尹義蕾 潘守江 侯永 張凌風(fēng) 李愷 王春輝

隨著勞動力成本的不斷上升以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的不斷進步，溫室園區(qū)化經(jīng)營管理模式不斷增多，種植管理面積不斷擴大，由于溫室自身的環(huán)境調(diào)節(jié)能力，少量多次的灌溉施肥模式有助于農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升，溫室自動化灌溉施肥技術(shù)隨之興起。電磁閥作為自動灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵核心零部件，是降低溫室灌溉作業(yè)成本和提高灌溉效果的重要裝備技術(shù)手段，結(jié)合控制系統(tǒng)可實現(xiàn)定時、定量、遠距離控制以及低成本大面積的自動化灌溉施肥。

電磁閥產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

產(chǎn)業(yè)空間

當前國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積達到5000萬畝（3.33×106 hm2）以上，目前實現(xiàn)自動灌溉施肥的面積尚不足10%，按照2畝地（1333 m2）1個電磁閥計算，設(shè)施園藝種植市場空間在2000萬個以上，產(chǎn)值約100億元，如果考慮綠化和農(nóng)田灌溉，不難看出電磁閥市場空間的廣闊。

技術(shù)品牌

國內(nèi)外灌溉電磁閥的研究與制造均朝著輕便耐用、啟閉功率小和抗堵塞性能好的方向發(fā)展。目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉中使用電磁閥大多以進口電磁閥為主，以歐美、以色列為代表的發(fā)達國家灌溉電磁閥由于其高可靠性、長壽命、工作壓力范圍廣、水頭損失小、過流量大、結(jié)構(gòu)簡單和維修便捷等優(yōu)點，在全球得到了推廣應(yīng)用，涌現(xiàn)出一批知名世界品牌，如以色列的伯爾梅特、耐特菲姆、多諾特，美國的亨特、雨鳥、托羅、尼爾森等電磁閥。

近幾年，國內(nèi)電磁閥制造技術(shù)發(fā)展迅速，浙江寧波、福建福州已經(jīng)成為灌溉電磁閥優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，主要有耀峰、贊臣、華最、四季豐等電磁閥，其中耀峰牌電磁閥已經(jīng)建立起完善的性能測試平臺（圖1），可實現(xiàn)對電磁閥水頭損失、耐壓性和壽命測試的自動檢測和數(shù)據(jù)記錄，目前其部分產(chǎn)品自身水頭損失的性能指標已經(jīng)達到甚至超越國外著名品牌。

電磁閥的工作原理及主要類型

工作原理

電磁閥的工作原理一般非常簡單，當電磁閥未通電時，閥針（或柱塞）在彈簧的作用下，將閥體的過流通道封閉，電磁閥關(guān)閉;當線圈接通電源時，線圈產(chǎn)生磁力，閥針（或柱塞）克服彈簧彈力向上提起，閥內(nèi)通道打開。灌溉電磁閥一般由電磁頭和閥體兩部分組成，電磁頭是該類閥門最重要的組件之一，其品質(zhì)決定了閥門能否正常開啟關(guān)閉，直接影響到控制系統(tǒng)控制效果的好壞，關(guān)系到灌溉系統(tǒng)的成敗。為降低水頭損失，閥體設(shè)計時需要使水流盡量保持平直方向，復(fù)雜的閥門結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致水流改變正常方向，形成紊流，造成較大的水頭損失，同時也容易被水中的雜質(zhì)所堵塞。

主要類型

溫室自動化灌溉應(yīng)用場景復(fù)雜，電磁閥種類較多，如果選型不當，容易造成電磁閥不工作，帶來經(jīng)濟上巨大損失。通常可以按照閥門制造材質(zhì)、功能、尺寸、電源類型、控制方式和閥體結(jié)構(gòu)來進行分類，具體詳見表1。

