某參種植基地自動化控制技術方案（I）

文/陳青峰 史文斌(浙江中控自動化儀表有限公司)

某參種植基地自動化控制技術方案（I）

文/陳青峰 史文斌(浙江中控自動化儀表有限公司)

一 、系統概述

隨著全國智能制造、機器換人計劃的推進，對于自動化監控技術在農業領域的全面應用，已由期盼逐步變為現實。農業自動化監控系統利用控制技術、視頻監控技術、物聯網技術、移動互聯技術等，可實時遠程獲取農業智能大棚內部的空氣溫濕度、土壤水分溫度、二氧化碳濃度、光照強度及視頻圖像，通過手自動控制算法，遠程或自動控制濕簾風機、噴淋滴灌、內外遮陽、頂窗側窗、加溫補光等設備，保證智能大棚內環境最適宜作物生長，為作物高產、優質、高效、生態、安全創造條件。

同時，該系統還可以通過智能手機、平板電腦、計算機等信息終端，實現集中監控和移動端遠程控制，從而實現智能大棚集約化、網絡化遠程管理，充分發揮物聯網技術在設施農業生產中的作用。

二、本系統關鍵功能

●通過環境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化氮傳感器、風速/風向傳感器、小型氣象站等設施設備，實現對農業智能大棚內作物生長的相關參數進行采集；

●使用高質量傳感器及物聯網設備，通過浙大中控嚴苛的質量管理體系及FAT系統集成測試，切實保證監控數據的精準、穩定，切實保證系統及產品的品質及質量；

●通過物聯網設備，借助于覆蓋園區的WiFi網絡（有線+無線相結合），實現相關數據的通信傳輸，同時，借助農業系統軟件，實現相關數據的采集、保存及調取；

●通過自動化控制設備（浙大中控CCR6000彩虹系列可編程控制系統），實現對灌溉、施肥、風機、遮陽簾、卷簾、電機等設備的控制，例如：

◎根據設定的時間、溫度和光照情況，控制卷膜機，遮陽電機等進行光照和溫度調節；

◎根據設定的時間、CO2濃度情況，控制風機進行通風換氣，調節CO2濃度；

◎根據設定的時間、土壤水分含量和濕度情況，控制水泵澆灌和噴霧；

◎可以設定不同的區域，根據不同的作物種類，不同的季節進行差異化控制；

◎對于重要的環境指標，及時進行遠程報警及聯鎖控制等；

●CCR6000控制器完全符合IEC61131-3的國際標準，提供模擬量輸入/輸出、開關量輸入/輸出模塊，提供以太網、RS485通訊接口，可自由組合模塊數量，可自由編寫任意控制邏輯，從而極大地提升系統的適用性及擴展性；

●設計以6個大棚為一組，以大棚組為單位，每組大棚提供一套組態觸摸屏；

●滿足棚內就地監控、園區級監控及移動端遠程監控的要求，建立相關作物生長數據庫，幫助生產管理人員積累種植經驗和生產管理策略，高效控制種植管理全過程，實現工廠化管理；

●園區智能大棚并非農業土棚，我們建議在園區監控服務器提供并部署全套監控和管理軟件，也就是系統軟件一次購買、終身使用，而不是使用互聯網租用模式（SAAS）。一方面，避免按使用量和使用時間交年費的繁雜，可按需自由地對軟件功能進行組態及配置；另一方面，可以符合更為安全地分層控制要求（后續詳述）；

●系統數據可在不相連外網的情況下獨立運行，所有數據直接進入園區主服務器，可保證關鍵數據的安全性；

●通過分期建設，最終實現通過手機App、平板的監測與控制功能；

●通過服務器防火墻這道安全屏障，實現移動端App隨時隨地的監測與控制；

●按智能大棚所在園區的地理環境、大棚布局、棚內環境等因素，繪制專業的監控流程圖，使其細致、精美，符合領導、專家及各方友客的參觀需求；

●系統應考慮可擴展性，為后續自動化控制的進一步擴展提供支撐；

三、控制功能設計建議

依據對技術圖紙《連棟溫室（修改版）2016.8.5》的研讀，結合浙大中控相關產品的特點，我們提出以下設計建議，供貴方參考。

●控制箱的安裝建議：

從技術圖紙可以發現，整個智能棚呈長方形，且分為左右兩側，每一側都設有一處電機設備較為集中的區域，因此，控制設備建議的部署方式如下圖所示：

具體部署說明：

◎為保證控制質量，控制設備不應采取無線組網方式；

◎為節省布線成本，可在大棚左右兩區分布部署小型的控制箱，并安裝相關的控制設備、電源模塊、繼電器等；

◎由于控制器CPU模塊可連接32個I/O擴展模塊，因此，可在大棚左區控制箱內設置CPU模塊，右區控制箱內無需設置CPU模塊；

◎在大棚左右兩區控制箱之間，通過CANOpen總線（兩芯電纜線）連接，大棚右區I/O模塊的動作指令，由大棚左區CPU模塊統一發送；

◎為保證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，通過以太網連接（100m以內采用超五類雙絞線）；

◎為避免強電對弱電系統的干擾，線纜走線、控制模塊部署等，應做到強弱電分離；

◎控制箱與觸摸屏箱具體部署位置，可根據實際情況進行調整（例如，可將觸摸屏直接安裝在左區控制箱內）；

●土壤溫濕度傳感器：

大棚土壤溫濕度建議以20～30m為間隔進行設點為宜，因此大體的部署位置如下圖所示。（采用物聯網無線通信方案，無需通信布線）

名稱描述單位數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通訊協議；IP65防護等級套4

●空氣溫濕度傳感器：

由于大棚分為左右兩區，兩個區域內的控制系統可獨立，且考慮南北朝向對溫濕度（主要是溫度）的影響，因此建議的部署位置如下圖所示。（采用物聯網無線通信方案，無需通信布線）

