هوشمندسازی ‌گلخانه ‌با PLC و SCADA

مقدمه

کشاورزان از شرایط دقیق آب و هوا اطلاع ندارند، بنابراین فعالیت انجام شده توسط آنها دقیق نیست. آن‌ها مطابق مشاهدات و تجربه، فعالیت خود را انجام می‌دهند، بنابراین هر بار نتیجه‌های مختلفی گرفته می‌شود.

برای نتیجه‌گیری دقیق در مورد فعالیت‌هایی که باید در گلخانه‌ها توسط کشاورزان در شرایط محیطی مختلف انجام شود، سیستم هوشمند استفاده می‌شود.

با استفاده از اتوماسیون گلخانه می‌توان بهره‌وری را افزایش داد. این سیستم مبتنی بر نظارت و کنترل پارامترهایی است که نقش مهمی در گلخانه دارد. هنگامی‌که سنسورها به یک آستانه خاص رسیدند، سیگنالی را به میکرو پردازنده می‌فرستد، ریزپردازنده آن سیگنال را پردازش می‌کند و اقدامات مناسب را انجام می‌دهد.

برای رشد مناسب و سریع گیاهان مختلف پارامترهایی برای آنها مهم است. رشد گیاه به این پارامترها مانند رطوبت خاک، رطوبت محیط، دما و غیره بستگی دارد. این پارامترها در گلخانه به‌صورت دستی کنترل می‌شوند تا محیط مناسبی برای رشد گیاه فراهم شود. اتوماسیون گلخانه به‌گونه‌ای طراحی شده است که به طور خودکار پارامترهای مختلفی از قبیل دما، رطوبت و غیره را کنترل می‌کند. این تکنیک یکی از دستاوردهای سیستم هوشمند کشاورزی است.

اگر دما، فشار، pH خاک و غیره تغییر کند، سیستم هوشمند برای حفظ یا تنظیم آن مقدار به روش مناسب کمک می‌کند. این سیستم باعث کاهش نیروی کار بر روی نظارت پارامترها می‌شود، و فرایند خطاهای رخ‌داده توسط کنترل دستی را کاهش می‌دهد.

گلخانه‌ها دارای کاربردهای متنوعی هستند که اکثر آنها رشد خارج از فصل، سبزیجات – تولید گل و گیاهان – تطبیق محیط کاشت برای گیاه موردنظر – تولید میوه برای بازار صادرات و اصلاح گونه‌های گیاهی است. این سازه‌ها از سایزهای کوچک تا محیط‌های بزرگ صنعتی متغیر است. گلخانه مینیاتوری به‌عنوان یک گلخانه سرد شناخته می‌شود. فضای داخلی گلخانه در معرض نور خورشید از دمای محیط خارجی به میزان قابل‌توجهی گرم‌تر است و از گیاهان کشت شده در هوای سرد محافظت می‌کند. بسیاری از گلخانه‌ها یا گلخانه‌های شیشه‌ای تجاری امکانات تولید فناوری پیشرفته برای سبزیجات یا گل‌ها دارند.

گلخانه‌های شیشه‌ای پر از تجهیزات از جمله تأسیسات غربالگری، گرمایش، سرمایش، روشنایی هستند و ممکن است توسط یک کامپیوتر کنترل شود تا شرایط را برای رشد گیاه بهینه کند. سه پارامتر محیطی توسط حسگرها حساس به دما، رطوبت و نور تشخیص داده می‌شوند و به PLC (Programmable Logic Controller) که اطلاعات را در پایگاه داده ذخیره می‌کنند، منتقل می‌شوند و در رایانه شخصی نمایش داده می‌شوند.

 چکیده

اتوماسیون گلخانه‌ای با استفاده از PLC & SCADA را می‌توان انقلابی در کشاورزی عصر حاضر دانست. معرفی این سیستم می‌تواند به افزایش سطح زیر کشت در یک محیط کنترل شده کمک کند. محیط گلخانه که برای رشد گیاهان در شرایط آب‌وهوایی کنترل شده برای تولید کارآمد استفاده می‌شود، بخش مهمی از بخش‌های کشاورزی و باغداری را تشکیل می‌دهد.

شرایط مناسب محیطی برای رشد بهینه گیاه، بهبود عملکرد محصول و استفاده کارآمد از آب و سایر منابع، ضروری است.

اتوماسیون فرایند دستیابی به داده‌ها از پارامترهای مختلفی که بر رشد گیاه حاکم است، امکان جمع‌آوری اطلاعات با نیاز به نیروی کار کمتر را فراهم می‌آورد.

