Einsatz von LabVIEW für den Entwurf eines Fernüberwachungssystems für Gewächshäuser

Fulu Wang, Northeast Agriculture University

"Durch den Einsatz von NI-Produkten konnten wir die Entwicklungs- und Validierungszeit für diese Anwendung erheblich reduzieren."

- Fulu Wang, Northeast Agriculture University

Die Aufgabe:

Entwicklung eines Fernüberwachungssystems für Gewächshäuser, das nicht mit jeder neuen Anbaupflanze manuell verändert werden muss

Die Lösung:

Einsatz der Software NI LabVIEW und des auf ZigBee basierenden Wireless-Sensornetzwerks (WSN) von NI für die Erstellung eines drahtlosen Systems zur Messung, Übertragung, Anzeige und Speicherung von Umgebungsparametern eines Gewächshauses; Nutzung des LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC) Module und der NI-OPC-Server-Software zur Integration in Geräte für die Industrieautomation, um mit dem Gewächshaus-Controller (einer speicherprogrammierbaren Steuerung, SPS, von Omron) Schreib- und Lesezugriff zu ermöglichen, erzielt wurde eine schnelle, akkurate Steuerung der Aktuatoren

Die Provinzen Jilin und Heilongjiang sind zwei wichtige landwirtschaftlich genutzte Gebiete, die sich in einer kalten Region Chinas (43° N) befinden. Ingenieure nutzen „Helio-Gewächshaus-Technologie“, um Gewächshäuser für dieses Gebiet zu entwerfen. Aufgrund der schlechten klimatischen Bedingungen werden die vorhandenen Gewächshäuser in diesem Gebiet gewöhnlich beheizt. Sie verbrauchen dadurch viel Energie, haben eine hohe Fehlerquote, wenn sie selbständig laufen, und verursachen hohe Wartungskosten. Deshalb wird ihre Temperatur in der Hauptsache manuell gesteuert, wodurch Ertrag und Qualität der Gewächshauspflanzen eingeschränkt werden.

 

Wir erstellten ein Überwachungssystem für den Rechner (Upper Machine) auf Basis von LabVIEW und einen auf ZigBee basierenden Wireless-Sensor, um so drahtlos Umgebungsinformationen des Gewächshauses zu erfassen, anzuzeigen und zu speichern. Mithilfe eines OPC-Servers mit LabVIEW DSC Module lassen sich Schreib- und Lesefunktionen einfach auf der SPS implementieren, um die Feldgeräte in Echtzeit über einen Webserver dezentral zu überwachen.

 

 

Aufbau des Überwachungssystems

Abbildung 1 zeigt den Gesamtaufbau. Wir erstellten ein Wireless-Sensornetzwerk, das aus Feuchte- und Temperatursensoren des Typs SHT75, einem Bodenfeuchtesensor des Typs 5TE, einem Kohlendioxidsensor des Typs CGS-3100 und einem Lichtsensor des Typs TBQ-6 besteht. Die Sensoren wandeln einen nichtelektrischen Wert in eine elektrische Größe um, die sich proportional mit der Umgebung ändert. Das System überträgt anschließend die Signale an den Rechner, indem sie sie über eine Drahtlosverbindung an einen Ethernet-Gateway-Empfänger schickt. Der Rechner führt eine Überwachungsoberfläche aus, die wir mit LabVIEW entwickelten, und bietet Funktionen wie die Anzeige von Umgebungsparametern in Echtzeit, Datenbankspeicherung, Druckerausgabe, Parameterkonfiguration, Alarmmitteilungen und Abfrage historischer Daten (siehe Abbildung 5). Der SPS-Controller verwendet eine SPS mit einem einfach zu programmierenden Kontaktplan. Der Controller ist selbst unter den komplexen Bedingungen dieses kalten Gebiets sehr zuverlässig.

 

Hardwareimplementierung des Überwachungssystems

Das NI WSN-3202 dient als Wireless-Sensorknoten für das System. Dabei handelt es sich um ein Drahtlosgerät, das vier Analogeingangskanäle mit ±10 V sowie vier bidirektionale Digitalkanäle bereitstellt. Der Schraubklemmenanschluss mit 18 Pins kann direkt an Sensoren angebunden werden. Mit dem Stromausgang des Geräts mit 12 V und 20 mA werden Sensoren direkt angetrieben, die eine externe Stromversorgung benötigen. Der Messknoten wird mit vier AA-Batterien (1,5 V) betrieben, die kontinuierlich drei Jahre lang Strom liefern. Der Erfassungsknoten überträgt Daten bei einer Frequenz über 2,4 GHz mittels einer Drahtlosverbindung an das WSN-Gateway. Dieses WSN-Ethernet-Gateway verbindet andere Netzwerkgeräte über Ethernet. Das WSN-3202 kann als vermaschter Router konfiguriert werden, um die Reichweite des Netzwerks auszuweiten und mehr Knoten an das Gateway anzuschließen. Wir können bis zu acht Anschlussknoten (in einer Sterntopologie) oder bis zu 36 Messnoten (in einer vermaschten Topologie) an ein einziges WSN-Gateway anschließen, das einen sichtbaren Außenbereich von 300 m hat.

