封閉環(huán)流風(fēng)場(chǎng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的開發(fā)

馬偉 王秀 齊艷花 姜?jiǎng)P

封閉空間的溫度變化直接影響其內(nèi)部作物的正常生長(zhǎng)，對(duì)農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響。溫室由于其封閉的特性，升溫速度遠(yuǎn)超過室外，過快的升溫和過高的溫度會(huì)損害植物頂部、葉片等脆弱部位，最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)。通過人工風(fēng)場(chǎng)的氣流調(diào)節(jié)可以達(dá)到通風(fēng)和調(diào)節(jié)溫度的雙重目的，在溫室生產(chǎn)中得到普遍的應(yīng)用。布置多點(diǎn)環(huán)流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)分布式氣流風(fēng)場(chǎng)，可以更好的擾動(dòng)溫室封閉空間的氣流，氣流分布的均勻性、風(fēng)量大小適宜性、距離作物有效距離三個(gè)方面優(yōu)于側(cè)壁式大風(fēng)機(jī)，可以在生產(chǎn)中有針對(duì)的選用。

但環(huán)流風(fēng)場(chǎng)的高效使用有諸多問題有待解決。環(huán)流風(fēng)機(jī)的放置和控制對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的效果有較大影響。另外，多個(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)功率過大，會(huì)對(duì)整個(gè)溫室電路穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊。這些對(duì)風(fēng)機(jī)作業(yè)效率和安全有影響的關(guān)鍵因素，是調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)需要解決的問題。

原理

根據(jù)溫室進(jìn)風(fēng)口大小和樣式不同，環(huán)流風(fēng)機(jī)的懸掛點(diǎn)位置和懸掛高度也要有所改變。一般說來，進(jìn)風(fēng)口部位留有3～5 m的空間，布置第1個(gè)風(fēng)機(jī)，然后根據(jù)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速參數(shù)間隔6～10 m布置1個(gè)風(fēng)機(jī)，一組風(fēng)機(jī)可選擇排列成直線，其送風(fēng)方向相同。當(dāng)?shù)?個(gè)風(fēng)機(jī)對(duì)氣流加速，風(fēng)機(jī)加速的氣流和擾動(dòng)的空氣到達(dá)第2個(gè)風(fēng)機(jī)后繼續(xù)加速，再到第3個(gè)風(fēng)機(jī)，依次下去，最終達(dá)到多組風(fēng)機(jī)的氣流接力加速的作用，減少扇葉的氣流阻力，提高風(fēng)機(jī)效率，節(jié)省能源。一個(gè)溫室可根據(jù)寬度和溫室栽培密度同時(shí)布置3組或更多組風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)軸向送風(fēng)方向和進(jìn)風(fēng)口水平，高度在2 m以上，以免碰到作業(yè)人員。第1組風(fēng)機(jī)形成的氣流受到溫室最里側(cè)山墻阻擋后，氣流反向繼續(xù)被第2組風(fēng)機(jī)加速，多組風(fēng)機(jī)連續(xù)加速，最終在封閉空間促進(jìn)穩(wěn)定大風(fēng)場(chǎng)的形成。

通過在作物上方多點(diǎn)布置環(huán)流風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)氣流，按照逆時(shí)針或順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)的氣流，增強(qiáng)熱量的擴(kuò)散，有利于蒸發(fā)和調(diào)節(jié)濕度[1]。通過計(jì)算風(fēng)量和溫室內(nèi)單位風(fēng)量的降溫能力，能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)溫度變化范圍，達(dá)到減少病害的目的。風(fēng)機(jī)布置要根據(jù)溫室進(jìn)風(fēng)口的特點(diǎn)和溫室內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及溫室栽培作物的高度決定。圖1是逆時(shí)針氣流的示意圖。

環(huán)流風(fēng)機(jī)的控制有2層意思：一是通過分組控制確保能產(chǎn)生和利用上述的氣流風(fēng)場(chǎng)；二是通過分組啟動(dòng)風(fēng)機(jī)避免同時(shí)啟動(dòng)多組風(fēng)機(jī)引發(fā)電流過大帶來的安全問題。傳統(tǒng)控制方式同時(shí)啟動(dòng)1個(gè)溫室的風(fēng)機(jī)，在對(duì)靜止氣流加速時(shí)，按照1個(gè)風(fēng)機(jī)80 W計(jì)算，1個(gè)溫室16～24個(gè)風(fēng)機(jī)，額定功率就是1.28～1.92 kW，風(fēng)機(jī)的電機(jī)啟動(dòng)瞬間需要3～4 kW的負(fù)載，對(duì)于一般溫室基地的照明電路來說可能會(huì)超負(fù)荷，出現(xiàn)安全隱患。