سیستم‌های مدیریت عناصر موجود، بسیار پرهزینه هستند و نگهداری آنها دشوار است. این پروژه با استفاده از PLC طراحی شده است که در آن دما، رطوبت و شرایط روشنایی تجزیه‌وتحلیل می‌شود.

عملکرد محیطی گلخانه

توضیحات داده شده در بیشتر منابع، درمورد دمای گلخانه این است که پرتوهای خورشیدی (قسمت قابل رویت و مجاور دامنه‌های مادون‌قرمز و طیف ماوراء بنفش) با برخورد به سقف گلخانه از آن عبور کرده و توسط زمین منعکس و برگشت داده می‌شود و طول موج‌های بلند در داخل گلخانه مانده و جنس شیشه و سایر مواد مورداستفاده برای دیوارهای گلخانه‌ای تابش مادون‌قرمز را منتقل نمی‌کنند، بنابراین مادون‌قرمز نمی‌تواند با انتقال اشعه عبور کند. ازآنجاکه فضای گلخانه برای جابه‌جایی هوا باز نیست، گرما نیز از طریق همرفت نمی‌تواند خارج شود، بنابراین دمای داخل گلخانه افزایش می‌یابد. این به “اثر گلخانه‌ای” معروف است.

اثر گلخانه‌ای، به دلیل نبود همرفتی هوا و وجود نور مادون‌قرمز موجود در محیط باعث تشدید “گازهای گلخانه‌ای” ، از جمله دی‌اکسیدکربن و متان می‌شود که در ادامه باعث افزایش فتوسنتز گیاهان در گلخانه‌ها می‌شود.

با مطالعات انجام شده خنک‌کردن گلخانه ممکن است پیامدهای اقتصادی داشته باشد. تجزیه‌وتحلیل مسائل مربوط به پرتوهای مادون‌قرمز در گلخانه با صفحات دارای ضریب بازتاب زیاد می‌توان نتیجه گرفت که نصب چنین صفحه‌هایی میزان گرما را حدود ۸٪ کاهش می‌دهد و کاربرد رنگ‌ها در سطوح شفاف برای پوشش سقف گلخانه استفاده می‌شود.

شیشه‌های کم بازتابنده کامپوزیت، یا شیشه ساده با روکش فیلتر اشعه مادون‌قرمز باعث صرفه‌جویی نیز می‌شوند. در گلخانه‌های ایران که از سقف با روکش پلاستیکی در اکثر مناطق استفاده می‌کنند با توجه گرم‌شدن هوا از روکش سبز تیره (شید) استفاده می‌کنند.

هوشمندسازی با PLC

این سیستم دما، رطوبت و شدت نور را کنترل می‌کند. ورودی شامل سنسور و فرستنده است و خروجی شامل پمپ‌های آبیاری و شیر برقی و موتورهایی جهت بالابردن پنجره‌ها و فن‌های دمنده است. پروژه کلی کنترل توسط PLC انجام می‌شود.

منبع تغذیه از خطوط تغذیه (۲۲۰ ولت AC) گرفته می‌شود و با استفاده از SMPS یا مبدل به ۲۴ ولت DC برای PLC تبدیل می‌شود.

HT7S11 سنسور دما و همچنین سنسور رطوبت و فرستنده به کنترلر است. کنترل‌کننده‌های منطقی قابل‌برنامه‌ریزی (PLC) به بخشی جدایی‌ناپذیر از محیط صنعتی تبدیل شده‌اند.

به‌عنوان یک تکنسین درگیر فرآیندهای کنترل شده توسط PLC ، درک ویژگی‌های اساسی و قابلیت‌های آنها مهم است. یک کنترلر منطقی قابل‌برنامه‌ریزی (PLC) یک کامپیوتر دیجیتالی است که برای اتوماسیون فرآیندهای الکترومکانیکی مانند کنترل ماشین‌آلات روی خطوط مونتاژ کارخانه، سواری تفریحی یا وسایل روشنایی استفاده می‌شود.

PLCها در بسیاری از صنایع و ماشین‌آلات مورداستفاده قرار می‌گیرند. برخلاف رایانه‌های عمومی، PLC برای ورودی‌های مختلف و تنظیمات خروجی، دامنه افزایش دما، ایمنی در برابر سروصدای الکتریکی و مقاومت در برابر لرزش و ضربه طراحی شده‌اند.

