溫室大棚采暖設(shè)備智能控制關(guān)鍵技術(shù)的研究

趙 華

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西 太原 03 0031）

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)是應(yīng)用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，營造適合植物生長的氣候環(huán)境，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要成果，為解決農(nóng)產(chǎn)品季節(jié)性生產(chǎn)起到了重要作用。但設(shè)施農(nóng)業(yè)也是一項能耗產(chǎn)業(yè)，植物的一切生物化學(xué)反應(yīng)，都需要有一定的熱環(huán)境條件，溫度過高或者過低，植物都會停止生長或死亡。雖然我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展速度很快，但是日光溫室、塑料大棚等中低端溫室結(jié)構(gòu)仍然是我國農(nóng)業(yè)設(shè)施的主要類型。這種被動調(diào)控型溫室結(jié)構(gòu)抵御自然災(zāi)害的能力較弱，無法實現(xiàn)現(xiàn)代化工業(yè)化生產(chǎn)。尤其在我國北方地區(qū)，冬季氣溫較低，需要一定的增溫補溫措施[1]。

溫室大棚的正常運作離不開采暖設(shè)備 的 幫助，包括蔬菜、養(yǎng)殖、花卉大棚等溫室類型。隨著時代的發(fā)展和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的推進，傳統(tǒng)的爐火升溫方式已經(jīng)不適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的冬季生產(chǎn)，因為既增加了燃煤費用又耗費人工，還會造成空氣污染。電磁加熱器，是現(xiàn)今工業(yè)領(lǐng)域和民用設(shè)備中廣泛使用的一種環(huán)保加熱方式。電磁熱風(fēng)機以空氣為熱載體，為溫室大棚提供高溫潔凈的熱風(fēng)，是一種高效節(jié)能的供熱設(shè)備，比傳統(tǒng)電阻式發(fā)熱節(jié)能 30%以上，是目前市場上最為節(jié)能低耗的電加熱設(shè)備[2]。與其他加熱方式相比，投入成本低，更適合于 “ 薄利多銷、以量取勝”的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚中的使用。

傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計，工人依據(jù)讀取的溫度值來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度。這樣僅靠人工控制的方法既耗人力，又容易發(fā)生 差 錯，更不易管理；且隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的提高，對于數(shù)量較多的大棚，傳統(tǒng)的溫度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。因此，在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)大棚管理中溫室采暖設(shè)備智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以很好地控制農(nóng)業(yè)大棚溫濕度，適應(yīng)生產(chǎn)需要[3-4]。設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室采暖智能控制設(shè)備供暖效率高、升溫快，而且供暖面積大，提高了冬暖大棚溫室的供暖效果，達(dá)到整個溫室環(huán)境溫度的平衡和穩(wěn)定。

1 研究內(nèi)容

電磁熱風(fēng)機屬高科技節(jié)能產(chǎn)品，通過應(yīng)用空氣動力學(xué)及熱能超導(dǎo)控制原理，采用 PLC 全自動恒溫控制技術(shù)，輔以創(chuàng)新的工藝設(shè)計理念，將電能通過電磁熱感應(yīng)線圈產(chǎn)生渦流，使金屬材料自行高速發(fā)熱，配用低噪音耐高溫高壓離心風(fēng)機和自動控溫系統(tǒng)，把熱風(fēng)引進整個溫室大棚內(nèi)。

在選用電磁熱風(fēng)機采暖設(shè)備的基礎(chǔ)上開發(fā)一種智能控制系統(tǒng)，采用人機交互觸摸屏，利用 PLC 精確控制。輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標(biāo)參數(shù)，計算機根據(jù)傳感器的實際測量值與事先設(shè)定的目標(biāo)值進行比較，以決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應(yīng)機構(gòu)進行加熱。計算機自動控制的溫室控制技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)自動化、精準(zhǔn)控溫、遠(yuǎn)程控制，適合規(guī)模化生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率得到提高。

