温室内电磁阀的分类及选型

尹义蕾 潘守江 侯永 张凌风 李恺 王春辉

随着劳动力成本的不断上升以及农业现代化技术的不断进步，温室园区化经营管理模式不断增多，种植管理面积不断扩大，由于温室自身的环境调节能力，少量多次的灌溉施肥模式有助于农作物产量和品质的提升，温室自动化灌溉施肥技术随之兴起。电磁阀作为自动灌溉系统的关键核心零部件，是降低温室灌溉作业成本和提高灌溉效果的重要装备技术手段，结合控制系统可实现定时、定量、远距离控制以及低成本大面积的自动化灌溉施肥。

电磁阀产业现状

产业空间

当前国内设施农业种植面积达到5000万亩（3.33×106 hm2）以上，目前实现自动灌溉施肥的面积尚不足10%，按照2亩地（1333 m2）1个电磁阀计算，设施园艺种植市场空间在2000万个以上，产值约100亿元，如果考虑绿化和农田灌溉，不难看出电磁阀市场空间的广阔。

技术品牌

国内外灌溉电磁阀的研究与制造均朝着轻便耐用、启闭功率小和抗堵塞性能好的方向发展。目前在农业生产灌溉中使用电磁阀大多以进口电磁阀为主，以欧美、以色列为代表的发达国家灌溉电磁阀由于其高可靠性、长寿命、工作压力范围广、水头损失小、过流量大、结构简单和维修便捷等优点，在全球得到了推广应用，涌现出一批知名世界品牌，如以色列的伯尔梅特、耐特菲姆、多诺特，美国的亨特、雨鸟、托罗、尼尔森等电磁阀。

近几年，国内电磁阀制造技术发展迅速，浙江宁波、福建福州已经成为灌溉电磁阀优势产业聚集区，主要有耀峰、赞臣、华最、四季丰等电磁阀，其中耀峰牌电磁阀已经建立起完善的性能测试平台（图1），可实现对电磁阀水头损失、耐压性和寿命测试的自动检测和数据记录，目前其部分产品自身水头损失的性能指标已经达到甚至超越国外著名品牌。

电磁阀的工作原理及主要类型

工作原理

电磁阀的工作原理一般非常简单，当电磁阀未通电时，阀针（或柱塞）在弹簧的作用下，将阀体的过流通道封闭，电磁阀关闭;当线圈接通电源时，线圈产生磁力，阀针（或柱塞）克服弹簧弹力向上提起，阀内通道打开。灌溉电磁阀一般由电磁头和阀体两部分组成，电磁头是该类阀门最重要的组件之一，其品质决定了阀门能否正常開启关闭，直接影响到控制系统控制效果的好坏，关系到灌溉系统的成败。为降低水头损失，阀体设计时需要使水流尽量保持平直方向，复杂的阀门结构会导致水流改变正常方向，形成紊流，造成较大的水头损失，同时也容易被水中的杂质所堵塞。

主要类型

温室自动化灌溉应用场景复杂，电磁阀种类较多，如果选型不当，容易造成电磁阀不工作，带来经济上巨大损失。通常可以按照阀门制造材质、功能、尺寸、电源类型、控制方式和阀体结构来进行分类，具体详见表1。

衡量灌溉电磁阀性能的主要指标

过流量（水头损失）

过流量即通常所说的阀门的过流能力，在同样的供水压力和流量下，阀门的水头损失越小，则阀门的过流能力越好。因此过流量是考验阀门过流性能的非常重要的水力性能指标。

耐压性

也叫阀门的耐压能力，通常的情况下，塑料阀门的工作压强是1.0 MPa，国家的检测标准密封压力为1.1倍的工作压力，阀体的承压为1.5倍的工作压力。

最小的启动压强

水力控制阀正常工作以保证阀门的正常开启，一般最小启动压强随阀门口径的变大而降低，最小启动压强通常在0.02～0.03 MPa。

开关响应时间

响应时间应当是从加入输入信号的时间起，到输出达到规定值为止的时间，是衡量阀门灵敏度的最重要的指标。

灌溉电磁阀在温室自动灌溉中的

主要通讯控制方式

在温室自动化灌溉中，电磁阀的通讯控制主要有两类，一类是由水肥一体机进行电磁阀的控制，可借助无线或有线控制模式，该种方式是温室应用最多的情况;另一类是专门开发的灌溉控制器进行电磁阀的控制，该模式一般用于传统项目的改造，用户可以在不增加水肥一体机下实现远程阀门控制。

为了降低设备的投入，提高种植的收益，在自动化灌溉中一般都采用轮灌的灌溉模式，当灌溉电磁阀数量过大且位置较远时，科学设计相应的控制模式进行电磁阀的控制就显得更为重要，根据通讯控制的特点可分成以下两类：

有线控制模式

有线控制模式，主要优点是信号稳定，数据不容易丢包，按照技术种类可以分成传统多线制和总线制。其中，传统多线制就是每个电磁阀都有单独控制回路，布线多，技术简单，但是在发生故障时，不容易排查，且在数量较多时，往往会给原来成熟的水肥一体机控制系统带来挑战。总线制在温室自动灌溉领域一般主要是二线解码技术，是将供电线与信号线合二为一，两根线实现通讯兼供电，节省了施工和线缆成本，给现场施工和后期维护带来了极大的便利，尤其是园区规模化数量较大应用时，经济性显著。两种通讯方式的原理示意图见图2，特点见表2。

