集裝箱植物工廠自動控制系統(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 機電工程學院，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 機電工程學院，西安100021；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097)

摘要：針對集裝箱植物工廠體積小、可控性強的特征，利用最適化控制原理，針對控制成本低、控制效果好的營養(yǎng)液管理、人工補光、箱內(nèi)環(huán)境溫度3個因子，基于可編程控制器建立了一套自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將人機交互觸摸屏作為上位機，采用開關(guān)量控制原理進行營養(yǎng)液循環(huán)和LED周期補光的管理；利用閉環(huán)PID控制原理，進行箱內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，可實時監(jiān)測集裝箱內(nèi)部溫度和營養(yǎng)液特征變化過程。同時，采用人機友好的工作方式，通過調(diào)用管理者輸入的各類參數(shù)，自動進行控制決策并執(zhí)行控制程序。試驗驗證表明：該系統(tǒng)能夠根據(jù)人工設定的控制參數(shù)，實現(xiàn)營養(yǎng)液分層循環(huán)、定時供液；能夠按照設定時間自動控制LED光源的閉合/斷開，實現(xiàn)不同光照周期的轉(zhuǎn)換；能夠?qū)崟r監(jiān)測溫度，并根據(jù)目標溫度調(diào)節(jié)制冷/供暖機構(gòu)，使集裝箱內(nèi)溫度持續(xù)保持在適宜作物生長的范圍內(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，被解釋為是通過設施內(nèi)高精度環(huán)境控制實現(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)應用到實際生產(chǎn)中。在日本、荷蘭等園藝發(fā)達的國家，相應的光環(huán)境調(diào)控技術(shù)、營養(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。我國學者也在遠程監(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)代園藝高級階段的產(chǎn)物[1]，建設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]。隨著植物工廠各項技術(shù)的不斷發(fā)展，一種建設成本低、可移動式的集裝箱植物工廠應運而生。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)植物生長需要進行適度的箱內(nèi)環(huán)境調(diào)控，即可實現(xiàn)農(nóng)作物四季生產(chǎn)。

本文針對集裝箱植物工廠體積小、可控性強的特征，為了進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、人工補光、營養(yǎng)液管理3個因子作為控制對象，進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控制系統(tǒng)。

1控制系統(tǒng)總體設計

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家精準農(nóng)業(yè)研究示范基地。植物工廠采用新風系統(tǒng)，當箱內(nèi)監(jiān)測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)空氣進行交換，保證集裝型內(nèi)空氣的潔凈度。同時，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)控機構(gòu)　2.控制器　3.原液桶

1.2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

針對營養(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養(yǎng)液在栽培槽中的液位。同時，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行栽培槽中營養(yǎng)液更新[1]。供液時間和停止時間由管理人員在觸摸屏上輸入。針對人工補光，由圖1可以看出：該集裝箱植物工廠使用發(fā)光二極管(LED)作為光源進行垂直補光。相較于其他光源，LED燈既能滿足植物正常生長，又有較高的發(fā)光效率[15]。其補光周期由管理者在觸摸屏上輸入。針對箱內(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)控機構(gòu)進行箱內(nèi)溫度向目標值逼近。系統(tǒng)采用常用的PID調(diào)節(jié)方法進行溫度調(diào)控，其目標溫度由管理者在觸摸屏上輸入。綜上，該自動控制系統(tǒng)由人機交互模塊、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

上位機采用觸摸屏進行人機交互操作，可全程監(jiān)控工廠內(nèi)系統(tǒng)運行情況，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、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展模塊經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入上位機?？删幊炭刂破魇窃撓到y(tǒng)的核心，它通過對傳感器采集數(shù)據(jù)的分析，參照管理者輸入的控制參數(shù)，進行分析決策，進而發(fā)送命令；控制執(zhí)行模塊中各執(zhí)行機構(gòu)進行條件觸發(fā)動作或定時執(zhí)行動作，從而達到控制目的。

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)由管理者設定的控制參數(shù)閾值，進行融合判斷，得到控制決策后輸出指令，控制執(zhí)行機構(gòu)的開啟/關(guān)閉；如此循環(huán)，構(gòu)成一個閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。

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

2硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)采用三菱FX1N-40MR-001作為核心控制器，并擴展FX2N-4AD模塊進行箱內(nèi)溫度和營養(yǎng)液特征參數(shù)采集。其內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器，可自動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，用于數(shù)據(jù)的保存和查詢。

系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)采用開關(guān)量控制，為了避免PLC輸出信號太弱，在PLC與控制設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)行機構(gòu)的動作。電源系統(tǒng)如圖3(a)所示。電磁閥控制原理如圖3(b)所示。

參照圖3(a)，整個系統(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，市電經(jīng)過二級熔斷器(QF0、QF1、QF2)分別給變送器和20VDC空氣開關(guān)供電。參照圖3(b)，SA1為一個兩檔的手自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。當SA1切換至左邊(手動擋)時，001、003路接通，按下常開按鈕SB1時中間繼電器KA1常開觸點吸合，接通電磁閥線圈，開閥指示燈H1亮。按下常閉開關(guān)SB2時，中間繼電器斷電，電磁閥關(guān)閉；當SA1切換至右邊(自動擋)時，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，進而達到控制電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)的目的。

