基于水銀開關的溫室卷簾機防后翻裝置的設計

鄒 平，姜魯艷 ,王 瑞 ，羅文杰

（1.新疆農業科學院農業機械化研究所，烏魯木齊830091；2.農業部林果棉與設施農業裝備科學觀測實驗站）

0 引言

日光溫室機械化和自動化程度越來越高，保溫被成為溫室冬季生產必不可少的裝備。現階段日光溫室保溫被覆蓋率比例逐年增加[1]，大部分通過倒順開關人工控制開啟，在溫室作物順利安全越冬生產的同時，會產生一系列問題，每座溫室開啟完畢最少需要8 min[2]。如果同時打開，外界環境的變化會導致卷被機工作方式不可靠，保溫被位置無法精確限位[3]；嚴寒天氣下出現故障后難以解決，稍有不慎就會使保溫被卷過頭，墜落至溫室后墻，難以短時間內解決，甚至造成人員傷亡[3-5]；同時造成整座溫室作物凍死和財產損失[6]。

目前，國內在溫室卷簾機限位方面的研究有很多，主要有通過碰撞限位開關切斷電源方式、利用角度傳感器記錄卷簾機運行位置，采用卷簾機定時器進行限位[7-9]，或通過PLC 可編程序控制器對電動機的控制系統設計以及采用卷簾機接收到頂端或底端接近開關電信號時，停止交流電機的運轉，最終實現保溫材料的卷放的方式[10-12]。因此，溫室冬季應用卷被機大多采用行程時間控制、紅外電路控制和碰撞機械式裝置等進行控制，這幾種控制裝置經過時間和實踐證明在西北極端天氣條件（如-20℃惡劣天氣）下容易出現故障，安全性與可靠性不夠。出現故障的主要原因包括：（1）雨雪滲入保溫被內部后，溫度下降易結冰，卷被機上卷時保溫被變形，導致保溫被左右端上卷速度不一致；（2）冬季雨雪覆蓋，卷被機裝置結冰，導致機械式裝置失靈或卡死；（3）室外溫度過低且風雪過大，使紅外電路控制元器件部分無法正常工作，卷棉被機構失靈導致事故時有發生。因此，設計一種在嚴寒天氣中能夠安全可靠使用的卷簾機限位裝置，對于實現日光溫室的自動化管理具有重要意義。

1 結構與工作原理

1.1 總體結構

卷簾機控制系統見圖1，該系統主要由機架、電機、減速器、鋼管、支架及限位控制五部分組成，在冬季作業時通過控件完成卷放被工作。日光溫室頂部覆蓋保溫被，在推動臂頂端水平設置鋼管作為卷軸，固定設有電機，電機與鋼管傳動連接，每卷一次需6～8 min，具體根據保溫被種類而定。限位裝置接入配電系統，由接觸器線圈零線位控制斷停，其工作原理見圖5。卷簾機手動控制裝置的手動部件在減速器大帶輪上安裝搖把，主要用于停電或者故障時手動操作卷放[13]。設計的電機主要參數如下：電動機功率1.5 kW，減速器速比1：280（四軸），鋼管（Φ5 cm）轉數 5.3 r/min-1，適合溫室長度 50～100 m。

圖1 卷簾機控制系統

1.2 工作原理

圖2 限位裝置工作原理

卷簾機位于溫室的中間位置，卷被時根據機械傳動原理，由電機及減速器帶動左右兩側鋼管均速轉動，利用鋼管綁定覆蓋物將覆蓋物卷起。當卷簾機上升至溫室頂部預設停止位置附近時，安裝在保溫被內側的水銀限位裝置一同被卷起，限位裝置中玻璃管內的水銀因重力而流向另一側，使控制裝置內的觸點連接機構由原先的水銀連接的導電狀態而變成斷開狀態，從而使卷被機停止工作，達到防止保溫被后翻的目的。

2 關鍵工作部件應用

2.1 限位裝置結構

本次設計選用玻璃外殼水銀開關（圖3b），當水銀開關傾斜一個工作角度時，兩個電極通過水銀進行開關的通斷動作。這種水銀開關的優點是可從外部觀察到它的工作狀態，出現問題可隨時發現，缺點是容易破碎，因此在設計時增加了塑料保護盒（圖4）。為使水銀開關不易破碎，也可使用塑料外殼（圖3a）或金屬外殼水銀開關（圖3c），金屬外殼本身就是一個電極，當水銀開關傾斜一個工作角時，金屬外殼和電極通過水銀進行開關的通斷動作。這種水銀開關可承受較大的沖擊加速度，但缺點是成本高，無法觀察其工作狀態，出現問題時難以排查。