 

Die Datenerfassungskarte der M-Serie NI PCI-6221 erfasst die analogen und digitalen Signale. Sie beinhaltet Counter und Analogausgangsfunktionen sowie Funktionen für die leistungsstarke Datenerfassung, Steuerung und Regelung. Wir nutzen in der Hauptsache die Funktionen der Analog- und Digitaleingänge für die drahtgebundene Messung fester Positionssensoren, etwa zur Überwachung des Wetters und des Gerätestatus. Mithilfe des PCI-6221 und des Wireless-Sensornetzwerks erstellten wir ein vollständig integriertes drahtgebundenes und drahtloses Messsystem.

 

Der dezentrale Controller für das System ist die äußerst zuverlässige und kosteneffiziente SPS CPM2AH 60CDR A von Omron. Sie lässt sich leicht programmieren und trägt zur Verkürzung des Entwurfsprozesses bei. Nachdem wir die I/O-Anforderungen ermittelt hatten, waren für das gesamte System 29 Eingangs- und 13 Ausgangskanäle erforderlich.

 

 

Softwaredesign des Überwachungssystems

Das System beinhaltet auch das Softwaredesign des Überwachungssystems und die Kontaktplanprogrammierung der SPS. In dieser Kundenlösung geht es vor allem um das Softwaredesign des Computers. Mithilfe von LabVIEW wurde eine benutzerfreundliche Überwachungs- und Steuerungsoberfläche erstellt, dank der das Bedienpersonal die Bedingungen vor Ort verstehen kann. Abbildung 2 zeigt das Softwaresystemdesign. Dazu gehören ein Modul für die Benutzerverwaltung, ein Datenerfassungsmodul, ein Konfigurationsmodul, ein Modul für die Controller-Ausgabe sowie ein Modul für die Datenverarbeitung und -abfrage.

 

 

Durch Anbindung des Überwachungssystems an die Datenbank Microsoft Access können neue Benutzerkonten und Login-Berechtigungen verwaltet werden. Abbildung 3 zeigt die Oberfläche der Echtzeit-Datenanzeige. Sie stellt Parameter für verschiedene Gewächshäuser in Echtzeit dar und verwaltet Alarmmitteilungen durch Festlegen von Ober- und Untergrenzen.

 

Die Anzeige für den Maschinenzustand und das Steuermodul sind in Abbildung 4 zu sehen. Durch Auswahl des manuellen oder des automatischen Modus, anstelle virtueller Messgeräte-VIs, steuern wir Feldgeräte dezentral.

 

Software des Rechners und Implementierung der SPS-Kommunikation

Die Grundlage des Systems bildet eine herkömmliche serielle SPS des Typs CPM2AH von Omron. Als erstes nutzten wir CX-Programmer Software vom Omron, um den Kontaktplan zu vervollständigen, anschließend verwendeten wir ein serielles RS232-Kabel, um die SPS mit dem Rechner zu verbinden und sie mit Strom zu versorgen. Nachdem der Kontaktplan auf die SPS heruntergeladen wurde, konfigurierten wir den NI-OPC-Server (siehe Abbildungen 7, 8 und 9).

 

 

LabVIEW DataSocket beinhaltet einen NI-OPC-Client. Dieser kann über den OPC-Client mit dem OMRON-OPC-Server für die Interaktion zwischen Daten kommunizieren. Um OPC zur Herstellung der Datenverbindung zur SPS in LabVIEW nutzen zu können, erzeugt der Anwender die Elemente für die Kommunikation auf dem LabVIEW-Frontpanel und sorgt dafür, dass der Datentyp der Elemente dem OPC-Datentyp entspricht. Anschließend muss er mit der rechten Maustaste auf das Element klicken und Property » Data Binding » Data Binding Select » Datasocket auswählen, um die zugehörige Zugriffsart sowie den Zugriffspfad zu konfigurieren. So können die Elemente des Frontpanels mit der entsprechenden Adresse in der SPS verbunden werden und Schreib- und Lesefunktionen auf der SPS aktiviert werden. Dann wird das LabVIEW-Programm ausgeführt und der Wert des Elements auf dem Frontpanel verändert, um Datenänderungen an der zugehörigen SPS-Adresse in OPC Scout zu sehen. Die zugehörige LabVIEW-Variable, die der Adresse entspricht, ändert sich ebenfalls. Auf diese Weise wird die Echtzeitkommunikation zwischen PC und SPS auf Basis von OPC umgesetzt.

