氣霧栽培式家庭植物工廠營養液循環與管理系統設計

楊學坤

摘要?針對氣霧栽培式家庭植物工廠生產對營養液循環及管理的要求，開發了以自吸泵、恒溫機、紫外線消毒燈為執行設備的營養液循環與管理系統，實現了對營養液EC值、pH、溫度的監測以及營養液溫度控制。結果表明：系統正常運行狀態下，營養液溫度調控平均響應速度大于1.43?℃/?h，控制偏差小于?0.4?℃，營養液的EC值和pH均處于控制范圍內。系統動作準確、性能穩定可靠，能夠滿足家庭植物工廠生長所需環境要求。

關鍵詞?家庭植物工廠;營養液;自動控制;氣霧栽培

中圖分類號?S317?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）03-0209-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.056

Abstract?Aiming?at?the?requirements?of?nutrient?solution?circulation?and?management?in?the?production?of?aerosol?culture?family?plant?factory，?a?nutrient?solution?circulation?and?management?system?with?selfpriming?pump，?constant?temperature?machine?and?ultraviolet?disinfection?lamp?as?the?implementation?equipment?was?developed?to?monitor?the?EC?value，?pH?and?temperature?of?the?nutrient?solution?and?control?the?temperature?of?the?nutrient?solution.?The?test?results?showed?that?the?average?response?speed?of?nutrient?solution?temperature?regulation?was?greater?than?1.43?℃/?h，?the?control?deviation?was?less?than?0.4?℃，?and?the?EC?value?and?pH?of?the?nutrient?solution?were?within?the?control?range.?The?system?had?accurate?operation，?stable?and?reliable?performance，?and?could?meet?the?environmental?requirements?for?the?growth?of?family?plant?plants.

Key?words?Domestic?plant?factories;Nutrient?solution;Automatic?control;Aerosol?culture

營養液栽培（nutriculture）是一種利用營養液栽培植物的方法，是家庭植物工廠的主要栽培方式，具有省工、節水、省肥等優點，避免了土壤栽培經常出現的土傳病害和鹽類堆積以及由此引起的連作障礙和各種病害[1]。目前使用最普及的有DFT（深液流）和氣霧栽培2種栽培模式，這2種模式均可采用封閉式營養液自動循環系統進行植物栽培的全過程管理，在家庭植物工廠中多以深液流方式為主，氣霧栽培還較為鮮見[2-3]。

學者們借鑒人工光型植物工廠的設計經驗，在家庭植物工廠營養液循環與控制系統的設計方面開展了大量的研究工作，多以單片機作為核心控制單元，采集pH、EC值、液溫、液位等營養液因子，如冷凝器、加熱棒、泵、供液電磁閥等執行設備實現對營養液液溫、pH、EC值的調控，這些研究多基于水培系統進行設計開發[4-7]。

結合家庭植物工廠生產的農藝獨特性，在借鑒前人經驗的基礎上，筆者設計開發了家庭營養液循環與管理系統，實現對家庭植物工廠生產過程中影響作物生長的溫度、EC值、pH及液位等營養液因子的監測與控制。

1?總體方案設計

1.1?控制系統總體結構

根據家庭植物工營養液循環與管理系統功能需求，設計系統總體結構如圖1所示。系統分為主控單元、信息采集單元和執行控制單元組成。營養液信息采集單元的各傳感器采集營養液的溫度、EC值、pH及液位信息傳送到主控單元，主控單元按照控制策略通過運算、判別后輸出控制信號，通過繼電器驅動自吸泵、恒溫器、紫外線消毒燈等執行設備，對營養液因子進行監測和控制。

