智能農(nóng)業(yè)大棚綜合控制和保護系統(tǒng)可行性分析和設(shè)計

劉曉春 陳海龍 王宇威

（1.特變電工智慧能源有限公司，遼寧 沈陽 110144； 2.特變電工沈陽變壓器集團有限公司，遼寧 沈陽 110144）

1 前言

近幾年來，隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，利用溫室大棚來種植水果蔬菜、養(yǎng)殖家禽已成為廣大農(nóng)民朋友致富發(fā)家的新渠道。由于大部分大棚材料多采用木頭、竹子等加工后作為框架，外用塑料薄膜和棉被等蒙蓋，遇到明火將很快燃燒。一旦發(fā)生火災(zāi)，不單單一個大棚出現(xiàn)問題，受風(fēng)力等外部條件的影響，易出現(xiàn)牽連成片，多個大棚著火的局面，對農(nóng)戶造成嚴重損失，影響生命和財產(chǎn)安全。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是在工業(yè)科學(xué)技術(shù)中發(fā)展起來的一種新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)從田間生產(chǎn)到精密滴管的應(yīng)用。目前大棚農(nóng)戶也面臨著近幾年發(fā)展后的產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)型，從原來簡單粗放的農(nóng)作物生產(chǎn)到今天大規(guī)模、集約化、精準化、科技化發(fā)展。其中最具代表性的是智能農(nóng)業(yè)大棚。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能農(nóng)業(yè)已成為一種新興趨勢。智能農(nóng)業(yè)是借助溫室及其配套設(shè)備設(shè)施來調(diào)控農(nóng)作物生長環(huán)境條件的新興農(nóng)業(yè)方式。現(xiàn)代大棚，所有環(huán)境因子的監(jiān)測、控制、傳感和調(diào)節(jié)，都由計算機等進行綜合管理和控制，最終實行總體控制[1]。

智能農(nóng)業(yè)大棚就是利用先進的傳感器技術(shù)、電力電子控制和保護技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，將大棚相關(guān)設(shè)備集中、精準的控制，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展目的。隨著信息技術(shù)的日益成熟，互聯(lián)網(wǎng)承載著海量數(shù)據(jù)供給每個用戶使用，在日益強大的數(shù)據(jù)面前，如何通過分析，篩選出有價值的信息成為人們思考的重要方向[2]。但是如何將智能農(nóng)業(yè)大棚順利地實施和推廣，安全是首要因素也是重中之重，所以大棚用電安全要全方位設(shè)計并貫穿于整個生產(chǎn)經(jīng)營活動中，讓農(nóng)戶用得安心、放心，最終創(chuàng)造更大的價值。

2 大棚發(fā)生火災(zāi)的原因分析

經(jīng)過去現(xiàn)場實際調(diào)研，大棚發(fā)生火災(zāi)的主要原因包括以下幾個方面：

1.線路老化的原因。大棚溫濕度受農(nóng)作物產(chǎn)品影響，經(jīng)常處于濕度較大或者溫度較高等凝露潮濕環(huán)境，線纜長久暴露在該環(huán)境中，易產(chǎn)生腐蝕和老化，而目前使用的線纜從材質(zhì)上并沒有有效地起到防腐蝕等保護作用，進而產(chǎn)生線路老化。

2.線路保護措施不到位的原因。農(nóng)村大棚內(nèi)部空氣開關(guān)選擇的額定電流比實際負載額定電流超很多，當(dāng)發(fā)生過負荷等現(xiàn)象時不能夠進行有效保護。同時，線路線纜平方數(shù)及材質(zhì)等也沒有按照額定功率去進行匹配，造成回路過負荷等現(xiàn)象發(fā)生時，不能起到有效的保護作用。

