玻璃温室（共4篇）
玻璃温室 篇1
经过4年多的发展, 到2012年浙江省杭州市萧山区的水稻育秧中心已达12家, 其中7家拥有玻璃育秧温室, 共1 422 m2, 玻璃育秧温室在水稻育秧中已起到了重要作用。但玻璃育秧温室微喷灌系统一直存在问题, 不能使用, 只能依靠再配置喷灌机械与人工予以解决。笔者多年来以杭州金牛农机服务专业合作社为试验基地, 通过多次试验研究, 久未取得实质性进展, 直到2012年取得了较好改进效果。
1. 温室微喷灌系统配置情况
杭州金牛农机服务专业合作社玻璃育秧温室采用文洛式玻璃温室, 室内面积140 m2, 高度4.2 m, 室内净高3.2 m, 室内长度20 m, 宽度7 m。苗架尺寸为1.9 m×0.9m×2.8 m, 苗床架7层, 层高0.4 m, 总共4行38个, 靠近边上各1行, 中间2行并在一起。
温室由流量为16 m3/h、扬程为3.6 m的水泵供水。苗床架上每层架设Φ20 mm的PVC管, 水管每隔1.3 m设一个喷头, 两边的水管架设在苗床中间, 中间的水管架在两个苗床的中间, 在主水管上设有开关, 可控制喷头喷水。
2. 温室微喷灌系统存在的问题
微喷灌系统在使用中, 经常出现喷头滴水情况, 使过多的水滴入秧盘, 出现出苗不整齐、秧盘床土流失导致缺苗等问题。为此, 多次与生产厂家联系, 厂家先后采取的措施有:
(1) 将喷头由拧入水管改为通过3通接头进行管管连接, 采取这个措施后, 解决了喷头与管子连接处的滴水问题。
(2) 试换各种喷头, 如折射式微喷头、旋转式微喷头, 甚至使用进口的喷头等, 始终无法解决问题。
3. 温室微喷灌系统优化与改进
针对微喷灌系统喷头滴水问题, 通过多次试验研究, 一直未取得实质性进展。在此期间, 主要是从水泵与喷头等方面进行资料查询、考察调研与厂家合作试验等, 但效果很不明显。
最后, 在考察、讨论中得到了启示, 从管路路线来解决。将温室两边苗床中间架设的水管移到靠近过道的旁边, 并将架在两个苗床的中间水管也移到靠近过道的一边, 绕开滴水问题, 使水直接滴入地面。这项改进共计投入0.3万元, 费用也比较节省。这一改进措施, 只是水管路线的改变, 用水量并未增加;而且两个苗床中间水管移到旁边后, 仍旧能喷到位, 这样彻底解决了喷头滴水问题。
4. 应用效果分析
杭州金牛农机服务专业合作社在温室微喷灌系统优化与改进后, 立即开始了试验应用。温室在5月中旬至6月下旬 (40 d) 进行了水稻育秧 (炼苗在连栋钢架大棚内) , 共计育秧140 hm2。在改造前, 每天需用移动式喷灌机械喷水, 一般每天需喷水3次左右, 费工费力, 按每天 (半工) 支付人工费用50元计, 需支付喷水费用2 000元。而将微喷灌系统优化与改进后, 只需要开启或关闭管路控制开关即可, 既方便又省力, 并且只要管理员兼任一下, 不用额外支付人工喷灌费用, 效率、效益明显提高。
5. 结语
对玻璃育秧温室微喷灌系统的优化和改进, 彻底解决了喷头滴水问题, 达到了省工省力的效果, 使温室育秧优势进一步提升, 有力地促进了全区水稻机械化育插秧技术的推广应用。
玻璃温室 篇2
关键词：太阳光照强度,太阳辐射强度,温室温度
0 引言
太阳辐射强度是温室热量的主要来源[1],直接影响温室温度的变化,传统的温室主要是基于室外气温、土壤温度、天空辐射温度,太阳辐射强度,散射辐射和相对湿度中的因素[2]进行温度模型的建立。国外温室温度模型研究已经取得显著的成果[3],并建立了成熟的温室模型[4]: 如荷兰的Venlo型温室系统模拟模型KASPRO、比利时的半一维温室小气候模拟模型GDGCM、法国的Gary等建立的SIMULSERRE,以及美国的POLY - 2模型。同时,国内对温室温度的建模,也取得了一定的进展[5],这些研究已经通过试验建立了玻璃温室的温度模型[6],为温室建造和温室环境因子控制提供了理论基础和实际指导。
太阳光照强度是指单位面积上所接受可见光的能量,同时也是影响园艺植物光合作用的重要自然生态因子[7]。光通过影响光合作用、光形态建成和光周期来调节植物的生长发育[8],而对光照强度的测量是植物光合作用和生长研究的基础,因此光照响度通常在农业生产中是一个常见的测量因子。