設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室采暖設(shè)備見圖 1。

圖1 設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室采暖設(shè)備

溫室采暖設(shè)備智能控制系統(tǒng)主要功能：①根據(jù)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)反饋控制整個系統(tǒng)運行。②實時監(jiān)測調(diào)節(jié)爐體溫度，PID 閉環(huán)精準(zhǔn)自動調(diào)節(jié)熱能，可實現(xiàn)熱量按需產(chǎn)生。③各類故障實時監(jiān)測和 報警功能。具有高溫保護、電機過載保護、IGBT 過熱保護等功能。④采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。實時 監(jiān) 控 溫 度 和 環(huán) 境 信 息 ， 根 據(jù) 信 息 決 策 控 溫 任 務(wù) ，實現(xiàn)了對溫室內(nèi)農(nóng)作物所需溫度的智能控制和管理，提高熱效率。

2 技術(shù)指標(biāo)

（1） 出風(fēng)口溫度達(dá)到設(shè)定最高溫度所需時間≤30 min；

（2） 電熱轉(zhuǎn)化率≥93%。

在不影響生產(chǎn)效率的前提下降低設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的污染，精確控溫，提高升溫過程中的熱轉(zhuǎn)化率和升溫速度，節(jié)能效果可達(dá) 30%以上；同時，使該設(shè)備滿足長時間、高可靠性的運行要求，從而達(dá)到綠色、節(jié)能、環(huán)保的目的。

3 溫室采暖設(shè)備智能控制系統(tǒng)

設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室采暖智能控制設(shè)備是在原有電磁感應(yīng)熱風(fēng)機的基礎(chǔ)上，加入送風(fēng)帶、無線遠(yuǎn)傳溫度傳感器和智能操作控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化控制整個供熱過程。通過使用無線遠(yuǎn)傳溫度傳感器采集設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚中關(guān)鍵節(jié)點的溫度 （依據(jù)大棚種類和面積決定布設(shè)的數(shù)量），再由無線傳輸模塊將采集的實時數(shù)據(jù)進行處理并實現(xiàn)溫度的智能控制，并利用手機終端軟件實現(xiàn)與控制柜同步操作，遠(yuǎn)程監(jiān)測控制，指導(dǎo)采暖設(shè)備根據(jù)環(huán)境需要進行加熱，真正實現(xiàn)智能化、現(xiàn)代化管理。

3.1 電磁感應(yīng)熱風(fēng)機

電磁感應(yīng)熱風(fēng)機是一種利用電磁感應(yīng)原理，將電能轉(zhuǎn)換為磁能的空氣加熱器。380 V，660 V/50 Hz的交流電源經(jīng)整流電路變成直流電源，再經(jīng) IGBT 由控制電路將直流電源轉(zhuǎn)換成頻率 10～15 kHz 的高頻電源。高速度變化的高頻電源電流通過特制的線圈會產(chǎn)生高頻磁場，當(dāng)交變磁場的磁力線通過鐵磁材質(zhì)的翅片發(fā)熱管時，鐵磁材質(zhì)翅片發(fā)熱管在磁場的作用下產(chǎn)生渦流效應(yīng)，使翅片發(fā)熱管瞬間發(fā)熱，由風(fēng)機把翅片發(fā)熱管上的熱量帶出，供給連接的風(fēng)道，通過風(fēng)道輸送溫室大棚內(nèi)。電磁發(fā)熱線圈采用內(nèi)磁結(jié)構(gòu)，無磁場外泄，熱效率高，電磁感應(yīng)線圈在工作時自身產(chǎn)生的熱量完全被吸收利用。采用先進的變頻技術(shù)，將 50 Hz 的 低頻電源轉(zhuǎn)換為 10～20 kHz的高頻電源，設(shè)備啟動后無噪音，使用時不釋放任何有害氣體，無明火、無煙、無味，且沒有傳統(tǒng)熱風(fēng)設(shè)備的諸多污染問題，系統(tǒng)無需使用傳輸熱能的管網(wǎng)及介質(zhì)，真正做到保護環(huán)境和節(jié)能的效果。設(shè)備運行時恒功率，弱電控制強電，軟啟動軟停止，無觸點開關(guān)，無啟動沖擊電流，使用安全可靠。