圖3 水銀開關結構

圖4 水銀限位裝置實物

水銀限位開關由玻璃管、設在玻璃管內位于玻璃管兩側的觸點機構和封入玻璃管下端的水銀構成，玻璃管中伸入一固定桿，固定桿位于觸點機構中間，固定桿下接有發條，發條下接有電極，電極上部與觸點機構的觸點碰觸，電極下端伸入水銀中。水銀限位裝置1 線路接入卷簾機驅動電機控制回路中，接觸器線圈零線位（圖5），因接觸器線圈一進一出一火一零，因此限位裝置安全不會發生電氣事故。

2.2 防后翻控制裝置

2.2.1 防后翻控制設計

手動按下升起開關按鈕2，正轉交流接觸器1 閉合通電，電機正轉，棉被被卷起，水銀限位裝置因被安裝在保溫被下方而跟隨保溫被一起卷起后被抬起，抬起至一定角度后，使玻璃管內部的兩側觸點機構通過水銀導電而成連接狀態，或者變成水銀流向玻璃管的另一端，導致電路斷開；正轉交流接觸器1斷開停止供電，從而使卷被機停止工作，實現防止卷被機后翻過度的目的。卷簾系統停止工作后，按下開關按鈕3，反轉交流接觸器4 閉合通電，電機反轉，水銀限位裝置隨著棉被放下而恢復至原先的位置，其中的水銀因重力流向兩側觸點機構而后恢復與玻璃管觸點機構的連接。按下卷簾機下降按鈕4 后卷簾機開始自鎖下降，當卷簾機下壓下限位5 時，電路斷開失電，卷簾機無法再下降，整個電路設計可對卷簾機起到保護作用，防止翻過頭和下降過低。

圖5 卷簾機升降控制電路

2.2.2 防后翻裝置分布設計

進行限位布局安排時，限位裝置應安裝在日光溫室拱桿的中間位置，不應與拱桿接觸造成水銀開關保護盒受損。整個溫室防后翻限位裝置1 和4 分別安裝于溫室東、西山墻內側約0.5～1 m 處（東西方向），以防止當卷簾機機頭上升時，由于阻力過大或外部天氣影響導致卷簾機機頭上升速度慢于溫室東西山墻處的保溫被卷筒速度，從而使東西兩側邊緣保溫被翻過溫室頂部。當溫室長度低于50 m 時，可以考慮不安裝。

圖6 限位裝置安裝分布圖

限位裝置2 和3 分別安裝在卷簾機兩側左右方向各1.5 m 處，4 個限位裝置均安裝在距離溫室屋脊最高處（南北方向）1 m 左右棉被內側下方，安裝于棉被內側，可避免包括嚴寒天氣、風雪雨等外界惡劣環境對裝置的破壞，增加裝置的可靠性。實際安裝尺寸及個數還因保溫被的厚薄、溫室的結構尺寸等不同而有差別。

3 應用效果

限位裝置采用水銀電路組成，水銀凝固點為-39°，在嚴寒天氣-30℃下可正常工作；控制方面做到多臺卷簾機可同時實現上卷下落；在操作效果方面安全可靠一鍵式減少勞動力和時間。隨著時代的進步人工智能物聯網快速融入各個行業，使用水銀限位開關可通過云平臺APP直接對溫室卷被機構遠程控制、檢測和監測。

在解決因嚴寒天氣導致的保溫被變形，機械式裝置失靈或卡死和電路控制元器件部分無法正常工作的問題過程中，設計的限位裝置使用了該項專利技術，可長期使用，正常情況下不需要定期保養或維護。2016 年~2018 年在南疆阿圖什市（東經76.1°，北緯39.7°），2017~2019 年在北疆烏魯木齊西山溫室基地（東經87.7°，北緯43.8°）已進行越冬季生產試驗，經過3 年的生產實踐，安全性和可靠性大大提高。

4 結論

（1）在實現溫室自動化管理的過程當中，無論是電腦還是手機終端，都存在控制信號容易受到干擾或產生延時現象[14]，這一點是制約溫室實現自動化，智能化管理的關鍵節點，從目前的技術應用來看，這個現象普遍存在，以后或可通過5G 技術手段加以解決。但是在北方嚴寒地區，自動控制裝置諸如卷簾機限位機構，執行電腦或手機發出的信號指令時，可靠性和安全性仍存在許多問題，而這一點對于實現溫室智能化和自動化管理顯得尤為重要。

（2）卷簾機限位裝置應根據當地的氣候環境，溫室結構特點等進行設計。對于基于水銀開關設計的限位裝置來說，適用于氣候惡劣，冰雪較多的西北嚴寒地區，在實際應用中應根據保溫被種類、防水質量，卷被后的卷筒大小，水銀開關數量及安放位置等差別來設定，但在其它氣候下的運用效果及實用性如何，仍然有待于進一步的驗證與研究。