无线控制模式

无线控制模式由于节省了布线，在一些改造项目和现代化大型设施园区近年来推广迅速，根据目前的技术特点主要有如下3种：

◆LoRa

LoRa通信具有开放性强、长距离、低功耗、无需接线、低成本、个人组网的特点，几乎没有后续维护费用，但传输速率较低。由于LoRa通信使用的是公有频段，在使用时可能会出现信号干扰的问题，所以在实际使用时，通常是在空旷偏远的位置。通讯协议以私有协议为主，必须搭配配套的网关才能使用，应用比较灵活，大型设施园区规模化集群灌溉应用比较合适。

◆NB-IOT

NB-IOT使用的License频段可直接部署于现有运营商网络，并有良好的信号增益，能降低温室结构、材料、潮湿环境对信号的干扰，所以在运用上适用于运营商网络覆盖的区域。但需要为每一个控制器都安装上运营商的流量卡（物联网卡），并会产生持续性的费用，主要用于相关可以监测数据的应用场合。NB-IOT信号覆盖面积广，成本低，功耗低，数据安全性高，不需要用户搭建网络环境，开发简单。

◆Wi-Fi

Wi-Fi需要外部电源持续供电，所以不用担心能耗问题，使用时通常为需要持续性信号传输的网络提供支撑，也能扩展大量的外部设备，比如摄像头、传感器、门禁等。Wi-Fi的使用方式和NB-IOT类似，差别在于使用环境处于全Wi-Fi覆盖，前期投入较大，后期运行成本较低，一般用于大型连栋温室和科研试验自动化灌溉。利用Wi-Fi可以实现实时高传输速率，可扩展性强，且组网方便，既可以形成内网，也可以形成外网，安全性高。

国内温室自动化应用场景总结

当前，在温室应用领域，温室自动水肥一体机往往进行灌溉电磁阀的控制，中国温室经营主体运行模式大致可以分成3类，对电磁阀的控制要求各不相同，具体如下：

设施土壤栽培大型园区运营模式

一般温室数量多，分布面积大，该种自动化控制比较适合有线总线控制模式和无线控制模式（LoRa、HPTD、NB-IOT）。

大型连栋温室无土栽培模式

集中在一个稳定的环境内，灌溉呈现少量多次，要求控制精准，电磁阀均用自动化灌溉施肥裝置控制，在果菜种植领域，一般阀门数量不多，常采用多线制有线控制模式;在盆花种植和苗床潮汐灌溉中多线制控制模式和总线制控制模式均可。

个体经营土壤栽培模式

温室数量较少，间隔距离大都在100 m以内，一般采用多线制有线控制模式。

灌溉电磁阀的选型依据和

注意事项

选项依据

◆根据管道参数选择

根据农作物所需的水量确定电磁阀的管径大小，确保能经济性地保证足够的流量。在接口方式的选择上，一般通径大于DN50要选择法兰接口，通径小于DN50则可根据用户需要自由选择。

◆根据主管道的压力参数选择

电磁阀的最高工作压力差应高于管路中可能出现的最高压力的5%以上;其最低差低于管路中可能出现的最低压力的5%～10%左右。对于系统流量有要求的，一定要根据电磁阀的流量系数来换算，确定电磁阀选用的通径和规格。

◆根据工作电压选择

电磁阀的工作电压应尽量优先选择安全电压以下的电压，防止电压泄露引起安全事故，优先选择DC24V的电磁阀。

◆根据控制方式选择

应根据灌溉控制器的控制要求来选择合适型号的电磁阀，比如有的二线制控制模式只能适合脉冲电磁阀。

◆根据持续工作时间选择

当电磁阀需要长时间开启，并且持续的时间多于关闭的时间时应选用常开型。要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则选常闭型。

注意事项

尽量选择手动自动一体化的阀门，避免断电情况下无法操作阀门而导致作物因无法长时间得到灌溉而受损。优先选择塑料整体式阀门，安装比较简单。

在雷电多发区或者铜电线盗窃多发区，可使用水力远程控制的方法，通过送水导管传输控制信号，用来代替铜电线发送控制信号。在具有较大起伏坡地的温室需要安装带减压功能的电磁阀。

参考文献

[1] 王筝，胡静，宋铁成，等.基于LoRa的农田信息采集系统设计与实现[J].信息化研究，2018，44（3）：53-57.

[2] 刘长亮，李永武，蒋新启，等.低成本无线温室微灌监控系统研究[J].农业科技与装备，2017（11）：19-22.

[3] 谢海龙，陈国顺，谢海勇，等.浅谈工业过程控制系统用电磁阀的分类与选型[J].仪器仪表户，2020，27（5）：106-108.

*项目支持：国家重点研发计划（2016YFD0201010）;国家重点研发计划（2017YFD0201503-02）。

作者简介：尹义蕾（1983-），男，山东泰安人，高级工程师，研究方向为温室水肥装备与环境控制研究。

[引用信息]尹义蕾，潘守江，侯永，等.温室内电磁阀的分类及选型[J].农业工程技术，2020，40（25）：50-53.