基于PLC变频控制的温室雾化降温系统与试验研究

鲁伟等

摘要[目的]考查在温室中采用不同水压下喷雾降温的效果。[方法]以可编程逻辑控制器、变频器、水泵、触控系统和多路传感器为硬件平台，设计了温室变频雾化装置。试验探索5个不同喷雾频率下，系统的实际降温效果，并在此基础上提出了适合试验温室的喷雾压力。[结果]喷雾压力低于110 kPa（对应喷雾频率为31 Hz）时，降温幅度随着压力的增加而升高，但当喷雾压力大于110 kPa时，随着压力的增加降温效果趋于平滑，而温室内湿度随着压力的增加不断增加，喷头的流量随着压力的升高而近似线性增加。[结论]综合考虑温度和湿度2个因素，该试验温室的最适应喷雾为压力为100～120 kPa。

关键词温室；喷雾降温；PLC；变频器

中图分类号S22文献标识码A文章编号0517-6611（2015）24-311-04

温室中白昼植物生长的最佳温度一般不宜超过30 ℃，达到植物生长的最高温时，植物将停止生长，超过最高温时植物将受到威胁甚至死亡[1]。夏季温室降温一直以来都备受关注[2]。传统的降温方式包括通风、遮阳、机械制冷和蒸发吸热等。其中自然通风降温经济简单，但受地理位置、天氣等影响较大，降温效果受限制；机械通风是使用风机使空气流动，风机的运行和维护费用较高；机械制冷冷凝设备价格高，电能消耗和设备维护也比较昂贵，实际中一般不会采用；遮阳降温是靠温室中的外遮阳和内遮阳来降温，降温性能有限，效果不明显[3]；蒸发吸热是现代温室应用比较广泛的降温方式，如湿帘风机系统、细雾降温系统[4]。很多试验研究了温室喷雾降温效果，但普遍采用单一压强或直接采用高压喷雾方式[5]。该研究以可编程逻辑控制器与触控系统硬件控制平台，设计了温室变压喷雾装置。在试验的基础上，研究喷雾压力对温度和湿度的影响，并给出适合试验温室的喷雾压力。

1变频雾化装置设计

1.1变频雾化装置组成原理

变频雾化装置主要由4部分组成，即传感器、控制器、执行机构和辅助设备。其中传感器包括流量传感器、液位传感器、压力传感器和温湿度传感器；控制器包括下位机PLC控制系统和上位机HMI触控系统；执行机构包括变频器、电磁阀、继电器、水泵等；辅助设备包括进水泵、蓄水箱、过滤器、喷雾管道和喷头等。

如图1所示，下位机为HW36MT3DA型PLC，包括3路数模转换输入和3路模数转换输出，工作性能比较稳定，价格远远低于进口PLC，能够满足温室现场要求；上位机触控系统采用WQTT8048型HMI触控屏。上位机与下位机之间通过RS232接口通信；变频器根据其内部晶体管电路的通断来调整输出电源的电压和频率，从而根据电机的实际需要提供相应的电源电压，选型为康卓KZ1002.2K2型变频调速器；喷雾水泵要求响应速率快，工作电压范围大，系统中选用的功率2.2 kW的JET422.2型电泵，采用离心式叶轮——径向导叶——喷射管的独特结构。其工作原理为：电源接通后，低水位的液体先从泵的进口进入，产生真空，随后经泵增压后排出，排出的液体沿喷灌管路输送到喷管中，在高压推动下从喷管上的各个喷头喷出，根据喷雾压力及喷头类别的不同，产生雾滴直径不同的雾；压力表用于测量入水压力，选用型号BD1001Y的数字式压力表；喷头性能的好坏直接影响到喷雾的效果，该系统选用雾化效果优良、喷洒稳定且防漏滴的十字微喷头。安装在UPVC塑料管材的管路系统终端；继电器由输入电路和输出电路两部分组成，是一种输入端接收控制信号，输出端执行相应命令，以小电流控制大电流的器件。在系统中，将继电器输入端与PLC的I/O接口相连，输出端与执行设备相连，就可以通过PLC发出的命令实现设备的自动控制功能。为了实现对多个执行设备的控制需求，选用的是松乐SRD系列的8路继电器模块；温湿度测量为奥松AQ3005Y电压型温湿度变送器，该电容式传感器，内部采用AM2305作为温湿度测量部件，配以稳定可靠的信号处理电路，将温度与湿度信号转变为对应的电压信号，方便控制部件的读取，具有功耗低、可靠性高、使用方便等优点。25 ℃环境下测量仪器精度：温度±0.3 ℃，相对湿度±2%；分辨率：温度0.1 ℃，相对湿度0.1%。系统的组成还包括温室上空的管路系统和过滤器等。安装效果如图2所示。

1.2变频雾化装置控制电路

变频雾化装置控制电路如图3所示。控制器上位机为HMI触控系统，下位机为PLC控制器。其中温湿度传感器、压力传感器和液位传感器为模拟信号，接入PLC的模数接口AD1、AD2和AD3，流量传感器为脉冲信号接入开关量接口，进水开关和喷雾开关接入X00和X01端口。下位机驱动变频器、水泵等执行机构。触摸屏通过RS232接口连接下位机PLC。 通过HMI触摸屏可以直接对下位PLC进行设置指令和驱动执行。

