集裝箱植物工廠自動(dòng)控制系統(tǒng)建立

趙　倩，王琨琦，聶銘君，陳曉麗，王利春，郭文忠，薛緒掌

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安　100021；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京　100097)

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集裝箱植物工廠自動(dòng)控制系統(tǒng)建立

趙倩1,2，王琨琦1，聶銘君2，陳曉麗2，王利春2，郭文忠2，薛緒掌2

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安100021；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097)

摘要：針對(duì)集裝箱植物工廠體積小、可控性強(qiáng)的特征，利用最適化控制原理，針對(duì)控制成本低、控制效果好的營(yíng)養(yǎng)液管理、人工補(bǔ)光、箱內(nèi)環(huán)境溫度3個(gè)因子，基于可編程控制器建立了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將人機(jī)交互觸摸屏作為上位機(jī)，采用開關(guān)量控制原理進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)和LED周期補(bǔ)光的管理；利用閉環(huán)PID控制原理，進(jìn)行箱內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集裝箱內(nèi)部溫度和營(yíng)養(yǎng)液特征變化過程。同時(shí)，采用人機(jī)友好的工作方式，通過調(diào)用管理者輸入的各類參數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行控制決策并執(zhí)行控制程序。試驗(yàn)驗(yàn)證表明：該系統(tǒng)能夠根據(jù)人工設(shè)定的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液分層循環(huán)、定時(shí)供液；能夠按照設(shè)定時(shí)間自動(dòng)控制LED光源的閉合/斷開，實(shí)現(xiàn)不同光照周期的轉(zhuǎn)換；能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫度，并根據(jù)目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)制冷/供暖機(jī)構(gòu)，使集裝箱內(nèi)溫度持續(xù)保持在適宜作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。參照系統(tǒng)在集裝箱植物工廠內(nèi)使用情況，可以確定本系統(tǒng)成本低、運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足集裝箱植物工廠中農(nóng)作物管理需求。

關(guān)鍵詞：集裝箱植物工廠；最適化控制原理；人工補(bǔ)光；PID控制

0引言

植物工廠的概念最早由日本提出，被解釋為是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)[1]。1957年，世界上第1家植物工廠在丹麥誕生；至20世紀(jì)末，植物工廠這種新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)在日本、俄羅斯等國(guó)家有了一定規(guī)模[1-3]。之后，這種生產(chǎn)方式被逐漸推廣，太陽光利用型、人工光利用型、太陽光和人工光并用型植物工廠[1-4]被相繼開發(fā)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。在日本、荷蘭等園藝發(fā)達(dá)的國(guó)家，相應(yīng)的光環(huán)境調(diào)控技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)液管理技術(shù)、工廠內(nèi)環(huán)境控制技術(shù)及新能源的開發(fā)利用等眾多高新技術(shù)[5-7]也被研究出來。我國(guó)學(xué)者也在遠(yuǎn)程監(jiān)控[7]、箱內(nèi)環(huán)境控制[8-10]等方面做了大量研究，旨在徹底擺脫自然條件的束縛，以最小的投入獲得最大的產(chǎn)出。

植物工廠作為現(xiàn)代園藝高級(jí)階段的產(chǎn)物[1]，建設(shè)成本居高不下一直是其研發(fā)和普遍推廣過程中的瓶頸[11]。隨著植物工廠各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，一種建設(shè)成本低、可移動(dòng)式的集裝箱植物工廠應(yīng)運(yùn)而生。集裝箱植物工廠利用廢舊貨車箱、鐵皮等金屬材料搭建，安放地點(diǎn)不受地理環(huán)境限制，生產(chǎn)環(huán)境不受氣候變化影響。采用集裝箱形式，阻隔箱內(nèi)環(huán)境與外界環(huán)境中空氣、水、熱等的物質(zhì)交換和能量交換，并且完全利用人工光源，根據(jù)植物生長(zhǎng)需要進(jìn)行適度的箱內(nèi)環(huán)境調(diào)控，即可實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物四季生產(chǎn)。

