植物工厂环境控制逻辑分析

·83·经验交流植物工厂环境控制逻辑分析付建超（河北大学，河北保定071000）【摘要】本文章对植物工厂国内外的的发展现状和植物工厂的特点进行了分析，对植物工厂控制系统和环境控制逻辑进行了详细解析，植物工厂里环境因子具有强耦合性和滞后性，需要采取合适的控制逻辑或算法来进行控制，为了解决这些问题，针对一个具有代表性的植物工厂提出了新的控制逻辑，比较好的解决了这些问题。为以后植物工厂的发展具有一定的启示作用。【关键词】植物工厂；控制系统；耦合一、前言当植物工厂一般是全封闭的，不见阳光的，但也是半封闭型的，比如阳光型植物工厂，本课题主要讨论全封闭型的集装箱式植物工厂。光源的供给主要是靠LED灯，其他的环境要素，例如温湿度、二氧化碳等都是主要靠环境调控设备来提供的。所以在植物工厂里作物生长不受外界环境因素的影响，作物周围的环境因子能够得到控制，而且是智能化控制，能够估算出大致的产量，和生产线比较相像，植物工厂里的作物整整齐齐，品质和颜色相差很少，并且产量很多。首先环境因子可以按需求进行控制，对每种环境因子的要求也是一定的，对二氧化碳的吸收也是可算的，所以最终对作物的收获也是可以预知的。二、植物工厂的特点集装箱型植物工厂全部由铁皮包裹，不与外界环境产生接触。图1所示为植物工厂外部图，集装箱上部的调控设备主要有压缩机组、加热系统和加湿系统等设备。整体结构主要分为两部分，分为植物工厂和缓冲间，缓冲间包括风淋室。图2为植物工厂内部图，此集装箱里有4层用来种植作物的架子。顶部的2套压缩机组主要起降低温度的作用。包括控制器在内的配电柜在缓冲区内，可通过配电柜上的触控屏随时设置适合植物生长的环境因子值，并且可以查看历史数据。图1 植物工厂外部图图2 植物工厂内部图                                三、控制系统分析（一）植物工厂的基本要求植物工厂控制系统完成植物工厂内部环境因子和采集环境调控设备的开关量的采集，通过采集到的数据进而控制环境调控设备来控制环境因子。因为植物工厂可以设置营造适合作物生长的各个阶段的环境参数，所以缩短了植物的生长周期，植物工厂需要根据作物不同的生长阶段去设置参数。植物工厂控制系统根据采集到的数据结合设计的环境调控逻辑来控制环境因子，而且可以通过触摸屏比较方便地进行操作。（二）控制系统结构分析植物工厂控制系统中环境因子采集模块有温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、光照强度传感器。。控制器根据传感器采集到的数据进行分析决策，发送相应的控制命令，控制输出继电器的打开和闭合,进而控制环境调控设备的工作，使植物工厂内部的环境因子保持在适宜作物生长的合理范围。系统可以通过触控屏进行环境因子数据的显示，进行环境参数的设定。四、环境控制逻辑分析（一）环境控制分析植物工厂的环境是一个非常复杂的系统，有了前面的基础，现在针对植物工厂内环境因子的特点，设计具体的环境因子控制逻辑或算法，本课题研究的集装箱型植物工厂安装1套空调机组，其中每套空调机组包含2套压缩机组，2套加热系统，1套加湿系统，1套室内循环风机，2套空调室外风机，这是植物工厂内主要的环境因子调控设备。环境因子控制采用分档控制，温湿度设定上下限控制，而二氧化碳浓度是设定一个阈值，并且都设有回差。在软件中T代表当前测量的温度，H代表当前测量的湿度，Tsmin、Tsmax分别为设定温度的最小值和最小值，△T为当前温度和设定温度的差值。Hsmin、Hsmax分别为设定湿度的最小值和最小值，△H为当前湿度和设定湿度的差值。