1.3系统软件设计

变频喷雾装置的软件编程包括HMI触摸屏人机界面上位机软件的编程和PLC下位机控制程序设计2部分。

43卷24期鲁 伟等基于PLC变频控制的温室雾化降温系统与试验研究

1.3.1人机界面设计。

上位机编程环境为WQT Designer 440组态软件。变频控制系统通过RS232接口连接下位机PLC控制器，实时显示与存储喷雾信息。可触控设置喷雾时间、进水量和喷雾压力（频率）等参数和查询历史存储数据和当前工作状态。

1.3.2PLC控制程序设计。

下位机编程环境为hwStar V5.78软件，采用梯形图编写。如图4所示，系统上电初始化后在HMI触摸屏上设置工作压力和水箱水位，若液位传感器检测到液位未达到预定值则继续向水箱里注水，液位达到时开启喷雾。压力传感器闭环检测压力是否达到设定值，流量传感器计量总的喷水量，若达到设定流量则电磁阀关闭，自动停止喷雾。为了使装置更易操作，还设置了手动的喷雾过程。

2试验内容

2.1變压喷雾降温的基本原理

变频雾化装置的降温原理主要是利用水蒸发吸热的原理。水分蒸发的快慢主要与3方面因素有关。第1是液体表面的温度；第2是液体与气体间接触表面积的大小；第3是液体表面气体流动速度的大小。在试验的过程中为了保证液体表面温度大小相同，试验选取室外晴朗，风力大致相同的天气进行。试验时为了增加降温效果，即保证液体表面气体流动速度，外遮阳展开，天窗打开。液体与气体间的接触表面积是试验中的自变量，随着喷雾压力的增加，雾化程度增加，雾滴颗粒直径越来越小，液体与气体接触表面积也增加。

2.2试验方法

试验地点为南京农业大学工学院博远楼楼顶温室。该温室东西向跨度16.0 m，南北向跨度8.0 m，脊高4.2 m，顶高5.2 m，面积128 m，覆盖物为4 mm 浮法玻璃，透光率大于88%[6]。具有内、外遮阳、天窗、滴灌和喷淋系统。试验时间为2015年5月11至2015年5月20日，试验时温室内生长的植物株高为30 cm的青椒苗。

试验选在气温高于30 ℃的晴朗天气的13点左右。如图5所示，温室中共有4行喷雾管道，每行10个喷头，两头装备区不设置喷头[7]。为了使测试温度更均匀[8]，在温室中设置6个点进行测量（见图5），测量高度为距离植物冠层上方约30 cm[9]。试验采用上述的变频雾化装置，频率共5组变化值分别为22、27、31、34和36 Hz，对应管道水压为80、100、110、130和150 kPa[10]。系统开启前记录当前温室的各项参数，每次喷雾的持续时间为2 min，从系统启动开始，每2 min记录当前室内的温湿度值，共计30 min，观察室内温湿度的变化情况。

3结果与分析

进入5月后南京已渐渐步入夏日，室外最高气温达25 ℃，温室内常常超过30 ℃。温室内11时至15时平均气温在30 ℃以上，是喷雾降温的集中时间段。

从多组试验数据中选择比较有代表性的5组，对6个点的温度和湿度取平均值。绘制图6、7和表1。从图6可以看出，在一定的压强范围内，降温幅度随着压力的增加而升高，但压强在110 kPa以上时温度降幅增加不明显；随着压力的增加湿度的增幅不断增加。从表1中可知，当喷雾压力为80 kPa时降温效果不是很明显，温度降低0.83 ℃，19 min左右温度又回升到初始值（后文简称回温时间）。并且试验过程中观查到雾滴落在叶片上，同时地面也变得潮湿，不易挥发；100 kPa时温度降幅为1.40 ℃，比80 kPa温度降幅增加了40.7%，回温时间31 min，降温效果相对可观。同时观查到地面大部分被打湿，但由于雾滴相对较小，容易挥发；110 kPa处理时温度降幅为2.52 ℃，与80 kPa处理比温度降幅增加了80%，回温时间27 min（回温时间小于100 kPa处理，其原

因可能是压力较大，雾滴相对较细，容易挥发），降温效果比较可观，

地面较少被打湿，且很快挥发。110 kPa后湿度增加比较明显，最大相对湿度增幅达42.1%。综合考虑温度和湿度2个因素，压力超过110 kPa后温度降幅变化增加不明显的原因可能是压力增大后，喷雾量增加，雾滴数目更多，空气中有大量悬浮的颗粒，蒸发吸热几乎达最大状态，继续增加喷雾压力会使雾滴数目更多，湿度值一直保持在较高水平。若是温室初始温度较高，很容易使温室处于高湿度状态。因此喷雾压力过低或过高都达不到较好的降温效果，试验温室的最佳喷雾压力为100～120 kPa。

4结论

（1） 变频雾化装置安装简单、价格低廉。采用多路模拟量和开关量接口的可编程控制器，结合触控操作系统，实现对温室变压喷雾各执行设备的驱动。

（2） 对荷兰 Venlo 型玻璃温室在自然通风状况下使用变频雾化装置进行变压喷雾降温。喷雾后，在一定压力范围降温幅度随着压力的增加而增大，最大降温幅度达2.52 ℃，能够达到降温的目的。

（3） 在压力升高到110 kPa后，继续增加喷雾压力降温幅度增加不明显，湿度增加比较明显，温室长时间处于高湿度状态。这是因为总的喷水量较大，大量的雾滴悬浮在空气中长时间不能散去。虽然悬浮的雾滴不断蒸发吸收了热量使回温时间有所增加，但温室地面和空气都比较潮湿，且水流量较大，浪费了水资源。因此试验温室的最佳喷雾压力为100～120 kPa。

参考文献

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