馬偉 王秀 齊艷花 姜凱

封閉空間的溫度變化直接影響其內(nèi)部作物的正常生長，對農(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，可以更好的擾動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方面優(yōu)于側(cè)壁式大風(fēng)機(jī)，可以在生產(chǎn)中有針對的選用。

但環(huán)流風(fēng)場的高效使用有諸多問題有待解決。環(huán)流風(fēng)機(jī)的放置和控制對于風(fēng)場的效果有較大影響。另外，多個風(fēng)機(jī)同時啟動時產(chǎn)生的瞬時功率過大，會對整個溫室電路穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊。這些對風(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)?個風(fēng)機(jī)對氣流加速，風(fēng)機(jī)加速的氣流和擾動的空氣到達(dá)第2個風(fēng)機(jī)后繼續(xù)加速，再到第3個風(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。一個溫室可根據(jù)寬度和溫室栽培密度同時布置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)動產(chǎn)生驅(qū)動氣流，按照逆時針或順時針方向運(yùn)動的氣流，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；二是通過分組啟動風(fēng)機(jī)避免同時啟動多組風(fēng)機(jī)引發(fā)電流過大帶來的安全問題。傳統(tǒng)控制方式同時啟動1個溫室的風(fēng)機(jī)，在對靜止氣流加速時，按照1個風(fēng)機(jī)80 W計算，1個溫室16～24個風(fēng)機(jī)，額定功率就是1.28～1.92 kW，風(fēng)機(jī)的電機(jī)啟動瞬間需要3～4 kW的負(fù)載，對于一般溫室基地的照明電路來說可能會超負(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)計首要因素是考慮穩(wěn)定和安全。要解決多個風(fēng)機(jī)同時啟動時產(chǎn)生的瞬間功率峰值的問題?？梢曰陔姽る娐房刂?，結(jié)構(gòu)比較簡單，成本較低。如果需要通過計算機(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，3組風(fēng)機(jī)控制信號時序如圖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)計手冊中有許多典型電路可以參考，可以根據(jù)具體的需要對典型電路進(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，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個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。PLC按由上而下的順序依次地掃描用戶程序（梯形圖），對由觸點(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存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?？赏ㄟ^程序靈活的控制三個分組的電機(jī)，M1組、M2組和M3組輪流交替獨(dú)立動作。圖4是該控制系統(tǒng)的梯形圖。

除了設(shè)計為間歇分組工作模式，根據(jù)電路負(fù)載能力設(shè)計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)計為同一組內(nèi)的多個風(fēng)機(jī)輪流依次啟動作業(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，都可以充分在前一個風(fēng)機(jī)加速氣流基礎(chǔ)上繼續(xù)加速，同時可避開啟動瞬間的大電流問題，一舉兩得。其他類似的作業(yè)模式可根據(jù)需要安排，單個環(huán)流風(fēng)機(jī)的控制屬于電機(jī)基本知識，其電路在普通電機(jī)手冊或文獻(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)、長子營鎮(zhèn)、青云店鎮(zhèn)等五十多個基地安裝了環(huán)流風(fēng)場調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對于設(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)用測試發(fā)現(xiàn)，啟動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)值計算模擬和多年實(shí)際作物測產(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)，有效降低勞動強(qiáng)度，并且具備推廣價值。

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.