در PLC برنامه‌های اجرایی برای کنترل عملکرد دستگاه معمولاً در حافظه و با پشتیبانی باتری یا غیر ولتاژ ذخیره در حافظه می‌شوند. به‌عنوان‌مثال برنامه زمانی دریافت اطلاعات مهم است زیرا نتایج خروجی باید در پاسخ به شرایط ورودی در یک‌زمان محدود تولید شود، در غیر این صورت عملیات نتیجه نامطلوب خواهد داد.

کنترل‌کننده منطق قابل‌برنامه‌ریزی (PLC)

تمام PLCها دارای مؤلفه‌های اساسی یکسان هستند. این مؤلفه‌ها با هم کار می‌کنند تا اطلاعات را در این زمینه به PLC وارد کنیم و آن اطلاعات را ارزیابی کرده و اطلاعات را به قسمت‌های مختلف ارسال کنیم. بدون هیچ‌یک از این مؤلفه‌های اصلی، PLC از عملکرد صحیح خودداری می‌کند. اجزای اصلی شامل منبع تغذیه، واحد پردازش مرکزی (CPU) یا پردازنده، ماژول‌های پردازنده، ماژول‌های ورودی و خروجی (I / O) و وسیله جانبی است.

نحوه عملکرد سیستم

نوع ماژول‌های ورودی مورداستفاده توسط یک PLC به نوع دستگاه ورودی بستگی دارد. به‌عنوان‌مثال، ماژول ورودی‌های دیجیتال ۰ یا ۱ هستند، درحالی‌که ماژول ورودی آنالوگ به سیگنال‌های آنالوگ پاسخ می‌دهند. در این حالت، سیگنال‌های آنالوگ شرایط دستگاه یا فرایند را به‌عنوان طیف وسیعی از ولتاژ یا مقادیر جریان نشان می‌دهند.

مدار ورودی PLC سیگنال‌ها را به سیگنال‌های منطقی تبدیل می‌کند که CPU می‌تواند از آنها استفاده کند. پردازنده با اجرای یک برنامه ذخیره شده وضعیت ورودی‌ها، خروجی‌ها و متغیرهای دیگر را ارزیابی می‌کند. سپس برای به‌روزرسانی وضعیت خروجی سیگنال‌هایی را ارسال می‌کند. ماژول‌های خروجی سیگنال‌های کنترلی را از CPU دریافت و به مقادیر دیجیتال یا آنالوگ تبدیل می‌کنند که می‌توانند برای کنترل دستگاه‌های مختلف خروجی استفاده شوند. دستگاه برنامه‌نویسی برای واردکردن یا تغییر برنامه PLC یا برای نظارت یا تغییر مقادیر ذخیره شده استفاده می‌شود. پس از ورود، برنامه و متغیرهای مرتبط در CPU ذخیره می‌شوند. علاوه بر این عناصر اساسی، یک سیستم PLC ممکن است یک دستگاه رابط اپراتور را نیز برای ساده‌تر کردن نظارت بر دستگاه یا فرایند در اختیار داشته باشد.

سنسور

سنسورها در اصل فرستنده جریان است که ورودی دما و رطوبت نسبی را به دو خروجی جریان ۴ الی ۲۰ میلی‌آمپر جداگانه انتقال می‌دهد. ورودی رطوبت نسبی معمولاً از ۰ تا ۱۰۰٪ RH است. دما به طور معمول از ۰ تا ۵۰ درجه سانتی‌گراد است. (دامنه‌های مختلف نیز موجود است که با مراجعه به کاتالوگ سنسور موردنیاز انتخاب شود).

فن دمنده

فن‌ها وسیله‌ای هستند جهت جابه‌جایی هوای گرم به بیرون از گلخانه تا هوای مطلوبی برای گیاهان ایجاد شود. هنگامی هوای داخل گلخانه به حد مطلوبی رسیده باشد فن خاموش شده و در دمای که فشار بیش از فن باشد به طور خودکار روشن می‌شود.

لامپ‌های گرمایشی

همان‌طور که می‌دانید، نور یکی از عناصر اصلی فتوسنتز است. درحالی‌که فتوسنتز به طور معمول شامل نور خورشید است، می‌توان آن را در گلخانه‌های سرپوشیده یا محیط گلخانه با استفاده از چراغ‌های مصنوعی شبیه‌سازی کرد.

