用的型號為HSTL-102WS提供的輸出信號多樣，包括三線制DC4-20mA、DC0-5V、DC0-10V和兩線制的DC4-20mA、RS485MOUDBUSRTU協(xié)議信號。當采用模擬輸出時，如數據為0或輸出值不在量程范圍內，須仔細檢查接線是否牢固，當采用協(xié)議讀取變送器溫濕度數據時，可以通過配置通訊格式，直接通過讀取寄存器數據即可實現溫濕度數據的采集：溫度數據0000H、濕度數據0001H、設備地址0017H。
1.4開關電源
由于該監(jiān)控系統(tǒng)中主要模塊均采用24V直流電，因此，需要將220V交流轉換成穩(wěn)定的24V直流電，同時考慮到電源的負載和壽命、電壓的穩(wěn)定性以及電磁干擾對系統(tǒng)的影響，電源選用了型號為EDR-120-24的開關電源，該電源符合歐盟EMC電磁兼容EN61000-6-2抗干擾標準，可在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作，具備3000VAC的隔離耐壓，即使輸入端有3000VAC的雷擊對設備也不會有影響，同時該電源還具有短路保護、過載保護、過熱保護等功能。
1.5繼電器組
在煙葉烘烤中，涉及到的控制單元較多，如加熱單元、電動風閥、排濕風機等，這些單元中有的是開關信號，有的需要通過控制信號模擬調節(jié)，每個可調節(jié)的單元輸入端一般可配備一電源輸出接觸器，以便緊急情況發(fā)生時關閉或者管理人員根據報警等級選擇性關閉，以免造成嚴重后果。該監(jiān)控系統(tǒng)設計上暫時只考慮到一個加熱單元的開關信號，通過PLC控制電磁閥間接實現接觸器的控制，在后續(xù)進一步擴大優(yōu)化系統(tǒng)后，會增加更多的控制單元。
2溫濕度采集系統(tǒng)設計
2.1溫濕度變送器
該系統(tǒng)選用的變送器的溫濕度精度較高分別為±0.3%和±3%RH，其溫度量程為-40℃～120℃，濕度量程為0%RH～100%RH，由于選用的PLC模擬量輸入僅支持0～10V模擬量電壓信號，因此，變送器的溫濕度信號輸出形式選擇了DC0-10V便于采集。同時，由于整個系統(tǒng)的模塊共用24V電源，溫濕度變送器的白色溫度信號和棕色濕度信號可以直接接入AD1和AD2，其接線圖如2所示。
2.2PLC編程及其IO分配
該物聯網監(jiān)控系統(tǒng)主要用于實現溫濕度數據采集的同時實現開關量的控制，系統(tǒng)中需用到的IO口及寄存器如表1所示。三菱PLC通過讀取數據寄存器D8112和D8113即可將溫濕度變送器0～10V的模擬量電壓信號轉變?yōu)閿底至?～4095，為便于數據管理該設計通過MOV指令將轉換后的數字量其轉存至D100和D102中，最后并通過數學線性運算將溫濕度數據轉換成實際的溫濕度數值，并保存至數據寄存器D200和D202中。數據寄存器D300用于儲存上限溫度值，當烤房內溫度逼近預設溫度值時，監(jiān)控系統(tǒng)提示報警，管理人員可根據報警提示選擇性按下緊急停止按鈕切斷加熱棒電源開關；當烤房內溫度繼續(xù)爬升超過預設溫度值一定時間時，Y3自動斷開加熱單元繼電器從而關閉加熱棒單元，烤房停止煙葉烘烤，同時發(fā)出短信報警提示管理人員現場排除故障，當故障排除后管理人員需遠程解除報警，才能重新啟動加熱單元。
3物聯網模塊配置及組態(tài)界面設計
3.1GRM230模塊配置
