魯偉等

摘要[目的]考查在溫室中采用不同水壓下噴霧降溫的效果。[方法]以可編程邏輯控制器、變頻器、水泵、觸控系統(tǒng)和多路傳感器為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了溫室變頻霧化裝置。試驗(yàn)探索5個(gè)不同噴霧頻率下，系統(tǒng)的實(shí)際降溫效果，并在此基礎(chǔ)上提出了適合試驗(yàn)溫室的噴霧壓力。[結(jié)果]噴霧壓力低于110 kPa（對(duì)應(yīng)噴霧頻率為31 Hz）時(shí)，降溫幅度隨著壓力的增加而升高，但當(dāng)噴霧壓力大于110 kPa時(shí)，隨著壓力的增加降溫效果趨于平滑，而溫室內(nèi)濕度隨著壓力的增加不斷增加，噴頭的流量隨著壓力的升高而近似線性增加。[結(jié)論]綜合考慮溫度和濕度2個(gè)因素，該試驗(yàn)溫室的最適應(yīng)噴霧為壓力為100～120 kPa。

關(guān)鍵詞溫室；噴霧降溫；PLC；變頻器

中圖分類號(hào)S22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）24-311-04

溫室中白晝植物生長(zhǎng)的最佳溫度一般不宜超過(guò)30 ℃，達(dá)到植物生長(zhǎng)的最高溫時(shí)，植物將停止生長(zhǎng)，超過(guò)最高溫時(shí)植物將受到威脅甚至死亡[1]。夏季溫室降溫一直以來(lái)都備受關(guān)注[2]。傳統(tǒng)的降溫方式包括通風(fēng)、遮陽(yáng)、機(jī)械制冷和蒸發(fā)吸熱等。其中自然通風(fēng)降溫經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，但受地理位置、天氣等影響較大，降溫效果受限制；機(jī)械通風(fēng)是使用風(fēng)機(jī)使空氣流動(dòng)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較高；機(jī)械制冷冷凝設(shè)備價(jià)格高，電能消耗和設(shè)備維護(hù)也比較昂貴，實(shí)際中一般不會(huì)采用；遮陽(yáng)降溫是靠溫室中的外遮陽(yáng)和內(nèi)遮陽(yáng)來(lái)降溫，降溫性能有限，效果不明顯[3]；蒸發(fā)吸熱是現(xiàn)代溫室應(yīng)用比較廣泛的降溫方式，如濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、細(xì)霧降溫系統(tǒng)[4]。很多試驗(yàn)研究了溫室噴霧降溫效果，但普遍采用單一壓強(qiáng)或直接采用高壓噴霧方式[5]。該研究以可編程邏輯控制器與觸控系統(tǒng)硬件控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)了溫室變壓噴霧裝置。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究噴霧壓力對(duì)溫度和濕度的影響，并給出適合試驗(yàn)溫室的噴霧壓力。

1變頻霧化裝置設(shè)計(jì)

1.1變頻霧化裝置組成原理

變頻霧化裝置主要由4部分組成，即傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備。其中傳感器包括流量傳感器、液位傳感器、壓力傳感器和溫濕度傳感器；控制器包括下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)和上位機(jī)HMI觸控系統(tǒng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括變頻器、電磁閥、繼電器、水泵等；輔助設(shè)備包括進(jìn)水泵、蓄水箱、過(guò)濾器、噴霧管道和噴頭等。

如圖1所示，下位機(jī)為HW36MT3DA型PLC，包括3路數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入和3路模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出，工作性能比較穩(wěn)定，價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口PLC，能夠滿足溫室現(xiàn)場(chǎng)要求；上位機(jī)觸控系統(tǒng)采用WQTT8048型HMI觸控屏。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)RS232接口通信；變頻器根據(jù)其內(nèi)部晶體管電路的通斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，從而根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要提供相應(yīng)的電源電壓，選型為康卓KZ1002.2K2型變頻調(diào)速器；噴霧水泵要求響應(yīng)速率快，工作電壓范圍大，系統(tǒng)中選用的功率2.2 kW的JET422.2型電泵，采用離心式葉輪——徑向?qū)~——噴射管的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。其工作原理為：電源接通后，低水位的液體先從泵的進(jìn)口進(jìn)入，產(chǎn)生真空，隨后經(jīng)泵增壓后排出，排出的液體沿噴灌管路輸送到噴管中，在高壓推動(dòng)下從噴管上的各個(gè)噴頭噴出，根據(jù)噴霧壓力及噴頭類別的不同，產(chǎn)生霧滴直徑不同的霧；壓力表用于測(cè)量入水壓力，選用型號(hào)BD1001Y的數(shù)字式壓力表；噴頭性能的好壞直接影響到噴霧的效果，該系統(tǒng)選用霧化效果優(yōu)良、噴灑穩(wěn)定且防漏滴的十字微噴頭。安裝在UPVC塑料管材的管路系統(tǒng)終端；繼電器由輸入電路和輸出電路兩部分組成，是一種輸入端接收控制信號(hào)，輸出端執(zhí)行相應(yīng)命令，以小電流控制大電流的器件。在系統(tǒng)中，將繼電器輸入端與PLC的I/O接口相連，輸出端與執(zhí)行設(shè)備相連，就可以通過(guò)PLC發(fā)出的命令實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制功能。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)執(zhí)行設(shè)備的控制需求，選用的是松樂(lè)SRD系列的8路繼電器模塊；溫濕度測(cè)量為奧松AQ3005Y電壓型溫濕度變送器，該電容式傳感器，內(nèi)部采用AM2305作為溫濕度測(cè)量部件，配以穩(wěn)定可靠的信號(hào)處理電路，將溫度與濕度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，方便控制部件的讀取，具有功耗低、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。25 ℃環(huán)境下測(cè)量?jī)x器精度：溫度±0.3 ℃，相對(duì)濕度±2%；分辨率：溫度0.1 ℃，相對(duì)濕度0.1%。系統(tǒng)的組成還包括溫室上空的管路系統(tǒng)和過(guò)濾器等。安裝效果如圖2所示。

