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五大环控技术 建构智慧化温室系统
[作者 王明德]   2018年09月19日 星期三 浏览人次: [3229]

环境控制是建构温室系统的重要技术,就目前发展来看,环境控制系统分成环境调节设备与自动控制设备,其中环境调节设备,常见的有遮荫网、风扇、水墙、加温机、喷雾喷头等,肩负环境内光量、温度、相对湿度的调整工作,至於自动控制设备则指各种感测器、控制器与使用的控制策略,负责控制环境调节设备的运作。


过往台湾温室多使用工业配电箱作为控制器,如今已有部份业者进展到数位控制,以搭载人机介面的可程式控制器、单晶片控制器(即微电脑)、或工业电脑进行控制,其中又以PLC或微电脑控制最为常见,这是基於成本与可靠度的考量。


不过,控制器硬体规格上的提升,不代表软体应用也有相同进展,台湾业者虽然采用了具备CPU设计的控制器(即PLC、微电脑、工业电脑),但在控制策略上仍然付之阙如,未来还有极大的发展空间。


5种温室环控设备介绍

从控制器的架构、价格、功能与控制复杂度来看,可约略区分为开关(On/Off)控制、多段控制、微电脑控制、专用型环控电脑控制、集中型电脑系统控制等五种类型,前两者多使用工业配电箱作为控制器,微电脑控制固名思义乃使用单晶片微电脑进行控制,至於後两者则由工业电脑担任控制器的角色。


1.开关(On/Off)控制

这是工业界最基本,也是使用最广泛的控制设备,由使用者设定一个控制叁数,当感测器量测到的数据大於/小於设定叁数,环境调节设备就启动/停止运转,例如:将加温机的控制叁数设定在15℃,当温度感测器量测到室温低於15℃时,控制器便启动加温机,直到室温回复到15℃的标准才停止运转。


开关控制虽然具备价格便宜、使用简单的优势,但却存在着准确性问题,控制器本身不具备消除感测器互相干扰情况的能力,导致控制精确度不足,再加上控制动作频繁,容易造成机械设备损坏的情况。


2.多段控制

多段控制是将数个开/关控制整合在一起,由单一控制器来指挥多项设备,以装设三组风扇与水墙的温室来看,倘若控制器设定标准温度为28℃,在多段控制情况下,控制器会配合感测器的量测结果,进行多个不同阶段的控制动作,分别是先关闭天窗,依序打开第一、第二及第三组风扇,最後启动水墙帮浦,一旦温度回到标准值,控制器便会停止发布控制命令。


此种做法的成本虽然较高,但停电後不必重新设定,且可解决因感测器互相干扰所造成的控制精确度问题,惟缺点有二,其一是控制对象单一化,除了温度以外,相对湿度及光照量也可进行多段控制,但每种设备只能控制单一对象,无法解决三个叁数间相互影响的问题;第二个缺点则是无法记录气候变化过程,由於控制设备本身没有储存装置,使用者必需配合资料记录器(Data Logger)的使用,才能留下气候变化的纪录。


3.微电脑控制

此型控制器以IC为主体,利用中央控制器的计算能力、及记忆体贮存资料的能力进行控制作业。


由於控制器本身具备运算能力,可以对於量测数据进行运算,例如:计算平均值、比较最大/最小值、区别瞬间杂讯等,或者纳入电子时钟设计,提供定时控制之功能,微电脑控制兼融前述开关控制及多段控制的功能,且因为使用数位控制的缘故,其控制精准性又比前述两者更高。


近年来,单晶片朝向功能强化、价格低廉的方向发展,这样的趋势促使微电脑控制器日渐普及,透过单晶片的运算与记忆功能,强化系统的整合能力,将不同项目的控制作业整合在单一系统中。


4.专用型环控电脑

专用型环控电脑的结构近似於个人电脑,具有萤幕、主机、专用键盘、中央运算器(CPU)、随机记忆体等元件,但是并不等同於个人电脑。



图1 : 环控电脑可电脑连线,配合各种商业化统计与资料处理软体,以图形化方式呈现温室气候的变化。(source: Climate Control)
图1 : 环控电脑可电脑连线,配合各种商业化统计与资料处理软体,以图形化方式呈现温室气候的变化。(source: Climate Control)

由於控制系统在农业环境下使用,因此,环控电脑必需经过特殊设计,以强化硬体规格,使其能够承受温湿度的变化,以及瞬间的高压电流,至於个人电脑多只出现於办公室或家中,工作环境相当舒适且稳定,这种使用环境上的差异,造成环控电脑与个人电脑的特性截然不同。


由於环控电脑的功能和电脑一样,具有运算、逻辑判断及记忆的能力,因此,使用其作为控制器的好处有四点,其一、在处理温室微气候时,可以将温度、相对湿度、日照量、风速等需求同时考虑;其二、可处理量测数据,例如:计算平均值、找出最大/最小值;其三、可内藏电子时钟自动显示时间,做为定时控制与资料记录;其四、可连结电话、手机等通讯设备,进行异常警告通知功能。


此外,除了温室内部微气候控制,也可连接灌溉控制、花期调节遮光控制等其他控制系统,让控制功能更强大,在控制策略方面,除了执行传统的多段控制,也可内建逻辑判断程序加以控制各个设备,由於控制策略直接储存於记忆体内,方便使用者进行前授式环控,也就是利用数学模式计算外界大气环境变动对於内部微气候的影响力,事先调整环控设备,使内部微气候更稳定。



图2 : 温室自动化是由现场端控制器、远端模组、感测器与环控设备构成。(source:Urbinati)
图2 : 温室自动化是由现场端控制器、远端模组、感测器与环控设备构成。(source:Urbinati)

为了增加资料处理功能,环控电脑还可以与辨公室电脑连线,利用电脑的记忆空间,配合各种商业化统计与资料处理软体,以图形化方式呈现温室气候的变化。


5.整合型电脑控制系统

这是针对大规模生产的需求发展而成,在各温室区仍旧设有环控系统,但另外开发一套专门进行温室环控作业的中央控制系统,由中控系统统筹控制各区的环境变化,此类设备通常属於模组化设计,透过输出入(I/O)介面连结外界感测器及控制器,因此扩充性很强,倘若要新建一套温室系统,只要扩充介面板即可。


就全球温室产业的发展来看,目前以荷兰及日本最为发达,环控设备不仅被应用来控制作物的生长环境,更是控制产量及品质的依据,反观台湾,大部份温室建筑还停留在简易遮雨棚的阶段,真正具备环控能力的并不多见,因此,在探讨环控设备的发展前,或许该先思考如何提升温室建筑架构的问题。


**刊头图(source: Van der Hoeven)


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