封閉環(huán)流風場調節(jié)控制系統的開發(fā)

馬偉 王秀 齊艷花 姜凱

封閉空間的溫度變化直接影響其內部作物的正常生長，對農作物的品質和產量產生重要影響。溫室由于其封閉的特性，升溫速度遠超過室外，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，最終導致作物減產。通過人工風場的氣流調節(jié)可以達到通風和調節(jié)溫度的雙重目的，在溫室生產中得到普遍的應用。布置多點環(huán)流風機實現分布式氣流風場，可以更好的擾動溫室封閉空間的氣流，氣流分布的均勻性、風量大小適宜性、距離作物有效距離三個方面優(yōu)于側壁式大風機，可以在生產中有針對的選用。

但環(huán)流風場的高效使用有諸多問題有待解決。環(huán)流風機的放置和控制對于風場的效果有較大影響。另外，多個風機同時啟動時產生的瞬時功率過大，會對整個溫室電路穩(wěn)定性產生沖擊。這些對風機作業(yè)效率和安全有影響的關鍵因素，是調節(jié)控制系統需要解決的問題。

原理

根據溫室進風口大小和樣式不同，環(huán)流風機的懸掛點位置和懸掛高度也要有所改變。一般說來，進風口部位留有3～5 m的空間，布置第1個風機，然后根據風機的風速參數間隔6～10 m布置1個風機，一組風機可選擇排列成直線，其送風方向相同。當第1個風機對氣流加速，風機加速的氣流和擾動的空氣到達第2個風機后繼續(xù)加速，再到第3個風機，依次下去，最終達到多組風機的氣流接力加速的作用，減少扇葉的氣流阻力，提高風機效率，節(jié)省能源。一個溫室可根據寬度和溫室栽培密度同時布置3組或更多組風機。風機軸向送風方向和進風口水平，高度在2 m以上，以免碰到作業(yè)人員。第1組風機形成的氣流受到溫室最里側山墻阻擋后，氣流反向繼續(xù)被第2組風機加速，多組風機連續(xù)加速，最終在封閉空間促進穩(wěn)定大風場的形成。

通過在作物上方多點布置環(huán)流風機的驅動產生驅動氣流，按照逆時針或順時針方向運動的氣流，增強熱量的擴散，有利于蒸發(fā)和調節(jié)濕度[1]。通過計算風量和溫室內單位風量的降溫能力，能準確調節(jié)溫度變化范圍，達到減少病害的目的。風機布置要根據溫室進風口的特點和溫室內部結構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)流風機的控制有2層意思：一是通過分組控制確保能產生和利用上述的氣流風場；二是通過分組啟動風機避免同時啟動多組風機引發(fā)電流過大帶來的安全問題。傳統控制方式同時啟動1個溫室的風機，在對靜止氣流加速時，按照1個風機80 W計算，1個溫室16～24個風機，額定功率就是1.28～1.92 kW，風機的電機啟動瞬間需要3～4 kW的負載，對于一般溫室基地的照明電路來說可能會超負荷，出現安全隱患。

控制系統開發(fā)

控制系統要面向生產實踐，其設計首要因素是考慮穩(wěn)定和安全。要解決多個風機同時啟動時產生的瞬間功率峰值的問題。可以基于電工電路控制，結構比較簡單，成本較低。如果需要通過計算機或者人機界面遠程可視化控制，可以開發(fā)基于PLC的控制系統。按照將電機分為3組，每組風機3～10個，3組風機控制信號時序如圖2所示。

基于電工電路搭建的控制系統主要是電路邏輯的分析。基本的用法在電路設計手冊中有許多典型電路可以參考，可以根據具體的需要對典型電路進行增減，增加并聯回路指示燈[2]。環(huán)流風機如為二路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)控制系統電路。

基于PLC的控制系統其擴展性更好。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)，其具備冗余設計，斷電保護等優(yōu)點，有利于在農業(yè)復雜環(huán)境下應用。以西門子SIMATIC系列為例。程序寫入PLC后可脫機獨立運行。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），對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)。可通過程序靈活的控制三個分組的電機，M1組、M2組和M3組輪流交替獨立動作。圖4是該控制系統的梯形圖。

除了設計為間歇分組工作模式，根據電路負載能力設計其他模式也有助于實際生產中充分利用環(huán)流風機的有效功率。如設計為同一組內的多個風機輪流依次啟動作業(yè)模式，或者間隔奇數位置電機和偶數位置電機啟動，都可以充分在前一個風機加速氣流基礎上繼續(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)模式可根據需要安排，單個環(huán)流風機的控制屬于電機基本知識，其電路在普通電機手冊或文獻中多有介紹[2]，這里不再贅述。

應用

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)流風場調節(jié)系統，對于設施栽培的溫度調節(jié)和通風增產發(fā)揮一定作用。由于農業(yè)基地的供電系統無法承載過大啟動電流，因此調節(jié)系統有效的適應這一要求。實際生產中的應用測試發(fā)現，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 ℃，初步試驗結果表明達到預期效果，但最佳的布置和控制方案還需要封閉空間空氣流體數值計算模擬和多年實際作物測產試驗數據驗證，本文未能涉及該分析。有一點可以肯定，通過調節(jié)控制系統可以更加靈活的控制通風，有效降低勞動強度，并且具備推廣價值。

參考文獻

[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.