系統采用MHW6070-1212?MR-6AD型觸摸屏PLC一體機作為系統控制器，集觸摸屏顯示和PLC控制于一體，PLC兼容三菱FX2N系列，采用7寸觸摸屏，具有光耦隔離的12路開關量輸入和12路開關量輸出;支持6路4～20?mA模擬量信號輸入，具有485?通訊口，支持?MODBU?RTU?通信協議;為了避免接觸式液位傳感器受到水垢或其他雜物影響而造成動作失靈，系統選用XKC-Y26-V型非接觸式液位傳感器，安裝于容器外壁，無需對容器開孔、不與液體直接接觸，感應管壁厚度可達20?mm，不受強酸、強堿等腐蝕性液體的腐蝕以及水垢或其他雜物影響，輸出電流1～100?mA，響應時間500?ms，誤差為±1.5?mm。選用LT-CG-S/Y-005-A0700-12?溶液EC（鹽分）、溫度二合一傳感器，輸出2路4～20?mA?模擬信號，溶液溫度為-40～80?℃，溶液?EC值為0～10?mS/cm，溶液溫度精度控制在±0.5?℃，溶液EC值精度控制在±3%;選用?D144型溶液pH傳感器測量精度，精度控制在±0.1，測量范圍為0～14。

1.2?系統結構

家庭植物工廠的栽培區分為上下兩層，栽培箱（圖2a所示）為一個900?mm×600?mm×200?mm的箱體，營養液循環與控制系統由營養液箱、紫外線消毒燈、自吸泵、液位開關、EC值傳感器、pH值傳感器、液溫傳感器及進水管路、回水管路、霧化噴頭等輔件構成。營養液箱用于存儲營養液;自吸泵用于從營養液箱內抽取營養液并提供系統所需的水壓;進水管路連接自吸泵與霧化噴頭，并通過霧化噴頭將營養液進行霧化，使得植物根系處于霧氣中而獲取水肥。回水管路與栽培單元箱體相連接，將營養液重新收集回營養液箱內。為了避免營養液箱內細菌的滋生，在營養液內設置紫外線消毒燈;同時，為了避免系統因營養液不足引發種植失敗，在營養液箱內設置2個液位傳感器。

2?硬件選型

2.1?噴頭選型

氣霧栽培系統中，霧化噴頭是其中關鍵部件之一，直接關系到設備運行效果，其選型尤為關鍵，噴霧角度（θ）、噴霧直徑（D）、噴嘴距離被噴物體的距離（H）、重疊部分的寬度（O）、噴嘴間的間距（P）以及噴霧液滴大小主要指標如圖3所示。

噴嘴按噴霧形狀分為空心錐形、實心錐形、扇形、直線型4種形式，按噴嘴個數又可分為單出口和多出口等多種形式，如圖4所示。根據設備需要選用五出口霧化噴嘴，取θ=170°。按照噴嘴矩陣式排列的要求，可得：

在該裝置中，噴嘴距離被噴物體的距離H=46?mm，噴射面積要求覆蓋420?mm×800?mm的矩形。分別將數值代入上述公式中，D=521.8?mm，P=369.0?mm，O=152.8?mm。由公式（4）和（5）可得，m=0.72，n=1.98，取m=1，n=2，即長度方向布置2個噴嘴，寬度方向布置1個噴嘴可滿足要求。因此，選擇連接螺紋為0.63?cm的五出口霧化噴頭，材質為PP+POM，工作壓力為1.5～3.0?kg/cm2，流量為0.67～1.50?L/min，出水孔徑為0.8?mm，霧滴大小為80～200?μm。為了保證霧化效果，系統設計時選擇工作壓力為2.5?kg/cm2，流量為1.2?L/min，即系統總流量為4.8?L/min。其典型連接方式見圖5所示，噴頭安裝在三通上，三通間以47軟管連接，47軟管為PE材料，內徑d支=4?mm，外徑D支=7?mm，系統所用47軟管總長度L支=1.3?m。

2.2?管道選型

管道是營養液循環的通道，通過液壓系統最高工作壓力及最大通過流量來選擇管路材質、內徑大小和壁厚。目前，通常采用PVC-U管材，具有較好的抗拉和抗壓強度;管壁光滑，對流體的阻力很小，其輸水能力可比同等管徑的鑄鐵管提高20%[8];具有很好的耐酸性、耐堿性、和耐腐蝕性，不需任何防腐處理;具有良好的水密性，可直接采用粘接或橡膠圈連接，使用和維護都很方便。

管道內徑按公式（6）進行計算。

式中，d表示管的內徑（mm）;q系統為管內流量（L/min），q系統=4.8?L/min;v為管中營養液的流速（m/s），一般取0.1～0.5?m/s，取v=0.1?m/s，可得d=7.8?mm。因此，選用規格為20的PVC-U管材，其內徑為d主=16?mm，外徑為D主=20?mm，額定壓力為16.3?kg/cm2。

