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【專題報導一】穩定植物工廠環設的利器-密閉型植物工廠生產設施資通化系統
文/圖 苗栗區農業改良場張訓堯
壹、前言
相較於露天氣候之變遷劇烈，植物工廠可精密調節栽培環境，減緩環境對作物之影響，在反季節生產特定蔬果產品，生長快且周轉期短，實現周年量產，在因應氣候變遷上深具潛力。其中密閉式植物工廠因空間有限，必須以立體化栽培來增加單位生產面積，以提高收益及提早獲利回收，因此透過資通化穩定作物生產更顯得重要。
貳、傳統基礎資通化系統
在早期密閉式植物工廠或日光型植物工廠發展時期，只要具通風、溫度、溼度、光線、養液供給及二氧化碳監測及控制等功能，即使簡單機械控制系統，仍可提供相對或絕對穩定的作業環境。該時期屬於傳統基礎資通化系統，只有基本數據收集紀錄，缺乏分析功能，亦無回饋檢討機制，故生產流程效益改善相當緩慢，只能靠人為直覺判斷，故系統之運轉效率提升有限。為因應非預期緊急事件及作物連續生長變化，追求產量與品質兼具，各項細節要求更需嚴謹，例如養液量、養液成分及環境因子如何影響植物生長，就必須將監測數據分析，比對作物生育調查，才能歸納出最佳的管理模式。由於國內密閉型植物工廠並無完整決策資料庫可供參考，故整體效能改善有限，也成為整個產業向上發展之無形天花板。
參、 新世代資通化系統簡介
新世代資通化系統除基礎收集資料外，也能及時反映與遠端操控，搭配決策系統，可提供最佳分析建議。此系統至少須具備的功能，如環境因子偵測與資料收集分析回饋、最佳環境操作模式及標準作業流程、現場人機操作介面與遠端監控及異常警報/臨界異常/故障通知等。
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一、環境因子偵測與資料收集分析回饋
在植物工廠資通化監測項目部分，至少應包括溫度(含日/夜溫及液溫)、濕度、光強度、流量、液位、幫浦、二氧化碳、電力、pH 值、EC 值、溶氧量、殺菌、空調運轉及電力供應等。其中 EC 計及 pH 計，建議至少設2支，相互對照，理論上2支同時故障之機率極低，只要其中1支發生故障，就與對照正常組產生差異，只要超出誤差值設定，系統即發出必須維修或更換之訊號。
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圖1、設 EC (上方) 值及pH值 (下方) 各2組監測組，可彼此對照是否異常 |
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在數據收集頻率方面，視需要可從每秒到每小時等頻率進行收集 1 次，再利用無線或有線方式將數據載入電腦主機資料庫，作為後續檢核或資料分析所需。溫度二氧化碳流量控制及記錄，由此數據之變化牽涉作物生產效率，為相當重要之生長數據，尤其在密閉空間最具代表性。
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圖2、二氧化碳設定及監測畫面 |
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當數據收集充分，即可比較各時期趨勢比較分析，探討不同環境因子間相關性，並追蹤歷史同時期差異，進而檢討管理是否需微調程式或改善硬體。
二、最佳環境操作模式及標準作業流程
為讓使用者能清楚了解系統運作狀態，應有動/靜態完整的流程圖，且可顯示正常運轉/異常顯示，可設定每秒至每小時採樣 1 次，經收集資料整理成歷史趨勢圖 (溫度、溼度、二氧化碳、流量、水流量、pH 値、EC 值、光度、電力)，並可比較同時期趨勢。
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圖3、可攜式養液離子偵測儀，最多同時偵測6種離子 |
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為便利不同時期之環境設定參數差異，需預先設立主要時期固定環境模式參數模式，屆時即可自由轉換選擇。葉菜類由於生長期短，只屬營養生長，模式只須要 1 種。在果菜類，則因生長模式可明顯區分，且須分期管理，故至少設置 2~4組。除營養生長期、開花期、結果期及採收末期等 (以草莓為例)，更精細的管理則必須包含日夜模式。
由於植物生長所需之環境因子不同，必須微調環境設定，方能達到最佳之產量或品質，建議先於系統上建置操作流程排程，當達到預定時程，則於網頁或人機介面上跳出提醒訊息，以行事曆之方式，提供穩定生產操作流程參考。
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圖4、養液控制系統可自行調整給液頻率 |
