一種新型集裝箱植物工廠營養液輸送裝置研發與應用

封喜雷

摘 要： 集裝箱植物工廠采用營養液給植物生長提供營養，營養液的輸送對于集裝箱植物工廠非常重要。研究開發了一種新型集裝箱植物工廠營養液輸送裝置，包括營養液箱裝置、肥料輸送裝置、營養液輸送檢測裝置、給水裝置、回液輸送裝置和自動控制裝置，使營養液輸送實現了自動化控制，具有清洗方便、節能環保等優點。

關鍵詞： 營養液箱;肥料輸送裝置;營養液輸送裝置;回液裝置;自動控制裝置

中圖分類號： S316? ? ? ? ?文獻標識碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.018

0 引言

植物工廠里，植物的栽培方式主要是營養液栽培[1]。營養液栽培是利用營養液栽培植物的方法，這種方法不用土壤作為培養基質，而是將作物直接種植在裝有一定量營養液的栽培裝置中，或是種植在以砂、礫石、蛭石、珍珠巖、稻殼、爐渣、巖棉、蔗渣等非天然土壤為基質材料、采用營養液灌溉的栽培床上[2]，營養液全部由營養液輸送裝置供給。傳統營養液輸送裝置存在清洗困難、外觀差、布局不合理、占空間等缺點。因此研發一種新型集裝箱植物工廠營養液輸送裝置很有必要。

1 總體方案設計

集裝箱植物工廠是由標準的40尺集裝箱高柜改造而成，前端安裝有防盜門，距防盜門2 m處增加隔斷墻形成種植間和設備間，防盜門與隔斷墻之間區域為設備間。營養液箱布置在設備間靠近防盜門右側（如圖 1 所示）。

供液泵、回液泵依次放置在營養液箱下面，供液泵進液口與營養液箱底部出液口相連，供液泵出口與營養液輸送管路相連，營養液輸送管路上有EC和pH值檢測支路和攪拌支路，檢測支路上安裝有EC傳感器和pH傳感器;攪拌支路上安裝有球閥和攪拌電磁閥，支路與營養液箱相通。輸送管路上安裝有輸送電磁閥、過濾器、紫外線消毒器，管路穿過隔斷墻分成2路分別給左右栽培槽供液。回液泵入口與回液收集管相連，在泵的入口前安裝有流量計來自動控制泵的啟停，泵出口與營養液箱相連。肥料桶放置在營養液箱上面，底部出液管上安有電動球閥，打開電動球閥，肥料自動流入營養液箱內。

2 新型營養液輸送裝置系統設計

2.1 營養液箱裝置設計

新型營養液箱采用304不銹鋼鋼板焊接而成，結構如圖2所示，主要包括桶體、支架、肥料桶導向板等，桶體頂部開3個500 mm×215 mm清洗口，相鄰清洗口中間位置焊接了肥料桶導向板，支架焊接在桶體上。回液口、攪拌進液口、營養液出口、給水口、排污口、液位計接口、溫度計接口分別焊接在桶體上。排污口焊接在營養箱底部。經過計算營養液箱有效容積如式（1）所示

V營養液箱 =a1b1h1

=0.8×0.6×1.045

=0.516 m3?（1）

式中? V營養液箱—營養液箱有效容積，m3;

a1—營養液箱長度，m;

b1—營養液箱寬度，m;

h1—營養液箱高度，m。

營養液箱有效容積>0.5 m3滿足設計要求。

2.2 肥料輸送裝置設計

新型肥料輸送裝置采用304不銹鋼材質，結構如圖3所示，主要包括桶蓋、肥料桶和電動球閥，肥料桶（酸、A肥、B肥）放置在營養液箱上面，電動球閥安裝在肥料輸送管上，打開電動球閥肥料能自動流入營養液箱內，電動球閥的電線通過穿線口k接到電線快插接頭上，方便配液操作。肥料桶有效容積如式（2）所示

V肥料桶 =a2b2h2

=0.6×0.264×0.195

=0.031 m3?（2）

式中? V肥料桶—肥料桶有效容積，m3;

a2—肥料桶長度，m;

b2—肥料桶寬度，m;

h2—肥料桶高度，m。

肥料桶有效容積>0.03 m3滿足設計要求。

2.3 營養液輸送裝置設計

營養液輸送裝置結構如圖4所示，主要包括有：輸送泵、EC傳感器、pH傳感器、攪拌電磁閥、過濾器、紫外線消毒器和輸送電磁閥。輸送泵為營養液輸送提供動力，攪拌電磁閥和輸送電磁閥控制營養液的攪拌和輸送。pH是水（溶液）中的酸堿度，營養液的pH維持在5.5～6.5之間有利于多數植物生長，因此營養液的工作溶液一般進行pH調節[2]。電導率（EC）是指示溶液中離子濃度的重要指標，在一定濃度范圍內，溶液含鹽量與電導率呈密切的正相關。所以，電導率能反映溶液中鹽分含量的高低[3]。pH值通過加酸液或堿液進行調控，EC值通過加水或原液進行調控[4]。所以在營養液輸送檢測管路上安裝了EC傳感器和pH傳感器。營養液的配置采用直接配制法，在配制過程中啟動攪拌電磁閥進行攪拌，縮短配置時間。輸送管路上安裝了紫外線消毒器，該消毒器利用波長為225～275 nm對微生物有強烈的殺滅作用的紫外線，對原水中的微生物進行殺滅[5]。