太阳辐射强度和太阳光照强度是不同的两个物理量,但它们之间又存在一定的转换关系[9]。通常情况下,太阳光照度测试相对比较简单,测试设备普及率高; 虽然目前市场已有现成的太阳总辐射计,但是费用远比光照强度计高出许多。因此,在上述理论依据的指导下,研究太阳光照强度对温室温度的影响、建立两者之间的关系,具有非常重要的意义和价值。通过姚万祥等人[10]的研究可以看出: 晴空指数和太阳高度角是影响太阳辐射照度与太阳光照度之间关系的主要因素。为此,本文拟选择夏季晴天这个特定条件下太阳光照强度对温室温度的影响进行分析,并建立相应的温室温度模型。
1 传统模型分析简化
传统的温室温度动态模型是基于传热学、能量平衡和质量平衡的理论建立起来的数学模型,通常是将温室内部的空气看成整体,假设空气均匀混合,分析太阳辐射强度、自然通风、强制通风、作物、温室内土层,以及覆盖材料、风机、侧窗、天窗和内外遮阳等因素对温室温度的影响,最后建立温室内部空气的能量平衡模型方程,方程为
式中V—温室内部容积( m3) ;
ρi—空气密度( kg /m3) ;
ci—空气比热容[J /( kg·℃ ) ];
Ti—室内空气温度( ℃ ) ;
Φr—太阳辐射能量( W) ;
Φh—加热能量( W) ;
Φv—与外界空气对流换热的能量( W) ;
Φs—室内温度和土壤的热传导能量( W) ;
Φleaf—室内空气与作物叶面对流换热的能量( W) ;
Φc—内外空气 通过玻璃 进行的能 量交换( W) ;
Φcool—湿帘风机强制降温散射的能量( W) ;
Φtran—作物蒸腾所需的能量( W) 。
1. 1 模型的简化
为了研究光照对温室温度的影响,试验于2013年8月中下旬晴天进行。试验时,温室处于全封闭状态,温室中不种植植物,温室地面干燥,且温室封闭性能良好,结合实际情况,可以不考虑加热、强制降温、植物对温室内温度的影响。同时,因为温室封闭,天窗风机关闭,因此也不考虑温室温度与外界空气进行对流换热。更为重要的是,夏季地表温度和温室温度温差较小,结合一些文献[11]分析可知温室地面和空气的热对流对温度的影响较小,也可以忽略。再结合李晋[12]的分析可知温室外温度和太阳辐射是影响温室内温度最主要的两个因子,因此热平衡模型可以简化为
1. 2 参数分析
1. 2. 1 温室太阳辐射能量的计算
进入温室的太阳辐射能量计算公式为[5,13]
其中,qin= ( qdτd+ qfτf) ,表示进入温室的太阳辐射强度[5,14],大小主要取决于qd,W /m2; Ac表示温室覆盖材料表面积( m2) ; qd、qf表示到达温室覆盖层外壁的太阳直射强度、太阳散射强度( 包括太阳总辐射从地面反射的散射部分) ( W /m2) ; τd、τf表示覆盖层太阳辐射直射透射率和散射透射率,通常τd被看作常数,而τf取决于温 室屋顶斜 面倾角和 太阳的位置[5]。需要指出的是qD= qd+ qf,总的太阳辐射强度( 单位W /m2) 。
1. 2. 2 内外空气通过玻璃进行的能量交换计算
内外空气通过 玻璃进行 的能量交 换计算公 式为[1,15]
其中,hc表示覆盖 材料传热 系数 [W /( m2·℃ ) ]; Ti表示温室内温度( ℃ ) ; To表示温室内温度( ℃ ) 。
2 光照对温度影响模型的建立
2. 1 温室模型抽象
从式( 2) 、式( 3) 、式( 4) 式可知,温室内温度可表述为
抽象上述等式可得到
其中,函数h与温室结构和空气物理特性相关,函数g与温室结构和温室材料物理性质相关。对于太阳总辐射,因为qD= qd+ qf,同时qin= ( qdτd+qfτf) ,所以必然存在
其中,函数u和温室材料的物理性质相关。
结合式( 6) 和式( 7) 可以得到温室温度的抽象模型为
其中,函数v和温室结构、空气物理特性以及温室材料相关。
2. 2 光照抽象模型的建立
从式( 8) 可以看出: 温室温度与太阳总辐射存在函数关系,同时和温室内外温差存在函数关系。从文献[17 - 20]可知,太阳光照强度L和太阳总辐射强度存在相应的函数关系,所以式( 8) 可以表述为
