趙 華

（山西省農業(yè)機械發(fā)展中心，山西 太原 03 0031）

0 引言

設施農業(yè)是應用現(xiàn)代農業(yè)工程技術，營造適合植物生長的氣候環(huán)境，提高農業(yè)生產效率的重要成果，為解決農產品季節(jié)性生產起到了重要作用。但設施農業(yè)也是一項能耗產業(yè)，植物的一切生物化學反應，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。雖然我國設施農業(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構仍然是我國農業(yè)設施的主要類型。這種被動調控型溫室結構抵御自然災害的能力較弱，無法實現(xiàn)現(xiàn)代化工業(yè)化生產。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)展和農業(yè)現(xiàn)代化進程的推進，傳統(tǒng)的爐火升溫方式已經不適用于設施農業(yè)的冬季生產，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)領域和民用設備中廣泛使用的一種環(huán)保加熱方式。電磁熱風機以空氣為熱載體，為溫室大棚提供高溫潔凈的熱風，是一種高效節(jié)能的供熱設備，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”的設施農業(yè)溫室大棚中的使用。

傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內部懸掛溫度計，工人依據(jù)讀取的溫度值來調節(jié)大棚內的溫度。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；且隨著農業(yè)產業(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)代化的農業(yè)大棚管理中溫室采暖設備智能控制系統(tǒng)的應用可以很好地控制農業(yè)大棚溫濕度，適應生產需要[3-4]。設施農業(yè)溫室采暖智能控制設備供暖效率高、升溫快，而且供暖面積大，提高了冬暖大棚溫室的供暖效果，達到整個溫室環(huán)境溫度的平衡和穩(wěn)定。

1 研究內容

電磁熱風機屬高科技節(jié)能產品，通過應用空氣動力學及熱能超導控制原理，采用 PLC 全自動恒溫控制技術，輔以創(chuàng)新的工藝設計理念，將電能通過電磁熱感應線圈產生渦流，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機和自動控溫系統(tǒng)，把熱風引進整個溫室大棚內。

在選用電磁熱風機采暖設備的基礎上開發(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)境的目標參數(shù)，計算機根據(jù)傳感器的實際測量值與事先設定的目標值進行比較，以決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應機構進行加熱。計算機自動控制的溫室控制技術實現(xiàn)了生產自動化、精準控溫、遠程控制，適合規(guī)模化生產，勞動生產率得到提高。

設施農業(yè)溫室采暖設備見圖 1。

圖1 設施農業(yè)溫室采暖設備

溫室采暖設備智能控制系統(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)測調節(jié)爐體溫度，PID 閉環(huán)精準自動調節(jié)熱能，可實現(xiàn)熱量按需產生。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)技術實現(xiàn)遠程控制功能。實時 監(jiān) 控 溫 度 和 環(huán) 境 信 息 ， 根 據(jù) 信 息 決 策 控 溫 任 務 ，實現(xiàn)了對溫室內農作物所需溫度的智能控制和管理，提高熱效率。

2 技術指標

（1） 出風口溫度達到設定最高溫度所需時間≤30 min；

（2） 電熱轉化率≥93%。

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

3 溫室采暖設備智能控制系統(tǒng)

設施農業(yè)溫室采暖智能控制設備是在原有電磁感應熱風機的基礎上，加入送風帶、無線遠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。通過使用無線遠傳溫度傳感器采集設施農業(yè)大棚中關鍵節(jié)點的溫度 （依據(jù)大棚種類和面積決定布設的數(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，遠程監(jiān)測控制，指導采暖設備根據(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 電磁感應熱風機

電磁感應熱風機是一種利用電磁感應原理，將電能轉換為磁能的空氣加熱器。380 V，660 V/50 Hz的交流電源經整流電路變成直流電源，再經 IGBT 由控制電路將直流電源轉換成頻率 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生高頻磁場，當交變磁場的磁力線通過鐵磁材質的翅片發(fā)熱管時，鐵磁材質翅片發(fā)熱管在磁場的作用下產生渦流效應，使翅片發(fā)熱管瞬間發(fā)熱，由風機把翅片發(fā)熱管上的熱量帶出，供給連接的風道，通過風道輸送溫室大棚內。電磁發(fā)熱線圈采用內磁結構，無磁場外泄，熱效率高，電磁感應線圈在工作時自身產生的熱量完全被吸收利用。采用先進的變頻技術，將 50 Hz 的 低頻電源轉換為 10～20 kHz的高頻電源，設備啟動后無噪音，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)熱風設備的諸多污染問題，系統(tǒng)無需使用傳輸熱能的管網(wǎng)及介質，真正做到保護環(huán)境和節(jié)能的效果。設備運行時恒功率，弱電控制強電，軟啟動軟停止，無觸點開關，無啟動沖擊電流，使用安全可靠。

3.2 遠傳無線溫度傳感器

通過在首、中、末端配置遠傳無線溫度傳感器，將溫室內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，得到最佳的傳熱結構，實現(xiàn)用最低能耗使作物正常生長。遠傳無線溫度傳感器是集成傳感、無線通信、低功耗等技術的無線傳感網(wǎng)絡產品。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，可根據(jù)現(xiàn)場實際使用情況方便調整安裝的位置。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 送風帶

通過與電磁熱風機出風口連接，懸掛于作物上方 1.0～1.5 m 處，風帶上每隔 1.5～2.0 m 設一個出風口，將熱風送到整個溫室大棚內。

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)設定的溫室大棚溫度自動運行，如果溫室大棚溫度高于設置溫度，控制系統(tǒng)會自動調低運行功率；如果溫室大棚溫度下降到低于設置下限溫度，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 遠程操作控制。

研發(fā)的智能電磁采暖設備控制系統(tǒng)具有較為先進的功能，可滿足個性化需求。設備自動化程度高，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)化生產管理積累寶貴參考數(shù)據(jù)。

4 結語

通過變頻電磁熱風爐與風機配合加熱供暖，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機轉速。采用無線數(shù)據(jù)傳輸模式等技術將供暖場景化數(shù)據(jù)抽象成輸入變量，實現(xiàn)智能化控制整個供熱過程，得到最佳的傳熱結構，實現(xiàn)用最低能耗使作物正常生長。智能電磁熱風機供暖效率高，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換，可以很好地調整內部的溫度和濕度。該技術適宜于北方晝夜溫差較大地區(qū)，設施農業(yè)栽培、養(yǎng)殖大棚、蔬菜園藝等種植業(yè)和畜牧業(yè)等均可推廣應用[5]。

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