周長(zhǎng)吉（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125）

卷簾機(jī)的發(fā)明是中國(guó)日光溫室技術(shù)發(fā)展史上一項(xiàng)里程碑的技術(shù)創(chuàng)新，但卷簾機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)卻遲遲沒(méi)有跟進(jìn)。雖然目前種植者借助卷簾機(jī)已經(jīng)基本擺脫了對(duì)保溫被“手拉腳踹”的人力卷放時(shí)代，但對(duì)卷簾機(jī)控制還大都停留在人工操控電閘的初始電動(dòng)控制階段。在人類進(jìn)入電氣設(shè)備智能化控制的時(shí)代后，日光溫室卷簾機(jī)還未踏入自動(dòng)化的階段，從另一個(gè)層面也說(shuō)明了中國(guó)日光溫室現(xiàn)代化的道路還很漫長(zhǎng)。

2020 年11 月24～30 日筆者隨中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)設(shè)施園藝工程專業(yè)委員會(huì)專家團(tuán)考察甘肅設(shè)施農(nóng)業(yè)，走到甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)施果品生產(chǎn)基地時(shí)不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)這里的科研人員在默默地研究和開發(fā)日光溫室卷簾機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。拉了幾位志同道合者脫離大團(tuán)隊(duì)開始詳細(xì)了解和剖析這套具有日光溫室劃時(shí)代進(jìn)步代表性的創(chuàng)新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所在張掖試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)施果品生產(chǎn)基地的科技人員與當(dāng)?shù)匾粋€(gè)名為張掖市眾智眾創(chuàng)科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的。事實(shí)上，他們的開發(fā)之路也是從傳統(tǒng)的手動(dòng)控制起步的。

傳統(tǒng)的手動(dòng)控制方法是在卷簾機(jī)的支撐連桿上（圖1a）或在溫室的山墻上安裝手動(dòng)控制開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)卷被電機(jī)的“正轉(zhuǎn)”“反轉(zhuǎn)”和“停”三個(gè)功能的手動(dòng)控制。這種控制方法需要操作人員在卷簾機(jī)運(yùn)行過(guò)程中始終守候在開關(guān)旁邊并注意觀察保溫被的卷放位置，待保溫被卷放到設(shè)定位置后再手動(dòng)撥動(dòng)開關(guān)把柄，切斷電源停止卷簾機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種控制方法雖然大幅降低了卷放保溫被的勞動(dòng)強(qiáng)度，但并沒(méi)有節(jié)省人力資源，卷簾機(jī)卷放過(guò)程中必須始終有操作人員就地在崗守候，一般卷放一次保溫被的時(shí)間在10 min 左右，每天卷放一個(gè)來(lái)回實(shí)際上就是20 min 左右的勞動(dòng)時(shí)間。除了浪費(fèi)勞動(dòng)時(shí)間外，在寒冷的冬季操作者需要在室外作業(yè)，也直接影響著勞動(dòng)者的身心健康。

圖1 傳統(tǒng)的日光溫室卷簾機(jī)控制方法

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的第一步是選擇和安裝限位器，即在保溫被卷放到設(shè)定位置后能自主觸發(fā)限位器開關(guān)，自動(dòng)切斷電源，控制卷簾機(jī)自動(dòng)停機(jī)。卷放保溫被要求至少安裝2 套限位器，一套安裝在溫室屋脊位置，用于控制保溫被的“卷?！保涣硪惶装惭b在溫室前基礎(chǔ)部位，用于控制保溫被的“放?！?。安裝限位器與手動(dòng)開關(guān)配合控制卷簾機(jī)的啟閉，至少可節(jié)省操作人員打開開關(guān)等待卷簾機(jī)到位后再人工關(guān)停卷簾機(jī)的時(shí)間，這種控制方式稱為半自動(dòng)控制。之所以稱為半自動(dòng)控制是因?yàn)檫€需要人工撥動(dòng)控制開關(guān)啟動(dòng)卷簾機(jī)運(yùn)行。全自動(dòng)控制則是安裝室內(nèi)外傳感器，通過(guò)對(duì)傳感器信號(hào)的編程控制自動(dòng)啟動(dòng)卷簾機(jī)，從而徹底擺脫人工操控，并實(shí)現(xiàn)按照控制目標(biāo)的精準(zhǔn)控制。