衡量灌溉電磁閥性能的主要指標

過流量（水頭損失）

過流量即通常所說的閥門的過流能力，在同樣的供水壓力和流量下，閥門的水頭損失越小，則閥門的過流能力越好。因此過流量是考驗閥門過流性能的非常重要的水力性能指標。

耐壓性

也叫閥門的耐壓能力，通常的情況下，塑料閥門的工作壓強是1.0 MPa，國家的檢測標準密封壓力為1.1倍的工作壓力，閥體的承壓為1.5倍的工作壓力。

最小的啟動壓強

水力控制閥正常工作以保證閥門的正常開啟，一般最小啟動壓強隨閥門口徑的變大而降低，最小啟動壓強通常在0.02～0.03 MPa。

開關(guān)響應(yīng)時間

響應(yīng)時間應(yīng)當是從加入輸入信號的時間起，到輸出達到規(guī)定值為止的時間，是衡量閥門靈敏度的最重要的指標。

灌溉電磁閥在溫室自動灌溉中的

主要通訊控制方式

在溫室自動化灌溉中，電磁閥的通訊控制主要有兩類，一類是由水肥一體機進行電磁閥的控制，可借助無線或有線控制模式，該種方式是溫室應(yīng)用最多的情況;另一類是專門開發(fā)的灌溉控制器進行電磁閥的控制，該模式一般用于傳統(tǒng)項目的改造，用戶可以在不增加水肥一體機下實現(xiàn)遠程閥門控制。

為了降低設(shè)備的投入，提高種植的收益，在自動化灌溉中一般都采用輪灌的灌溉模式，當灌溉電磁閥數(shù)量過大且位置較遠時，科學(xué)設(shè)計相應(yīng)的控制模式進行電磁閥的控制就顯得更為重要，根據(jù)通訊控制的特點可分成以下兩類：

有線控制模式

有線控制模式，主要優(yōu)點是信號穩(wěn)定，數(shù)據(jù)不容易丟包，按照技術(shù)種類可以分成傳統(tǒng)多線制和總線制。其中，傳統(tǒng)多線制就是每個電磁閥都有單獨控制回路，布線多，技術(shù)簡單，但是在發(fā)生故障時，不容易排查，且在數(shù)量較多時，往往會給原來成熟的水肥一體機控制系統(tǒng)帶來挑戰(zhàn)。總線制在溫室自動灌溉領(lǐng)域一般主要是二線解碼技術(shù)，是將供電線與信號線合二為一，兩根線實現(xiàn)通訊兼供電，節(jié)省了施工和線纜成本，給現(xiàn)場施工和后期維護帶來了極大的便利，尤其是園區(qū)規(guī)模化數(shù)量較大應(yīng)用時，經(jīng)濟性顯著。兩種通訊方式的原理示意圖見圖2，特點見表2。

無線控制模式

無線控制模式由于節(jié)省了布線，在一些改造項目和現(xiàn)代化大型設(shè)施園區(qū)近年來推廣迅速，根據(jù)目前的技術(shù)特點主要有如下3種：

◆LoRa

LoRa通信具有開放性強、長距離、低功耗、無需接線、低成本、個人組網(wǎng)的特點，幾乎沒有后續(xù)維護費用，但傳輸速率較低。由于LoRa通信使用的是公有頻段，在使用時可能會出現(xiàn)信號干擾的問題，所以在實際使用時，通常是在空曠偏遠的位置。通訊協(xié)議以私有協(xié)議為主，必須搭配配套的網(wǎng)關(guān)才能使用，應(yīng)用比較靈活，大型設(shè)施園區(qū)規(guī)?；汗喔葢?yīng)用比較合適。

◆NB-IOT

NB-IOT使用的License頻段可直接部署于現(xiàn)有運營商網(wǎng)絡(luò)，并有良好的信號增益，能降低溫室結(jié)構(gòu)、材料、潮濕環(huán)境對信號的干擾，所以在運用上適用于運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域。但需要為每一個控制器都安裝上運營商的流量卡（物聯(lián)網(wǎng)卡），并會產(chǎn)生持續(xù)性的費用，主要用于相關(guān)可以監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用場合。NB-IOT信號覆蓋面積廣，成本低，功耗低，數(shù)據(jù)安全性高，不需要用戶搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，開發(fā)簡單。