其中,f和温室结构、空气物理特性、温室材料以及太阳高度角和晴空指数相关。
式( 9) 一阶微分方程表示了连续时间状态下温室温度与温室外温度以及太阳光照强度的关系。在实际试验中,时间是离散的,因此将上式离散化,转化为相应的差分方程可得
将带入式( 10) 整理得
其中,Ti( k +1)表示k + 1时刻温室内的温度; Ti( k)表示k时刻温室内的温度; To( k)表示k时刻温室外的温度; L( k)表示k时刻温室外的光照强度; Δt为k + 1和k时刻的时间间隔。
式( 11) 即为本研究所需的热平衡模型。通过建立模型,可以通过k时刻的温室内外温度和温室外的光照强度模拟k + 1时刻温室内的温度值,模型的初始值是第一组实测值。
2. 3 模型函数参数确定方案
分析式( 11) 可知,从式( 5) 至式( 10) 的推导过程中间变量复杂,影响因素又多。因此,太阳光照和室内外温差是否和室内温度的关系如同式( 5) 中的线性关系已经不能确定。为了确定这两个函数的参数,充分考虑到以下因素:
1) 太阳光照强度、太阳总辐射强度和进入温室内太阳辐射之间的关系受温室环境、结构和材料,地理位置,以及环境等诸多因素的影响; 同时推导公式本身存在误差,多次叠加推导不能保证精确度。
2) 温室本身主要由玻璃、钢架和水泥组成,这些材料同时又是温室内外热量传递的载体,因此热传导系数不仅仅和玻璃相关,和所有材料综合相关。
本试验通过试验直接拟合得出相关参数。
2. 3. 1 温室内外温差函数参数的确定
温室在白天主要通过太阳光照积累热量,同时又和外部空气进行热交换而散射热量; 夜晚,温室内温度不受太阳影响,只单纯存在散热过程。因此,夜间温室内热平衡方程为
其中表示只在散热的情况下,温室内温度的变化率。通过测量夜间内外温差,可以确定内外温差的参数。
2. 3. 2 太阳光照函数参数的确定
白天,温室在受到太阳光照影响的同时,也受到了室外温度的影响,是综合影响的结果。白天温度的变化率是太阳增加热量和自身散热的叠加作用,热平衡方程为
其中,表示在太阳加热和自身散热的情况下,温室内温度的变化率。通过式( 12) 可以确定内外温差的函数参数,而ΔTit( k)= Tit( k +1)- Tit( k)表示白天温室内k + 1和k时刻的温差,可以实际测定得到。用式( 13) 加上( 12) 可得
其中表示只在太阳光照强度的作用下,温室内温度的变化率,通过测量太阳光照和内外温差并带入公式,就可以确定太阳光照函数的参数。
要确定上述两个参数,需要计算温度在某一段时间的变化率,拟合许多样本才能得到详细参数,与温室的物理结构、材料和地理条件相关; 与具体时间点、温度无关,而与温差相关。
3 试验与结果分析
3. 1 试验设计与试验方法
试验温室位于陕西省杨凌农业高新示范区玻璃温室中进行,室内使用DS18B20温室传感 器,利用DS18B20的单总线特性,接入64个DS18B20温度传感器。温度监测节点在温室中自檐至地面分为4层,两层之间相距1m,每层均匀布置16个监测点,每隔10min的整数倍采集1次数据并通过GPRS上传到web服务器,室内温度采集如图1所示。室外采用DS18B20光照传感器是QY - 150B,同样每隔10min的整数倍采集1次数据并通过GPRS上传到Web服务器,这给温室内外数据的同步提供了技术支持。
根据模型的设计方案,试验需要确定室内外温差和温度变化率的关系及太阳光照强度和温度变化率的关系,并要确定相关参数。因此,本试验设计了夜间降温封闭试验、晴天封闭试验和验证试验。
通过历史数据可以看出: 夏季夜间内外温差很小,白天温室 封闭时温 室内外温 差最大可 以达到11℃ ; 而随着太阳沉落,室内温度开始降低,在日落之时温室内外温差又降到很小。温差太小会导致试验结果误差过大,因此检测温室夜间的降温之前先要人工升温。升温试验于2013年8月10日和8月11日两天进行,这两天天气晴朗,风力小于3级。试验时温室完全封闭,无任何设备打开,使用两个2 000W的电暖气,每天16: 00 - 19: 40在封闭的温室加热; 19: 40关闭电暖气开始夜间降温试验,此时内外温差可达到9℃ ,因暖气关闭后还会产生余热,影响试验结果,在3h之后,内外温差又会降到很低。因此,确定参数时取晚上20: 00 -24: 00的温室内外温度的试验数据,每10的整数倍数分钟取1次数据,两天共取48组数据。
