LabVIEW於人工微气候环境控制之应用

LabVIEW於人工微氣候環境控制之應用-以多階段溫濕度環境嫁接苗癒合室控制系統為例游哲銘、周立強學生、講師國立宜蘭技術學院生物機電工程系應用領域：學術應用、研究和開發、其它（生物產業）。使用的産品：LabVIEW6i(系所版)、PCI-6025E、PCI-6503、SC-2051與ER8裝置。量測/測試所面臨之問題：限於初學者不足一年經驗，在接觸到此套軟硬體時，加上資源經費有限情況下，在AI的部分碰到了一個問題：經DAQ卡所讀到的測量值在MAX中的TESTPANEL顯示時跳動很大。因此無法讀取系統所需的監控值作為依據，使得無法進行實地測試。應用方案：以LabVIEW為開發環境，配合PCI-6025E及PCI-6503讀取癒合室內外的溫濕度及感測訊號值，依據各時段設定值及布林運算進行判斷輸出致動器設備，完成六時段的溫濕度環境控制。文章摘要本研究目的在於利用多階段時變的環控技術，配合LabVIEW的軟硬體及週邊產品，以儀控方式達成人工微氣候環境室之控制。控制策略是採用空調原理配合溫濕度線圖及布林代數演算法推導出控制系統的邏輯方程式，再轉換成LabVIEW的圖控語言，針對溫度與相對濕度作邏輯與追值的控制。本文效益在於利用人工微氣候環境室進行高經濟作物生理週期的改變，縮短產期、調節生育，增加它的經濟價值。1.前言現在是生物科技的時代，許多的高經濟作物被檢驗出對人體有益，如具有抗癌、養生等效果，因此針對其生理週期進行研究以增加它的經濟價值。然而應用環境控制來生產高經濟作物，藉以獲得穩定且精緻化的例子不勝枚舉，如溫室栽培、蔬果育苗、催花、嫁接後種苗的癒合等。本研究即以此為方向，利用環控技術中的多階段時變的目標值具體化此一構想，採用LabVIEW圖控式語言作為儀控平台的介面，達成多階段人工微氣候環境室之控制系統研製。2.應用背景說明如圖1所示，為本研究所配合使用的標的物尺寸與設備配置圖，其實體如圖2所示。內部可放置4台栽培搬運台車，每個台車有5層，每層都有植物生長燈，可達到立體化栽培。35218021018051772030504040門儲水箱濾水器濾水器換氣右側窗冷氣機圖1、多階段植物生長人工環境室尺寸與配置圖圖2、多階段植物生長人工環境室人工環控室採冷藏庫板組合而成，因此室內外的絕熱效果甚佳。裝置內的機械設備如人工照明等均會產生相當熱源，在冬季時一般均由植物生長燈作為保溫設備，只有寒流來襲時才切換成加熱器（規格為2000瓦）。由於人工環境室為一封閉系統，為考慮植物的呼吸作用，必須以換氣方式調節室內的二氧化碳濃度。另一方面在春秋及夏季夜晚時可採外氣調節方式控制室內溫濕度，以減少耗電量。在暑熱時，可採用冷氣機組進行強制降溫。在加濕方面以超音波震盪水分的方式調節室內相對濕度。室內採用風路循環方式，使人工環境室達到均一的溫濕度值，如圖3所示。給水過濾器換氣側窗(扇)儲水箱加濕器(水槽)內循環扇冷氣冷氣口鐵片網風路加熱器圖3、多階段植物生長人工環境室風路示意圖3.材料與方法3-1.感測器、致動器與DAQ卡與系統硬體架構本研究是針對溫濕度環境作多階段的複合控制，因此著重於溫度與濕度的感測，至於光度與二氧化碳濃度是採使用者自行設定。溫度感測器採用Pt-100，濕度感測器為一電子式（HS-8001）。致動器設備的感測與控制，如位置等，是配合DAQ卡PCI-6025E與PCI-6503使用，其硬體構成如圖4所示。輸入控制輸出電腦LabVIEW6025EAI致動器sensor訊號輸入溫濕度訊號6025EDIO自製繼電器盤6503DIOER8/16裝置SSR圖4、系統硬體架構3-2.系統之控制策略與方法本研究的控制標的是以溫濕度為感測為主，達成植物生長的多階段變化為目標。植物生長人工環境室內可依照各時段（目前以一天24小時，每4小時一組，分為六個時段）作不同的設定以控制各時段的溫度、濕度、光照時間及換氣量等。