一种新型集装箱植物工厂营养液输送装置研发与应用

封喜雷

摘 要： 集装箱植物工厂采用营养液给植物生长提供营养，营养液的输送对于集装箱植物工厂非常重要。研究开发了一种新型集装箱植物工厂营养液输送装置，包括营养液箱装置、肥料输送装置、营养液输送检测装置、给水装置、回液输送装置和自动控制装置，使营养液输送实现了自动化控制，具有清洗方便、节能环保等优点。

关键词： 营养液箱;肥料输送装置;营养液输送装置;回液装置;自动控制装置

中图分类号： S316         文献标识码： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.018

0 引言

植物工厂里，植物的栽培方式主要是营养液栽培[1]。营养液栽培是利用营养液栽培植物的方法，这种方法不用土壤作为培养基质，而是将作物直接种植在装有一定量营养液的栽培装置中，或是种植在以砂、砾石、蛭石、珍珠岩、稻壳、炉渣、巖棉、蔗渣等非天然土壤为基质材料、采用营养液灌溉的栽培床上[2]，营养液全部由营养液输送装置供给。传统营养液输送装置存在清洗困难、外观差、布局不合理、占空间等缺点。因此研发一种新型集装箱植物工厂营养液输送装置很有必要。

1 总体方案设计

集装箱植物工厂是由标准的40尺集装箱高柜改造而成，前端安装有防盗门，距防盗门2 m处增加隔断墙形成种植间和设备间，防盗门与隔断墙之间区域为设备间。营养液箱布置在设备间靠近防盗门右侧（如图 1 所示）。

供液泵、回液泵依次放置在营养液箱下面，供液泵进液口与营养液箱底部出液口相连，供液泵出口与营养液输送管路相连，营养液输送管路上有EC和pH值检测支路和搅拌支路，检测支路上安装有EC传感器和pH传感器;搅拌支路上安装有球阀和搅拌电磁阀，支路与营养液箱相通。输送管路上安装有输送电磁阀、过滤器、紫外线消毒器，管路穿过隔断墙分成2路分别给左右栽培槽供液。回液泵入口与回液收集管相连，在泵的入口前安装有流量计来自动控制泵的启停，泵出口与营养液箱相连。肥料桶放置在营养液箱上面，底部出液管上安有电动球阀，打开电动球阀，肥料自动流入营养液箱内。

2 新型营养液输送装置系统设计

2.1 营养液箱装置设计

新型营养液箱采用304不锈钢钢板焊接而成，结构如图2所示，主要包括桶体、支架、肥料桶导向板等，桶体顶部开3个500 mm×215 mm清洗口，相邻清洗口中间位置焊接了肥料桶导向板，支架焊接在桶体上。回液口、搅拌进液口、营养液出口、给水口、排污口、液位计接口、温度计接口分别焊接在桶体上。排污口焊接在营养箱底部。经过计算营养液箱有效容积如式（1）所示

V营养液箱 =a1b1h1

=0.8×0.6×1.045

=0.516 m3 （1）

式中  V营养液箱—营养液箱有效容积，m3;

a1—营养液箱长度，m;

b1—营养液箱宽度，m;

h1—营养液箱高度，m。

营养液箱有效容积>0.5 m3满足设计要求。

2.2 肥料输送装置设计

新型肥料输送装置采用304不锈钢材质，结构如图3所示，主要包括桶盖、肥料桶和电动球阀，肥料桶（酸、A肥、B肥）放置在营养液箱上面，电动球阀安装在肥料输送管上，打开电动球阀肥料能自动流入营养液箱内，电动球阀的电线通过穿线口k接到电线快插接头上，方便配液操作。肥料桶有效容积如式（2）所示

V肥料桶 =a2b2h2

=0.6×0.264×0.195

=0.031 m3 （2）

式中  V肥料桶—肥料桶有效容积，m3;

a2—肥料桶长度，m;

b2—肥料桶宽度，m;

h2—肥料桶高度，m。

肥料桶有效容积>0.03 m3满足设计要求。

2.3 营养液输送装置设计

营养液输送装置结构如图4所示，主要包括有：输送泵、EC传感器、pH传感器、搅拌电磁阀、过滤器、紫外线消毒器和输送电磁阀。输送泵为营养液输送提供动力，搅拌电磁阀和输送电磁阀控制营养液的搅拌和输送。pH是水（溶液）中的酸碱度，营养液的pH维持在5.5～6.5之间有利于多数植物生长，因此营养液的工作溶液一般进行pH调节[2]。电导率（EC）是指示溶液中离子浓度的重要指标，在一定浓度范围内，溶液含盐量与电导率呈密切的正相关。所以，电导率能反映溶液中盐分含量的高低[3]。pH值通过加酸液或碱液进行调控，EC值通过加水或原液进行调控[4]。所以在营养液输送检测管路上安装了EC传感器和pH传感器。营养液的配置采用直接配制法，在配制过程中启动搅拌电磁阀进行搅拌，缩短配置时间。输送管路上安装了紫外线消毒器，该消毒器利用波长为225～275 nm对微生物有强烈的杀灭作用的紫外线，对原水中的微生物进行杀灭[5]。