晴天封闭试验于2013年8月14日至8月17日进行,这4天天气晴朗,风力小于3级。试验时温室完全封闭,无任何设备打开,温室检测8月14日00: 00 - 8月17日00: 00的室内温度、室外温度和光照强度。
验证试验分为3组,分别是晴天试验、雨天试验和阴天试验,试验时温室完全封闭,无任何设备打开,风力均小于3级。晴天试验于2013年8月20日和8月23日进行。其中,20 - 22日天气晴朗,23日多云,温室检测8月20日00: 00 - 8月24日00: 00的室内温度、室外温度和光照强度。雨天试验于2013年8月28日进行,天气小雨,温室检测8月28日00: 00 - 8月29日00: 00的室内温度、室外温度和光照强度。阴天试验于2013年9月11日进行,天气阴天,温室检测9月11日00: 00 - 9月12日00: 00的室内温度、室外温度和光照强度。
3. 2 参数确定
降温封闭试验的48组数据中,每1组数据都有64个温度检测值,分别代表温室64个位置的温度,选取两个对角面上的共16个点的平均温度值作为试验输入数据。根据式( 12) 所示方法,取时间步长Δt =10min,通过Mat Lab拟合室内外温差和温度变化率的关系( 如图2所示) ,同时可以得出拟合函数为
从图2中可以看出: 其拟合效果较好,相关系数可达到0. 975。这是因为夜间没有太阳光照干扰,只存在温室空气和覆盖材料,以及覆盖材料和室外空气进行热量交换。结合式( 4) 分析可知,这两者的热交换主要取决于温室的传热系数,而温室的传热系数是一个常量,因此在温室结构和材料一定的情况下,他们存在式( 15) 所述关系。
晴天封闭试验的144组数据中,每1组包括温室内空气温度、温室外空气温度和温室外光照强度,空气温度取两个对角面上的共16个点的平均温度值作为试验输入数据,室外温度和光照强度取WSN气象监测系统的实测值。根据式( 14) 所示方法,取时间步长Δt = 10min,通过Mat Lab拟合太阳光照强度和温度的变化率的关系( 如图3所示) ,同时可以得出拟合函数为
其中,L( k)的单位是10K·Lux。从图3可以看出: 拟合效果比较满意,相关系数可达到0. 939 5。结合式( 3) 可知,温室的变化是和进入温室的太阳辐射成正比的,而进入温室的太阳辐射主要来自于室外太阳总辐射中的太阳直射,结合式( 9) 和文献[17 - 20]可知,辐射强度和光照强度在太阳高度角和晴空指数一定的情况下成线性关系,同时夏天晴天太阳高度角在白天大部分时间较高,综合这些因素可以看出,在一定的条件下,太阳光照强度和温度变化存在线性关系。
3. 3 仿真结果与分析
确定了温室内外温差函数参数和太阳光照强度函数参数之后,带入式( 11) ,可以得到模拟模型为
用式( 17) 模型仿真2013年8月20日和8月23日晴天和多云天温室内部温度,结果如图4所示。由图4可以看出,温室内温度的模拟值和实测值曲线吻合,趋势一致,用均方根误差分析模拟值和实测值的误差计算得温室内温度的均方根误差为0. 500 3℃。总体可以看出: 在晴天和多云天气,模拟效果较好,所述模型符合要求。
用式( 17) 模型仿真2013年8月28日温室雨天内部温度( 结果如图5所示) ,可以看出温室内温度的模拟值和实测值曲线较吻合,趋势基本一致,用均方根误差分析模拟值和实测值的误差计算得温室内温度的均方根误差为0. 474 7℃。总体可以看出,雨天夜间模拟和实测值基本一致,但是白天实测值要高于模拟值。这是因为雨天太阳光照强度最高不超过20K·Lux,而此时太阳光照强度和太阳辐射都主要来自于散射,而式( 17) 模型主要研究了晴空状态下的关系,这是白天出现误差较大的主要原因。
