溫室大棚采暖設備智能控制關鍵技術的研究

趙 華

（山西省農業機械發展中心，山西 太原 03 0031）

0 引言

設施農業是應用現代農業工程技術，營造適合植物生長的氣候環境，提高農業生產效率的重要成果，為解決農產品季節性生產起到了重要作用。但設施農業也是一項能耗產業，植物的一切生物化學反應，都需要有一定的熱環境條件，溫度過高或者過低，植物都會停止生長或死亡。雖然我國設施農業發展速度很快，但是日光溫室、塑料大棚等中低端溫室結構仍然是我國農業設施的主要類型。這種被動調控型溫室結構抵御自然災害的能力較弱，無法實現現代化工業化生產。尤其在我國北方地區，冬季氣溫較低，需要一定的增溫補溫措施[1]。

溫室大棚的正常運作離不開采暖設備 的 幫助，包括蔬菜、養殖、花卉大棚等溫室類型。隨著時代的發展和農業現代化進程的推進，傳統的爐火升溫方式已經不適用于設施農業的冬季生產，因為既增加了燃煤費用又耗費人工，還會造成空氣污染。電磁加熱器，是現今工業領域和民用設備中廣泛使用的一種環保加熱方式。電磁熱風機以空氣為熱載體，為溫室大棚提供高溫潔凈的熱風，是一種高效節能的供熱設備，比傳統電阻式發熱節能 30%以上，是目前市場上最為節能低耗的電加熱設備[2]。與其他加熱方式相比，投入成本低，更適合于 “ 薄利多銷、以量取勝”的設施農業溫室大棚中的使用。

傳統的溫度控制是在溫室大棚內部懸掛溫度計，工人依據讀取的溫度值來調節大棚內的溫度。這樣僅靠人工控制的方法既耗人力，又容易發生 差 錯，更不易管理；且隨著農業產業規模的提高，對于數量較多的大棚，傳統的溫度控制措施就顯現出很大的局限性。因此，在現代化的農業大棚管理中溫室采暖設備智能控制系統的應用可以很好地控制農業大棚溫濕度，適應生產需要[3-4]。設施農業溫室采暖智能控制設備供暖效率高、升溫快，而且供暖面積大，提高了冬暖大棚溫室的供暖效果，達到整個溫室環境溫度的平衡和穩定。

1 研究內容

電磁熱風機屬高科技節能產品，通過應用空氣動力學及熱能超導控制原理，采用 PLC 全自動恒溫控制技術，輔以創新的工藝設計理念，將電能通過電磁熱感應線圈產生渦流，使金屬材料自行高速發熱，配用低噪音耐高溫高壓離心風機和自動控溫系統，把熱風引進整個溫室大棚內。

在選用電磁熱風機采暖設備的基礎上開發一種智能控制系統，采用人機交互觸摸屏，利用 PLC 精確控制。輸入溫室作物生長所需環境的目標參數，計算機根據傳感器的實際測量值與事先設定的目標值進行比較，以決定溫室環境因子的控制過程，控制相應機構進行加熱。計算機自動控制的溫室控制技術實現了生產自動化、精準控溫、遠程控制，適合規模化生產，勞動生產率得到提高。

設施農業溫室采暖設備見圖 1。

圖1 設施農業溫室采暖設備

溫室采暖設備智能控制系統主要功能：①根據溫度傳感器采集的數據反饋控制整個系統運行。②實時監測調節爐體溫度，PID 閉環精準自動調節熱能，可實現熱量按需產生。③各類故障實時監測和 報警功能。具有高溫保護、電機過載保護、IGBT 過熱保護等功能。④采用物聯網技術實現遠程控制功能。實時 監 控 溫 度 和 環 境 信 息 ， 根 據 信 息 決 策 控 溫 任 務 ，實現了對溫室內農作物所需溫度的智能控制和管理，提高熱效率。

2 技術指標

（1） 出風口溫度達到設定最高溫度所需時間≤30 min；

（2） 電熱轉化率≥93%。

在不影響生產效率的前提下降低設施農業生產中的污染，精確控溫，提高升溫過程中的熱轉化率和升溫速度，節能效果可達 30%以上；同時，使該設備滿足長時間、高可靠性的運行要求，從而達到綠色、節能、環保的目的。

3 溫室采暖設備智能控制系統

設施農業溫室采暖智能控制設備是在原有電磁感應熱風機的基礎上，加入送風帶、無線遠傳溫度傳感器和智能操作控制系統，實現智能化控制整個供熱過程。通過使用無線遠傳溫度傳感器采集設施農業大棚中關鍵節點的溫度 （依據大棚種類和面積決定布設的數量），再由無線傳輸模塊將采集的實時數據進行處理并實現溫度的智能控制，并利用手機終端軟件實現與控制柜同步操作，遠程監測控制，指導采暖設備根據環境需要進行加熱，真正實現智能化、現代化管理。