3.線路私自亂接以及雷電沖擊等其他原因。農(nóng)村大棚內(nèi)部需要用電時，私自接電，接電工藝和標(biāo)準并不能夠符合低壓電氣的相關(guān)標(biāo)準。雷電是空中對流云團發(fā)生的云天、云云、云地之間的放電現(xiàn)象，另外許多容量比較大的電氣設(shè)備的不斷使用產(chǎn)生的內(nèi)部浪涌，也會對供電系統(tǒng)及用電設(shè)備產(chǎn)生影響，因此，防雷、防浪涌已經(jīng)成為人們逐漸關(guān)注的焦點。所以，內(nèi)部沒有浪涌保護等避雷保護功能，也容易引起大棚火災(zāi)的發(fā)生。

4.農(nóng)戶的安全意識和管理意識不到位，在資金投入方面存在不舍情緒，導(dǎo)致相關(guān)用電設(shè)施采用廉價或者安全性能較低的，進而從源頭上存在安全隱患。

同時，大棚內(nèi)部有許多放風(fēng)機、卷簾機及水泵等用電負載，這些負載回路較為分散，不利于集中控制，存在人力浪費現(xiàn)象。精益生產(chǎn)的根本目的是避免八大浪費，解決浪費，為經(jīng)營創(chuàng)造更大的價值，雖然精益生產(chǎn)理論被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，尤其是汽車行業(yè)，因為其起源于豐田汽車，但精益生產(chǎn)的理論也同樣適用于農(nóng)業(yè)中的浪費，所以解決不同種類的浪費，也是農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展壯大需要攻關(guān)的方向。綜上所述，為了解決上述問題，亟須一個為用戶解決大棚用電安全的智能綜合控制和保護系統(tǒng)。

3 解決農(nóng)戶用電安全的方案

對于可能的原因利用PDCA循環(huán)，將智能綜合控制和保護與農(nóng)戶大棚的實際問題融合為一體，切實解決農(nóng)戶的用電安全，逐步向智慧農(nóng)業(yè)進行靠攏。

一方面，硬件設(shè)施方面，與政府、農(nóng)戶和企業(yè)進行三方交流溝通，采用政企合作、資金扶持等途徑，解決農(nóng)戶資金投入問題，切實為農(nóng)戶著想，為農(nóng)戶提供強有力的、可靠的硬件設(shè)施。特變電工有完整的質(zhì)量體系文件，從開發(fā)設(shè)計的技術(shù)質(zhì)量到原材料的選擇和入廠檢驗再到產(chǎn)品的生產(chǎn)過程控制，最后到產(chǎn)品的試驗和最終檢驗，保障了從產(chǎn)品的質(zhì)量，可以為用戶提供高質(zhì)量、放心可靠的產(chǎn)品和服務(wù)。

另一方面，政企管理和技術(shù)人員采用下鄉(xiāng)進戶的方式，將用電安全和智能農(nóng)業(yè)等技術(shù)知識進行宣貫和培訓(xùn)，提升各級管理人員和農(nóng)戶的思想意識，將安全用電意識深入人心。

4 功能設(shè)計

智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)分為無線傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和主控中心三個部分，無線傳感網(wǎng)絡(luò)由PLC、數(shù)據(jù)采集節(jié)點和通訊模塊組成。數(shù)據(jù)采集點負責(zé)采集大棚內(nèi)的溫濕度等信息，并將采集到的數(shù)據(jù)輸送到PLC。PLC一個方面與網(wǎng)關(guān)通過串口傳送大棚內(nèi)各種設(shè)置參數(shù)、命令及數(shù)據(jù)；另一方面PLC輸出命令控制放風(fēng)機、卷簾機及水泵等設(shè)備。

PLC技術(shù)在電氣工程及其自動化控制中有著明顯的優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢歸因于可編程邏輯控制器的便利性好、適應(yīng)性強、性能優(yōu)良、方便維修和抗干擾性強等主要特點。PLC控制符合電氣工程及其自動化對設(shè)備的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的自動控制，PLC的編程語言也相對簡單，如梯形圖，編程的工作量不大。同時，PLC的穩(wěn)定性也較強，用戶可以根據(jù)自身的需求來選擇相應(yīng)的控制系統(tǒng)。另外，PLC的抗干擾能力較強，可提高自動控制系統(tǒng)的可靠性。最后，PLC技術(shù)還具有自我檢測和自我診斷等能力，有利于故障的迅速排查和處理。