不論是半自動(dòng)控制還是全自動(dòng)控制，限位器是控制系統(tǒng)首要解決的問(wèn)題。早期研究日光溫室保溫被控制系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)的工業(yè)用限位器——搖臂式行程開關(guān)。這種開關(guān)的控制原理是當(dāng)保溫被卷放到行程開關(guān)位置時(shí)觸碰開關(guān)上的搖臂，搖臂實(shí)際上是一根杠桿，當(dāng)搖臂的一端（主動(dòng)端）受力發(fā)生位移后將同時(shí)帶動(dòng)另一端（被動(dòng)端）向相反的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。搖臂的主動(dòng)端露出開關(guān)盒，當(dāng)保溫被卷放過(guò)程中觸碰到主動(dòng)端后，將撬動(dòng)杠桿隱藏在開關(guān)盒內(nèi)被動(dòng)端發(fā)生運(yùn)動(dòng)，由此接通控制電路切斷卷簾機(jī)電路控制卷簾機(jī)停機(jī)或者直接切斷卷簾機(jī)電路控制其停機(jī)。

但研究和實(shí)踐均發(fā)現(xiàn)，由于觸碰行程開關(guān)主動(dòng)端的日光溫室保溫被是柔性的，當(dāng)保溫被觸碰到行程開關(guān)主動(dòng)端時(shí)不能即刻推動(dòng)其發(fā)生位移，也就是說(shuō)，行程開關(guān)的觸發(fā)時(shí)間經(jīng)常會(huì)滯后于保溫被的卷停時(shí)間，由此而造成保溫被不能精準(zhǔn)卷停在行程開關(guān)設(shè)定位置，出現(xiàn)保溫被過(guò)卷而壓斷行程開關(guān)主動(dòng)端造成行程開關(guān)損壞并失效的現(xiàn)象（圖1b），甚至?xí)霈F(xiàn)保溫被卷過(guò)溫室屋脊發(fā)生過(guò)卷的“翻車”事故。

為了避免這種“翻車”事故的發(fā)生，即使對(duì)手動(dòng)控制的卷簾機(jī)控制系統(tǒng)，也經(jīng)常在溫室的屋脊位置安裝一排擋桿（圖1c），當(dāng)控制系統(tǒng)失靈后可阻擋保溫被將其停靠在擋桿前。這種方法雖然增加了設(shè)置擋桿的成本，但也避免了由于卷簾機(jī)過(guò)卷造成保溫被“翻車”給后期的維修以及由于保溫被無(wú)法卷放而使日光溫室夜間無(wú)法保溫給生產(chǎn)種植帶來(lái)的巨大損失。

鑒于搖臂式行程開關(guān)存在控制失靈的風(fēng)險(xiǎn)，甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所張掖試驗(yàn)基地的科研人員和張掖市眾智眾創(chuàng)科技有限公司聯(lián)合研究開發(fā)了適合日光溫室保溫被感應(yīng)和控制的多種限位開關(guān)。以下逐一進(jìn)行介紹。

屋脊位保溫被“卷停”限位開關(guān)

針對(duì)日光溫室保溫被卷起后被卷大而軟的特點(diǎn)，研究者設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)臂桿大行程的開關(guān)搖臂，并將這種搖臂做成近45°角的曲臂杠桿，在兩臂轉(zhuǎn)角連接點(diǎn)處設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)，用懸空支桿將其懸掛在溫室屋脊保溫被停卷的控制位置。曲臂桿的一側(cè)為主動(dòng)臂，是觸碰保溫被卷的臂桿；另一側(cè)為被動(dòng)臂，在其端部安裝了一個(gè)觸碰柄，用該觸碰柄二次觸發(fā)控制電路的行程開關(guān)（圖2a）。這種方法實(shí)際上是用了一種二次傳遞的方法間接地觸發(fā)了控制電路的行程開關(guān)。由于控制電路的行程開關(guān)安裝在支撐曲臂杠桿的水平懸桿上，其位置高于保溫被被卷的直徑，因此保溫被在卷放過(guò)程中無(wú)法觸及到電路控制行程開關(guān)，此外，二次傳遞的曲臂杠桿其被動(dòng)臂上的觸碰柄是剛性材料，觸碰電路控制行程開關(guān)后不會(huì)發(fā)生自身變形而帶來(lái)延時(shí)觸發(fā)開關(guān)的問(wèn)題，所以也就徹底消除了控制開關(guān)觸碰失靈的問(wèn)題。