就温度控制而言，选取4℃为关键判定值，当△T与Tsmin或Tsmax相差4℃之内时，开启一套加热系统或一套压缩机组，当△T与Tsmin或Tsmax相差超过4℃，开启两套加热系统或两套压缩机组。在除湿的时候，选取5%为关键判定值，当△H与Hsmax相差5%之内时，开启一套压缩机组，当△T与Hsmax相差超过5%，开启两套压缩机组。在触摸屏的控制参数界面设置了一个ramp时间，设为1分钟。这个参数主要在温湿度控制的时候用到，是为了更好地解决植物工厂中温度热惯性大的问题。就温度控制来说，以现在是高温情况举例，首先压缩机组的开启数量是根据△T（△T=T-Tsmax）是否超过4℃进行判断，若开始△T小于或等于4℃，开启一个压缩机组，此时每隔1分钟测试温度的变化率，如果得出在ramp时间内内达到Tsmax，就关闭降温设备，如果经过计算在ramp时间内达到不了Tsmax，则加开一级压·84·丝路视野缩机组。在湿度低情况控制的时候，每隔1分钟计算湿度的变化率，判定是否能在ramp时间内达到Hsmin，如果能达到，则关闭加湿器，若不能在ramp时间内达到，则继续加湿。在升温和除湿的时候和以上情况类似。在设计控制逻辑的时候还要考虑到植物工厂内部LED灯的开启情况和是否有植物生长的情况。在植物的生长过程中，不断地经过叶片的蒸腾作用像空气中输送水蒸气，研究表明，在作物的生长过程中只吸收很小一部分的水分，绝大多数的水分通过蒸腾作用而蒸发掉，所以在湿度控制时要把植物的有无考虑在内。虽然温度和湿度控制设定上下限制值，并且加上回差加以控制，但是在实际设计控制逻辑时，并不是如此简单，比如在湿度低的时候，开启加湿操作，不能在当前湿度达到Hsmin就停止加湿，如果在没有植物的情况下，设定在湿度达到Hsmin+（Hsmax-Hsmin）×80%时候才停止加湿，这样保证在导致低湿环境的条件下，湿度可以在适宜范围内保持，并且这样不会造成加湿器的频繁开启。温度判定时与湿度情况类似。在除湿的时候，控制逻辑比较特殊，考虑到与温度的耦合问题，采用先将温度升到Tsmax后，再开启降温除湿，具体操作是开启压缩机和室外风机，如果经过先升温再降温除湿后，湿度还不能达到控制要求，这时候就要增加温度的上下限值，一次增加1℃，然后再升温和降温除湿，可循环两次，温度范围最大到（Hsmax-2，Hsmin+2），最后在进行温度的控制。控制虽然分成几个档，但当在设定时间内未能达到目标值则需要增加1步调控措施，前边已有说明，与Ramp时间（斜坡时间）相关，计算温度、湿度变化速率。软件具备手动和自动控制，手动辅助测试，自动辅助测试，同时受上下限的限制；自动完全受控控制逻辑。为了方便理解与编写软件，在控制逻辑列表中没写入回差，但是在编程时候把回差写进代码了。（二）具体环境控制逻辑加湿操作逻辑，首先设当前湿度（Hn）与设置湿度（Hs）差△H，首先是预判阶段，当△H0%（△H=Hn-Hsmin），空调操作是加湿、内循环，计算这段时间内湿度变化率，判断是否能在ramp时间内到达Hsmin。如果△H≥0%（△T=Hn-Hsmin），就是当前湿度属于适宜阶段，需要减少设备，空调操作是加湿、内循环，当满足Hn≥Hsmin+（Hsmax-Hsmin）×80%情况时，加湿停止。如果在栽培作物周期内则关闭加湿设备。当Hn=Hsmax，关闭加湿设备。加热操作逻辑，首先设当前温度（Tn）与设置温度（Ts）差△T（△T=Tn-Tsmin），加热操作是温度低的时候，首先进入预判断，判断进入0℃≥△T-4℃时候，空调操作是加热1（H1），内循环，若进入-4℃≥△T时候，空调操作是加热1（H1）,加热2（H2），内循环。