1.2變頻霧化裝置控制電路

變頻霧化裝置控制電路如圖3所示。控制器上位機(jī)為HMI觸控系統(tǒng)，下位機(jī)為PLC控制器。其中溫濕度傳感器、壓力傳感器和液位傳感器為模擬信號(hào)，接入PLC的模數(shù)接口AD1、AD2和AD3，流量傳感器為脈沖信號(hào)接入開(kāi)關(guān)量接口，進(jìn)水開(kāi)關(guān)和噴霧開(kāi)關(guān)接入X00和X01端口。下位機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器、水泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。觸摸屏通過(guò)RS232接口連接下位機(jī)PLC。 通過(guò)HMI觸摸屏可以直接對(duì)下位PLC進(jìn)行設(shè)置指令和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。

1.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

變頻噴霧裝置的軟件編程包括HMI觸摸屏人機(jī)界面上位機(jī)軟件的編程和PLC下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)2部分。

43卷24期魯 偉等基于PLC變頻控制的溫室霧化降溫系統(tǒng)與試驗(yàn)研究

1.3.1人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

上位機(jī)編程環(huán)境為WQT Designer 440組態(tài)軟件。變頻控制系統(tǒng)通過(guò)RS232接口連接下位機(jī)PLC控制器，實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)噴霧信息?？捎|控設(shè)置噴霧時(shí)間、進(jìn)水量和噴霧壓力（頻率）等參數(shù)和查詢歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和當(dāng)前工作狀態(tài)。

1.3.2PLC控制程序設(shè)計(jì)。

下位機(jī)編程環(huán)境為hwStar V5.78軟件，采用梯形圖編寫(xiě)。如圖4所示，系統(tǒng)上電初始化后在HMI觸摸屏上設(shè)置工作壓力和水箱水位，若液位傳感器檢測(cè)到液位未達(dá)到預(yù)定值則繼續(xù)向水箱里注水，液位達(dá)到時(shí)開(kāi)啟噴霧。壓力傳感器閉環(huán)檢測(cè)壓力是否達(dá)到設(shè)定值，流量傳感器計(jì)量總的噴水量，若達(dá)到設(shè)定流量則電磁閥關(guān)閉，自動(dòng)停止噴霧。為了使裝置更易操作，還設(shè)置了手動(dòng)的噴霧過(guò)程。

2試驗(yàn)內(nèi)容

2.1變壓噴霧降溫的基本原理

變頻霧化裝置的降溫原理主要是利用水蒸發(fā)吸熱的原理。水分蒸發(fā)的快慢主要與3方面因素有關(guān)。第1是液體表面的溫度；第2是液體與氣體間接觸表面積的大?。坏?是液體表面氣體流動(dòng)速度的大小。在試驗(yàn)的過(guò)程中為了保證液體表面溫度大小相同，試驗(yàn)選取室外晴朗，風(fēng)力大致相同的天氣進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)為了增加降溫效果，即保證液體表面氣體流動(dòng)速度，外遮陽(yáng)展開(kāi)，天窗打開(kāi)。液體與氣體間的接觸表面積是試驗(yàn)中的自變量，隨著噴霧壓力的增加，霧化程度增加，霧滴顆粒直徑越來(lái)越小，液體與氣體接觸表面積也增加。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院博遠(yuǎn)樓樓頂溫室。該溫室東西向跨度16.0 m，南北向跨度8.0 m，脊高4.2 m，頂高5.2 m，面積128 m，覆蓋物為4 mm 浮法玻璃，透光率大于88%[6]。具有內(nèi)、外遮陽(yáng)、天窗、滴灌和噴淋系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí)間為2015年5月11至2015年5月20日，試驗(yàn)時(shí)溫室內(nèi)生長(zhǎng)的植物株高為30 cm的青椒苗。