控制策略如圖5所示，採用空調原理配合濕空氣線圖及布林代數演算法推導出控制系統的邏輯方程式，針對溫度與相對濕度作邏輯與追值的控制，其中溫濕度控制係採用差動間隙方式以避免設備動作頻繁縮短使用壽命。最後，本研究因為LabVIEW有整套的系統及配合的硬體設備，使得使用者不論是軟、硬體方面均相當便利且快速有效，間接提昇工作效率、降低成本。故採用LabVIEW作為控制技術的平台，轉譯上述之邏輯方程式，以達成多階段的環境栽培室設定及設備操控結果顯示。內溫下限X內濕下限加濕X內溫上限內溫下限換氣側窗內濕上限內濕下限外溫上限外溫下限外濕上限外濕下限X內溫上限內濕下限X冷氣內溫下限加熱圖5、邏輯方程式而控制策略的流程圖如圖6所示，可分成手、自動控制兩部份，其各自獨立且互鎖。手動控制可直接驅動各設備動作，不受條件限制。自動部份中六階段各有16項資料設定（包含內外溫濕度上下限、差動間隙值）與感測器量測值作比較輸出。並且還有光照和定時換氣設定動作，藉以控制人工環境室的溫濕度、光與二氧化碳濃度。定時換氣時間設定(每小時10分鐘)光照時間設定(6:00~16:00)冷氣內風扇延遲停止設定(3分鐘)冷氣啟動冷氣接點啟動冷氣內風扇冷氣內風扇延遲所設定時間後停止是否現在=設定時間生長燈開關接點開啟生長燈關閉生長燈是否等於設定時間間隔計時器開啟換氣門關閉換氣門是否等於設定時間長度計時器是否室內溫度上限下緣設定(27℃~26℃)室內濕度上限設定(90%~85%)室內溫度下限設定(24℃~23℃)室內濕度下限設定(80%~70%)室外溫度上限設定(室內溫度-2℃)室外溫度下限設定(室內溫度-2℃)室外濕度上限設定(室內濕度+5%)室外濕度下限設定(室內濕度+5%)#1時段設定(1~4)#2時段設定(5~8)#3時段設定(9~12)#5時段設定(17~20)#4時段設定(13~16)#6時段設定(21~24)冷氣機作動進行降溫除濕動作現在溫度(27-2)℃現在溫度(23-2)℃室外溫度感測器現在濕度(90+5)%現在濕度(70+5)%室外濕度感測器現在溫度27℃現在溫度23℃室內溫度感測器現在濕度90%現在濕度70%室內濕度感測器加熱器作動進行加溫動作是是是是是否否否加濕器作動進行加濕動作是否是無動作否否換氣門作動進行換氣動作ANDORANDORANDOR是AND否否啟動六時段設定自動控制自動手動各設備獨立動作圖6、控制系統動作流程圖3-3.系統軟體架構本研究根據控制策略與方法進而設計LabVIEW的圖形介面程式組成圖（圖7）與操作畫面樹狀圖（圖8）。由程式組成圖中可知，主程式分別由26個內建與14個自製的子VI所組成，使用此功能可清楚知道使用者所設計的程式架構組成情形，以方便使用者後續的設計與修改。而操作畫面樹狀圖主要分成輸入、控制與輸出3個區塊畫面。其中輸入區塊畫面下有9個選單式切換頁面，需要時只要按下其頁面按鈕即可將之呼叫出來，使得在操作上非常容易，而整個面板的設計也更為簡單明瞭。圖7、LabVIEW程式組成圖★主畫面★歷線圖★基本設定時段溫濕度設定即時顯示★輸入部分★控制部分★輸出部分電源手自動切換內循環扇開關夏冬切換目前時間顯示冷氣動作燈&按鈕加熱動作燈&按鈕換氣側窗動作燈&按鈕生長燈動作燈&按鈕換氣側窗之極限開關接點無水燈冷氣扇冷氣扇延遲倒數計時顯示六時段時設定冷氣內外風扇延遲設定換氣定時設定生長燈定時設定圖8、LabVIEW設計樹狀圖3-4.實例說明設計完成後的LabVIEW操控之複製畫面圖如圖9至16所示。啟動程式後進入主畫面（圖9），可分成輸入、控制與輸出三個部分。於輸入的部分可細分為即時顯示（圖10）、歷線圖（圖11）、基本設定（圖12）與6個時段溫濕度設定（圖13）畫面。在即時顯示畫面可看到線上的室內外溫濕度值。歷線圖顯示畫面可瀏覽自電源啟動後的室內外溫濕度變化曲線。基本設定畫面是包含了各時段的區域值，其中涵蓋定時生長燈與定時換氣設定，同時冷氣扇的延遲設定亦包括在內。而於定時生長燈的數值設定內，若啟動的時（分）大於結束的時（分），則會出現一個錯誤的對話框（圖14），此時將之改正即可。