之后进入整定阶段，温度变化率是否满足Ramp时间需求（到达Tsmin的时间需要计算，每隔1-2分钟判断，ramp判断时间可设），如不满足ramp时间达到设定值则依次增加1个加热设备，以及上面对应的内循环设备，直至2个设备都打开为止，之后进入微调阶段，进入△T≥0℃范围，当前温度属于适宜阶段，需要减少加热设备，此时如果LED补光打开则关闭所有加热设备，保留内循环，如果未开补光则只保留加热设备1开启，当满足Tn≥Tsmin+（Tsmax-Tsmin）×80%情况时，加热停止。结束阶段，当温度加热在适宜范围内，而湿度降低到Hsmin以下，关闭所有加热设备，将进入加湿过程。降温除湿操作逻辑，此时△H=Hn-Hsmax，进入这个阶段后，首先判断温湿度的状态范围，若T＜Tsmin和HsmaxHn，空调操作是加热1（H1）,加热2（H2），内循环。接下来如果进入T=Tsmax和Hsmax≤Hn，停止加热，进入降温除湿阶段。如果之后进入Tsmin≤T≤Tsmax和Hsmin≤Hn≤Hsmax，停止加热。进入降温除湿，若为4%≥△H0%和Tsmin≤T≤Tsmax情况，除湿1和内循环开，之后计算这段时间内湿度变化率，判断是否能在ramp时间内到达Hsmax，若不能到达，则加开降温除湿2，若能到达Hsmax，则继续当前操作，一直将湿度控制在Hsmin≤HnHsmin+（Hsmax-Hsmin）×20%时，关闭降温除湿设备。若为△H4%（△H=Hn-Hsmax）和Tsmin≤T≤Tsmax情况，除湿1,除湿2内循环开启，将湿度控制在Hsmin≤HnHsmin+（Hsmax-Hsmin）×20%时，关闭降温除湿设备。之后若△HHsmax和T=Tsmin，再次进入快速加温，然后降温除湿操作。在每次温度加到Tsmax时查看相对湿度，如果第一次循环未能将相对湿度降低，则将增加一个降温除湿设备，如果全部打开设备亦不能降低湿度，则将温度上下限的值改为Tsmin-1、Tsmax+1，再次进行循环，如果未能除湿，改为Tsmin-2、Tsmax+2，再次进行循环进行加温和降温除湿。T＜Tsmin，HHsmin，低温低湿时候：温度低，湿度低，先加湿至Hsmax，后加温。该情况在植物工厂有植物和LED补光时候不常见，根据加湿操作逻辑开启加湿过程，当处于湿度微调阶段（△H≥0%），则开启加热过程(按照加热操作逻辑)，系统将进入同时加热和增湿的阶段。T＜Tsmin，Hsmin≤H≤Hsmax：温度低，湿度合适，开启加热过程，先按加热操作逻辑进行操作，除非出现相对湿度降低到Hsmin情况，再进行加湿操作。温度低在植物工厂生产中不常见，冬天或一些较冷天气时候，当LED灯打开时，可以很快将环境温度升高，需要打开内循环，1分钟后根据采集的温度预判断Ramp时间内能否到达适宜温度，如不能则按照加热操作进行加温，如果LED等关闭，则直接按照加热操作逻辑操作加温。五、结语本文章对植物工厂的发展现状和特点作了介绍，并详细对温湿度环境因子进行了分析，具体对温湿度影响的因素进行了分析，之后对内循环风机的开启时机进行了讨论，对ramp时间的设置进行了详细解释，然后控制逻辑进行了分析，结合本植物工厂的特有条件，分析了不同情况下如何控制温湿度。参考文献[1]艾海波.微型植物工厂智能控制系统[J].农业机械学报,2013,44(S2):198~204.[2]杨其长,周式冲,陈磊.我国设施农业的发展分析[J].农业计划研究,2006(12):42~43.[3]杨其长,张成波.植物工厂（一）植物工厂定义与分类[J].农业工程技术,2005(05):36~37.作者简介：付建超（1990—），男，河北保定人，硕士，研究方向：嵌入式开发。