控制系統(tǒng)開發(fā)

控制系統(tǒng)要面向生產(chǎn)實(shí)踐，其設(shè)計(jì)首要因素是考慮穩(wěn)定和安全。要解決多個(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬間功率峰值的問題?？梢曰陔姽る娐房刂疲Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低。如果需要通過計(jì)算機(jī)或者人機(jī)界面遠(yuǎn)程可視化控制，可以開發(fā)基于PLC的控制系統(tǒng)。按照將電機(jī)分為3組，每組風(fēng)機(jī)3～10個(gè)，3組風(fēng)機(jī)控制信號(hào)時(shí)序如圖2所示。

基于電工電路搭建的控制系統(tǒng)主要是電路邏輯的分析?；镜挠梅ㄔ陔娐吩O(shè)計(jì)手冊(cè)中有許多典型電路可以參考，可以根據(jù)具體的需要對(duì)典型電路進(jìn)行增減，增加并聯(lián)回路指示燈[2]。環(huán)流風(fēng)機(jī)如為二路220V普通照明用交流電路，可以去掉B路的接線。其控制順序見圖2，圖3是分區(qū)間歇作業(yè)控制系統(tǒng)電路。

基于PLC的控制系統(tǒng)其擴(kuò)展性更好。PLC不需要大量的活動(dòng)元件和連線電子元件。它的連線大大減少。從安全和穩(wěn)定角度出發(fā)，其具備冗余設(shè)計(jì)，斷電保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，有利于在農(nóng)業(yè)復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用。以西門子SIMATIC系列為例。程序?qū)懭隤LC后可脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。其工作過程一般分為3個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。PLC按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖），對(duì)由觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)?？赏ㄟ^程序靈活的控制三個(gè)分組的電機(jī)，M1組、M2組和M3組輪流交替獨(dú)立動(dòng)作。圖4是該控制系統(tǒng)的梯形圖。

除了設(shè)計(jì)為間歇分組工作模式，根據(jù)電路負(fù)載能力設(shè)計(jì)其他模式也有助于實(shí)際生產(chǎn)中充分利用環(huán)流風(fēng)機(jī)的有效功率。如設(shè)計(jì)為同一組內(nèi)的多個(gè)風(fēng)機(jī)輪流依次啟動(dòng)作業(yè)模式，或者間隔奇數(shù)位置電機(jī)和偶數(shù)位置電機(jī)啟動(dòng)，都可以充分在前一個(gè)風(fēng)機(jī)加速氣流基礎(chǔ)上繼續(xù)加速，同時(shí)可避開啟動(dòng)瞬間的大電流問題，一舉兩得。其他類似的作業(yè)模式可根據(jù)需要安排，單個(gè)環(huán)流風(fēng)機(jī)的控制屬于電機(jī)基本知識(shí)，其電路在普通電機(jī)手冊(cè)或文獻(xiàn)中多有介紹[2]，這里不再贅述。

應(yīng)用

北京大興區(qū)魏善莊鎮(zhèn)、長(zhǎng)子營(yíng)鎮(zhèn)、青云店鎮(zhèn)等五十多個(gè)基地安裝了環(huán)流風(fēng)場(chǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)于設(shè)施栽培的溫度調(diào)節(jié)和通風(fēng)增產(chǎn)發(fā)揮一定作用。由于農(nóng)業(yè)基地的供電系統(tǒng)無法承載過大啟動(dòng)電流，因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)有效的適應(yīng)這一要求。實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用測(cè)試發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)瞬間的電路超載跳閘問題能夠得到避免，降溫速度明顯加快、溫度最高值平均下降2～5 ℃，初步試驗(yàn)結(jié)果表明達(dá)到預(yù)期效果，但最佳的布置和控制方案還需要封閉空間空氣流體數(shù)值計(jì)算模擬和多年實(shí)際作物測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本文未能涉及該分析。有一點(diǎn)可以肯定，通過調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)可以更加靈活的控制通風(fēng)，有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，并且具備推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Air Circulation & Exhaust Tutorial [EB/OL].[2016-05- 18].http：//www.growweedeasy.com/exhaust.

[2] Two-Wire and Three-Wire Control [EB/OL].2008-07- 30[2016-05-18].https：//support.industry.siemens.com/ cs/document/30587677/two-wire-and-three-wire- control？dti=0&lc;=en-WW 2016.5.