溫室大棚采暖設(shè)備智能控制研究

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摘要：針對(duì)目前設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采暖設(shè)備在溫升過程中存在的污染大、能耗大、安全隱患大、可靠性差等問題，研發(fā)一種新型的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室采暖智能控制系統(tǒng)。將控制終端技術(shù)、信息和通信技術(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)有設(shè)施農(nóng)業(yè)中相關(guān)技術(shù)模式進(jìn)行整合，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，提高溫升過程中的熱轉(zhuǎn)化率和溫升速度，同時(shí)滿足長時(shí)間、高可靠性的運(yùn)行要求，精確控溫，從而達(dá)到綠色、節(jié)能、環(huán)保的目的。

關(guān)鍵詞：電磁熱風(fēng)機(jī)；智能化；控制

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(xiàng)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(huì)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(dòng)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(shí)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(bǔ)溫措施[1]。溫室大棚的正常運(yùn)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(shí)代的發(fā)展和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，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?yàn)榧仍黾恿巳济嘿M(fèi)用又耗費(fèi)人工，還會(huì)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(jī)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(jì)，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(cuò)，更不易管理；且隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的提高，對(duì)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(gè)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(jī)屬高科技節(jié)能產(chǎn)品，通過應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)及熱能超導(dǎo)控制原理，采用PLC全自動(dòng)恒溫控制技術(shù)，輔以創(chuàng)新的工藝設(shè)計(jì)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(jī)和自動(dòng)控溫系統(tǒng)，把熱風(fēng)引進(jìn)整個(gè)溫室大棚內(nèi)。在選用電磁熱風(fēng)機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器的實(shí)際測量值與事先設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，以決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的溫室控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化、精準(zhǔn)控溫、遠(yuǎn)程控制，適合規(guī)?；a(chǎn)，勞動(dòng)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。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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。②實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)節(jié)爐體溫度，PID閉環(huán)精準(zhǔn)自動(dòng)調(diào)節(jié)熱能，可實(shí)現(xiàn)熱量按需產(chǎn)生。③各類故障實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警功能。具有高溫保護(hù)、電機(jī)過載保護(hù)、IGBT過熱保護(hù)等功能。④采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度和環(huán)境信息，根據(jù)信息決策控溫任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)間≤30min；（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(shí)，使該設(shè)備滿足長時(shí)間、高可靠性的運(yùn)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(jī)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(shí)現(xiàn)智能化控制整個(gè)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(diǎn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制，并利用手機(jī)終端軟件實(shí)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(jìn)行加熱，真正實(shí)現(xiàn)智能化、現(xiàn)代化管理。

3.1電磁感應(yīng)熱風(fēng)機(jī)

電磁感應(yīng)熱風(fēng)機(jī)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。380V，660V/50Hz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10~15kHz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(huì)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(shí)，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(jī)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(shí)自身產(chǎn)生的熱量完全被吸收利用。采用先進(jìn)的變頻技術(shù)，將50Hz的低頻電源轉(zhuǎn)換為10~20kHz的高頻電源，設(shè)備啟動(dòng)后無噪音，使用時(shí)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(hù)環(huán)境和節(jié)能的效果。設(shè)備運(yùn)行時(shí)恒功率，弱電控制強(qiáng)電，軟啟動(dòng)軟停止，無觸點(diǎn)開關(guān)，無啟動(dòng)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(diǎn)溫度值實(shí)時(shí)傳送回控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化控制整個(gè)供熱過程，得到最佳的傳熱結(jié)構(gòu)，實(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)無線溫度傳感器具有唯一的ID編號(hào)，實(shí)際安裝使用時(shí)記錄每個(gè)傳感器的安裝地點(diǎn)，并與編號(hào)一起錄入控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中。傳感器每隔一定時(shí)間（可以事先設(shè)定）自動(dòng)發(fā)射一次監(jiān)測點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)溫度異常立即報(bào)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(jī)出風(fēng)口連接，懸掛于作物上方1.0~1.5m處，風(fēng)帶上每隔1.5~2.0m設(shè)一個(gè)出風(fēng)口，將熱風(fēng)送到整個(gè)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(dòng)運(yùn)行，如果溫室大棚溫度高于設(shè)置溫度，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)低運(yùn)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(huì)自動(dòng)增加運(yùn)行功率，在保證溫度均衡的同時(shí)，確保節(jié)能。系統(tǒng)還可以通過手機(jī)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(jìn)的功能，可滿足個(gè)性化需求。設(shè)備自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，還具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能方便查詢，為日后改進(jìn)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(jī)配合加熱供暖，通過溫度傳感器反饋的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度控制出口溫度和風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)智能化控制整個(gè)供熱過程，得到最佳的傳熱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用最低能耗使作物正常生長。智能電磁熱風(fēng)機(jī)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(dòng)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(shí)施，符合我國當(dāng)前對(duì)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(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和控制實(shí)時(shí)掌握等功能，實(shí)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(shí)，使該設(shè)備滿足山西當(dāng)?shù)囟鹃L時(shí)間、高可靠性的運(yùn)行要求，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

作者:趙華 單位:山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心