智能農業大棚綜合控制和保護系統可行性分析和設計

劉曉春 陳海龍 王宇威

（1.特變電工智慧能源有限公司，遼寧 沈陽 110144； 2.特變電工沈陽變壓器集團有限公司，遼寧 沈陽 110144）

1 前言

近幾年來，隨著農村產業結構調整，利用溫室大棚來種植水果蔬菜、養殖家禽已成為廣大農民朋友致富發家的新渠道。由于大部分大棚材料多采用木頭、竹子等加工后作為框架，外用塑料薄膜和棉被等蒙蓋，遇到明火將很快燃燒。一旦發生火災，不單單一個大棚出現問題，受風力等外部條件的影響，易出現牽連成片，多個大棚著火的局面，對農戶造成嚴重損失，影響生命和財產安全。

現代農業是在工業科學技術中發展起來的一種新的農業生產技術。現代農業生產技術從田間生產到精密滴管的應用。目前大棚農戶也面臨著近幾年發展后的產業升級和轉型，從原來簡單粗放的農作物生產到今天大規模、集約化、精準化、科技化發展。其中最具代表性的是智能農業大棚。

隨著科學技術的發展，智能農業已成為一種新興趨勢。智能農業是借助溫室及其配套設備設施來調控農作物生長環境條件的新興農業方式。現代大棚，所有環境因子的監測、控制、傳感和調節，都由計算機等進行綜合管理和控制，最終實行總體控制[1]。

智能農業大棚就是利用先進的傳感器技術、電力電子控制和保護技術以及物聯網技術等，將大棚相關設備集中、精準的控制，實現智慧農業的發展目的。隨著信息技術的日益成熟，互聯網承載著海量數據供給每個用戶使用，在日益強大的數據面前，如何通過分析，篩選出有價值的信息成為人們思考的重要方向[2]。但是如何將智能農業大棚順利地實施和推廣，安全是首要因素也是重中之重，所以大棚用電安全要全方位設計并貫穿于整個生產經營活動中，讓農戶用得安心、放心，最終創造更大的價值。

2 大棚發生火災的原因分析

經過去現場實際調研，大棚發生火災的主要原因包括以下幾個方面：

1.線路老化的原因。大棚溫濕度受農作物產品影響，經常處于濕度較大或者溫度較高等凝露潮濕環境，線纜長久暴露在該環境中，易產生腐蝕和老化，而目前使用的線纜從材質上并沒有有效地起到防腐蝕等保護作用，進而產生線路老化。

2.線路保護措施不到位的原因。農村大棚內部空氣開關選擇的額定電流比實際負載額定電流超很多，當發生過負荷等現象時不能夠進行有效保護。同時，線路線纜平方數及材質等也沒有按照額定功率去進行匹配，造成回路過負荷等現象發生時，不能起到有效的保護作用。

3.線路私自亂接以及雷電沖擊等其他原因。農村大棚內部需要用電時，私自接電，接電工藝和標準并不能夠符合低壓電氣的相關標準。雷電是空中對流云團發生的云天、云云、云地之間的放電現象，另外許多容量比較大的電氣設備的不斷使用產生的內部浪涌，也會對供電系統及用電設備產生影響，因此，防雷、防浪涌已經成為人們逐漸關注的焦點。所以，內部沒有浪涌保護等避雷保護功能，也容易引起大棚火災的發生。

4.農戶的安全意識和管理意識不到位，在資金投入方面存在不舍情緒，導致相關用電設施采用廉價或者安全性能較低的，進而從源頭上存在安全隱患。

同時，大棚內部有許多放風機、卷簾機及水泵等用電負載，這些負載回路較為分散，不利于集中控制，存在人力浪費現象。精益生產的根本目的是避免八大浪費，解決浪費，為經營創造更大的價值，雖然精益生產理論被廣泛應用于制造業，尤其是汽車行業，因為其起源于豐田汽車，但精益生產的理論也同樣適用于農業中的浪費，所以解決不同種類的浪費，也是農業不斷發展壯大需要攻關的方向。綜上所述，為了解決上述問題，亟須一個為用戶解決大棚用電安全的智能綜合控制和保護系統。