用式( 17) 模型仿真2013年9月11日阴天温室内部温度( 结果如图6所示) ,可以看出温室内温度的模拟值和实测值较曲线吻合,趋势基本一致,用均方根误差分析模拟值和实测值的误差计算得温室内温度的均方根误差为0. 629 1℃。总体可以看出,阴天夜间模拟和实测值基本一致,但是白天实测值要高度模拟值,比雨天效果要好,原因和雨天的一样,阴天光照强度和辐射强度要高于雨天,因此白天误差相对雨天较小。
4 结论
玻璃温室 篇3
1 介绍蟹岛系统基本情况
1.1 蟹岛玻璃温室
蟹岛湖塘水源热泵系统包括蟹岛三点钟农业园 (玻璃温室) 、湖塘能量储存系统、水源热泵等能量收集系统和末端能量释放系统。温室为大型玻璃温室, 平均高度8 m, 面积3 2 0 0 0 m2, 现在利用面积为1 9 6 9 1.5 3 m2。主要包括三点钟餐厅、蟹宫垂钓区、运动健身区、门厅区四部分。夏季顶部有遮阳网。
1.2 湖塘水源热泵具体参数及其在玻璃温室中散热方式
蟹岛三点钟玻璃温室四周为7 m m厚双层中空玻璃, 顶部为彩钢板及三层的中空玻璃。水源热泵为2套HT1200型机组, 标准制冷为1093k W, 制冷功率2 0 9.2 k W, 制冷剂R 2 2, 电源3 8 0 V-3 p h-5 0 H z (北京恒有源科技发展有限公司) 。散热方式为制冷散热器散热, 它包括散热风扇、散热片、壳体、散热铜板、C P U接触铜板、电路板和热管。制冷散热器主要分布在玻璃温室的四周和中间过道, 部分因地制宜放置。
1.3 蟹岛湖塘水源热泵系统
图1为蟹岛水源热泵系统的总循环图, 从图中可以看出整个系统包括六个循环五次能量交换。主要耗电设备为压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀组成的主系统, 整个系统夜间谷电时运行, 把提取的能量储存在3 0 0 0 m3蓄水池中, 峰电时通过2台耗能低循环泵为玻璃温室末端制冷。白天玻璃温室温度高时 (这时处于峰电时刻) , 不开耗能大的主机, 只利用几台小型循环泵把温度低的水供到末端对温室进行制冷, 循环泵功率5 5 k W, 数量两台。
1.4 实验设计
数据采集:2 0 0 9年5月1 2日到7月1日进行连续观察试验, 除去阴天或其他不需要制冷2 7天, 最后对2 3天的试验数据进行计算, 需要的数据为进出水的温度差以及消耗的电量。每天测量时间为:晚上2 2:0 0 (开水源热泵机组前蓄水池温度—回水温度) , 早上8:0 0 (末端制冷前蓄水池温度—出水温度) 。同时记录2套水源热泵机组、循环泵、潜水泵消耗的电量, 记录时间与记录温度时间同时。
考虑到蟹岛玻璃温室为游玩观赏就餐场所, 没有大量设置数据采集点, 部分位置悬挂H C-0 2型自动温湿度记录仪记录数据, 全天每隔3 0分钟自动记录一次数据。水源热泵机组自动记录蓄水池进出末端玻璃温室温度 (水源热泵机组本身带有温度读数面板) 。具体做法为:晚上谷电时 (2 2:0 0—8:0 0) 利用热泵机组把水进行降温, 然后把降温过的水储存到3 0 0 0 m3的蓄水池中, 同时为一5 0 0 m3的水窖加热, 热水供应餐厅使用。5月1 2日到7月1日, 这时水温平均温度为8.6 5℃, 测得最大的进出水温差为5.2℃, 最小温差为1.8℃, 平均温差为3.7 5℃。根据电表读数, 2 3天耗电平均为5 3 3 2 k W h, 总值为1 2 2 6 4 0 k W h, 热水水窖温度每晚加热4℃, 水源热泵一天平均制冷1 2小时以上。
2 计算分析方法
2.1 水源热泵系统实制冷系数计算方法
实际制冷系数根据蟹岛玻璃温室系统进水温度、出水温度、水源热泵机组、潜水泵、循环泵消耗的总电量计算, 公式为:
式中:C O P——水源热泵实际制冷系数;
C——水的比热容 (k J/k g.℃) ;
M——水的重量 (k g) ;
△T——进出水的温度差 (℃) ;
Q——水源热泵机组及其他辅助设备消耗总能量k J
2.2 湖塘水源热泵制冷效果与节能效果
按照蟹岛玻璃温室相同情况, 如果使用空调对其进行制冷, 同样的建筑冷负荷约为2 5 0 W/m2。空调制冷玻璃温室需要的电量, 计算公式为:式中:Q——空调制冷需要的总电量 (k W) ;
C——建筑物冷负荷;
S——需要制冷的面积 (m2) ;
T——空调给建筑物制冷的时间, 按照一天8小时计算;
