封闭环流风场调节控制系统的开发

马伟 王秀 齐艳花 姜凯

封闭空间的温度变化直接影响其内部作物的正常生长，对农作物的品质和产量产生重要影响。温室由于其封闭的特性，升温速度远超过室外，过快的升温和过高的温度会损害植物顶部、叶片等脆弱部位，最终导致作物减产。通过人工风场的气流调节可以达到通风和调节温度的双重目的，在温室生产中得到普遍的应用。布置多点环流风机实现分布式气流风场，可以更好的扰动温室封闭空间的气流，气流分布的均匀性、风量大小适宜性、距离作物有效距离三个方面优于侧壁式大风机，可以在生产中有针对的选用。

但环流风场的高效使用有诸多问题有待解决。环流风机的放置和控制对于风场的效果有较大影响。另外，多个风机同时启动时产生的瞬时功率过大，会对整个温室电路稳定性产生冲击。这些对风机作业效率和安全有影响的关键因素，是调节控制系统需要解决的问题。

原理

根据温室进风口大小和样式不同，环流风机的悬挂点位置和悬挂高度也要有所改变。一般说来，进风口部位留有3～5 m的空间，布置第1个风机，然后根据风机的风速参数间隔6～10 m布置1个风机，一组风机可选择排列成直线，其送风方向相同。当第1个风机对气流加速，风机加速的气流和扰动的空气到达第2个风机后继续加速，再到第3个风机，依次下去，最终达到多组风机的气流接力加速的作用，减少扇叶的气流阻力，提高风机效率，节省能源。一个温室可根据宽度和温室栽培密度同时布置3组或更多组风机。风机轴向送风方向和进风口水平，高度在2 m以上，以免碰到作业人员。第1组风机形成的气流受到温室最里侧山墙阻挡后，气流反向继续被第2组风机加速，多组风机连续加速，最终在封闭空间促进稳定大风场的形成。

通过在作物上方多点布置环流风机的驱动产生驱动气流，按照逆时针或顺时针方向运动的气流，增强热量的扩散，有利于蒸发和调节湿度[1]。通过计算风量和温室内单位风量的降温能力，能准确调节温度变化范围，达到减少病害的目的。风机布置要根据温室进风口的特点和温室内部结构以及温室栽培作物的高度决定。图1是逆时针气流的示意图。

环流风机的控制有2层意思：一是通过分组控制确保能产生和利用上述的气流风场；二是通过分组启动风机避免同时启动多组风机引发电流过大带来的安全问题。传统控制方式同时启动1个温室的风机，在对静止气流加速时，按照1个风机80 W计算，1个温室16～24个风机，额定功率就是1.28～1.92 kW，风机的电机启动瞬间需要3～4 kW的负载，对于一般温室基地的照明电路来说可能会超负荷，出现安全隐患。

控制系统开发

控制系统要面向生产实践，其设计首要因素是考虑稳定和安全。要解决多个风机同时启动时产生的瞬间功率峰值的问题。可以基于电工电路控制，结构比较简单，成本较低。如果需要通过计算机或者人机界面远程可视化控制，可以开发基于PLC的控制系统。按照将电机分为3组，每组风机3～10个，3组风机控制信号时序如图2所示。

基于电工电路搭建的控制系统主要是电路逻辑的分析。基本的用法在电路设计手册中有许多典型电路可以参考，可以根据具体的需要对典型电路进行增减，增加并联回路指示灯[2]。环流风机如为二路220V普通照明用交流电路，可以去掉B路的接线。其控制顺序见图2，图3是分区间歇作业控制系统电路。

基于PLC的控制系统其扩展性更好。PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件。它的连线大大减少。从安全和稳定角度出发，其具备冗余设计，断电保护等优点，有利于在农业复杂环境下应用。以西门子SIMATIC系列为例。程序写入PLC后可脱机独立运行。其工作过程一般分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。PLC按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图），对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。可通过程序灵活的控制三个分组的电机，M1组、M2组和M3组轮流交替独立动作。图4是该控制系统的梯形图。

除了设计为间歇分组工作模式，根据电路负载能力设计其他模式也有助于实际生产中充分利用环流风机的有效功率。如设计为同一组内的多个风机轮流依次启动作业模式，或者间隔奇数位置电机和偶数位置电机启动，都可以充分在前一个风机加速气流基础上继续加速，同时可避开启动瞬间的大电流问题，一举两得。其他类似的作业模式可根据需要安排，单个环流风机的控制属于电机基本知识，其电路在普通电机手册或文献中多有介绍[2]，这里不再赘述。

应用

北京大兴区魏善庄镇、长子营镇、青云店镇等五十多个基地安装了环流风场调节系统，对于设施栽培的温度调节和通风增产发挥一定作用。由于农业基地的供电系统无法承载过大启动电流，因此调节系统有效的适应这一要求。实际生产中的应用测试发现，启动瞬间的电路超载跳闸问题能够得到避免，降温速度明显加快、温度最高值平均下降2～5 ℃，初步试验结果表明达到预期效果，但最佳的布置和控制方案还需要封闭空间空气流体数值计算模拟和多年实际作物测产试验数据验证，本文未能涉及该分析。有一点可以肯定，通过调节控制系统可以更加灵活的控制通风，有效降低劳动强度，并且具备推广价值。

参考文献

[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.