 

Implementierung des dezentralen Monitors

Über den LabVIEW-Webserver kann ein LabVIEW-Programm auf einer Webseite veröffentlicht werden, die von lokalen oder dezentralen Kundenrechnern verwendet werden kann, um das Frontpanel in Echtzeit zu durchsuchen oder zu steuern. Dadurch erhalten Anwender die Möglichkeit zur Fernsteuerung einer Produktionsumgebung in Echtzeit.

 

Die Verwendung des Web-Dokumentationswerkzeugs in LabVIEW erfolgt über einen Klick auf Tools » Options, um so die zum Webserver gehörige Konfiguration abzuschließen und das LabVIEW-Programm im Pop-up-Dialogfeld zu veröffentlichen. Der Webserver (Abbildung 10) muss so eingestellt werden: Konfiguration, Webserver – sichtbares VI und Webserver – Zugriff auf Browser aktiviert. Im Dialogmenü Tools » Web Publishing Tools kann das Programm im Speicher als Webseite veröffentlicht werden, die dann von Kunden auf ihren Rechnern durchsucht werden kann.

 

Je nach Software ist der Zugriff auf das Fernbedienfeld unterschiedlich. So ist es beispielsweise möglich, das Frontpanel und die HTML-Datei im Web zu durchsuchen, das Fernbedienfeld in einem Webseiten-Browser zu bedienen, das Frontpanel in LabVIEW dezentral zu überwachen oder LabVNC zur Steuerung der Veröffentlichung des Fernbedienfelds zu nutzen.

 

Wir setzten den Webbrowser zu Steuerung des Fernbedienfelds auf einer Webseite ein. Zudem installierten wir die kostenlose LabVIEW Run-Time Engine, die etwa 90 MB Speicherplatz benötigt, auf dem Rechner des Kunden. In einer LAN-Umgebung lautet die Adresse des Fernbedienfelds http:// pcname: port / viname.htm; in einer Internet-Umgebung http://ipaddress:port/viname.htm.

 

Wenn das Fernbedienfeld im Browser erscheint, kann über einen Klick mit der rechten Maustaste die VI-Steuerung aus dem Pop-up-Menü angefordert werden (Abbildung 11). Der Server kann von mehreren Kunden gleichzeitig überwacht werden. Allerdings hat nur ein Kunde Zugriff auf die Steuerung. Alle anderen müssen warten, bis dieser Zugriff freigegeben wird.

 

Im Webserver können alle angeschlossenen Kundenrechner über Tools » Remote Panel Connection Manager angesehen und gesteuert werden.

 

 

Zusammenfassung

Wir nutzten die erweiterte Hard- und Softwareplattform von NI zur Erstellung eines vollständigen und stabilen Überwachungssystems für Gewächshäuser. Mithilfe des NI-WSN-Systems erstellten wir eine Messlösung, die drahtlose und drahtgebundene Messungen vereint. Die Softwareumgebung LabVIEW kann zum übergangslosen Zugriff auf zahlreiche NI-Plattformen verwendet werden. Durch den Einsatz von NI-Produkten konnten wir die Entwicklungs- und Validierungszeit für diese Anwendung erheblich reduzieren. Die Bedienfreundlichkeit von LabVIEW war eine Hilfe im Verlauf der Entwicklung der Benutzeroberfläche und des Systems. Indem wir LabVIEW für den Zugriff auf SPS-Daten nutzen, können wir leistungsstarke Analyse- und Steuerfunktionen zur Lösung hinzufügen.

 

Informationen zum Autor:

Fulu Wang
Northeast Agriculture University

Abbildung 1: Entwurf des Gesamtsystems
Abbildung 2: Diagramm des eingebetteten Systems
Abbildung 3: Oberfläche der Echtzeit-Datenanzeige
Abbildung 4: Statusanzeige zum Maschinenzustand und zur Steuerung
Abbildung 5: Abfrage historischer Daten
Abbildung 6: Anwendung zur Datenabfrage
Abbildung 7: Dialogfeld des NI-OPC-Servers
Abbildung 8: Erstellung des Gerätetreibers für die Kanalauswahl
Abbildung 9: Hinzufügen des Tag-Namens und zugehöriger SPS-Adresse
Abbildung 10: Konfiguration des Webservers
Abbildung 11: Oberfläche für die dezentrale Steuerung