名稱描述單位數量無線環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通訊協議；IP65防護等級；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，建議在每個區域較為中心的位置，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通訊協議；IP65防護等級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通訊協議；IP65防護等級套2

●無線集中器：

本系統采用無線設計方案，通過設置無線集中器，從而將433MHZ無線頻段數據轉換為基于RS485總線的Modbus通訊協議。每個集中器連接無線傳感設備的數量建議為≤32個，集中器的數據直接接入控制器的CPU模塊。

名稱描述單位數量風速傳感器風速量程：0～70m/s，精度：±(0.3+0.03) Vm/s；起動風速：≤0.8m/s；4-20mA輸出；IP45防護等級個1風向傳感器風向量程：0～360°，精度：±3°；起動風速：≤0.5m/s；4-20mA輸出；IP45防護等級個1

●大棚外環境傳感器：

可按需在大棚外側安裝環境傳感器，進行風速、風向等相關環境參數的監測；

●系統控制I/O模塊：

電機控制說明：本系統中的電機均為工頻電機，無需考慮變頻控制。由于不同的電機啟停控制方式存在差異，需根據電機特性確定DI、DO數量，當前，按電機的常規控制方式，暫定1路DO（電機啟停控制）和1路DI（電機運行狀態反饋）；

依據技術圖紙要求，本智能大棚控制系統的控制子系統，包括：

◎溫室自然通風系統：

☆天窗自動控制，采用電動齒條推桿式單側單向開窗；

☆控制方式：電機控制（+1路DI、+1路DO）；行程限位控制，設置限位開關（DI開關量信號），實現全開、半開、關閉三處限位狀態（+3路DI）；

◎外遮陽系統：

☆行程4m，單程運行7min，采用齒輪齒條傳動機構，單間方向傳動；

☆控制方式：電機控制（+1路DI、+1路DO）；時間控制，按7min的行程，計算運行行程，在兩端終點處增加限位開關（+2路DI）；

◎內保溫遮蔭幕系統：

☆行程4m，單程運行7min，采用齒輪齒條傳動機構，單間方向傳動；

☆控制方式：電機控制（+1路DI、+1路DO）；時間控制，按7min的行程，計算運行行程，在兩端終點處增加限位開關（+2路DI）；

◎濕簾-風機降溫系統：

☆由濕簾水池、循環水系統、軸流式風機和控制系統組成，水泵功率1.1kW/臺，風機功率1.1kW；

☆控制方式：水泵控制（+1路DI、+1路DO）；風機控制（+1路DI、+1路DO）；如增加卷簾機或對各臺水泵、風機等進行獨立控制，則需相應增加DI、DO控制點；

◎環流風機系統：

☆工頻運行，電臺風機功率0.55kW；

☆控制方式：風機控制（+1路DI、+1路DO）；

◎其他待擴展控制點：

灌溉（滴灌）系統、卷簾機控制、風機設備的間隔控制等；

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

名稱描述單位數量CPU模塊32位RISC處理器，45MIPS；1路RS-232，1路RS-485，1路以太網；可擴展32個I/O模塊塊1

名稱描述單位數量16路開關量輸入模塊DI516D：16點無源開關量輸入（左右側各一塊）塊2 16點繼電器輸出模模塊DO516R：16點繼電器輸出，2A/250V（AC），2A/30V（DC）（左右側各一塊）塊2 26cm可組態觸摸屏以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）；支持自定義組態設置及監控流程圖繪制功能。塊1箱柜及輔材中控電源（24V，10A）、空氣開關、繼電器、φ2.5接線端子、熔斷端子、限位開關、控制箱等套按需

四、系統分層控制設計

為保證控制質量及控制安全性，同時考慮到系統后續的可擴展性，本系統應采取分層控制設計，即上一層的故障不會對當前層次的控制造成影響，因此，整套系統的控制層次可分為旁路手動控制、棚內手自動操控、園區集中操控、移動端遠程操控、系統自動化控制等，滿足各類情況下操作和控制要求。

其中，棚內手自動控制、園區集中操控、移動端遠程操控三種方式，即可以直接控制指定設備的運行，又控制下發設定參數，為系統自動化控制提供運行參數。

●旁路手動控制：即脫離整套控制系統情況下的手動控制，采用控制箱，通過硬件觸發按鈕控制相關設備的運行（非必須功能）；

●棚內觸摸屏操控：使用控制系統，通過安裝在各個智能大棚內的觸摸屏，操控系統設備的運行。由于在系統組網設計上，采用將傳感器的物聯網直接接入到控制器的方案，因此，即使控制器與上層系統通信網絡中斷，也可保證大棚控制器獲取到完整的數據，從而保證每個大棚都是獨立的控制單元，不受上層通信網絡的任何影響；

●園區集中操控：園區集中監控系統軟件與各大棚的控制系統間，借助于園區內的光纖、以太網、WiFi網絡，實現監控系統與控制模塊之間的通訊交互、遠程監控；

●移動端遠程操控：移動端監控包含園區內（內網）和園區外（外網）兩種方式，園區內移動端網絡將借助內部網絡，園區外移動端應用將通過公網，并使移動端與監控服務器之間架設防火墻設備，以保證服務器接入公網的安全性；

●系統自動化控制：通過編寫控制邏輯，可實現自動觸發控制、狀態控制、條件控制、定時控制、周期控制、手動操作控制、專家型歷史經驗優化控制等眾多控制方式，且控制邏輯編寫靈活、下發便捷，可滿足未來10～20年智能大棚的控制及擴展需要。

[未完待續]