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資通化系統除提供基本的環境數據紀錄功能外，系統之設計必須考量到緊急異常狀況，如市電停止供應、高低溫度異常、養液水位異常及二氧化碳濃度偏低等，則列入異常警報之紀錄，並以簡訊通知管理人員，以便進行緊急狀況之最佳處置。在所有程序中，以警報發生時之緊急應變處理程序必須置於最上位，即是系統運轉時「最壞的打算」，在緊急事件應變，必須將最優先處理程序先行制定，萬一發生該種情況，即可由系統第一時間依程序進行處理，以降低重大損失，後續管理人員則檢討修正改善系統穩定度。
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圖5、避免供電不穩定，以緊急自動發電機提供臨時電力來源 |
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系統運作優先順序為電源、通氣、水分、溫度、人工光源及二氧化碳，首先須有穩定電源之供給，整個系統才能維持，故緊急發電機是必須的。當供電不穩定，突然斷電時，發電機能自動啟動發電，最少須能有半小時以上的供電，以維持基本緊急需求，如養液系統持續供應，提供養液水位升降功能，通風降低環境悶熱，即可減緩影響。由於人工光源及空調設備，耗能最多，也是熱量來源，考量電力備援系統僅能供應短期電源，為爭取時間，僅能使用最低維持運轉功能，故光源及空調反而列為最後恢復運轉項目。
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圖6、以水耕栽培之草莓根系仍能發育良好 |
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三、現場人機操作介面與遠端監控
人機介面即是將傳統 PLC 控制器與觸控式面板控制以程式進行整合，並由觸控面板直接執行命令或修改設定，由於能整合所有作業在單一面板上，可大幅節省作業時間，在現場管理相當便利。惟須考量當人機介面失效，PLC 必須單獨運行，因此 PLC 仍然必須另外設定，以避免不可預期之事件發生。
利用圖控系統可於遠端或現場進行監測與控制，其功能且擴充性強大，至少可連接 300 個接點，已足夠因應後續各式監測設備之擴充，且多可適用 Window 7/8 作業軟體。因應目前 3C 產品之發展，該系統也與 iPad、Android 移動裝置或平板電腦等相容，以符合目前行動裝置之潮流。
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圖7、養液自動調配、紫外線殺菌及緊急發電系統設定 |
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四、異常警報/臨界異常/故障通知
警報發生數據即時紀錄統計。如有警報簡訊，須發佈多組網址或手機，藉由管理成員間互相通報，減少訊息漏接之機會。警報異常處理流程必須顯示，當發生緊急事項時，提供標準處置程序，以爭取時間並降低損失。另外須將警報紀錄及警報歷史列入備考，以檢討警報發生之原因，以降低未來警報發生之機率為努力目標。
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圖8、水耕液之酸鹼值可能短時間變化量大，提早預警有其必要性(以草莓為例) |
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為了避免發生達到上下限警報狀況，提早預防可能潛在之損失，可另外設計近臨界異常値早期警示與設定，只要單位時間達到預定之斜率，則系統發出警示，提供管理人員之參考提供因應或改善。要特別注意謹慎設定合理之警報發送上下限值，因系統誤差難免，若上下限設定過於狹窄，則容易觸動警報，造成假簡訊影響管理人員之判斷。
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圖9、各種環境因子監測值上下限警報設定 |
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肆、 結語
新世代資通化系統雖已跳脫原有傳統資通化只收集數據缺點，以圖控軟體即能滿足大部分管理者的需求，但作物生長是持續變化的，栽培技術日新月異，需求新求變，才能兼顧高產量與高品質，故專家決策系統才是管理的最終核心。目前透過資料的收集與分析，已逐漸解決部分問題，但仍需持續進行，由單一作物擴展為多種作物資料分析，以減少決策系統研發成本。因應雲端運算之趨勢，未來農業資通化系統也應納入此需求，在無資安疑慮下，提供農企業數據分析功能，提供回饋改善建議，以更全面、快速及貼心的服務，落實農業資通化的計畫目標。
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