一種新型集裝箱植物工廠營養(yǎng)液輸送裝置研發(fā)與應(yīng)用

封喜雷

摘 要： 集裝箱植物工廠采用營養(yǎng)液給植物生長提供營養(yǎng)，營養(yǎng)液的輸送對于集裝箱植物工廠非常重要。研究開發(fā)了一種新型集裝箱植物工廠營養(yǎng)液輸送裝置，包括營養(yǎng)液箱裝置、肥料輸送裝置、營養(yǎng)液輸送檢測裝置、給水裝置、回液輸送裝置和自動(dòng)控制裝置，使?fàn)I養(yǎng)液輸送實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，具有清洗方便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 營養(yǎng)液箱;肥料輸送裝置;營養(yǎng)液輸送裝置;回液裝置;自動(dòng)控制裝置

中圖分類號： S316? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.018

0 引言

植物工廠里，植物的栽培方式主要是營養(yǎng)液栽培[1]。營養(yǎng)液栽培是利用營養(yǎng)液栽培植物的方法，這種方法不用土壤作為培養(yǎng)基質(zhì)，而是將作物直接種植在裝有一定量營養(yǎng)液的栽培裝置中，或是種植在以砂、礫石、蛭石、珍珠巖、稻殼、爐渣、巖棉、蔗渣等非天然土壤為基質(zhì)材料、采用營養(yǎng)液灌溉的栽培床上[2]，營養(yǎng)液全部由營養(yǎng)液輸送裝置供給。傳統(tǒng)營養(yǎng)液輸送裝置存在清洗困難、外觀差、布局不合理、占空間等缺點(diǎn)。因此研發(fā)一種新型集裝箱植物工廠營養(yǎng)液輸送裝置很有必要。

1 總體方案設(shè)計(jì)

集裝箱植物工廠是由標(biāo)準(zhǔn)的40尺集裝箱高柜改造而成，前端安裝有防盜門，距防盜門2 m處增加隔斷墻形成種植間和設(shè)備間，防盜門與隔斷墻之間區(qū)域?yàn)樵O(shè)備間。營養(yǎng)液箱布置在設(shè)備間靠近防盜門右側(cè)（如圖 1 所示）。

供液泵、回液泵依次放置在營養(yǎng)液箱下面，供液泵進(jìn)液口與營養(yǎng)液箱底部出液口相連，供液泵出口與營養(yǎng)液輸送管路相連，營養(yǎng)液輸送管路上有EC和pH值檢測支路和攪拌支路，檢測支路上安裝有EC傳感器和pH傳感器;攪拌支路上安裝有球閥和攪拌電磁閥，支路與營養(yǎng)液箱相通。輸送管路上安裝有輸送電磁閥、過濾器、紫外線消毒器，管路穿過隔斷墻分成2路分別給左右栽培槽供液。回液泵入口與回液收集管相連，在泵的入口前安裝有流量計(jì)來自動(dòng)控制泵的啟停，泵出口與營養(yǎng)液箱相連。肥料桶放置在營養(yǎng)液箱上面，底部出液管上安有電動(dòng)球閥，打開電動(dòng)球閥，肥料自動(dòng)流入營養(yǎng)液箱內(nèi)。

2 新型營養(yǎng)液輸送裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 營養(yǎng)液箱裝置設(shè)計(jì)

新型營養(yǎng)液箱采用304不銹鋼鋼板焊接而成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括桶體、支架、肥料桶導(dǎo)向板等，桶體頂部開3個(gè)500 mm×215 mm清洗口，相鄰清洗口中間位置焊接了肥料桶導(dǎo)向板，支架焊接在桶體上?；匾嚎?、攪拌進(jìn)液口、營養(yǎng)液出口、給水口、排污口、液位計(jì)接口、溫度計(jì)接口分別焊接在桶體上。排污口焊接在營養(yǎng)箱底部。經(jīng)過計(jì)算營養(yǎng)液箱有效容積如式（1）所示

V營養(yǎng)液箱 =a1b1h1

=0.8×0.6×1.045

=0.516 m3?（1）

式中? V營養(yǎng)液箱—營養(yǎng)液箱有效容積，m3;

a1—營養(yǎng)液箱長度，m;

b1—營養(yǎng)液箱寬度，m;

h1—營養(yǎng)液箱高度，m。

營養(yǎng)液箱有效容積>0.5 m3滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 肥料輸送裝置設(shè)計(jì)