圖1 外觀三維設(shè)計

1.該系統(tǒng)所用殼體為2.0mm厚的冷軋鋼板，外表面噴漆，噴漆厚度不少于80μ，保障殼體的強度和耐腐蝕性。殼體整體采用一體成型工藝，減少不必要的焊接和拼接，由專業(yè)的激光切割、折彎等設(shè)備進行制成，IP等級至少滿足IP55。同時，該系統(tǒng)內(nèi)部有加熱照明回路，有效解決系統(tǒng)內(nèi)部溫濕度恒定，保障元器件的使用壽命和功能保持，同時自帶16A的插座，能夠滿足臨時用電，即插即用，減少線路的臨時搭建，避免安全隱患；另外箱內(nèi)自帶照明燈，方便進行檢修和維護。

2.為了防止短路或過負荷的大電流對設(shè)備或?qū)Ь€造成的影響，要求用熔斷器及空氣斷路器等對設(shè)備或?qū)Ь€進行短路保護以及過負荷保護[3]。該系統(tǒng)內(nèi)所有的空氣斷路器、線纜都是按照負載額定功率進行選型，有效可靠地保障了在發(fā)生過負荷、短路等情況下，空氣開關(guān)能夠迅速斷開回路，線纜能夠正常運行，不發(fā)生過熱、燒灼等現(xiàn)象，同時設(shè)置浪涌保護裝置，有效防止雷擊等大電流或者大電壓對設(shè)備的損害，進而保證了用電安全。

3.該系統(tǒng)內(nèi)放風(fēng)機、卷簾機及水泵都是采用單獨的供電回路，同時每個回路帶有電流互感器，監(jiān)測回路中的電流大小，當(dāng)電流超過設(shè)定電流時，在就地觸摸屏上進行顯示報警，同時遠傳至手機進行遠方報警，農(nóng)戶直接確定出隱患位置并進行快速處理，避免了隱患的蔓延。為了方便安裝和測量，計劃選用開口式電流互感器。此類型電流互感器適用于農(nóng)網(wǎng)改造項目，安裝比較方便，開口型也無須拆一次母線，也可帶電操作，不會影響農(nóng)戶的正常使用，為農(nóng)戶的改造項目節(jié)省了部分人財物等成本，提高經(jīng)濟效益。

4.該系統(tǒng)內(nèi)的低壓元器件使用國內(nèi)正泰等知名品牌，PLC等智能組部件采用西門子或三菱等知名品牌，導(dǎo)軌使用鍍鋅導(dǎo)軌，線纜使用遼寧科瑞德等品牌的BVR多芯千伏B級阻燃銅線，從原材料上保障了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時，從裝配上，有特變電工專業(yè)電氣集成工程師按照工藝文件和標(biāo)準進行組裝和配置，線纜走線層次分明，橫平豎直，滿足國家標(biāo)準和美麗機電要求，美麗機電是三峽水電項目提出的標(biāo)準，目的是進一步提升產(chǎn)品的質(zhì)量，這樣將保證有效的散熱，避免內(nèi)部過熱導(dǎo)致跳閘或者火災(zāi)等安全事故的發(fā)生。

