周博士考察拾零（一百二十五）日光温室卷帘机自动控制限位方法——甘肃设施农业考察纪实（四）

周长吉（农业农村部规划设计研究院，北京 100125）

卷帘机的发明是中国日光温室技术发展史上一项里程碑的技术创新，但卷帘机的自动控制技术却迟迟没有跟进。虽然目前种植者借助卷帘机已经基本摆脱了对保温被“手拉脚踹”的人力卷放时代，但对卷帘机控制还大都停留在人工操控电闸的初始电动控制阶段。在人类进入电气设备智能化控制的时代后，日光温室卷帘机还未踏入自动化的阶段，从另一个层面也说明了中国日光温室现代化的道路还很漫长。

2020 年11 月24～30 日笔者随中国农业工程学会设施园艺工程专业委员会专家团考察甘肃设施农业，走到甘肃省农业科学院张掖试验场设施果品生产基地时不经意间发现这里的科研人员在默默地研究和开发日光温室卷帘机的自动化控制系统。拉了几位志同道合者脱离大团队开始详细了解和剖析这套具有日光温室划时代进步代表性的创新技术。这项技术是由甘肃省农业科学院蔬菜研究所在张掖试验场设施果品生产基地的科技人员与当地一个名为张掖市众智众创科技有限公司联合开发的。事实上，他们的开发之路也是从传统的手动控制起步的。

传统的手动控制方法是在卷帘机的支撑连杆上（图1a）或在温室的山墙上安装手动控制开关，以实现对卷被电机的“正转”“反转”和“停”三个功能的手动控制。这种控制方法需要操作人员在卷帘机运行过程中始终守候在开关旁边并注意观察保温被的卷放位置，待保温被卷放到设定位置后再手动拨动开关把柄，切断电源停止卷帘机转动。这种控制方法虽然大幅降低了卷放保温被的劳动强度，但并没有节省人力资源，卷帘机卷放过程中必须始终有操作人员就地在岗守候，一般卷放一次保温被的时间在10 min 左右，每天卷放一个来回实际上就是20 min 左右的劳动时间。除了浪费劳动时间外，在寒冷的冬季操作者需要在室外作业，也直接影响着劳动者的身心健康。

图1 传统的日光温室卷帘机控制方法

实现自动控制的第一步是选择和安装限位器，即在保温被卷放到设定位置后能自主触发限位器开关，自动切断电源，控制卷帘机自动停机。卷放保温被要求至少安装2 套限位器，一套安装在温室屋脊位置，用于控制保温被的“卷停”；另一套安装在温室前基础部位，用于控制保温被的“放停”。安装限位器与手动开关配合控制卷帘机的启闭，至少可节省操作人员打开开关等待卷帘机到位后再人工关停卷帘机的时间，这种控制方式称为半自动控制。之所以称为半自动控制是因为还需要人工拨动控制开关启动卷帘机运行。全自动控制则是安装室内外传感器，通过对传感器信号的编程控制自动启动卷帘机，从而彻底摆脱人工操控，并实现按照控制目标的精准控制。

不论是半自动控制还是全自动控制，限位器是控制系统首要解决的问题。早期研究日光温室保温被控制系统采用了传统的工业用限位器——摇臂式行程开关。这种开关的控制原理是当保温被卷放到行程开关位置时触碰开关上的摇臂，摇臂实际上是一根杠杆，当摇臂的一端（主动端）受力发生位移后将同时带动另一端（被动端）向相反的方向发生偏转。摇臂的主动端露出开关盒，当保温被卷放过程中触碰到主动端后，将撬动杠杆隐藏在开关盒内被动端发生运动，由此接通控制电路切断卷帘机电路控制卷帘机停机或者直接切断卷帘机电路控制其停机。

但研究和实践均发现，由于触碰行程开关主动端的日光温室保温被是柔性的，当保温被触碰到行程开关主动端时不能即刻推动其发生位移，也就是说，行程开关的触发时间经常会滞后于保温被的卷停时间，由此而造成保温被不能精准卷停在行程开关设定位置，出现保温被过卷而压断行程开关主动端造成行程开关损坏并失效的现象（图1b），甚至会出现保温被卷过温室屋脊发生过卷的“翻车”事故。

为了避免这种“翻车”事故的发生，即使对手动控制的卷帘机控制系统，也经常在温室的屋脊位置安装一排挡杆（图1c），当控制系统失灵后可阻挡保温被将其停靠在挡杆前。这种方法虽然增加了设置挡杆的成本，但也避免了由于卷帘机过卷造成保温被“翻车”给后期的维修以及由于保温被无法卷放而使日光温室夜间无法保温给生产种植带来的巨大损失。

鉴于摇臂式行程开关存在控制失灵的风险，甘肃省农业科学院蔬菜研究所张掖试验基地的科研人员和张掖市众智众创科技有限公司联合研究开发了适合日光温室保温被感应和控制的多种限位开关。以下逐一进行介绍。

屋脊位保温被“卷停”限位开关

针对日光温室保温被卷起后被卷大而软的特点，研究者设计了一种长臂杆大行程的开关摇臂，并将这种摇臂做成近45°角的曲臂杠杆，在两臂转角连接点处设转动支点，用悬空支杆将其悬挂在温室屋脊保温被停卷的控制位置。曲臂杆的一侧为主动臂，是触碰保温被卷的臂杆；另一侧为被动臂，在其端部安装了一个触碰柄，用该触碰柄二次触发控制电路的行程开关（图2a）。这种方法实际上是用了一种二次传递的方法间接地触发了控制电路的行程开关。由于控制电路的行程开关安装在支撑曲臂杠杆的水平悬杆上，其位置高于保温被被卷的直径，因此保温被在卷放过程中无法触及到电路控制行程开关，此外，二次传递的曲臂杠杆其被动臂上的触碰柄是刚性材料，触碰电路控制行程开关后不会发生自身变形而带来延时触发开关的问题，所以也就彻底消除了控制开关触碰失灵的问题。