2.3?自吸泵的選型

自吸泵屬自吸式離心泵，具有結構緊湊、運行平穩、維護方便等特點。自吸泵為噴霧系統提供持續且穩定的水壓，以滿足霧化噴頭的工作要求。

按照特性系數法，可以確定第二層種植區最末端噴頭沿程壓力損失、局部壓力損失和流量損失最大，為最不利噴頭，其工作壓力P0=245?kPa，流量q0=1.2?L/min。自吸泵的供水壓力可表示如下：

式中，P沿程表示沿程壓力損失;P局部表示沿程壓力損失，按照《自動噴水滅火系統設計規范》（GB?50084—2001），局部壓力損失取沿程壓力損失的20%;H表示最不利噴頭距離自吸泵供水口的高程差，因此H=8.24?kPa。

根據哈森威廉斯公式，P沿程可以表示如下：

式中，d表示管道內徑，d支=4?mm，d主=16?mm;L表示管道長度，L支=1.3?m，L主≈1.7?m;C表示哈森-威廉姆斯系數，取C=150;q系統表示系統流量，q系統=4.8?L/min=0.288?m3/h。由此可得P支_沿程=44.35?kPa，P支_局部=8.63?kPa，P主_沿程=0.29?kPa，P主_局部=0.06?kPa，則泵的壓力P泵=305.77?kPa。因此，選用0142HD-24-60型微型隔膜水泵，功率為60?W，工作壓力為804?kPa，流量為5?L/min，4分接口。

2.4?貯液箱的設計

貯液箱的主要功用是貯存營養液，同時箱體還具有散熱、沉淀污物、消毒、加溫等作用。貯液箱用厚度為10?mm的雪弗板（PVC發泡板）黏接而成，結構如圖5所示。貯液箱中間設有2個隔板，用來將吸液管與回液管隔離開，以阻擋沉淀雜物及回液管產生的泡沫;貯液箱蓋板也用10?mm的雪弗板制造，用以安裝吸液管和回液管等部件。在蓋板上設有注液口，用以加注營養液。貯液箱側面開有小孔與大氣相通;油箱側面裝有2個非接觸式液位傳感器，用以指示貯液箱內液面的高度;貯液箱底部裝有泄液孔并用硅膠密封圈密封，用以在系統維護時進行排液和排污。

貯液箱的有效容積（即液面高度為貯液箱高度80%時的容積）是維持系統營養液循環系統連續工作的重要保障，一般按自吸泵的額定流量q泵按照以下公式進行估算：

式中，V有效為貯液箱的有效容積（L）;q泵為自吸泵的額定流量（L/min），q泵=5?L/min;ξ為與系統壓力有關的經驗數字（低壓系統ξ=2～4，中壓系統ξ=5～7，高壓系統ξ=10～12），該系統為低壓系統，選ξ=4。因此，貯液箱的有效容積V有效=20?L，總容積V總=24?L。根據系統空間，確定貯液箱的外形尺寸為400?mm×350?mm×300?mm，估算其容積為35.2?L，符合設計要求。

2.5?紫外線消毒燈的選型

無土栽培的營養液要循環使用，在使用過程中會受到腐霉菌、疫霉菌等菌類以及煙草花葉病毒的侵入，以致番茄枯萎病、黃瓜疫病的發生，營養液的封閉循環方式不太適合化學藥劑的使用，因此，對于營養液的消毒多采用紫外線、臭氧、加熱、過濾、過氧化氫、氯氣、碘等物理消毒方法，目前以紫外消毒方式為主，其具有殺菌速度快、效率高、效果好、設備體積小、能耗低等特點[9-10]。其工作原理如下：采用波長為253.7?nm的紫外線通過光化學反應將細菌等微小的有機體的結構破壞，從而實現殺菌滅毒的效果。在紫外線消毒過程中，營養液的流量和紫外線能量是主要的控制指標，試驗表明在流量小于18?L/h且紫外線能量密度大于430?mJ/cm2時，其殺菌滅毒的效果才會顯現。該設計采用的是TUV水下潛水紫外線殺菌燈（圖6），其功率為30?W，能量密度為612?mJ/cm2?（在0.2?m處測得，1?μW/cm2=3.6?mJ/cm2），可以滿足需求。

