某參種植基地自動(dòng)化控制技術(shù)方案（I）

文/陳青峰 史文斌(浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司)

某參種植基地自動(dòng)化控制技術(shù)方案（I）

文/陳青峰 史文斌(浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司)

一 、系統(tǒng)概述

隨著全國(guó)智能制造、機(jī)器換人計(jì)劃的推進(jìn)，對(duì)于自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的全面應(yīng)用，已由期盼逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。農(nóng)業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)利用控制技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)等，可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程獲取農(nóng)業(yè)智能大棚內(nèi)部的空氣溫濕度、土壤水分溫度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度及視頻圖像，通過手自動(dòng)控制算法，遠(yuǎn)程或自動(dòng)控制濕簾風(fēng)機(jī)、噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、頂窗側(cè)窗、加溫補(bǔ)光等設(shè)備，保證智能大棚內(nèi)環(huán)境最適宜作物生長(zhǎng)，為作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全創(chuàng)造條件。

同時(shí)，該系統(tǒng)還可以通過智能手機(jī)、平板電腦、計(jì)算機(jī)等信息終端，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)智能大棚集約化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用。

二、本系統(tǒng)關(guān)鍵功能

●通過環(huán)境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化氮傳感器、風(fēng)速/風(fēng)向傳感器、小型氣象站等設(shè)施設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)智能大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集；

●使用高質(zhì)量傳感器及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通過浙大中控嚴(yán)苛的質(zhì)量管理體系及FAT系統(tǒng)集成測(cè)試，切實(shí)保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的精準(zhǔn)、穩(wěn)定，切實(shí)保證系統(tǒng)及產(chǎn)品的品質(zhì)及質(zhì)量；

●通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，借助于覆蓋園區(qū)的WiFi網(wǎng)絡(luò)（有線+無線相結(jié)合），實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的通信傳輸，同時(shí)，借助農(nóng)業(yè)系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、保存及調(diào)??；

●通過自動(dòng)化控制設(shè)備（浙大中控CCR6000彩虹系列可編程控制系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉、施肥、風(fēng)機(jī)、遮陽簾、卷簾、電機(jī)等設(shè)備的控制，例如：

◎根據(jù)設(shè)定的時(shí)間、溫度和光照情況，控制卷膜機(jī)，遮陽電機(jī)等進(jìn)行光照和溫度調(diào)節(jié)；

◎根據(jù)設(shè)定的時(shí)間、CO2濃度情況，控制風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)換氣，調(diào)節(jié)CO2濃度；

◎根據(jù)設(shè)定的時(shí)間、土壤水分含量和濕度情況，控制水泵澆灌和噴霧；

◎可以設(shè)定不同的區(qū)域，根據(jù)不同的作物種類，不同的季節(jié)進(jìn)行差異化控制；

◎?qū)τ谥匾沫h(huán)境指標(biāo)，及時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警及聯(lián)鎖控制等；

●CCR6000控制器完全符合IEC61131-3的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提供模擬量輸入/輸出、開關(guān)量輸入/輸出模塊，提供以太網(wǎng)、RS485通訊接口，可自由組合模塊數(shù)量，可自由編寫任意控制邏輯，從而極大地提升系統(tǒng)的適用性及擴(kuò)展性；

●設(shè)計(jì)以6個(gè)大棚為一組，以大棚組為單位，每組大棚提供一套組態(tài)觸摸屏；

●滿足棚內(nèi)就地監(jiān)控、園區(qū)級(jí)監(jiān)控及移動(dòng)端遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，建立相關(guān)作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫，幫助生產(chǎn)管理人員積累種植經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)管理策略，高效控制種植管理全過程，實(shí)現(xiàn)工廠化管理；

●園區(qū)智能大棚并非農(nóng)業(yè)土棚，我們建議在園區(qū)監(jiān)控服務(wù)器提供并部署全套監(jiān)控和管理軟件，也就是系統(tǒng)軟件一次購買、終身使用，而不是使用互聯(lián)網(wǎng)租用模式（SAAS）。一方面，避免按使用量和使用時(shí)間交年費(fèi)的繁雜，可按需自由地對(duì)軟件功能進(jìn)行組態(tài)及配置；另一方面，可以符合更為安全地分層控制要求（后續(xù)詳述）；

