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五大環控技術 建構智慧化溫室系統
[作者 王明德]   2018年09月19日 星期三 瀏覽人次: [585]

環境控制是建構溫室系統的重要技術,就目前發展來看,環境控制系統分成環境調節設備與自動控制設備,其中環境調節設備,常見的有遮蔭網、風扇、水牆、加溫機、噴霧噴頭等,肩負環境內光量、溫度、相對濕度的調整工作,至於自動控制設備則指各種感測器、控制器與使用的控制策略,負責控制環境調節設備的運作。


過往台灣溫室多使用工業配電箱作為控制器,如今已有部份業者進展到數位控制,以搭載人機介面的可程式控制器、單晶片控制器(即微電腦)、或工業電腦進行控制,其中又以PLC或微電腦控制最為常見,這是基於成本與可靠度的考量。


不過,控制器硬體規格上的提升,不代表軟體應用也有相同進展,台灣業者雖然採用了具備CPU設計的控制器(即PLC、微電腦、工業電腦),但在控制策略上仍然付之闕如,未來還有極大的發展空間。


5種溫室環控設備介紹

從控制器的架構、價格、功能與控制複雜度來看,可約略區分為開關(On/Off)控制、多段控制、微電腦控制、專用型環控電腦控制、集中型電腦系統控制等五種類型,前兩者多使用工業配電箱作為控制器,微電腦控制固名思義乃使用單晶片微電腦進行控制,至於後兩者則由工業電腦擔任控制器的角色。


1.開關(On/Off)控制

這是工業界最基本,也是使用最廣泛的控制設備,由使用者設定一個控制參數,當感測器量測到的數據大於/小於設定參數,環境調節設備就啟動╱停止運轉,例如:將加溫機的控制參數設定在15℃,當溫度感測器量測到室溫低於15℃時,控制器便啟動加溫機,直到室溫回復到15℃的標準才停止運轉。


開關控制雖然具備價格便宜、使用簡單的優勢,但卻存在著準確性問題,控制器本身不具備消除感測器互相干擾情況的能力,導致控制精確度不足,再加上控制動作頻繁,容易造成機械設備損壞的情況。


2.多段控制

多段控制是將數個開/關控制整合在一起,由單一控制器來指揮多項設備,以裝設三組風扇與水牆的溫室來看,倘若控制器設定標準溫度為28℃,在多段控制情況下,控制器會配合感測器的量測結果,進行多個不同階段的控制動作,分別是先關閉天窗,依序打開第一、第二及第三組風扇,最後啟動水牆幫浦,一旦溫度回到標準值,控制器便會停止發佈控制命令。


此種做法的成本雖然較高,但停電後不必重新設定,且可解決因感測器互相干擾所造成的控制精確度問題,惟缺點有二,其一是控制對象單一化,除了溫度以外,相對溼度及光照量也可進行多段控制,但每種設備只能控制單一對象,無法解決三個參數間相互影響的問題;第二個缺點則是無法記錄氣候變化過程,由於控制設備本身沒有儲存裝置,使用者必需配合資料記錄器(Data Logger)的使用,才能留下氣候變化的紀錄。


3.微電腦控制

此型控制器以IC為主體,利用中央控制器的計算能力、及記憶體貯存資料的能力進行控制作業。


由於控制器本身具備運算能力,可以對於量測數據進行運算,例如:計算平均值、比較最大╱最小值、區別瞬間雜訊等,或者納入電子時鐘設計,提供定時控制之功能,微電腦控制兼融前述開關控制及多段控制的功能,且因為使用數位控制的緣故,其控制精準性又比前述兩者更高。


近年來,單晶片朝向功能強化、價格低廉的方向發展,這樣的趨勢促使微電腦控制器日漸普及,透過單晶片的運算與記憶功能,強化系統的整合能力,將不同項目的控制作業整合在單一系統中。


4.專用型環控電腦

專用型環控電腦的結構近似於個人電腦,具有螢幕、主機、專用鍵盤、中央運算器(CPU)、隨機記憶體等元件,但是並不等同於個人電腦。



圖1 : 環控電腦可電腦連線,配合各種商業化統計與資料處理軟體,以圖形化方式呈現溫室氣候的變化。(source: Climate Control)
圖1 : 環控電腦可電腦連線,配合各種商業化統計與資料處理軟體,以圖形化方式呈現溫室氣候的變化。(source: Climate Control)

由於控制系統在農業環境下使用,因此,環控電腦必需經過特殊設計,以強化硬體規格,使其能夠承受溫濕度的變化,以及瞬間的高壓電流,至於個人電腦多只出現於辦公室或家中,工作環境相當舒適且穩定,這種使用環境上的差異,造成環控電腦與個人電腦的特性截然不同。


由於環控電腦的功能和電腦一樣,具有運算、邏輯判斷及記憶的能力,因此,使用其作為控制器的好處有四點,其一、在處理溫室微氣候時,可以將溫度、相對濕度、日照量、風速等需求同時考慮;其二、可處理量測數據,例如:計算平均值、找出最大╱最小值;其三、可內藏電子時鐘自動顯示時間,做為定時控制與資料記錄;其四、可連結電話、手機等通訊設備,進行異常警告通知功能。


此外,除了溫室內部微氣候控制,也可連接灌溉控制、花期調節遮光控制等其他控制系統,讓控制功能更強大,在控制策略方面,除了執行傳統的多段控制,也可內建邏輯判斷程序加以控制各個設備,由於控制策略直接儲存於記憶體內,方便使用者進行前授式環控,也就是利用數學模式計算外界大氣環境變動對於內部微氣候的影響力,事先調整環控設備,使內部微氣候更穩定。



圖2 : 溫室自動化是由現場端控制器、遠端模組、感測器與環控設備構成。(source:Urbinati)
圖2 : 溫室自動化是由現場端控制器、遠端模組、感測器與環控設備構成。(source:Urbinati)

為了增加資料處理功能,環控電腦還可以與辨公室電腦連線,利用電腦的記憶空間,配合各種商業化統計與資料處理軟體,以圖形化方式呈現溫室氣候的變化。


5.整合型電腦控制系統

這是針對大規模生產的需求發展而成,在各溫室區仍舊設有環控系統,但另外開發一套專門進行溫室環控作業的中央控制系統,由中控系統統籌控制各區的環境變化,此類設備通常屬於模組化設計,透過輸出入(I/O)介面連結外界感測器及控制器,因此擴充性很強,倘若要新建一套溫室系統,只要擴充介面板即可。


就全球溫室產業的發展來看,目前以荷蘭及日本最為發達,環控設備不僅被應用來控制作物的生長環境,更是控制產量及品質的依據,反觀台灣,大部份溫室建築還停留在簡易遮雨棚的階段,真正具備環控能力的並不多見,因此,在探討環控設備的發展前,或許該先思考如何提升溫室建築架構的問題。


**刊頭圖(source: Van der Hoeven)


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