温室大棚采暖设备智能控制关键技术的研究

赵 华

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 03 0031）

0 引言

设施农业是应用现代农业工程技术，营造适合植物生长的气候环境，提高农业生产效率的重要成果，为解决农产品季节性生产起到了重要作用。但设施农业也是一项能耗产业，植物的一切生物化学反应，都需要有一定的热环境条件，温度过高或者过低，植物都会停止生长或死亡。虽然我国设施农业发展速度很快，但是日光温室、塑料大棚等中低端温室结构仍然是我国农业设施的主要类型。这种被动调控型温室结构抵御自然灾害的能力较弱，无法实现现代化工业化生产。尤其在我国北方地区，冬季气温较低，需要一定的增温补温措施[1]。

温室大棚的正常运作离不开采暖设备 的 帮助，包括蔬菜、养殖、花卉大棚等温室类型。随着时代的发展和农业现代化进程的推进，传统的炉火升温方式已经不适用于设施农业的冬季生产，因为既增加了燃煤费用又耗费人工，还会造成空气污染。电磁加热器，是现今工业领域和民用设备中广泛使用的一种环保加热方式。电磁热风机以空气为热载体，为温室大棚提供高温洁净的热风，是一种高效节能的供热设备，比传统电阻式发热节能 30%以上，是目前市场上最为节能低耗的电加热设备[2]。与其他加热方式相比，投入成本低，更适合于 “ 薄利多销、以量取胜”的设施农业温室大棚中的使用。

传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。这样仅靠人工控制的方法既耗人力，又容易发生 差 错，更不易管理；且随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。因此，在现代化的农业大棚管理中温室采暖设备智能控制系统的应用可以很好地控制农业大棚温湿度，适应生产需要[3-4]。设施农业温室采暖智能控制设备供暖效率高、升温快，而且供暖面积大，提高了冬暖大棚温室的供暖效果，达到整个温室环境温度的平衡和稳定。

1 研究内容

电磁热风机属高科技节能产品，通过应用空气动力学及热能超导控制原理，采用 PLC 全自动恒温控制技术，辅以创新的工艺设计理念，将电能通过电磁热感应线圈产生涡流，使金属材料自行高速发热，配用低噪音耐高温高压离心风机和自动控温系统，把热风引进整个温室大棚内。

在选用电磁热风机采暖设备的基础上开发一种智能控制系统，采用人机交互触摸屏，利用 PLC 精确控制。输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化、精准控温、远程控制，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。

设施农业温室采暖设备见图 1。

图1 设施农业温室采暖设备

温室采暖设备智能控制系统主要功能：①根据温度传感器采集的数据反馈控制整个系统运行。②实时监测调节炉体温度，PID 闭环精准自动调节热能，可实现热量按需产生。③各类故障实时监测和 报警功能。具有高温保护、电机过载保护、IGBT 过热保护等功能。④采用物联网技术实现远程控制功能。实时 监 控 温 度 和 环 境 信 息 ， 根 据 信 息 决 策 控 温 任 务 ，实现了对温室内农作物所需温度的智能控制和管理，提高热效率。

2 技术指标

（1） 出风口温度达到设定最高温度所需时间≤30 min；

（2） 电热转化率≥93%。

在不影响生产效率的前提下降低设施农业生产中的污染，精确控温，提高升温过程中的热转化率和升温速度，节能效果可达 30%以上；同时，使该设备满足长时间、高可靠性的运行要求，从而达到绿色、节能、环保的目的。

3 温室采暖设备智能控制系统

设施农业温室采暖智能控制设备是在原有电磁感应热风机的基础上，加入送风带、无线远传温度传感器和智能操作控制系统，实现智能化控制整个供热过程。通过使用无线远传温度传感器采集设施农业大棚中关键节点的温度 （依据大棚种类和面积决定布设的数量），再由无线传输模块将采集的实时数据进行处理并实现温度的智能控制，并利用手机终端软件实现与控制柜同步操作，远程监测控制，指导采暖设备根据环境需要进行加热，真正实现智能化、现代化管理。