●系統(tǒng)數(shù)據(jù)可在不相連外網(wǎng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行，所有數(shù)據(jù)直接進(jìn)入園區(qū)主服務(wù)器，可保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全性；

●通過分期建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)App、平板的監(jiān)測(cè)與控制功能；

●通過服務(wù)器防火墻這道安全屏障，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端App隨時(shí)隨地的監(jiān)測(cè)與控制；

●按智能大棚所在園區(qū)的地理環(huán)境、大棚布局、棚內(nèi)環(huán)境等因素，繪制專業(yè)的監(jiān)控流程圖，使其細(xì)致、精美，符合領(lǐng)導(dǎo)、專家及各方友客的參觀需求；

●系統(tǒng)應(yīng)考慮可擴(kuò)展性，為后續(xù)自動(dòng)化控制的進(jìn)一步擴(kuò)展提供支撐；

三、控制功能設(shè)計(jì)建議

依據(jù)對(duì)技術(shù)圖紙《連棟溫室（修改版）2016.8.5》的研讀，結(jié)合浙大中控相關(guān)產(chǎn)品的特點(diǎn)，我們提出以下設(shè)計(jì)建議，供貴方參考。

●控制箱的安裝建議：

從技術(shù)圖紙可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)智能棚呈長(zhǎng)方形，且分為左右兩側(cè)，每一側(cè)都設(shè)有一處電機(jī)設(shè)備較為集中的區(qū)域，因此，控制設(shè)備建議的部署方式如下圖所示：

具體部署說明：

◎?yàn)楸ＷC控制質(zhì)量，控制設(shè)備不應(yīng)采取無線組網(wǎng)方式；

◎?yàn)楣?jié)省布線成本，可在大棚左右兩區(qū)分布部署小型的控制箱，并安裝相關(guān)的控制設(shè)備、電源模塊、繼電器等；

◎由于控制器CPU模塊可連接32個(gè)I/O擴(kuò)展模塊，因此，可在大棚左區(qū)控制箱內(nèi)設(shè)置CPU模塊，右區(qū)控制箱內(nèi)無需設(shè)置CPU模塊；

◎在大棚左右兩區(qū)控制箱之間，通過CANOpen總線（兩芯電纜線）連接，大棚右區(qū)I/O模塊的動(dòng)作指令，由大棚左區(qū)CPU模塊統(tǒng)一發(fā)送；

◎?yàn)楸ＷC操作便捷性以及參觀效果，26cm觸摸屏建議部署在距離大棚入口較近且便于操作的位置，觸摸屏與控制器CPU模塊之間，通過以太網(wǎng)連接（100m以內(nèi)采用超五類雙絞線）；

◎?yàn)楸苊鈴?qiáng)電對(duì)弱電系統(tǒng)的干擾，線纜走線、控制模塊部署等，應(yīng)做到強(qiáng)弱電分離；

◎控制箱與觸摸屏箱具體部署位置，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整（例如，可將觸摸屏直接安裝在左區(qū)控制箱內(nèi)）；

●土壤溫濕度傳感器：

大棚土壤溫濕度建議以20～30m為間隔進(jìn)行設(shè)點(diǎn)為宜，因此大體的部署位置如下圖所示。（采用物聯(lián)網(wǎng)無線通信方案，無需通信布線）

名稱描述單位數(shù)量無線土壤溫濕度傳感器土壤溫度：-20～70℃，精度：0.5℃；土壤水分：0～100%，精度：±2%(0～50%)；RF無線通信，MODBUS-RTU通訊協(xié)議；IP65防護(hù)等級(jí)套4

●空氣溫濕度傳感器：

由于大棚分為左右兩區(qū)，兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的控制系統(tǒng)可獨(dú)立，且考慮南北朝向?qū)貪穸龋ㄖ饕菧囟龋┑挠绊?，因此建議的部署位置如下圖所示。（采用物聯(lián)網(wǎng)無線通信方案，無需通信布線）

名稱描述單位數(shù)量無線環(huán)境溫濕度傳感器濕度量程：0～100%RH，精度：±4%RH；溫度量程：-40～85℃，精度：±0.5℃；RF無線通信，MODBUS-RTU通訊協(xié)議；IP65防護(hù)等級(jí)；套4