5.放風(fēng)機前期由三個溫控分散控制，不利于集中控制和調(diào)度，本系統(tǒng)將進行集中控制，控制部分全部集中在箱內(nèi)，只有數(shù)據(jù)采集傳感器在箱外，分布在大棚需要監(jiān)測的位置。并且，該系統(tǒng)采用PLC控制，與大棚常用的電子溫控相比，穩(wěn)定性較好。PLC輸入模塊接收到相關(guān)的溫濕度量，經(jīng)過內(nèi)部的程序邏輯，計算、判斷并輸出對應(yīng)的開關(guān)量來控制相關(guān)的設(shè)備，同時輸出對應(yīng)的模擬量，用于就地觸摸屏的顯示和遠方傳輸模塊的顯示及報警等。觸摸屏技術(shù)的產(chǎn)生，使人們對計算機的操作和使用更加方便，它是一種具有廣闊發(fā)展前景的人機交互式輸入技術(shù)[4]。觸摸檢測部件及控制器一起組成了觸摸屏，在顯示器屏幕前端布置觸摸檢測元件，作用為檢測觸摸的位置，并將檢測到的信息傳送給控制器。而觸摸屏控制器的主要作用是采集觸摸點檢測元件上接收到的信息，并分析轉(zhuǎn)換為觸點坐標(biāo)，然后再傳送給CPU，同時它也能接收并執(zhí)行CPU發(fā)送出來的命令[5]。

6.放風(fēng)機等設(shè)備前期在操作時無法直接觀測設(shè)備的實際狀態(tài)，該系統(tǒng)設(shè)置指示燈，指示燈的燈芯可以直接進行更換，指示燈安裝在配電柜的內(nèi)門，從配電柜外部可以透過觀察窗查看，在配電系統(tǒng)處就能觀測到設(shè)備的實際狀態(tài)，簡單明了。同時也方便整體線路和設(shè)備維修及檢查。

5 項目意義

智能農(nóng)業(yè)大棚綜合控制和保護系統(tǒng)的創(chuàng)建，對于農(nóng)戶自身提供了便利性和安全性。隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展，農(nóng)民的經(jīng)濟來源結(jié)構(gòu)也逐漸發(fā)生改變，其中經(jīng)營大棚的農(nóng)戶比例越來越大，大棚的基礎(chǔ)設(shè)施價值為10余萬元，種植的產(chǎn)品由草莓、藍莓及各種果蔬等，一個大棚的整體價值不菲，一旦發(fā)生火災(zāi)將導(dǎo)致整個大棚的財產(chǎn)損失或者連片大棚的火災(zāi)損失，甚至?xí)l(fā)生人身事故，后果不堪設(shè)想。使用智能大棚綜合控制和保護系統(tǒng)，有效遏制了火災(zāi)等事故的發(fā)生，直接為農(nóng)戶減少了損失。

智能農(nóng)業(yè)大棚綜合控制和保護系統(tǒng)的創(chuàng)建，對于政府相關(guān)管理人員減少了安全風(fēng)險和責(zé)任，利于統(tǒng)籌管控?，F(xiàn)在安全的“三個必須”對各級管理人員提出了更高的要求，管行業(yè)必須管安全、管業(yè)務(wù)必須管安全、管生產(chǎn)經(jīng)營必須管安全，使用智能農(nóng)業(yè)大棚綜合控制和保護系統(tǒng)，減少并遏制了安全隱患的發(fā)生，對于政府管控有實際的意義。

6 結(jié)論

本文介紹了智能農(nóng)業(yè)大棚綜合控制和保護系統(tǒng)，從項目的背景、解決方案和項目意義等方面簡潔地進行了闡述，上述可行性設(shè)計只是包含一部分基本功能，重點傾向于用電安全保護方面。后續(xù)可以根據(jù)用戶、使用環(huán)境和需求的不同，進行功能的增加和完善。比如光照、育種、種子生產(chǎn)、水和肥供應(yīng)、農(nóng)作物保護及消防噴淋及內(nèi)外部交通運輸方式等方面。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及工業(yè)4.0的不斷深入，中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向也將與智能化和數(shù)字化等方向進行接軌，其中基本的用電安全等問題，值得管理者和用戶進行高度重視，提升全員意識和引入智能化的設(shè)備設(shè)施是充分且必要的。