3.2 遠(yuǎn)傳無線溫度傳感器

通過在首、中、末端配置遠(yuǎn)傳無線溫度傳感器，將溫室內(nèi)各點溫度值實時傳送回控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化控制整個供熱過程，得到最佳的傳熱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)用最低能耗使作物正常生長。遠(yuǎn)傳無線溫度傳感器是集成傳感、無線通信、低功耗等技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。無線溫度傳感器以電池供電，在工程實施中避免了大工作量的通訊線纜、管線、供電線路的鋪設(shè)，可根據(jù)現(xiàn)場實際使用情況方便調(diào)整安裝的位置。由控制單元、無線數(shù)據(jù)傳輸和溫度測量 3 個部分組成。測溫后，將溫度數(shù)據(jù)通過無線方式傳遞給測溫通訊終端。每個無線溫度傳感器具有唯一的ID 編號，實際安裝使用時記錄每個傳感器的安裝地點，并與編號一起錄入控制系統(tǒng)的計算機數(shù)據(jù)庫中。傳感器每隔一定時間 （可以事先設(shè)定） 自動發(fā)射一次監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)溫度異常立即報警，可不受發(fā)送周期限制。

3.3 送風(fēng)帶

通過與電磁熱風(fēng)機出風(fēng)口連接，懸掛于作物上方 1.0～1.5 m 處，風(fēng)帶上每隔 1.5～2.0 m 設(shè)一個出風(fēng)口，將熱風(fēng)送到整個溫室大棚內(nèi)。

3.4 智能操作控制系統(tǒng)

采用觸摸屏 +PLC 的智能控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的溫室大棚溫度自動運行，如果溫室大棚溫度高于設(shè)置溫度，控制系統(tǒng)會自動調(diào)低運行功率；如果溫室大棚溫度下降到低于設(shè)置下限溫度，控制系統(tǒng)會自動增加運行功率，在保證溫度均衡的同時，確保節(jié)能。系統(tǒng)還可以通過手機 APP 遠(yuǎn)程操作控制。

研發(fā)的智能電磁采暖設(shè)備控制系統(tǒng)具有較為先進的功能，可滿足個性化需求。設(shè)備自動化程度高，配置多種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可根據(jù)環(huán)境狀況、作物生長需求實現(xiàn)自動化操作，還具有數(shù)據(jù)儲存功能方便查詢，為日后改進和優(yōu)化生產(chǎn)管理積累寶貴參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

通過變頻電磁熱風(fēng)爐與風(fēng)機配合加熱供暖，通過溫度傳感器反饋的實時環(huán)境溫度控制出口溫度和風(fēng)機轉(zhuǎn)速。采用無線數(shù)據(jù)傳輸模式等技術(shù)將供暖場景化數(shù)據(jù)抽象成輸入變量，實現(xiàn)智能化控制整個供熱過程，得到最佳的傳熱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)用最低能耗使作物正常生長。智能電磁熱風(fēng)機供暖效率高，提溫快，而且供暖面積大，提高了冬暖大棚溫室的供暖效果，解決了由靜止散熱向流動散熱方式的轉(zhuǎn)換，可以很好地調(diào)整內(nèi)部的溫度和濕度。該技術(shù)適宜于北方晝夜溫差較大地區(qū)，設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培、養(yǎng)殖大棚、蔬菜園藝等種植業(yè)和畜牧業(yè)等均可推廣應(yīng)用[5]。

設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室采暖智能控制設(shè)備的推廣與實施，符合我國當(dāng)前對節(jié)能減排、生態(tài)文 明建設(shè)的發(fā)展要求，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、信息感知技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)急速發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，智能化溫室采暖設(shè)備已經(jīng)是未來發(fā)展的大趨勢，可以實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和控制實時掌握等功能，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的少人化管理[6]。在不影響生產(chǎn)效率的前提下降低設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的污染，精確控溫，提高溫升過程中 的熱轉(zhuǎn)化率和溫升速度；同時，使該設(shè)備滿足山西當(dāng)?shù)囟鹃L時間、高可靠性的運行要求，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。