●光照度及二氧化碳濃度傳感器：

由于大棚分為左右兩區(qū)，建議在每個(gè)區(qū)域較為中心的位置，安裝無線光照度傳感器和二氧化碳濃度傳感器。

名稱描述單位數(shù)量無線光照度傳感器光照度量程:0-65535lux，精度：1lux；RF無線通信，MODBUS-RTU通訊協(xié)議；IP65防護(hù)等級(jí)套無線二氧化氮傳感器二氧化碳量程：0～5000×10-6，精度：±5×10-6；RF無線通信，MODBUS-RTU通訊協(xié)議；IP65防護(hù)等級(jí)套2

●無線集中器：

本系統(tǒng)采用無線設(shè)計(jì)方案，通過設(shè)置無線集中器，從而將433MHZ無線頻段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基于RS485總線的Modbus通訊協(xié)議。每個(gè)集中器連接無線傳感設(shè)備的數(shù)量建議為≤32個(gè)，集中器的數(shù)據(jù)直接接入控制器的CPU模塊。

名稱描述單位數(shù)量風(fēng)速傳感器風(fēng)速量程：0～70m/s，精度：±(0.3+0.03) Vm/s；起動(dòng)風(fēng)速：≤0.8m/s；4-20mA輸出；IP45防護(hù)等級(jí)個(gè)1風(fēng)向傳感器風(fēng)向量程：0～360°，精度：±3°；起動(dòng)風(fēng)速：≤0.5m/s；4-20mA輸出；IP45防護(hù)等級(jí)個(gè)1

●大棚外環(huán)境傳感器：

可按需在大棚外側(cè)安裝環(huán)境傳感器，進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向等相關(guān)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)；

●系統(tǒng)控制I/O模塊：

電機(jī)控制說明：本系統(tǒng)中的電機(jī)均為工頻電機(jī)，無需考慮變頻控制。由于不同的電機(jī)啟停控制方式存在差異，需根據(jù)電機(jī)特性確定DI、DO數(shù)量，當(dāng)前，按電機(jī)的常規(guī)控制方式，暫定1路DO（電機(jī)啟?？刂疲┖?路DI（電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)反饋）；

依據(jù)技術(shù)圖紙要求，本智能大棚控制系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)，包括：

◎溫室自然通風(fēng)系統(tǒng)：

☆天窗自動(dòng)控制，采用電動(dòng)齒條推桿式單側(cè)單向開窗；

☆控制方式：電機(jī)控制（+1路DI、+1路DO）；行程限位控制，設(shè)置限位開關(guān)（DI開關(guān)量信號(hào)），實(shí)現(xiàn)全開、半開、關(guān)閉三處限位狀態(tài)（+3路DI）；

◎外遮陽系統(tǒng)：

☆行程4m，單程運(yùn)行7min，采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，單間方向傳動(dòng)；

☆控制方式：電機(jī)控制（+1路DI、+1路DO）；時(shí)間控制，按7min的行程，計(jì)算運(yùn)行行程，在兩端終點(diǎn)處增加限位開關(guān)（+2路DI）；

◎內(nèi)保溫遮蔭幕系統(tǒng)：

☆行程4m，單程運(yùn)行7min，采用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，單間方向傳動(dòng)；

☆控制方式：電機(jī)控制（+1路DI、+1路DO）；時(shí)間控制，按7min的行程，計(jì)算運(yùn)行行程，在兩端終點(diǎn)處增加限位開關(guān)（+2路DI）；

◎濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)：

☆由濕簾水池、循環(huán)水系統(tǒng)、軸流式風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)組成，水泵功率1.1kW/臺(tái)，風(fēng)機(jī)功率1.1kW；

☆控制方式：水泵控制（+1路DI、+1路DO）；風(fēng)機(jī)控制（+1路DI、+1路DO）；如增加卷簾機(jī)或?qū)Ω髋_(tái)水泵、風(fēng)機(jī)等進(jìn)行獨(dú)立控制，則需相應(yīng)增加DI、DO控制點(diǎn)；