試驗(yàn)選在氣溫高于30 ℃的晴朗天氣的13點(diǎn)左右。如圖5所示，溫室中共有4行噴霧管道，每行10個(gè)噴頭，兩頭裝備區(qū)不設(shè)置噴頭[7]。為了使測(cè)試溫度更均勻[8]，在溫室中設(shè)置6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)圖5），測(cè)量高度為距離植物冠層上方約30 cm[9]。試驗(yàn)采用上述的變頻霧化裝置，頻率共5組變化值分別為22、27、31、34和36 Hz，對(duì)應(yīng)管道水壓為80、100、110、130和150 kPa[10]。系統(tǒng)開(kāi)啟前記錄當(dāng)前溫室的各項(xiàng)參數(shù)，每次噴霧的持續(xù)時(shí)間為2 min，從系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始，每2 min記錄當(dāng)前室內(nèi)的溫濕度值，共計(jì)30 min，觀察室內(nèi)溫濕度的變化情況。

3結(jié)果與分析

進(jìn)入5月后南京已漸漸步入夏日，室外最高氣溫達(dá)25 ℃，溫室內(nèi)常常超過(guò)30 ℃。溫室內(nèi)11時(shí)至15時(shí)平均氣溫在30 ℃以上，是噴霧降溫的集中時(shí)間段。

從多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選擇比較有代表性的5組，對(duì)6個(gè)點(diǎn)的溫度和濕度取平均值。繪制圖6、7和表1。從圖6可以看出，在一定的壓強(qiáng)范圍內(nèi)，降溫幅度隨著壓力的增加而升高，但壓強(qiáng)在110 kPa以上時(shí)溫度降幅增加不明顯；隨著壓力的增加濕度的增幅不斷增加。從表1中可知，當(dāng)噴霧壓力為80 kPa時(shí)降溫效果不是很明顯，溫度降低0.83 ℃，19 min左右溫度又回升到初始值（后文簡(jiǎn)稱回溫時(shí)間）。并且試驗(yàn)過(guò)程中觀查到霧滴落在葉片上，同時(shí)地面也變得潮濕，不易揮發(fā)；100 kPa時(shí)溫度降幅為1.40 ℃，比80 kPa溫度降幅增加了40.7%，回溫時(shí)間31 min，降溫效果相對(duì)可觀。同時(shí)觀查到地面大部分被打濕，但由于霧滴相對(duì)較小，容易揮發(fā)；110 kPa處理時(shí)溫度降幅為2.52 ℃，與80 kPa處理比溫度降幅增加了80%，回溫時(shí)間27 min（回溫時(shí)間小于100 kPa處理，其原

因可能是壓力較大，霧滴相對(duì)較細(xì)，容易揮發(fā)），降溫效果比較可觀，

地面較少被打濕，且很快揮發(fā)。110 kPa后濕度增加比較明顯，最大相對(duì)濕度增幅達(dá)42.1%。綜合考慮溫度和濕度2個(gè)因素，壓力超過(guò)110 kPa后溫度降幅變化增加不明顯的原因可能是壓力增大后，噴霧量增加，霧滴數(shù)目更多，空氣中有大量懸浮的顆粒，蒸發(fā)吸熱幾乎達(dá)最大狀態(tài)，繼續(xù)增加噴霧壓力會(huì)使霧滴數(shù)目更多，濕度值一直保持在較高水平。若是溫室初始溫度較高，很容易使溫室處于高濕度狀態(tài)。因此噴霧壓力過(guò)低或過(guò)高都達(dá)不到較好的降溫效果，試驗(yàn)溫室的最佳噴霧壓力為100～120 kPa。

4結(jié)論

（1） 變頻霧化裝置安裝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。采用多路模擬量和開(kāi)關(guān)量接口的可編程控制器，結(jié)合觸控操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室變壓噴霧各執(zhí)行設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。

（2） 對(duì)荷蘭 Venlo 型玻璃溫室在自然通風(fēng)狀況下使用變頻霧化裝置進(jìn)行變壓噴霧降溫。噴霧后，在一定壓力范圍降溫幅度隨著壓力的增加而增大，最大降溫幅度達(dá)2.52 ℃，能夠達(dá)到降溫的目的。

（3） 在壓力升高到110 kPa后，繼續(xù)增加噴霧壓力降溫幅度增加不明顯，濕度增加比較明顯，溫室長(zhǎng)時(shí)間處于高濕度狀態(tài)。這是因?yàn)榭偟膰娝枯^大，大量的霧滴懸浮在空氣中長(zhǎng)時(shí)間不能散去。雖然懸浮的霧滴不斷蒸發(fā)吸收了熱量使回溫時(shí)間有所增加，但溫室地面和空氣都比較潮濕，且水流量較大，浪費(fèi)了水資源。因此試驗(yàn)溫室的最佳噴霧壓力為100～120 kPa。

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