本文針對(duì)集裝箱植物工廠體積小、可控性強(qiáng)的特征，為了進(jìn)一步降低成本及系統(tǒng)維修難度，避棄了已經(jīng)成熟、的以單片機(jī)作為核心控制器的環(huán)境因子控制系統(tǒng)[12-13]，基于可編程控制器，利用最適化控制原理[14]，將控制成本低、效果好的箱內(nèi)環(huán)境溫度、人工補(bǔ)光、營(yíng)養(yǎng)液管理3個(gè)因子作為控制對(duì)象，進(jìn)行硬件和軟件的技術(shù)開發(fā)，并建立了集裝箱植物工廠自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1　植物工廠總體結(jié)構(gòu)介紹

該集裝箱植物工廠使用廢舊貨車箱拼接，安置于北京市小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地。植物工廠采用新風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)箱內(nèi)監(jiān)測(cè)壓力超過閾值范圍后，將室外新鮮空氣講過過濾、凈化后經(jīng)管道與室內(nèi)空氣進(jìn)行交換，保證集裝型內(nèi)空氣的潔凈度。同時(shí)，利用鋁型材搭建立體種植支架，采用深液流水耕栽培技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物生產(chǎn)。植物工廠總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.溫度調(diào)控機(jī)構(gòu)　2.控制器　3.原液桶

1.2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)營(yíng)養(yǎng)液管理，由圖1可以看出：該集裝箱植物工廠采用了深液流水耕栽培技術(shù)，由供液管道和一定深度的回液管道來保持營(yíng)養(yǎng)液在栽培槽中的液位。同時(shí)，根據(jù)植物栽培原理，在根量較少、根墊未形成之前，采取連續(xù)供液方式；待根部發(fā)育起來之后，采取間歇供液方式進(jìn)行栽培槽中營(yíng)養(yǎng)液更新[1]。供液時(shí)間和停止時(shí)間由管理人員在觸摸屏上輸入。針對(duì)人工補(bǔ)光，由圖1可以看出：該集裝箱植物工廠使用發(fā)光二極管(LED)作為光源進(jìn)行垂直補(bǔ)光。相較于其他光源，LED燈既能滿足植物正常生長(zhǎng)，又有較高的發(fā)光效率[15]。其補(bǔ)光周期由管理者在觸摸屏上輸入。針對(duì)箱內(nèi)環(huán)境溫度，由圖1可以看出：該集裝箱植物工廠由溫度調(diào)控機(jī)構(gòu)進(jìn)行箱內(nèi)溫度向目標(biāo)值逼近。系統(tǒng)采用常用的PID調(diào)節(jié)方法進(jìn)行溫度調(diào)控，其目標(biāo)溫度由管理者在觸摸屏上輸入。綜上，該自動(dòng)控制系統(tǒng)由人機(jī)交互模塊、中央控制模塊、數(shù)采集模塊及執(zhí)行模塊組成，控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)采用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互操作，可全程監(jiān)控工廠內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行情況，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、控制參數(shù)的輸入等功能；數(shù)據(jù)采集模塊包含溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器。采集到的數(shù)據(jù)由可編程控制器的模擬量擴(kuò)展模塊經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入上位機(jī)。可編程控制器是該系統(tǒng)的核心，它通過對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的分析，參照管理者輸入的控制參數(shù)，進(jìn)行分析決策，進(jìn)而發(fā)送命令；控制執(zhí)行模塊中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行條件觸發(fā)動(dòng)作或定時(shí)執(zhí)行動(dòng)作，從而達(dá)到控制目的。

1.3　系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)上電后，可編程控制器以一定掃描周期定時(shí)向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送采集命令，采集到傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化后返回給控制器；控制系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合已經(jīng)由管理者設(shè)定的控制參數(shù)閾值，進(jìn)行融合判斷，得到控制決策后輸出指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟/關(guān)閉；如此循環(huán)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)提供控制決策參數(shù)和監(jiān)控界面。控制決策參數(shù)包括控制目標(biāo)和定時(shí)開啟時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段。其中，控制目標(biāo)需要輸入溫度范圍、光照周期等。當(dāng)溫度低于設(shè)定閾值下限時(shí)，空調(diào)開啟制熱模式；當(dāng)溫度高于設(shè)定閾值上限時(shí)，空調(diào)開啟制冷模式。定時(shí)開啟時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段指的是LED人工光源開啟的時(shí)間點(diǎn)和開啟時(shí)長(zhǎng)。監(jiān)控界面提供手自動(dòng)切換的調(diào)用接口：在手動(dòng)模式下，可以通過屏幕按鈕自由操作各個(gè)開關(guān)，包括電磁閥、水泵和LED燈；在自動(dòng)模式下，采用用戶自設(shè)定方式，由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行決策和發(fā)送控制指令。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用三菱FX1N-40MR-001作為核心控制器，并擴(kuò)展FX2N-4AD模塊進(jìn)行箱內(nèi)溫度和營(yíng)養(yǎng)液特征參數(shù)采集。其內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器，可自動(dòng)將采集到的模擬量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并反饋給核心控制器；核心控制器再將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，用于數(shù)據(jù)的保存和查詢。