K——变频空调内部的实际制冷系数, 按照平均系数取值3
3 结果与分析
水源热泵与空调制冷效果比较见表1。因为水源热泵的时机制冷系数为3.1 8, 与空调相比, 相同情况下节能5 9.3 8%。
为了对比水源热泵制冷效果, 我们选取蟹岛的蔬菜大棚作为对照, 观察图2, 可以直观的看出, 中午不对温室进行制冷, 温度会迅速上升到4 0℃左右 (未制冷) , 湖塘水源热泵的制冷效果明显 (制冷) 。
4 小结
本文首次将湖塘水源热泵与蟹岛玻璃温室相结合, 对玻璃温室夏季制冷进行试验, 研究了整套水源热泵系统的使用效果, 获得大量数据, 得到下面几个主要结论:
(1) 湖塘水源热泵系统比一般空调系统在取得相同制冷效果的情况下, 节能在6 0%左右, 节能效果明显。湖塘水源热泵系统运行时, 玻璃温室内部温度比较均匀, 平均温度为2 4.0 5℃。
(2) 测得湖塘水源热泵的实际制冷系数C O P为3.1 8。这个数值不是很高, 考虑有以下几个原因: (1) 蟹岛湖塘水源热泵循环多, 有5次能量交换, 能量在每次循环过程中都存在能量损耗, 也消耗部分电能。 (2) 夏季, 蟹岛湖塘水水温比深井水温高, 这就对降温有更高的要求, 从湖水中获得相同的能量需要消耗更多的电量。 (3) 蟹岛需要制冷的面积大, 地下管道多, 冷水在管道中循环也消耗大量能量。
(3) 水源热泵加蓄水池在谷峰电下运行系统, 能充分发挥蓄水池的潜能, 比深井中提取水效率高, 调节了水源热泵的负荷, 实现了用电避峰, 充分利用夜晚廉价电能, 减少地下水的用量, 效果明显, 具有很好的推广价值。
摘要：湖塘水源热泵在北京蟹岛玻璃温室中应用, 为温室进行夏季制冷, 发现水源热泵制冷比普通空调制冷节能显著, 整套水源热泵系统的实际制冷系数COP为3.18, 空调按照一天8小时满负荷计算, 水源热泵节能在59.38%, 效果显著。研究认为, 湖塘水源热泵加蓄水池技术在谷峰电下运行系统, 值得推广。
关键词：水源热泵,蟹岛,玻璃温室,制冷
参考文献
[1]王吉庆.水源热泵调温温室研制及试验研究:[学位论文].河南农业大学博士, 2003
玻璃温室 篇4
关键词：玻璃温室,可编程逻辑控制器,探究
近年来, 随着延安市农业现代化的发展, 棚栽业成了延安各县区农民致富的一大主导产业, 在各类栽培技术上有了很大的突破。但到目前为止, 绝大多数大棚、温室内环境主要仍靠人工经验来管理, 缺乏系统的先进科学技术。其栽培技术缺乏量化指标, 主要靠管理者的经验, 科技含量不足, 只能被动地实现保温、降温、遮阳和防雨, 而不能主动地调节温、光、水、肥、气等因素。这几乎成了限制延安棚栽业高产优质种植的主要障碍。可见, 温室控制技术的发展, 对于延安棚栽业和农业现代化进程具有深远意义。
1 玻璃育苗温室控制技术现状
温室生产以达到调节产期, 促进生长发育, 防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制, 该技术的最终目标是提高控制与作业精度。
由于延安农业现代化水平较低, 农业劳动力大量过剩, 温室的一次性投资大, 资金短缺以及对操作人员的素质要求比较高等因素, 限制了温室控制技术在温室系统的扩展。从温室控制技术的发展状况来看, 延安和全国一样, 也大致经历了手动控制;自动控制;智能化控制3个发展阶段。
温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程, 向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见, 温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和温室信息自动采集及智能控制趋势发展。
2 可编程逻辑控制器运用总体方案的设计
根据作物生长所需要的环境模型制定环境设施输出方案是温室环境控制的关键技术。为避免控制方案过于复杂, 本设计选择最重要的环境因子如温室内空气温度、湿度、光照、CO2浓度作为基本的监测和控制项目, 针对日光温室自身特点, 制订的控制系统整体设计方案。