2.4 给水装置的设计

给水装置结构如图5所示，主要包括有：给水电磁阀、快速接头、液位计及温度计。给水管路入口通过快插接头与自来水供水管相通，给水管路上安装有给水电磁阀。液位计悬挂在营养液箱上，垂直深入营养液箱底部，靠压力检测水位的高度。温度计固定在营养液箱下部，测量营养液的温度。这样设计实现了自动给水控制。

2.5 回液装置的设计

回液装置结构如图6所示，主要包括有：回液泵、回液收集管、过滤器、流量计和手动球阀。回液泵布置在营养液箱下面，为回收液回到营养液箱提供动力。回液收集管路采用DN50管材，同时具备输送和储存回收液功能， 回液泵入口处安装流量计，自动控制泵的启停。

2.6 自动控制装置设计

自动控制装置结构主要包括安装在输送管路检测支路上EC传感器和pH传感器、安装在营养液箱上的液位传感器和温度传感器、电气控制系统三部分组成，电气控制系统结构如图7所示，主要包括电控柜、触摸屏、EC值显示器、pH值显示器、PLC模块、接触器、继电器等组成，电控柜安装在空调外机罩背面螺杆上，用螺母固定。触摸屏、EC值显示器、pH值显示器固定在电控柜面板上，PLC模块、接触器、继电器固定在电控柜内。

3 新型营养液输送装置试验

3.1 原始料液配比

肥料桶內A肥、B肥和酸按稀释比例和水进行配比，搅拌均匀后把肥料桶放置在营养液箱上面。原始料液参数如表 1所示。

3.2 灌溉参数设定

打开触摸屏进入参数设定界面进行参数设定，如图8所示，灌溉参数设定值如表2所示。

3.3 自动配肥试验

液位计检测到低液位设定值时输出信号，自动打开供水电磁阀，给营养液箱供水，当液位达到最大加水液位设定值时液位计输出信号，关闭供水电磁阀。自动打开搅拌电磁阀，启动营养液输送泵，自动打开肥料输送电动球阀，当EC传感器和pH传感器检测到营养液的EC值和pH值达到设定值范围内，关闭肥料输送电动球阀，打开营养液输送电磁阀，关闭搅拌电磁阀，开始给栽培槽输送营养液，当营养液液面达到设定值时关闭营养液输送泵，对栽培槽内营养液进行EC和pH值测定。测定试验数据及电控柜上EC和pH值显示器实时显示值如表 3所示。

3.4 自动回液试验

营养液需要每周进行更换，启动营养液输送泵，用新的营养液置换栽培槽内营养液。栽培槽内营养液由出液口汇入回液收集管，当回液收集管上流量计检测到有水流过时，回液泵自动启动，把回收液泵回营养液箱内，满足使用要求。

4 结论

新型营养液输送装置经过试验测试能够满足设计使用要求，而且与传统营养液输送装置性能相比具有很大优势，传统营养液箱如图 9所示，采用PVC材质，做成长方体结构，放置在底层栽培架下面，与营养液连接的都采用UPVC硬管，营养液箱不能移动，在进行清洗时操作极不方便。肥料输送装置如图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侧墙上，肥料输送主要靠肥料泵进行输送。

而新型营养液输送装置取消了肥料泵，肥料桶放在营养液箱上面，肥料靠重力自动流入营养液箱内，降低了成本，节约了电能;营养液箱布置设备间里，腾出了栽培架下部空间，栽培架下只有一根DN50回液管，这样栽培架整体可以下降300 mm左右的距离，增大了顶部空间，方便工人操作。新型与传统营养液输送装置综合性能 指标对比如表4所示。经过对比新型营养液箱设计结构合理、清洗方便、节能环保、布局合理等优点，满足使用要求，促 进了集装箱植物工厂的发展。

参考文献：

[1]  李东星，田真，王浚峰，等.植物工厂营养液循环再利用装备的研究应用[J].农业工程，2011，1（1）：46-51.

[2] 杨其长，魏灵玲，刘文科，等.植物工厂系统与实践[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3] 郭世荣.无土栽培学[M].北京：中国农业出版社，2003.

[4] 王多辉，毛罕平，谢明岗.植物工厂自动控制系统软件设计[J].江苏理工大学学报，1997（4）：7-11.

[5] 李东星，周增产，卜云龙，等.集装箱植物工厂研制与试验[J].农业工程，2016，6（6）：78-83+87.