◆Wi-Fi

Wi-Fi需要外部電源持續(xù)供電，所以不用擔心能耗問題，使用時通常為需要持續(xù)性信號傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)提供支撐，也能擴展大量的外部設(shè)備，比如攝像頭、傳感器、門禁等。Wi-Fi的使用方式和NB-IOT類似，差別在于使用環(huán)境處于全Wi-Fi覆蓋，前期投入較大，后期運行成本較低，一般用于大型連棟溫室和科研試驗自動化灌溉。利用Wi-Fi可以實現(xiàn)實時高傳輸速率，可擴展性強，且組網(wǎng)方便，既可以形成內(nèi)網(wǎng)，也可以形成外網(wǎng)，安全性高。

國內(nèi)溫室自動化應(yīng)用場景總結(jié)

當前，在溫室應(yīng)用領(lǐng)域，溫室自動水肥一體機往往進行灌溉電磁閥的控制，中國溫室經(jīng)營主體運行模式大致可以分成3類，對電磁閥的控制要求各不相同，具體如下：

設(shè)施土壤栽培大型園區(qū)運營模式

一般溫室數(shù)量多，分布面積大，該種自動化控制比較適合有線總線控制模式和無線控制模式（LoRa、HPTD、NB-IOT）。

大型連棟溫室無土栽培模式

集中在一個穩(wěn)定的環(huán)境內(nèi)，灌溉呈現(xiàn)少量多次，要求控制精準，電磁閥均用自動化灌溉施肥裝置控制，在果菜種植領(lǐng)域，一般閥門數(shù)量不多，常采用多線制有線控制模式;在盆花種植和苗床潮汐灌溉中多線制控制模式和總線制控制模式均可。

個體經(jīng)營土壤栽培模式

溫室數(shù)量較少，間隔距離大都在100 m以內(nèi)，一般采用多線制有線控制模式。

灌溉電磁閥的選型依據(jù)和

注意事項

選項依據(jù)

◆根據(jù)管道參數(shù)選擇

根據(jù)農(nóng)作物所需的水量確定電磁閥的管徑大小，確保能經(jīng)濟性地保證足夠的流量。在接口方式的選擇上，一般通徑大于DN50要選擇法蘭接口，通徑小于DN50則可根據(jù)用戶需要自由選擇。

◆根據(jù)主管道的壓力參數(shù)選擇

電磁閥的最高工作壓力差應(yīng)高于管路中可能出現(xiàn)的最高壓力的5%以上;其最低差低于管路中可能出現(xiàn)的最低壓力的5%～10%左右。對于系統(tǒng)流量有要求的，一定要根據(jù)電磁閥的流量系數(shù)來換算，確定電磁閥選用的通徑和規(guī)格。

◆根據(jù)工作電壓選擇

電磁閥的工作電壓應(yīng)盡量優(yōu)先選擇安全電壓以下的電壓，防止電壓泄露引起安全事故，優(yōu)先選擇DC24V的電磁閥。

◆根據(jù)控制方式選擇

應(yīng)根據(jù)灌溉控制器的控制要求來選擇合適型號的電磁閥，比如有的二線制控制模式只能適合脈沖電磁閥。

◆根據(jù)持續(xù)工作時間選擇

當電磁閥需要長時間開啟，并且持續(xù)的時間多于關(guān)閉的時間時應(yīng)選用常開型。要是開啟的時間短或開和關(guān)的時間不多時，則選常閉型。

注意事項

盡量選擇手動自動一體化的閥門，避免斷電情況下無法操作閥門而導(dǎo)致作物因無法長時間得到灌溉而受損。優(yōu)先選擇塑料整體式閥門，安裝比較簡單。

在雷電多發(fā)區(qū)或者銅電線盜竊多發(fā)區(qū)，可使用水力遠程控制的方法，通過送水導(dǎo)管傳輸控制信號，用來代替銅電線發(fā)送控制信號。在具有較大起伏坡地的溫室需要安裝帶減壓功能的電磁閥。

參考文獻

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*項目支持：國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0201010）;國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0201503-02）。

作者簡介：尹義蕾（1983-），男，山東泰安人，高級工程師，研究方向為溫室水肥裝備與環(huán)境控制研究。

[引用信息]尹義蕾，潘守江，侯永，等.溫室內(nèi)電磁閥的分類及選型[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（25）：50-53.