該物聯網監(jiān)控系統(tǒng)模塊使用的配置軟件為Grmdev5，通過該軟件能實現快速連接指定PLC、添加數據詞典、添加短信報警、設置來電動作、設置短信控制和事件邏輯控制、新建定時器以及設置用戶權限等功能。該監(jiān)控系統(tǒng)使用的PLC為三菱PLC，GRM230模塊與PLC通過編程口直接相連，因此，在配置COM參數時需選擇驅動名稱為MITSUBISHIFX系列PLC編程口協(xié)議，并設置端口信息與三菱PLC端一致：數據位7，停止位1，波特率9600，偶校驗，并新建設備1；將溫度數據寄存器D200、濕度數據寄存器D202、溫度上限寄存器D300、緊急停止輔助繼電器M1和報警解除輔助繼電器M2添加至數據詞典，設置變量名稱分別為溫度、濕度、溫度上限、緊急停止和報警解除，如圖3所示。添加短信條件報警，當溫度大于或等于溫度上限時，向管理員或農戶發(fā)送報警短信，短信內容參照模板包括時間、日期、報警名稱、報警描述，也可以通過配置報警參數將當前溫度值和溫度上限數據一并發(fā)送。添加事件控制，按照系統(tǒng)要求，當溫度數據超限時，除了發(fā)送報警短信還需要觸發(fā)Y3關閉加熱單元。在事件控制編輯器中添加觸發(fā)表達式與短信觸發(fā)條件一致，選擇觸發(fā)模式為：表達式為真，觸發(fā)1次（帶延時），設置延時數值為3000，即5min，執(zhí)行事件的內容為置位M1，關閉加熱單元。該監(jiān)控系統(tǒng)的管理人員有時不止一個，不同的人員管理權限也不一樣，低權限的人員只能查看信息，高權限的人員不僅具有低權限人員的全部權限，還具備設定的更高權限，比如直接操作數據，解除報警等。設置短信用戶和組可以區(qū)別不同權限的手機號，系統(tǒng)會自動識別并執(zhí)行響應相應用戶的指令。
3.2組態(tài)設計
模塊配置并編譯完成之后，通過有線網口將工程下載至模塊。通過GRMOPC管理器添加GRM網絡設備并輸入設備序列號和設備密碼，即可刷新配置的數據詞典，通過GiantView組態(tài)軟件配置OPC協(xié)議即可將數據添加至組態(tài)軟件，并默認刷新周期為500ms，從而進一步在軟件中添加控件、腳本、報警等信息實現組態(tài)界面的編程。該監(jiān)控系統(tǒng)需用到的基本控件包括按鈕、文本和圖片，用于實現緊急停止、報警解除和溫度上限值得設定；需用到的高級控件包括實時曲線圖、歷史曲線圖、實時報警窗口和歷史報警窗口等，實時曲線圖和實時報警窗口用于溫濕度數據和報警信息的在線顯示，歷史曲線和歷史報警窗口用于管理人員隨時查看以往溫濕度數據和報警信息。在使用報警窗口前需添加報警變量，設置報警界限和對應的報警信息。最終監(jiān)控界面的主界面如圖4所示。為滿足大量數據的長時間保存，組態(tài)軟件的數據記錄功能可以設置記錄觸發(fā)條件、記錄類型（定時記錄或數據變化時記錄）和記錄的變量名稱，該監(jiān)控系統(tǒng)主要需要記錄的信息包括時間和溫濕度數據即可，在后期需要更多功能時還可以根據實際情況不斷擴展，由于該數據記錄功能有容量限制，用戶需根據使用情況選擇不同的容量標準或盡可能降低保存頻次以節(jié)約空間成本。
4結語
該物聯網監(jiān)控系統(tǒng)實現了基本的煙葉烘烤溫濕度監(jiān)控功能，實現了歷史溫濕度數據的記錄和查詢功能，實現了報警功能和遠程控制功能，在一定程度上為管理人員提供了便利，但仍然存在功能不完善等缺陷，在后期將不斷優(yōu)化功能組件，實現將數據存儲管理和分析相結合，集烘烤智能控制和遠程監(jiān)控功能于一體的物聯網控制系統(tǒng)。
參考文獻：
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作者：周文亮 王靖 范東升 許明忠 羅勤站 宋戰(zhàn)鋒 單位：廣西壯族自治區(qū)煙草公司百色市公司