图2 屋脊位“卷停”限位开关

为保证控制开关处于常开位置，曲臂杠杆的主动端臂杆长度比被动端臂杆的长度长，在自身重力作用下主动端臂杆处于正常下垂状态，由此带动安装在曲臂杠杆被动臂杆上的触碰柄脱离电路控制行程开关，这就是保温被展开后不触碰曲臂杠杆主动臂杆的状态（图2b）。当保温被卷起时，随着保温被被卷的上卷，将推动曲臂杠杆主动臂杆向后屋面方向转动，由此带动曲臂杠杆的被动臂杆向上转动，当被动臂杆上的触碰柄转动触碰到电路控制行程开关的触杆后，带动触杆转动接通控制电路切断动力电源使卷帘机停机（图2c）。当保温被重新展开后，曲臂杠杆在自身重力的作用下主动臂杆重新回位到自由下垂位置，再次将其被动臂上的触碰柄脱离电路控制行程开关的触杆，电路控制行程开关重新恢复到原位，等待下一次的触碰。

这种控制开关采用了2 套杠杆，或者说在传统工业行程开关的基础上增配了一套适合大直径柔软被卷触发的曲臂杠杆，用二次传递触碰的方法有效解决了柔性保温被卷触碰开关后不能即刻断开电路的问题，这是该控制系统最关键的创新。

前基础保温被“放停”限位开关

上述屋脊处控制保温被卷停的限位器同样也适用于控制保温被展开后的放停控制，只是限位器开关放置的位置由温室的屋脊处更换到了温室前基础外的地面（图3）。为了更可靠地控制保温被的放停，曲臂杠杆的主动侧臂杆还采用了平行的双臂结构，以适应卷被轴弯曲可能造成的行程误差。

图3 温室基础前沿保温被“放停”限位开关

在参观的过程中看到这种限位开关实际上处于闲置废弃状态，要么可能是限位开关离保温被展开后的卷被轴距离太远，要么可能是限位开关不能将保温被放停在保温被完全覆盖温室前屋面的密封位置。

屋面限位开关

为了解决好保温被展开后的放停限位，研究者创新发明了一种安装在屋面上的限位控制开关。这种控制开关采用了一根固定在屋面拱架上可以上悬转动的条形压板来传递保温被展开与卷起的状态（图4），在该压板的活动端安装有一个用重力锤平衡力矩的二连杆机构（图5），该机构由一块特制的曲柄钢板和一根支杆组成（图6）。曲柄钢板在其肘部用一个转轴将其固定在温室骨架的内侧，曲柄的一端安装拉拽屋面压板的支杆，另一端安装电路控制开关的触碰板，支杆的另一端连接屋面压板的活动端。

图4 屋面限位开关的屋面压板

图5 屋面限位开关的二连杆结构

图6 屋面限位开关结构图

当保温被展开时，在卷被轴和保温被卷的共同压力下，将屋面压板下压平贴到温室屋面，在此过程中通过连接在压板活动端的连杆撬动曲柄钢板使曲柄钢板的活动开关触碰板向上旋转并最终与固定安装在屋面拱杆上的固定开关触碰板接触，从而接通控制电路，控制卷帘机停机；当保温被卷起时，由于屋面压板失去压力，二连杆在重力锤的作用下将屋面压板顶起（图4a、图5a），曲柄钢板上的活动开关触碰板与屋面拱杆上安装的固定开关触碰板脱离，控制电路开关断开，等待下一次触发。限位开关运行和控制过程请扫描二维码观看视频（图7）。

图7 屋面限位开关运行视频

活动开关触碰板和固定开关触碰板实际上是一对“子母板”，是本项技术限位开关中的电路控制开关。该电路控制开关实际上是一套干簧管传感器，其工作原理如图8a。将两片弹簧片相隔一定间距封装在一个装有惰性气体的封闭套管内，两端接出连接线与控制电路相连。该弹簧片封装套管固定安装在屋面拱杆上，为不动开关触碰板。在没有外力作用下，两根弹簧片处于分离状态，控制电路处于断开状态。当在外力作用下将两片弹簧片的端部相接触后，则接通控制电路，实现对控制线路的断通。实现弹簧片接触并接通控制电路的外力来自于安装在曲柄钢板一端（活动开关触碰板）的永磁铁。当永磁铁贴近弹簧片时，利用磁力将两片弹簧片吸合，从而实现了接通干簧管内连接电路的作用。因此，这套传感系统是2 件套（图8b），其中的吸铁片安装在曲柄钢板上，弹簧管及控制线路则安装在温室骨架上。为了增加控制系统的安全性，设计在具体的控制设备上安装了2 套单簧管传感器（图5c、图6b）。

图8 干簧管传感器的工作原理与实物

屋面限位开关，由于安装在温室屋面上，当控制开关被卷放的保温被触发后，如果即刻切断电路，则保温被将无法继续卷放到温室的前沿基础，由此将无法全面密封温室前屋面。为了解决这个问题，在实际控制电路中采用了行程开关触发控制开关后延迟切断卷帘机运行电路的策略。在卷帘机及其控制系统安装的过程中，根据温室前屋面骨架的形状、卷帘机的转速、行程开关安装的位置、保温被的厚度及展开后被卷的初始直径等参数调整切断电源的滞后时间，保证保温被完全覆盖温室前屋面后锁定控制系统。在卷帘机运行的过程中，如果发现有保温被卷放不到位时，可随时调整控制系统切断电源的滞后时间。