系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用開關(guān)量控制，為了避免PLC輸出信號(hào)太弱，在PLC與控制設(shè)備之間增加中間繼電器，利用繼電器的開/關(guān)來控制電磁閥、水泵、LED燈、空調(diào)這4種執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。電源系統(tǒng)如圖3(a)所示。電磁閥控制原理如圖3(b)所示。

參照?qǐng)D3(a)，整個(gè)系統(tǒng)的電源由市電220VAC經(jīng)過空氣開關(guān)QF提供，并配有電源指示燈H0。同時(shí)，市電經(jīng)過二級(jí)熔斷器(QF0、QF1、QF2)分別給變送器和20VDC空氣開關(guān)供電。參照?qǐng)D3(b)，SA1為一個(gè)兩檔的手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)SA1切換至左邊(手動(dòng)擋)時(shí)，001、003路接通，按下常開按鈕SB1時(shí)中間繼電器KA1常開觸點(diǎn)吸合，接通電磁閥線圈，開閥指示燈H1亮。按下常閉開關(guān)SB2時(shí)，中間繼電器斷電，電磁閥關(guān)閉；當(dāng)SA1切換至右邊(自動(dòng)擋)時(shí)，001、002、004路接通，可由控制板輸出口按照程序要求控制中間繼電器的開閉，進(jìn)而達(dá)到控制電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的目的。

圖3　系統(tǒng)硬件電路圖

3系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)

3.1　上位機(jī)軟件功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用7寸人機(jī)交互觸摸屏作為上位機(jī)，完成參數(shù)設(shè)定和系統(tǒng)運(yùn)行情況監(jiān)視。控制器與上位機(jī)之間使用標(biāo)準(zhǔn)的ModbusRTU協(xié)議、RS485接口方式進(jìn)行通信。管理者通過旋轉(zhuǎn)兩檔開關(guān)實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)的切換；通過點(diǎn)擊屏幕，輸入控制參數(shù)閾值；通過控制柜上按鈕，手動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)；通過界面按鈕接口切換營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)界面和LED燈光控制界面。上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)以下功能：①手動(dòng)自動(dòng)切換功能；②實(shí)時(shí)顯示功能，包括監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)時(shí)間、EC、pH測(cè)量值和畫面調(diào)用接口；③控制參數(shù)設(shè)置功能，包括營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)參數(shù)和LED燈板控制參數(shù)；④數(shù)據(jù)查詢、存儲(chǔ)功能。

3.2　執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)量控制

關(guān)于營(yíng)養(yǎng)液管理，在自動(dòng)模式下，根據(jù)管理者設(shè)置的循環(huán)時(shí)間間隔T1和每層循環(huán)時(shí)間T2兩個(gè)參數(shù)來完成營(yíng)養(yǎng)液管理。為保證流速恒定，當(dāng)用戶設(shè)定好時(shí)間后，從最上層開始循環(huán)。循環(huán)時(shí)間間隔是指每隔T1時(shí)間，營(yíng)養(yǎng)液從儲(chǔ)液槽中經(jīng)過循環(huán)管道和回流管道，更新栽培槽中的營(yíng)養(yǎng)液。每層循環(huán)時(shí)間T2指每層循環(huán)T2min后，關(guān)閉本層電磁閥，開啟下一層電磁閥，直到4層循環(huán)完畢。因而，當(dāng)需要連續(xù)供液時(shí)，只需設(shè)置T1=T2；當(dāng)需要間歇供液時(shí)，要求用戶所設(shè)循環(huán)時(shí)間間隔T1≥4×每層循環(huán)時(shí)間T2。當(dāng)設(shè)定出錯(cuò)后，程序會(huì)彈出提示畫面幫助用戶重新進(jìn)行設(shè)定。軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4　營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)軟件程序流程圖