2.6?恒溫機選型

研究表明，營養液溫度控制在一定范圍內對作物生長和干物質累積具有明顯的促進作用，且不會影響作物的品質。根據營養液貯液箱容積，系統選用JMC-2型恒溫機（圖7），既可以加熱，又可以制冷，功率為108?W，溫度范圍可在4～30?℃內設置，可將營養液溫度控制在設定溫度內。

3?軟件設計

3.1?控制策略

與大型植物工廠不同的是，家庭植物工廠由于空間狹小，無法布置A液罐、B液罐、酸液罐、堿液罐等母液罐，營養液的成分無法調節，營養液由用戶配置完成后，按時注入貯液箱內;系統監測到的EC值和pH超過控制范圍后，系統通過觸摸屏和警報器向用戶發出超限報警，由用戶根據系統指示進行相應工作;營養液的循環由自吸泵定時啟停來實現，啟動頻率為3次/時;系統通過紫外線消毒燈的定時開關對營養液進行消毒以避免營養液中細菌的滋生，09：00—15：00開啟;系統通過恒溫機對營養液液溫進行調控。由于采用氣霧栽培方式，無需對營養液的溶氧進行監測和控制。

3.2?程序設計

系統程序設計采用三菱電機GX?Works2?PLC軟件平臺，以梯形圖作為編程語言，按照結構化工程的編程方式。程序包括主程序、數據處理子程序、輸出控制子程序等部分。主程序是程序的主干，是程序的入口，其主要的任務是設置主程序的起始點、對系統初始化、調用各子程序、控制事件循環，當退出程序時恢復系統的原始環境。系統運行時，首先啟動主程序，然后再由主程序調用子程序和其他組件，其流程如圖8所示。

主程序完成初始化工作，進行數據采集，判斷液位開關是否有信號輸入（即液位是否到達低限），如果為否，則根據采集值與設定值的比較結果，決定是否調用輸出控制子程序，完成各種控制量的輸出;如果為是，則進行液位報警，以上流程循環往復不斷執行。

4?性能測試

為驗證所設計家庭植物工廠營養液控制與管理性能，在北京農業職業學院機電工程學院搭建了氣霧栽培式家庭植物工廠。2019?年12月至2020年3月，在系統內進行了生菜和苜蓿草栽培試驗，在實際生長過程中驗證及測試控制系統的工作效果。營養液溫度的控制范圍為（21±1）℃，pH的控制范圍為（6.5±0.4），EC值的控制范圍為（3.2±0.5）mS/cm。生菜和苜蓿草在該系統調控下長勢良好，生菜和苜蓿草栽培效果如圖9所示。

4.1?液溫控制

栽培室內生菜處于幼苗期，營養液溫度控制目標為（21±1）℃。試驗采集2020年1月10日00：00—24：00的試驗數據，每15?min?讀取1次溫度值。液溫控制試驗結果如圖10所示。

由圖10可知，栽培室溫度在恒溫器的控制下，營養液溫度可以被控制在設定區間內，隨著控制時間的延長，營養液溫度變化有所趨緩，試驗表明營養液溫度調控平均響應速度大于1.43?℃/?h，控制偏差小于?0.4?℃，控制穩定性較好。

4.2?pH和EC值監測

pH的控制范圍為（6.5±0.4），EC值的控制范圍為（3.2±0.5）mS/cm，試驗采集12月8—30日試驗數據，每天分別在0：00、06：00、12：00、18：00記錄4次數值。試驗期間，根據系統報警提示，分別于12月13日和12月25日加注營養液1次，監測結果如圖11所示。

由圖11可知，營養液的EC值和pH均處于控制范圍內。試驗結果表明，EC值超限報警動作準確，EC值和pH的穩定性符合作物要求。

5?結語

為了滿足氣霧栽培式家庭植物工廠作物生產需求，開發了1套營養液循環與管理系統，實現了營養液EC值、pH、溫度的監測以及營養液溫度控制，試驗結果表明所設計系統性能可靠，因素控制平穩，達到設計指標要求。

參考文獻

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