◎環(huán)流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)：

☆工頻運(yùn)行，電臺(tái)風(fēng)機(jī)功率0.55kW；

☆控制方式：風(fēng)機(jī)控制（+1路DI、+1路DO）；

◎其他待擴(kuò)展控制點(diǎn)：

灌溉（滴灌）系統(tǒng)、卷簾機(jī)控制、風(fēng)機(jī)設(shè)備的間隔控制等；

由此，我們建議在大棚的左右兩區(qū)，至少各配置16路DI模塊和16路DO模塊，并可根據(jù)控制需要，增加相應(yīng)控制I/O點(diǎn)；

名稱描述單位數(shù)量CPU模塊32位RISC處理器，45MIPS；1路RS-232，1路RS-485，1路以太網(wǎng)；可擴(kuò)展32個(gè)I/O模塊塊1

名稱描述單位數(shù)量16路開關(guān)量輸入模塊DI516D：16點(diǎn)無源開關(guān)量輸入（左右側(cè)各一塊）塊2 16點(diǎn)繼電器輸出模模塊DO516R：16點(diǎn)繼電器輸出，2A/250V（AC），2A/30V（DC）（左右側(cè)各一塊）塊2 26cm可組態(tài)觸摸屏以Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏；采用了26cm高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率1024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）；支持自定義組態(tài)設(shè)置及監(jiān)控流程圖繪制功能。塊1箱柜及輔材中控電源（24V，10A）、空氣開關(guān)、繼電器、φ2.5接線端子、熔斷端子、限位開關(guān)、控制箱等套按需

四、系統(tǒng)分層控制設(shè)計(jì)

為保證控制質(zhì)量及控制安全性，同時(shí)考慮到系統(tǒng)后續(xù)的可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)應(yīng)采取分層控制設(shè)計(jì)，即上一層的故障不會(huì)對(duì)當(dāng)前層次的控制造成影響，因此，整套系統(tǒng)的控制層次可分為旁路手動(dòng)控制、棚內(nèi)手自動(dòng)操控、園區(qū)集中操控、移動(dòng)端遠(yuǎn)程操控、系統(tǒng)自動(dòng)化控制等，滿足各類情況下操作和控制要求。

其中，棚內(nèi)手自動(dòng)控制、園區(qū)集中操控、移動(dòng)端遠(yuǎn)程操控三種方式，即可以直接控制指定設(shè)備的運(yùn)行，又控制下發(fā)設(shè)定參數(shù)，為系統(tǒng)自動(dòng)化控制提供運(yùn)行參數(shù)。

●旁路手動(dòng)控制：即脫離整套控制系統(tǒng)情況下的手動(dòng)控制，采用控制箱，通過硬件觸發(fā)按鈕控制相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行（非必須功能）；

●棚內(nèi)觸摸屏操控：使用控制系統(tǒng)，通過安裝在各個(gè)智能大棚內(nèi)的觸摸屏，操控系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行。由于在系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)上，采用將傳感器的物聯(lián)網(wǎng)直接接入到控制器的方案，因此，即使控制器與上層系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中斷，也可保證大棚控制器獲取到完整的數(shù)據(jù)，從而保證每個(gè)大棚都是獨(dú)立的控制單元，不受上層通信網(wǎng)絡(luò)的任何影響；

●園區(qū)集中操控：園區(qū)集中監(jiān)控系統(tǒng)軟件與各大棚的控制系統(tǒng)間，借助于園區(qū)內(nèi)的光纖、以太網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與控制模塊之間的通訊交互、遠(yuǎn)程監(jiān)控；

●移動(dòng)端遠(yuǎn)程操控：移動(dòng)端監(jiān)控包含園區(qū)內(nèi)（內(nèi)網(wǎng)）和園區(qū)外（外網(wǎng)）兩種方式，園區(qū)內(nèi)移動(dòng)端網(wǎng)絡(luò)將借助內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，園區(qū)外移動(dòng)端應(yīng)用將通過公網(wǎng)，并使移動(dòng)端與監(jiān)控服務(wù)器之間架設(shè)防火墻設(shè)備，以保證服務(wù)器接入公網(wǎng)的安全性；

●系統(tǒng)自動(dòng)化控制：通過編寫控制邏輯，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)控制、狀態(tài)控制、條件控制、定時(shí)控制、周期控制、手動(dòng)操作控制、專家型歷史經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化控制等眾多控制方式，且控制邏輯編寫靈活、下發(fā)便捷，可滿足未來10～20年智能大棚的控制及擴(kuò)展需要。

[未完待續(xù)]