3 解決農戶用電安全的方案

對于可能的原因利用PDCA循環，將智能綜合控制和保護與農戶大棚的實際問題融合為一體，切實解決農戶的用電安全，逐步向智慧農業進行靠攏。

一方面，硬件設施方面，與政府、農戶和企業進行三方交流溝通，采用政企合作、資金扶持等途徑，解決農戶資金投入問題，切實為農戶著想，為農戶提供強有力的、可靠的硬件設施。特變電工有完整的質量體系文件，從開發設計的技術質量到原材料的選擇和入廠檢驗再到產品的生產過程控制，最后到產品的試驗和最終檢驗，保障了從產品的質量，可以為用戶提供高質量、放心可靠的產品和服務。

另一方面，政企管理和技術人員采用下鄉進戶的方式，將用電安全和智能農業等技術知識進行宣貫和培訓，提升各級管理人員和農戶的思想意識，將安全用電意識深入人心。

4 功能設計

智能農業控制系統分為無線傳感網絡、網關和主控中心三個部分，無線傳感網絡由PLC、數據采集節點和通訊模塊組成。數據采集點負責采集大棚內的溫濕度等信息，并將采集到的數據輸送到PLC。PLC一個方面與網關通過串口傳送大棚內各種設置參數、命令及數據；另一方面PLC輸出命令控制放風機、卷簾機及水泵等設備。

PLC技術在電氣工程及其自動化控制中有著明顯的優勢，而這些優勢歸因于可編程邏輯控制器的便利性好、適應性強、性能優良、方便維修和抗干擾性強等主要特點。PLC控制符合電氣工程及其自動化對設備的要求，能夠實現設備的自動控制，PLC的編程語言也相對簡單，如梯形圖，編程的工作量不大。同時，PLC的穩定性也較強，用戶可以根據自身的需求來選擇相應的控制系統。另外，PLC的抗干擾能力較強，可提高自動控制系統的可靠性。最后，PLC技術還具有自我檢測和自我診斷等能力，有利于故障的迅速排查和處理。

圖1 外觀三維設計

1.該系統所用殼體為2.0mm厚的冷軋鋼板，外表面噴漆，噴漆厚度不少于80μ，保障殼體的強度和耐腐蝕性。殼體整體采用一體成型工藝，減少不必要的焊接和拼接，由專業的激光切割、折彎等設備進行制成，IP等級至少滿足IP55。同時，該系統內部有加熱照明回路，有效解決系統內部溫濕度恒定，保障元器件的使用壽命和功能保持，同時自帶16A的插座，能夠滿足臨時用電，即插即用，減少線路的臨時搭建，避免安全隱患；另外箱內自帶照明燈，方便進行檢修和維護。

2.為了防止短路或過負荷的大電流對設備或導線造成的影響，要求用熔斷器及空氣斷路器等對設備或導線進行短路保護以及過負荷保護[3]。該系統內所有的空氣斷路器、線纜都是按照負載額定功率進行選型，有效可靠地保障了在發生過負荷、短路等情況下，空氣開關能夠迅速斷開回路，線纜能夠正常運行，不發生過熱、燒灼等現象，同時設置浪涌保護裝置，有效防止雷擊等大電流或者大電壓對設備的損害，進而保證了用電安全。

3.該系統內放風機、卷簾機及水泵都是采用單獨的供電回路，同時每個回路帶有電流互感器，監測回路中的電流大小，當電流超過設定電流時，在就地觸摸屏上進行顯示報警，同時遠傳至手機進行遠方報警，農戶直接確定出隱患位置并進行快速處理，避免了隱患的蔓延。為了方便安裝和測量，計劃選用開口式電流互感器。此類型電流互感器適用于農網改造項目，安裝比較方便，開口型也無須拆一次母線，也可帶電操作，不會影響農戶的正常使用，為農戶的改造項目節省了部分人財物等成本，提高經濟效益。