2.4 給水裝置的設計

給水裝置結構如圖5所示，主要包括有：給水電磁閥、快速接頭、液位計及溫度計。給水管路入口通過快插接頭與自來水供水管相通，給水管路上安裝有給水電磁閥。液位計懸掛在營養液箱上，垂直深入營養液箱底部，靠壓力檢測水位的高度。溫度計固定在營養液箱下部，測量營養液的溫度。這樣設計實現了自動給水控制。

2.5 回液裝置的設計

回液裝置結構如圖6所示，主要包括有：回液泵、回液收集管、過濾器、流量計和手動球閥。回液泵布置在營養液箱下面，為回收液回到營養液箱提供動力。回液收集管路采用DN50管材，同時具備輸送和儲存回收液功能， 回液泵入口處安裝流量計，自動控制泵的啟停。

2.6 自動控制裝置設計

自動控制裝置結構主要包括安裝在輸送管路檢測支路上EC傳感器和pH傳感器、安裝在營養液箱上的液位傳感器和溫度傳感器、電氣控制系統三部分組成，電氣控制系統結構如圖7所示，主要包括電控柜、觸摸屏、EC值顯示器、pH值顯示器、PLC模塊、接觸器、繼電器等組成，電控柜安裝在空調外機罩背面螺桿上，用螺母固定。觸摸屏、EC值顯示器、pH值顯示器固定在電控柜面板上，PLC模塊、接觸器、繼電器固定在電控柜內。

3 新型營養液輸送裝置試驗

3.1 原始料液配比

肥料桶內A肥、B肥和酸按稀釋比例和水進行配比，攪拌均勻后把肥料桶放置在營養液箱上面。原始料液參數如表 1所示。

3.2 灌溉參數設定

打開觸摸屏進入參數設定界面進行參數設定，如圖8所示，灌溉參數設定值如表2所示。

3.3 自動配肥試驗

液位計檢測到低液位設定值時輸出信號，自動打開供水電磁閥，給營養液箱供水，當液位達到最大加水液位設定值時液位計輸出信號，關閉供水電磁閥。自動打開攪拌電磁閥，啟動營養液輸送泵，自動打開肥料輸送電動球閥，當EC傳感器和pH傳感器檢測到營養液的EC值和pH值達到設定值范圍內，關閉肥料輸送電動球閥，打開營養液輸送電磁閥，關閉攪拌電磁閥，開始給栽培槽輸送營養液，當營養液液面達到設定值時關閉營養液輸送泵，對栽培槽內營養液進行EC和pH值測定。測定試驗數據及電控柜上EC和pH值顯示器實時顯示值如表 3所示。

3.4 自動回液試驗

營養液需要每周進行更換，啟動營養液輸送泵，用新的營養液置換栽培槽內營養液。栽培槽內營養液由出液口匯入回液收集管，當回液收集管上流量計檢測到有水流過時，回液泵自動啟動，把回收液泵回營養液箱內，滿足使用要求。

4 結論

新型營養液輸送裝置經過試驗測試能夠滿足設計使用要求，而且與傳統營養液輸送裝置性能相比具有很大優勢，傳統營養液箱如圖 9所示，采用PVC材質，做成長方體結構，放置在底層栽培架下面，與營養液連接的都采用UPVC硬管，營養液箱不能移動，在進行清洗時操作極不方便。肥料輸送裝置如圖10所示，3只肥料桶放置地板上，3只肥料泵固定在肥料桶上面的側墻上，肥料輸送主要靠肥料泵進行輸送。

而新型營養液輸送裝置取消了肥料泵，肥料桶放在營養液箱上面，肥料靠重力自動流入營養液箱內，降低了成本，節約了電能;營養液箱布置設備間里，騰出了栽培架下部空間，栽培架下只有一根DN50回液管，這樣栽培架整體可以下降300 mm左右的距離，增大了頂部空間，方便工人操作。新型與傳統營養液輸送裝置綜合性能 指標對比如表4所示。經過對比新型營養液箱設計結構合理、清洗方便、節能環保、布局合理等優點，滿足使用要求，促 進了集裝箱植物工廠的發展。

參考文獻：

[1]? 李東星，田真，王浚峰，等.植物工廠營養液循環再利用裝備的研究應用[J].農業工程，2011，1（1）：46-51.

[2] 楊其長，魏靈玲，劉文科，等.植物工廠系統與實踐[M].北京：化學工業出版社，2012.

[3] 郭世榮.無土栽培學[M].北京：中國農業出版社，2003.

[4] 王多輝，毛罕平，謝明崗.植物工廠自動控制系統軟件設計[J].江蘇理工大學學報，1997（4）：7-11.

[5] 李東星，周增產，卜云龍，等.集裝箱植物工廠研制與試驗[J].農業工程，2016，6（6）：78-83+87.