圖2 屋脊位“卷?！毕尬婚_關(guān)

為保證控制開關(guān)處于常開位置，曲臂杠桿的主動(dòng)端臂桿長(zhǎng)度比被動(dòng)端臂桿的長(zhǎng)度長(zhǎng)，在自身重力作用下主動(dòng)端臂桿處于正常下垂?fàn)顟B(tài)，由此帶動(dòng)安裝在曲臂杠桿被動(dòng)臂桿上的觸碰柄脫離電路控制行程開關(guān)，這就是保溫被展開后不觸碰曲臂杠桿主動(dòng)臂桿的狀態(tài)（圖2b）。當(dāng)保溫被卷起時(shí)，隨著保溫被被卷的上卷，將推動(dòng)曲臂杠桿主動(dòng)臂桿向后屋面方向轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)曲臂杠桿的被動(dòng)臂桿向上轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)被動(dòng)臂桿上的觸碰柄轉(zhuǎn)動(dòng)觸碰到電路控制行程開關(guān)的觸桿后，帶動(dòng)觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)接通控制電路切斷動(dòng)力電源使卷簾機(jī)停機(jī)（圖2c）。當(dāng)保溫被重新展開后，曲臂杠桿在自身重力的作用下主動(dòng)臂桿重新回位到自由下垂位置，再次將其被動(dòng)臂上的觸碰柄脫離電路控制行程開關(guān)的觸桿，電路控制行程開關(guān)重新恢復(fù)到原位，等待下一次的觸碰。

這種控制開關(guān)采用了2 套杠桿，或者說(shuō)在傳統(tǒng)工業(yè)行程開關(guān)的基礎(chǔ)上增配了一套適合大直徑柔軟被卷觸發(fā)的曲臂杠桿，用二次傳遞觸碰的方法有效解決了柔性保溫被卷觸碰開關(guān)后不能即刻斷開電路的問(wèn)題，這是該控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的創(chuàng)新。

前基礎(chǔ)保溫被“放?！毕尬婚_關(guān)

上述屋脊處控制保溫被卷停的限位器同樣也適用于控制保溫被展開后的放?？刂?，只是限位器開關(guān)放置的位置由溫室的屋脊處更換到了溫室前基礎(chǔ)外的地面（圖3）。為了更可靠地控制保溫被的放停，曲臂杠桿的主動(dòng)側(cè)臂桿還采用了平行的雙臂結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)卷被軸彎曲可能造成的行程誤差。

圖3 溫室基礎(chǔ)前沿保溫被“放?！毕尬婚_關(guān)

在參觀的過(guò)程中看到這種限位開關(guān)實(shí)際上處于閑置廢棄狀態(tài)，要么可能是限位開關(guān)離保溫被展開后的卷被軸距離太遠(yuǎn)，要么可能是限位開關(guān)不能將保溫被放停在保溫被完全覆蓋溫室前屋面的密封位置。

屋面限位開關(guān)

為了解決好保溫被展開后的放停限位，研究者創(chuàng)新發(fā)明了一種安裝在屋面上的限位控制開關(guān)。這種控制開關(guān)采用了一根固定在屋面拱架上可以上懸轉(zhuǎn)動(dòng)的條形壓板來(lái)傳遞保溫被展開與卷起的狀態(tài)（圖4），在該壓板的活動(dòng)端安裝有一個(gè)用重力錘平衡力矩的二連桿機(jī)構(gòu)（圖5），該機(jī)構(gòu)由一塊特制的曲柄鋼板和一根支桿組成（圖6）。曲柄鋼板在其肘部用一個(gè)轉(zhuǎn)軸將其固定在溫室骨架的內(nèi)側(cè)，曲柄的一端安裝拉拽屋面壓板的支桿，另一端安裝電路控制開關(guān)的觸碰板，支桿的另一端連接屋面壓板的活動(dòng)端。