圖3　系統(tǒng)硬件電路圖

3系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

3.1　上位機軟件功能實現(xiàn)

系統(tǒng)使用7寸人機交互觸摸屏作為上位機，完成參數(shù)設定和系統(tǒng)運行情況監(jiān)視?？刂破髋c上位機之間使用標準的ModbusRTU協(xié)議、RS485接口方式進行通信。管理者通過旋轉(zhuǎn)兩檔開關(guān)實現(xiàn)手自動的切換；通過點擊屏幕，輸入控制參數(shù)閾值；通過控制柜上按鈕，手動控制執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)；通過界面按鈕接口切換營養(yǎng)液循環(huán)界面和LED燈光控制界面。上位機軟件可以實現(xiàn)以下功能：①手動自動切換功能；②實時顯示功能，包括監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況、實時顯示系統(tǒng)時間、EC、pH測量值和畫面調(diào)用接口；③控制參數(shù)設置功能，包括營養(yǎng)液循環(huán)參數(shù)和LED燈板控制參數(shù)；④數(shù)據(jù)查詢、存儲功能。

3.2　執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)量控制

關(guān)于營養(yǎng)液管理，在自動模式下，根據(jù)管理者設置的循環(huán)時間間隔T1和每層循環(huán)時間T2兩個參數(shù)來完成營養(yǎng)液管理。為保證流速恒定，當用戶設定好時間后，從最上層開始循環(huán)。循環(huán)時間間隔是指每隔T1時間，營養(yǎng)液從儲液槽中經(jīng)過循環(huán)管道和回流管道，更新栽培槽中的營養(yǎng)液。每層循環(huán)時間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，當需要連續(xù)供液時，只需設置T1=T2；當需要間歇供液時，要求用戶所設循環(huán)時間間隔T1≥4×每層循環(huán)時間T2。當設定出錯后，程序會彈出提示畫面幫助用戶重新進行設定。軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4　營養(yǎng)液循環(huán)軟件程序流程圖

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

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。其原理是將目標信號(/設定值)與反饋信號(實測值)不斷地進行比較，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)驗證

利用最適化控制原理，針對作物種植需求開發(fā)的自動控制系統(tǒng)，通過在北京市小湯山國家精準農(nóng)業(yè)研究示范基地的集裝箱植物工廠進行運行，實現(xiàn)了營養(yǎng)液的分層循環(huán)，定時供液；明期和暗期的自動轉(zhuǎn)換以及環(huán)境溫度的自動控制。集裝箱植物工廠外觀及控制效果如圖6所示。1個循環(huán)時間間隔內(nèi)，所檢測營養(yǎng)液電導率(EC)值和pH值的動態(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　營養(yǎng)液動態(tài)變化

參考文獻：

[1]楊其長,張成波.植物工廠概論[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社, 2005.

[2]楊國偉.一種新型的植物生產(chǎn)方式-植物工廠[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2013,33(10):13-15.

[3]楊其長.植物工廠發(fā)展策略[J].科技導報,2014,32(10):20-24.

[4]Kozai T.太陽光利用型植物工廠[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社,2009.

[5]Kozai T. Innovation in agriculture:Plant factory with artificial light[J].APO News,2013,14(1):1-3.

[6]Stipanicev D, Mavasovic J. Network embedded green-house monitoring and control[J].Control Application,2003(2):1350-1355.

[7]楊其長,張成波.植物工廠系列談(十)-高新技術(shù)在植物工廠中的應用[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù):溫室園藝,2006(2):20-23.

[8]賀冬仙,楊珀,朱本海.密閉式植物工廠的嵌入網(wǎng)絡式環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2007,23(12):156-160.

[9]商守海,周增產(chǎn),卜云龍,等.JPWZ-1型微型植物工廠的研制[J].農(nóng)業(yè)工程,2012,2(1):44-47.

[10]王君,楊其長,魏靈玲,等.人工光植物工廠風機和空調(diào)協(xié)同降溫節(jié)能效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013,29(3):177-183.

[11]邱兆美,趙龍,賈海波.植物工廠發(fā)展趨勢與存在問題[J].農(nóng)機化研究，2013,35(10):230-233.

[12]賀冬仙,朱本海,楊珀,等.人工光型密閉式植物工廠的設計與環(huán)境控制[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2007,23(3):151-157.

[13]艾海波,魏晉宏,邱權(quán),等.微型植物工廠智能控制[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(10):198-204.

[14]胡永光,李萍萍,堀部和雄.日本植物工廠及其新技術(shù)[J].世界農(nóng)業(yè),2002(11):44-46.

[15]曲溪,葉方銘,宋杰瓊,等. LED燈在植物補光領(lǐng)域的效用探究[J].燈與照明，2008,32(2):41-45.

[16]Huang Wei, Hu Qinglong. The design of control system of manipulator with PLC[J].Mechanical and Electrical Engineering Technology,2008,11:91-92.

[17]何孝成,劉印,王宮輝.三菱PLC在工業(yè)中的應用[J].中國包裝工程,2015(12):13-14.

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：S126

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0217-06

作者簡介：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，碩士生導師，(E-mail)372122167@qq.com。

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2013AA103005)；北京市農(nóng)林科學院青年基金項目(QNJJ201421)

收稿日期：2015-11-15