系统主要由3部分组成:由上位机、PLC、数据采集单元及执行机构组成。各传感器对温室内温度、湿度等参数实时检测, 经A/D转换器后送入单片机, 完成数据采集;采用PLC为核心控制器, PC机与组态软件作为监控模块, 两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件, 实现了过程的智能化、人性化。其突出特点是:单片机价格低廉, PLC编程灵活, PC机存储空间大, 因此, 具有相当高的性价比。而且, PLC有各种组态模块功能, 通过先进的现场总线技术, 可实现多台PLC、多个温室的网络化分布式控制, 特别适合上、下位机结合的大型连栋温室集群控制。其上位机的功能有:介入互联网、PLC采集数据上传的管理、设定点的下载、控制算法的优化与生成等。其缺点是投资较大, 一般农业用户难以接受。
2.1 温度传感器系统设计
对传感器型号的选用应该首先考虑使用方便, 变换电路简单等特点。现存的传感器类型很多, 根据对传感器的应用分析, AD590是应用较普遍的一类传感器。温度传感器AD590是电流输出型温度传感器, 以电流输出量作为温度指示, 其电流温度灵敏度为1μA/K。它的输出电流精确地正比于绝对温度, 可以作为精确测温元件。AD590只需要一个电源 (+4V~+30V) , 即可实现温度到电流源的转换, 使用方便。AD590的校准精度可达±0.5℃, 当其在常温区范围内校正后, 测量精度可达±0.1℃。作为一种正比于温度的高阻电流源, 它克服了电压输出型温度传感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声干扰问题, 不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰, 因此, 除适用于多点温度测量外, 特别适用于远距离温度测量和控制。因此, 选用温度AD590传感器与可达到设计要求。
要想克服简单电路的缺陷, 就要使得增益调整和补偿调整相互独立。设计了具有独立调节功能的测温电路。AD590的输出电流I= (273+T) u A (T为摄氏温度) , 因此测得电压U01= (273+T) u A×10kΩ= (273+T) ×10-2V。但由于AD590的增益有偏差, 电阻也有误差, 因此应对电路进行调整。调整的方法为:把AD590放于冰水混合物中, 调整电位器R1, 使U01=2.732V;或者在室温 (25 C) 的条件下通过调节电位器R2, 使电压U02=-2.73V, 调整电位器R3, 使U0=1.25V。这种调整的方法, 可以保证在0℃或25℃附近有较高精度。
2.2 湿度传感器系统设计
目前市场上出现了不少国内外湿度传感器产品, 电容式湿敏元件较为多见。电容式湿度传感器的动态范围大, 动态响应快, 几乎没有零漂, 结构简单, 适应性强。基于以上原因, 本设计选用电容式湿度传感器HS1101。
电容式湿度传感器HS1101, 它是基于独特工艺设计的电容元件, 固态聚合物结构, 精度高达±2%RH;极好的线性输出;1~99%RH湿度量程;-40~100℃的温度工作范围, 响应时间5s;湿度输出受温度影响极小, 防腐蚀性气体;常温使用无需温度补偿, 无需校准;电容与湿度变化0.34pf/%RH;典型值180pf@55%RH;长期稳定性及可靠性;年漂移量0.5%RH/年。电容式湿敏元件, 具有最突出的优点是长期稳定性极强, 通过严格的工艺制作, 制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度。
将HS1101接入555定时器组成的振荡器电路中, 输出一定频率的方波信号。这种方法具有结构简单, 使用方便, 因此被广泛使用。具体的测量电路如图1所示。