برای درک چگونگی استفاده بهینه از چراغ‌های مصنوعی برای رشد گیاهان، بهتر است چند اصطلاح مهم دیگر دررابطه‌با فتوسنتز را مرور کنید. اولین اصطلاح موردبحث، شدت نور است. لامپ‌ها وسیله‌ای است که جریان الکتریکی را تبدیل به نور می‌کنند. علاوه بر روشن‌کردن یک فضای تاریک، می‌توان از آنها برای روشن بودن محیط، لامپ‌های سیگنال برای دستگاه الکترونیکی و لامپ‌های گرمایشی یا (لامپ‌های فشار بالا یا high pressure lamp) و بسیاری موارد دیگر استفاده کرد.

هدف در این پروژه استفاده از لامپ‌های فشار بالا برای افزایش دما است. با کاهش دما از لامپ‌های فشار بالا (لامپ ۲۴۰ ولت) برای افزایش حرارت استفاده می‌شود.

شیر برقی

شیرهای برقی، محصولات بسیار کاربردی هستند که می‌توانند در بسیاری از برنامه‌های متنوع و منحصربه‌فرد در سیستم‌های گلخانه‌ای مورداستفاده قرار گیرند. این شیرها معمولاً جایگزینی برای تعویض شیرهای دستی یا مکانی که از راه دور نمی‌توان به آن دسترسی داشت استفاده می‌شود. شیر برقی با تحریک شدن بوبین، باز یا بسته نمودن سوپاپ داخلی شیر اجازه عبور یا از قطع جریان جلوگیری می‌کند.

اِسکادا (SCADA (supervisory control and data acquisition

SCADA مخفف کلمه کنترل و نظارت بر اطلاعات جمع‌آوری‌شده است. یک سیستم رایانه‌ای برای جمع‌آوری و تجزیه‌وتحلیل داده‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد. سیستم‌های SCADA برای نظارت و کنترل کارخانه یا تجهیزات در صنایعی مانند ارتباطات از راه دور، آب و فاضلاب، تجهیزات برقی، پالایش نفت، گاز و حمل‌ونقل استفاده می‌شود.

هنگامی‌که سیستم SCADA برای آبیاری کشاورزی استفاده می‌شود، این سیستم می‌تواند خروجی هر اتصالات آبی که مجهز به شیرهای برقی با توان‌های مختلف را به طور مؤثر بررسی کند، بازده تجهیزات را بهبود بخشد، عملکرد کلی مزرعه را نظارت کند، شرایط آب‌وهوایی را مورد بررسی قرار داده و اثرات یخ‌بندان را کاهش دهد. با بکار گیری این سیستم، کشاورزان می‌توانند هم‌زمان دستگاه‌های بسیاری را برای آبیاری محصولات زراعی استفاده کنند، کاربران می‌توانند اصلاحاتی مانند کنترل دما، کنترل شیرهای برقی، نظارت آبیاری، کنترل نشت آب را انجام دهند و اطلاعات مهم را دریافت کرده و گزارش‌های مفصل را بررسی کنند.

حفاظت از اتصال کوتاه شدن و سوختگی سیستم

به‌جای انواع فیوزهای قدیمی، از یک قطع‌کننده مدار مینیاتوری در سازه‌های جدید استفاده می‌شود. قطع‌کننده‌های مدار دستگاه‌های کوچکی هستند که برای کنترل و محافظت از پنل برقی و سایر وسایل از اتصال کوتاه شدن برق استفاده می‌شود. آنها برای حفظ و اطمینان از ایمنی و کیفیت انرژی تأمین شده استفاده می‌شوند. برق سه‌فاز از SMPS (switched-mode power supply) به MCB (miniature circuit breaker) داده می‌شود. در صورت بروز هرگونه مشکل در ولتاژ ۲۴۰ ولت، MCB خاموش می‌شود و تمام مدار را از آسیب جدی حفاظت می‌کند.

نتیجه‌گیری

اتوماسیون گلخانه با هدف تهیه محیط سازگار خاص برای گیاهان و جلوگیری از آسیب رساندن به گیاهان از نوسان شرایط محیطی انجام می‌شود. اتوماسیون در گلخانه به کاهش نیروی کار با بازده کارآمد کمک می‌کند. هدف اصلی این پروژه، جلب فضای سالم در مزارع غیرمتعارف و کنترل تغییر شرایط محیطی با استفاده از اجزای مختلف است. این پروژه دارای دامنه گسترده‌ای در زمینه کشاورزی مدرن است.

منابع

• Sheetal K. Bhongle(2016). Greenhouse Automation for Agriculture Using PLC & SCADA International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology
• https://www.ijirset.com/upload/2016/december/31_Greenhouse.pdf