3.1 电磁感应热风机

电磁感应热风机是一种利用电磁感应原理，将电能转换为磁能的空气加热器。380 V，660 V/50 Hz的交流电源经整流电路变成直流电源，再经 IGBT 由控制电路将直流电源转换成频率 10～15 kHz 的高频电源。高速度变化的高频电源电流通过特制的线圈会产生高频磁场，当交变磁场的磁力线通过铁磁材质的翅片发热管时，铁磁材质翅片发热管在磁场的作用下产生涡流效应，使翅片发热管瞬间发热，由风机把翅片发热管上的热量带出，供给连接的风道，通过风道输送温室大棚内。电磁发热线圈采用内磁结构，无磁场外泄，热效率高，电磁感应线圈在工作时自身产生的热量完全被吸收利用。采用先进的变频技术，将 50 Hz 的 低频电源转换为 10～20 kHz的高频电源，设备启动后无噪音，使用时不释放任何有害气体，无明火、无烟、无味，且没有传统热风设备的诸多污染问题，系统无需使用传输热能的管网及介质，真正做到保护环境和节能的效果。设备运行时恒功率，弱电控制强电，软启动软停止，无触点开关，无启动冲击电流，使用安全可靠。

3.2 远传无线温度传感器

通过在首、中、末端配置远传无线温度传感器，将温室内各点温度值实时传送回控制系统，实现智能化控制整个供热过程，得到最佳的传热结构，实现用最低能耗使作物正常生长。远传无线温度传感器是集成传感、无线通信、低功耗等技术的无线传感网络产品。无线温度传感器以电池供电，在工程实施中避免了大工作量的通讯线缆、管线、供电线路的铺设，可根据现场实际使用情况方便调整安装的位置。由控制单元、无线数据传输和温度测量 3 个部分组成。测温后，将温度数据通过无线方式传递给测温通讯终端。每个无线温度传感器具有唯一的ID 编号，实际安装使用时记录每个传感器的安装地点，并与编号一起录入控制系统的计算机数据库中。传感器每隔一定时间 （可以事先设定） 自动发射一次监测点的温度数据，发现温度异常立即报警，可不受发送周期限制。

3.3 送风带

通过与电磁热风机出风口连接，悬挂于作物上方 1.0～1.5 m 处，风带上每隔 1.5～2.0 m 设一个出风口，将热风送到整个温室大棚内。

3.4 智能操作控制系统

采用触摸屏 +PLC 的智能控制系统，根据设定的温室大棚温度自动运行，如果温室大棚温度高于设置温度，控制系统会自动调低运行功率；如果温室大棚温度下降到低于设置下限温度，控制系统会自动增加运行功率，在保证温度均衡的同时，确保节能。系统还可以通过手机 APP 远程操作控制。

研发的智能电磁采暖设备控制系统具有较为先进的功能，可满足个性化需求。设备自动化程度高，配置多种数据采集系统和控制系统，可根据环境状况、作物生长需求实现自动化操作，还具有数据储存功能方便查询，为日后改进和优化生产管理积累宝贵参考数据。

4 结语

通过变频电磁热风炉与风机配合加热供暖，通过温度传感器反馈的实时环境温度控制出口温度和风机转速。采用无线数据传输模式等技术将供暖场景化数据抽象成输入变量，实现智能化控制整个供热过程，得到最佳的传热结构，实现用最低能耗使作物正常生长。智能电磁热风机供暖效率高，提温快，而且供暖面积大，提高了冬暖大棚温室的供暖效果，解决了由静止散热向流动散热方式的转换，可以很好地调整内部的温度和湿度。该技术适宜于北方昼夜温差较大地区，设施农业栽培、养殖大棚、蔬菜园艺等种植业和畜牧业等均可推广应用[5]。

设施农业温室采暖智能控制设备的推广与实施，符合我国当前对节能减排、生态文 明建设的发展要求，有利于农业的可持续发展。随着网络传输技术、信息感知技术、数据处理技术与现代控制技术急速发展及物联网技术的兴起，智能化温室采暖设备已经是未来发展的大趋势，可以实现设施农业环境监测和控制实时掌握等功能，实现农业生产的少人化管理[6]。在不影响生产效率的前提下降低设施农业生产中的污染，精确控温，提高温升过程中 的热转化率和温升速度；同时，使该设备满足山西当地冬季长时间、高可靠性的运行要求，促进农业的可持续发展，具有广阔的应用前景。