於控制部分包含電源開關、手自動模式選擇、內循環扇開關以及夏、冬季模式切換。於輸出部分除了可顯示目前時間外，並包括設備作動、訊號有無與冷氣扇延遲倒數計時的顯示。手動控制的示意圖如圖15所示，以啟動加熱器為例。當水箱或水槽無水時，無水燈會動作，所有設備即時停止，等待補水完成後，系統會重新啟動。如圖16所示。輸入輸出控制圖9、主畫面圖10、即時顯示畫面圖11、歷線圖顯示畫面圖12、基本設定畫面圖13、六時段環境設定畫面圖14、定時生長燈數值輸入錯誤畫面圖15、手動+加熱動作畫面圖16、無水狀況畫面LabVIEW圖控程式的設計，本研究列舉數個重要的子VI；6025E介面卡之AI與DIO、6503介面卡之DO、即時時間輸出、時段時間比較、溫濕度上下限比較、冷氣風扇延遲、定時生長燈與換氣。6025E介面卡之AI為內外溫濕度感測訊號輸入，其圖形化程式複製畫面圖如圖17所示。圖17、6025E介面卡之AI圖形化程式其DI部分如圖18所示，使用ReadfromDigitalLine.vi。而DO則是利用WritetoDigitalLine.vi，如圖複製畫面圖19所示。圖18、6025E介面卡之DI圖形化程式圖19、6025E介面卡之DO圖形化程式在6503介面卡之DO接有8個輸出，其圖形化程式複製畫面圖如圖20所示。圖20、6503介面卡之DO圖形化程式即時時間輸出的圖形化程式複製畫面圖如圖21所示。圖21、即時時間輸出之圖形化程式時段時間比較的圖形化程式複製畫面圖如圖22所示，其功能在於比較設定現在時間、時段的起始與結束時間這三者間的關係。又由於LabVIEW其時間的功能在小時的規定是0~23，故時段在跨越23至0的時候，會有問題，則以下述程式解決之。圖22、時段時間比較之圖形化程式溫濕度上下限比較的圖形化程式複製畫面圖如圖23所示，可分為上、下限兩部分。又可細分成在與現在值的比較可分成大於等於前緣設定值、介於前緣與後緣設定值及小於等於後緣設定值三個部分。圖23、溫濕度上下限比較圖形化程式冷氣風扇延遲的圖形化程式複製畫面圖如圖24所示，當冷氣啟動時，風扇同時運轉。在冷氣停止後，風扇會繼續運轉且Case裡的計數開始加1直到與風扇延遲設定值（分鐘）相等為止，風扇停止運轉。圖24、冷氣風扇延遲的圖形化程式定時生長燈的圖形化程式複製畫面圖如圖25所示，可分成結束時（Eh）小於、等於起始時（Sh）與InRangeandCoerce的上、下限三個狀況。圖25、定時生長燈之圖形化程式定時換氣的圖形化程式複製畫面圖如圖26所示。圖26、定時換氣之圖形化程式3-5.控制裝置模擬與規劃製作本研究依據前節實例說明所述，先設定好隨機溫濕度及現在時間值以模擬實際狀況。接著再設定各時段的時間區域、溫濕度上下限與基本設定，藉以讓系統運轉操作模擬，測試所作出的反應控制是否為使用者所要求的。模擬結果顯示均可達成使用者的要求。因此進一步使用DAQ卡接收外部感測器訊號作為量測值的輸入以及控制輸出給ER8等裝置。再利用固態繼電器（SSR）連線至外部致動器與控制箱。而圖27為本研究規劃使用的整體設備圖。其中的修改後輸出至致動器之配線圖如圖28所示，控制箱內部實體配線圖如圖29所示。接著通電測試，啟動LabVIEW程式進入到各畫面（如圖9〜16所示），畫面上各項按鈕可檢視指示燈及數值顯示等元件的作動情形，藉此觀察系統運作是否正常。經反覆測試，不論是手動或自動操作，各項設備皆可正常動作，證明測試成功。ER8裝置與自製繼電器盤溫度轉換器電路卡(PC內)與其纜線SSR電路圖27、整體設備圖－電腦、6503介面卡、6025E介面卡與SSR輸出裝置+-SSR34+-SSR34+-SSR34+-SSR34+-SSR34+-SSR34+-SSR34+-SSR34+-SSR34+-SSR34符號說明R3：換氣側窗扇之電驛R1：冷氣之電驛(冷氣壓縮機用)R7&R7'：換氣側窗之電驛MC1：加熱器之電電磁接觸器R2：加濕器之電