选用的是NE556芯片, 它内部含有两个NE555定时器。其中R1、R2、C1、C2和NE556构成多谐振荡器, 外接电阻R1、R2与湿敏电容C1构成了对电容C1的充电回路, 7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C1的放电回路, 并将引脚2、6端相连引入到片内比较器。该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:首先电源UCC通过R1、R2向C2充电, 经t1充电时间后, UC2充至芯片内比较器的高触发电平, 约2/3UCC, 此时输出引脚3端由高电平突降为低电平, 然后通过R2放电, 经t2放电时间后, UC2下降到比较器的低触发电平, 约1/3UCC, 此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此翻来覆去, 形成方波输出。
2.3 温室控制子系统组成 (如图2所示)
2.4 数据采集系统设计
数据采集是整个控制与管理系统的重要组成部分, 要达到对环境和设备进行控制, 必须要对环境和设备的状态进行监测, 经过分析决策, 然后实施控制行为。本模块采用AT89C51单片机作为控制核心, 通过各传感器对温室内温度、湿度、光照、CO2浓度等参数实时检测, 经A/D转换后送入单片机。数据采集处理电路如图3所示。
数据采集与转换由8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809来完成。ADC0809内部具有锁存控制的8路模拟开关, 外接8路模拟输入端, 可同时对8路0~5 V的输入模拟电压信号分时进行采集转换。ADC0809与AT89C51单片机的接口如图2所示, ADC0809的8位数据输出引脚直接与数据总线相连, 地址译码引脚A、B、C分别与74LS373的Q0、Q1、Q2相连, 以选通INO~IN7中的一个通道, INO~IN7的通道地址为EFF8H-EFFFH。AT89 C51的P2.0作为片选信号, 在启动A/D转换时, 由单片机的写信号WR和P2.0控制ADC的地址锁存和转换启动。由于ALE与START连在一起, 因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换, 在读取转换结果时, 用单片机的读信号RD和P2.0接或非门产生的正脉冲作为OE信号, 用以打开三态输出锁存器。
2.5 模糊控制器结构
从控制系统的任务来看, 控制系统至少由4个子系统组成, 分别是光照、温度、湿度以及二氧化碳浓度控制。选取室内温度和湿度作为主要被控制量, 以加热器、风扇、喷淋、天窗和侧窗等执行机构作为控制手段。系统输入变量为温度误差、湿度误差, 输出变量为调节温度和湿度的控制量, 控制设备为:加热阀、风机、喷淋阀、天/侧窗。因此, 本系统采用两输入-四输出结构的模糊控制器, 将温湿度误差e1、e2作为控制器输入, 控制器的输出变量分别用y1、y2、y3、y4表示。如图4所示。
3 结论
本系统是在对现代温室控制的现状以及温室控制系统存在的问题两个方面进行充分调研的基础上, 研究并推行适合温室控制的智能温室控制系统。归纳起来, 得到以下结论:
1) 根据温室传感器系统需求, 基于模拟电子技术和传感器系统设计理论, 设计的温度传感器系统具有高精度、低成本的特点;
2) 采用单片机+PLC+PC机组成的温室综合控制系统, 用单片机实现数据采集功能, 可降低成本、节约空间, PLC编程灵活, PC机存储空间大, 因此, 具有相当高的性价比;
3) 提出模糊智能控制方案, 采用两输入-四输出结构的模糊控制器, 符合温室环境是一个非线性、分布参数、时变、大时延、多变量藕合的复杂对象的实际;
4) 采用先进的MCGS组态软件, 可自动检测并记忆全年任意时间的环境温度地温及湿度值, 还可根据需要, 预先设定自动记录各种数据的时间周期;采用可视化编程, 提高了编程效益。
参考文献
[1]陈广庆, 孙爱芹, 徐克宝.基于PLC和组态软件的温室控制系统设计[J].安徽农业科学, 2010, 38 (34) :19827-19828.
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[3]马莹, 郑文斌.基于PLC和组态软件的加热炉温度控制系统[J].中国科技信息, 2007, 21 (2) :64-67.