關(guān)于LED燈控，在自動(dòng)模式下，要求管理者在人機(jī)交互觸摸屏上輸入任意3組時(shí)間節(jié)點(diǎn)；比較單元將這3組時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)間相比較，達(dá)到所設(shè)開啟時(shí)間時(shí)，控制器輸出端閉合，接通LED燈的電源，達(dá)到開燈的目的；達(dá)到所設(shè)關(guān)閉時(shí)間時(shí)，控制器執(zhí)行相反的控制動(dòng)作。

3.3　溫度的PID控制

PID(Proportion(比例)、Integration(積分)、Differentiation(微分))控制是工業(yè)中最常用的一種閉環(huán)控制方式。其原理是將目標(biāo)信號(hào)(/設(shè)定值)與反饋信號(hào)(實(shí)測(cè)值)不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果連續(xù)地操作變頻器輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速。三菱FX系列PLC提供了模擬量控制的PID指令封裝[16-17]，可以手動(dòng)由MOV指定各放大系數(shù)，也支持程序參數(shù)自整定。其閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5　PID控制系統(tǒng)原理圖

4系統(tǒng)驗(yàn)證

利用最適化控制原理，針對(duì)作物種植需求開發(fā)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過在北京市小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地的集裝箱植物工廠進(jìn)行運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)液的分層循環(huán)，定時(shí)供液；明期和暗期的自動(dòng)轉(zhuǎn)換以及環(huán)境溫度的自動(dòng)控制。集裝箱植物工廠外觀及控制效果如圖6所示。1個(gè)循環(huán)時(shí)間間隔內(nèi)，所檢測(cè)營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率(EC)值和pH值的動(dòng)態(tài)變化如圖7所示。EC值基本穩(wěn)定在1.38mS/cm，pH基本穩(wěn)定在6.9。

1.LED燈板　2.系統(tǒng)控制柜　3.種植板　4.栽培槽　5.混液桶

(a.Appearance；b.Control Effect )

圖7　營(yíng)養(yǎng)液動(dòng)態(tài)變化

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The Establish of Automatic Control System of the Container-type Plant Factory

Zhao Qian1,2, Wang Kunqi1, Nie Mingjun2, Chen Xiaoli2, Wang Lichun2,Guo Wenzhong2, Xue Xuzhang2

(1.College of Electromechanic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 100021, China; 2.Beijing Research Center for information technology in Agriculture, Beijing 100097, China)

Abstract：For the Container-type Plant Factory,an automatic control system,which contains the cycle of nutrient solution,the artificial light and the tempreture inside, was established.This system aims at the feature of small volume and easy control of container.Simultaneously,sues three low cost and better effect factors as controlled object,according to optimal control theory.System is developed,based on the Programmable Logic Controller(PLC) and a touch screen is used as the master computer.Programs make use of swich signal control principle to manage the nutrient solution and LED.At the same time,adjust temperature inside container on the basis of closed-loop PID control.The screen will monitoring the whole process of the real-time changes about the environment inside and the nutrient solution.Meanwhile,control policy is determined automatically through various parameters invocation and computer programs are executed by mans of human-machine coordination. The experiment verified that the system could implement the layered cycle of the nutrient solution and regularly supply according to the control parameters manually set. And it could implement the conversion of different photoperiod by turning the LED on and off automatically,referring the time managers given.In addition, the tempreture could be controlled in a range which is suitable for the growth of plants by adjusting the temperature regulates organization. Thus,this low-cost and reliable control system could meet the demands crops need in Container-type Plant Factory.

Key words：the Container-type Plant Factory; optimal control theory; artificial lights; PID control principle control principle

中圖分類號(hào)：S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0217-06

作者簡(jiǎn)介：趙倩(1990-),女，陜西榆林人，碩士研究生，(E-mail)15901291520@163.com。通訊作者：王琨琦(1955-)，男，河南新鄭人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)372122167@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA103005)；北京市農(nóng)林科學(xué)院青年基金項(xiàng)目(QNJJ201421)

收稿日期：2015-11-15