新型肥料輸送裝置采用304不銹鋼材質(zhì)，結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括桶蓋、肥料桶和電動(dòng)球閥，肥料桶（酸、A肥、B肥）放置在營養(yǎng)液箱上面，電動(dòng)球閥安裝在肥料輸送管上，打開電動(dòng)球閥肥料能自動(dòng)流入營養(yǎng)液箱內(nèi)，電動(dòng)球閥的電線通過穿線口k接到電線快插接頭上，方便配液操作。肥料桶有效容積如式（2）所示

V肥料桶 =a2b2h2

=0.6×0.264×0.195

=0.031 m3?（2）

式中? V肥料桶—肥料桶有效容積，m3;

a2—肥料桶長度，m;

b2—肥料桶寬度，m;

h2—肥料桶高度，m。

肥料桶有效容積>0.03 m3滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 營養(yǎng)液輸送裝置設(shè)計(jì)

營養(yǎng)液輸送裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括有：輸送泵、EC傳感器、pH傳感器、攪拌電磁閥、過濾器、紫外線消毒器和輸送電磁閥。輸送泵為營養(yǎng)液輸送提供動(dòng)力，攪拌電磁閥和輸送電磁閥控制營養(yǎng)液的攪拌和輸送。pH是水（溶液）中的酸堿度，營養(yǎng)液的pH維持在5.5～6.5之間有利于多數(shù)植物生長，因此營養(yǎng)液的工作溶液一般進(jìn)行pH調(diào)節(jié)[2]。電導(dǎo)率（EC）是指示溶液中離子濃度的重要指標(biāo)，在一定濃度范圍內(nèi)，溶液含鹽量與電導(dǎo)率呈密切的正相關(guān)。所以，電導(dǎo)率能反映溶液中鹽分含量的高低[3]。pH值通過加酸液或堿液進(jìn)行調(diào)控，EC值通過加水或原液進(jìn)行調(diào)控[4]。所以在營養(yǎng)液輸送檢測管路上安裝了EC傳感器和pH傳感器。營養(yǎng)液的配置采用直接配制法，在配制過程中啟動(dòng)攪拌電磁閥進(jìn)行攪拌，縮短配置時(shí)間。輸送管路上安裝了紫外線消毒器，該消毒器利用波長為225～275 nm對微生物有強(qiáng)烈的殺滅作用的紫外線，對原水中的微生物進(jìn)行殺滅[5]。

2.4 給水裝置的設(shè)計(jì)

給水裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括有：給水電磁閥、快速接頭、液位計(jì)及溫度計(jì)。給水管路入口通過快插接頭與自來水供水管相通，給水管路上安裝有給水電磁閥。液位計(jì)懸掛在營養(yǎng)液箱上，垂直深入營養(yǎng)液箱底部，靠壓力檢測水位的高度。溫度計(jì)固定在營養(yǎng)液箱下部，測量營養(yǎng)液的溫度。這樣設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)給水控制。

2.5 回液裝置的設(shè)計(jì)

回液裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括有：回液泵、回液收集管、過濾器、流量計(jì)和手動(dòng)球閥。回液泵布置在營養(yǎng)液箱下面，為回收液回到營養(yǎng)液箱提供動(dòng)力?；匾菏占苈凡捎肈N50管材，同時(shí)具備輸送和儲存回收液功能， 回液泵入口處安裝流量計(jì)，自動(dòng)控制泵的啟停。

2.6 自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制裝置結(jié)構(gòu)主要包括安裝在輸送管路檢測支路上EC傳感器和pH傳感器、安裝在營養(yǎng)液箱上的液位傳感器和溫度傳感器、電氣控制系統(tǒng)三部分組成，電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括電控柜、觸摸屏、EC值顯示器、pH值顯示器、PLC模塊、接觸器、繼電器等組成，電控柜安裝在空調(diào)外機(jī)罩背面螺桿上，用螺母固定。觸摸屏、EC值顯示器、pH值顯示器固定在電控柜面板上，PLC模塊、接觸器、繼電器固定在電控柜內(nèi)。

3 新型營養(yǎng)液輸送裝置試驗(yàn)