圖4 屋面限位開關(guān)的屋面壓板

圖5 屋面限位開關(guān)的二連桿結(jié)構(gòu)

圖6 屋面限位開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)保溫被展開時(shí)，在卷被軸和保溫被卷的共同壓力下，將屋面壓板下壓平貼到溫室屋面，在此過(guò)程中通過(guò)連接在壓板活動(dòng)端的連桿撬動(dòng)曲柄鋼板使曲柄鋼板的活動(dòng)開關(guān)觸碰板向上旋轉(zhuǎn)并最終與固定安裝在屋面拱桿上的固定開關(guān)觸碰板接觸，從而接通控制電路，控制卷簾機(jī)停機(jī)；當(dāng)保溫被卷起時(shí)，由于屋面壓板失去壓力，二連桿在重力錘的作用下將屋面壓板頂起（圖4a、圖5a），曲柄鋼板上的活動(dòng)開關(guān)觸碰板與屋面拱桿上安裝的固定開關(guān)觸碰板脫離，控制電路開關(guān)斷開，等待下一次觸發(fā)。限位開關(guān)運(yùn)行和控制過(guò)程請(qǐng)掃描二維碼觀看視頻（圖7）。

圖7 屋面限位開關(guān)運(yùn)行視頻

活動(dòng)開關(guān)觸碰板和固定開關(guān)觸碰板實(shí)際上是一對(duì)“子母板”，是本項(xiàng)技術(shù)限位開關(guān)中的電路控制開關(guān)。該電路控制開關(guān)實(shí)際上是一套干簧管傳感器，其工作原理如圖8a。將兩片彈簧片相隔一定間距封裝在一個(gè)裝有惰性氣體的封閉套管內(nèi)，兩端接出連接線與控制電路相連。該彈簧片封裝套管固定安裝在屋面拱桿上，為不動(dòng)開關(guān)觸碰板。在沒(méi)有外力作用下，兩根彈簧片處于分離狀態(tài)，控制電路處于斷開狀態(tài)。當(dāng)在外力作用下將兩片彈簧片的端部相接觸后，則接通控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制線路的斷通。實(shí)現(xiàn)彈簧片接觸并接通控制電路的外力來(lái)自于安裝在曲柄鋼板一端（活動(dòng)開關(guān)觸碰板）的永磁鐵。當(dāng)永磁鐵貼近彈簧片時(shí)，利用磁力將兩片彈簧片吸合，從而實(shí)現(xiàn)了接通干簧管內(nèi)連接電路的作用。因此，這套傳感系統(tǒng)是2 件套（圖8b），其中的吸鐵片安裝在曲柄鋼板上，彈簧管及控制線路則安裝在溫室骨架上。為了增加控制系統(tǒng)的安全性，設(shè)計(jì)在具體的控制設(shè)備上安裝了2 套單簧管傳感器（圖5c、圖6b）。

圖8 干簧管傳感器的工作原理與實(shí)物

屋面限位開關(guān)，由于安裝在溫室屋面上，當(dāng)控制開關(guān)被卷放的保溫被觸發(fā)后，如果即刻切斷電路，則保溫被將無(wú)法繼續(xù)卷放到溫室的前沿基礎(chǔ)，由此將無(wú)法全面密封溫室前屋面。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在實(shí)際控制電路中采用了行程開關(guān)觸發(fā)控制開關(guān)后延遲切斷卷簾機(jī)運(yùn)行電路的策略。在卷簾機(jī)及其控制系統(tǒng)安裝的過(guò)程中，根據(jù)溫室前屋面骨架的形狀、卷簾機(jī)的轉(zhuǎn)速、行程開關(guān)安裝的位置、保溫被的厚度及展開后被卷的初始直徑等參數(shù)調(diào)整切斷電源的滯后時(shí)間，保證保溫被完全覆蓋溫室前屋面后鎖定控制系統(tǒng)。在卷簾機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)有保溫被卷放不到位時(shí)，可隨時(shí)調(diào)整控制系統(tǒng)切斷電源的滯后時(shí)間。