4.該系統內的低壓元器件使用國內正泰等知名品牌，PLC等智能組部件采用西門子或三菱等知名品牌，導軌使用鍍鋅導軌，線纜使用遼寧科瑞德等品牌的BVR多芯千伏B級阻燃銅線，從原材料上保障了整體系統的穩定性；同時，從裝配上，有特變電工專業電氣集成工程師按照工藝文件和標準進行組裝和配置，線纜走線層次分明，橫平豎直，滿足國家標準和美麗機電要求，美麗機電是三峽水電項目提出的標準，目的是進一步提升產品的質量，這樣將保證有效的散熱，避免內部過熱導致跳閘或者火災等安全事故的發生。

5.放風機前期由三個溫控分散控制，不利于集中控制和調度，本系統將進行集中控制，控制部分全部集中在箱內，只有數據采集傳感器在箱外，分布在大棚需要監測的位置。并且，該系統采用PLC控制，與大棚常用的電子溫控相比，穩定性較好。PLC輸入模塊接收到相關的溫濕度量，經過內部的程序邏輯，計算、判斷并輸出對應的開關量來控制相關的設備，同時輸出對應的模擬量，用于就地觸摸屏的顯示和遠方傳輸模塊的顯示及報警等。觸摸屏技術的產生，使人們對計算機的操作和使用更加方便，它是一種具有廣闊發展前景的人機交互式輸入技術[4]。觸摸檢測部件及控制器一起組成了觸摸屏，在顯示器屏幕前端布置觸摸檢測元件，作用為檢測觸摸的位置，并將檢測到的信息傳送給控制器。而觸摸屏控制器的主要作用是采集觸摸點檢測元件上接收到的信息，并分析轉換為觸點坐標，然后再傳送給CPU，同時它也能接收并執行CPU發送出來的命令[5]。

6.放風機等設備前期在操作時無法直接觀測設備的實際狀態，該系統設置指示燈，指示燈的燈芯可以直接進行更換，指示燈安裝在配電柜的內門，從配電柜外部可以透過觀察窗查看，在配電系統處就能觀測到設備的實際狀態，簡單明了。同時也方便整體線路和設備維修及檢查。

5 項目意義

智能農業大棚綜合控制和保護系統的創建，對于農戶自身提供了便利性和安全性。隨著經濟水平的發展，農民的經濟來源結構也逐漸發生改變，其中經營大棚的農戶比例越來越大，大棚的基礎設施價值為10余萬元，種植的產品由草莓、藍莓及各種果蔬等，一個大棚的整體價值不菲，一旦發生火災將導致整個大棚的財產損失或者連片大棚的火災損失，甚至會發生人身事故，后果不堪設想。使用智能大棚綜合控制和保護系統，有效遏制了火災等事故的發生，直接為農戶減少了損失。

智能農業大棚綜合控制和保護系統的創建，對于政府相關管理人員減少了安全風險和責任，利于統籌管控。現在安全的“三個必須”對各級管理人員提出了更高的要求，管行業必須管安全、管業務必須管安全、管生產經營必須管安全，使用智能農業大棚綜合控制和保護系統，減少并遏制了安全隱患的發生，對于政府管控有實際的意義。

6 結論

本文介紹了智能農業大棚綜合控制和保護系統，從項目的背景、解決方案和項目意義等方面簡潔地進行了闡述，上述可行性設計只是包含一部分基本功能，重點傾向于用電安全保護方面。后續可以根據用戶、使用環境和需求的不同，進行功能的增加和完善。比如光照、育種、種子生產、水和肥供應、農作物保護及消防噴淋及內外部交通運輸方式等方面。

隨著社會經濟的發展以及工業4.0的不斷深入，中國農業的發展方向也將與智能化和數字化等方向進行接軌，其中基本的用電安全等問題，值得管理者和用戶進行高度重視，提升全員意識和引入智能化的設備設施是充分且必要的。