3.1 原始料液配比

肥料桶內(nèi)A肥、B肥和酸按稀釋比例和水進(jìn)行配比，攪拌均勻后把肥料桶放置在營養(yǎng)液箱上面。原始料液參數(shù)如表 1所示。

3.2 灌溉參數(shù)設(shè)定

打開觸摸屏進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，如圖8所示，灌溉參數(shù)設(shè)定值如表2所示。

3.3 自動(dòng)配肥試驗(yàn)

液位計(jì)檢測到低液位設(shè)定值時(shí)輸出信號，自動(dòng)打開供水電磁閥，給營養(yǎng)液箱供水，當(dāng)液位達(dá)到最大加水液位設(shè)定值時(shí)液位計(jì)輸出信號，關(guān)閉供水電磁閥。自動(dòng)打開攪拌電磁閥，啟動(dòng)營養(yǎng)液輸送泵，自動(dòng)打開肥料輸送電動(dòng)球閥，當(dāng)EC傳感器和pH傳感器檢測到營養(yǎng)液的EC值和pH值達(dá)到設(shè)定值范圍內(nèi)，關(guān)閉肥料輸送電動(dòng)球閥，打開營養(yǎng)液輸送電磁閥，關(guān)閉攪拌電磁閥，開始給栽培槽輸送營養(yǎng)液，當(dāng)營養(yǎng)液液面達(dá)到設(shè)定值時(shí)關(guān)閉營養(yǎng)液輸送泵，對栽培槽內(nèi)營養(yǎng)液進(jìn)行EC和pH值測定。測定試驗(yàn)數(shù)據(jù)及電控柜上EC和pH值顯示器實(shí)時(shí)顯示值如表 3所示。

3.4 自動(dòng)回液試驗(yàn)

營養(yǎng)液需要每周進(jìn)行更換，啟動(dòng)營養(yǎng)液輸送泵，用新的營養(yǎng)液置換栽培槽內(nèi)營養(yǎng)液。栽培槽內(nèi)營養(yǎng)液由出液口匯入回液收集管，當(dāng)回液收集管上流量計(jì)檢測到有水流過時(shí)，回液泵自動(dòng)啟動(dòng)，把回收液泵回營養(yǎng)液箱內(nèi)，滿足使用要求。

4 結(jié)論

新型營養(yǎng)液輸送裝置經(jīng)過試驗(yàn)測試能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求，而且與傳統(tǒng)營養(yǎng)液輸送裝置性能相比具有很大優(yōu)勢，傳統(tǒng)營養(yǎng)液箱如圖 9所示，采用PVC材質(zhì)，做成長方體結(jié)構(gòu)，放置在底層栽培架下面，與營養(yǎng)液連接的都采用UPVC硬管，營養(yǎng)液箱不能移動(dòng)，在進(jìn)行清洗時(shí)操作極不方便。肥料輸送裝置如圖10所示，3只肥料桶放置地板上，3只肥料泵固定在肥料桶上面的側(cè)墻上，肥料輸送主要靠肥料泵進(jìn)行輸送。

而新型營養(yǎng)液輸送裝置取消了肥料泵，肥料桶放在營養(yǎng)液箱上面，肥料靠重力自動(dòng)流入營養(yǎng)液箱內(nèi)，降低了成本，節(jié)約了電能;營養(yǎng)液箱布置設(shè)備間里，騰出了栽培架下部空間，栽培架下只有一根DN50回液管，這樣栽培架整體可以下降300 mm左右的距離，增大了頂部空間，方便工人操作。新型與傳統(tǒng)營養(yǎng)液輸送裝置綜合性能 指標(biāo)對比如表4所示。經(jīng)過對比新型營養(yǎng)液箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、清洗方便、節(jié)能環(huán)保、布局合理等優(yōu)點(diǎn)，滿足使用要求，促 進(jìn)了集裝箱植物工廠的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 李東星，田真，王浚峰，等.植物工廠營養(yǎng)液循環(huán)再利用裝備的研究應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程，2011，1（1）：46-51.

[2] 楊其長，魏靈玲，劉文科，等.植物工廠系統(tǒng)與實(shí)踐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3] 郭世榮.無土栽培學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[4] 王多輝，毛罕平，謝明崗.植物工廠自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（4）：7-11.

[5] 李東星，周增產(chǎn)，卜云龍，等.集裝箱植物工廠研制與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程，2016，6（6）：78-83+87.