3.1 電磁感應熱風機

電磁感應熱風機是一種利用電磁感應原理，將電能轉換為磁能的空氣加熱器。380 V，660 V/50 Hz的交流電源經整流電路變成直流電源，再經 IGBT 由控制電路將直流電源轉換成頻率 10～15 kHz 的高頻電源。高速度變化的高頻電源電流通過特制的線圈會產生高頻磁場，當交變磁場的磁力線通過鐵磁材質的翅片發熱管時，鐵磁材質翅片發熱管在磁場的作用下產生渦流效應，使翅片發熱管瞬間發熱，由風機把翅片發熱管上的熱量帶出，供給連接的風道，通過風道輸送溫室大棚內。電磁發熱線圈采用內磁結構，無磁場外泄，熱效率高，電磁感應線圈在工作時自身產生的熱量完全被吸收利用。采用先進的變頻技術，將 50 Hz 的 低頻電源轉換為 10～20 kHz的高頻電源，設備啟動后無噪音，使用時不釋放任何有害氣體，無明火、無煙、無味，且沒有傳統熱風設備的諸多污染問題，系統無需使用傳輸熱能的管網及介質，真正做到保護環境和節能的效果。設備運行時恒功率，弱電控制強電，軟啟動軟停止，無觸點開關，無啟動沖擊電流，使用安全可靠。

3.2 遠傳無線溫度傳感器

通過在首、中、末端配置遠傳無線溫度傳感器，將溫室內各點溫度值實時傳送回控制系統，實現智能化控制整個供熱過程，得到最佳的傳熱結構，實現用最低能耗使作物正常生長。遠傳無線溫度傳感器是集成傳感、無線通信、低功耗等技術的無線傳感網絡產品。無線溫度傳感器以電池供電，在工程實施中避免了大工作量的通訊線纜、管線、供電線路的鋪設，可根據現場實際使用情況方便調整安裝的位置。由控制單元、無線數據傳輸和溫度測量 3 個部分組成。測溫后，將溫度數據通過無線方式傳遞給測溫通訊終端。每個無線溫度傳感器具有唯一的ID 編號，實際安裝使用時記錄每個傳感器的安裝地點，并與編號一起錄入控制系統的計算機數據庫中。傳感器每隔一定時間 （可以事先設定） 自動發射一次監測點的溫度數據，發現溫度異常立即報警，可不受發送周期限制。

3.3 送風帶

通過與電磁熱風機出風口連接，懸掛于作物上方 1.0～1.5 m 處，風帶上每隔 1.5～2.0 m 設一個出風口，將熱風送到整個溫室大棚內。

3.4 智能操作控制系統

采用觸摸屏 +PLC 的智能控制系統，根據設定的溫室大棚溫度自動運行，如果溫室大棚溫度高于設置溫度，控制系統會自動調低運行功率；如果溫室大棚溫度下降到低于設置下限溫度，控制系統會自動增加運行功率，在保證溫度均衡的同時，確保節能。系統還可以通過手機 APP 遠程操作控制。

研發的智能電磁采暖設備控制系統具有較為先進的功能，可滿足個性化需求。設備自動化程度高，配置多種數據采集系統和控制系統，可根據環境狀況、作物生長需求實現自動化操作，還具有數據儲存功能方便查詢，為日后改進和優化生產管理積累寶貴參考數據。

4 結語

通過變頻電磁熱風爐與風機配合加熱供暖，通過溫度傳感器反饋的實時環境溫度控制出口溫度和風機轉速。采用無線數據傳輸模式等技術將供暖場景化數據抽象成輸入變量，實現智能化控制整個供熱過程，得到最佳的傳熱結構，實現用最低能耗使作物正常生長。智能電磁熱風機供暖效率高，提溫快，而且供暖面積大，提高了冬暖大棚溫室的供暖效果，解決了由靜止散熱向流動散熱方式的轉換，可以很好地調整內部的溫度和濕度。該技術適宜于北方晝夜溫差較大地區，設施農業栽培、養殖大棚、蔬菜園藝等種植業和畜牧業等均可推廣應用[5]。

設施農業溫室采暖智能控制設備的推廣與實施，符合我國當前對節能減排、生態文 明建設的發展要求，有利于農業的可持續發展。隨著網絡傳輸技術、信息感知技術、數據處理技術與現代控制技術急速發展及物聯網技術的興起，智能化溫室采暖設備已經是未來發展的大趨勢，可以實現設施農業環境監測和控制實時掌握等功能，實現農業生產的少人化管理[6]。在不影響生產效率的前提下降低設施農業生產中的污染，精確控溫，提高溫升過程中 的熱轉化率和溫升速度；同時，使該設備滿足山西當地冬季長時間、高可靠性的運行要求，促進農業的可持續發展，具有廣闊的應用前景。