CN115428659B - 一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置，包括固定保温被、移动可伸缩补光装置、齿条导轨、若干个LED射灯、PLC位置控制单元等组成，通过PLC位置控制单元调节可伸缩补光装置在齿条导轨上自西向东移动，对固定保温被阴影位置进行补光，补光结束后，通过PLC位置控制单元将移动可伸缩补光装置返回至下一天固定保温被阴影的落点位置，该方法减少了补光成本，实现补光装置的自动化控制，结构简单，便于推广。

Description

一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置的控制方法
技术领域
本发明属于植物补光技术领域，具体涉及一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置的控制方法。
背景技术
日光温室是中国北方寒冷地区实现喜温果菜越冬生产的重要设施。日光温室建筑结构中的保温棉被为减少温室热量流失，保持室内热湿环境稳定起到了重要作用。为便于控制左右两侧保温被的卷放，卷杆一般设置在温室中部，称为中置卷杆，白天保温被在中置卷杆及电机的带动下卷起透光，夜间则平铺在南屋面。为了使左右两侧保温被在接缝处紧密连接，提高保温效果，通常在中置卷杆的正下方设置一条宽2m的固定保温被，该保温被不随卷杆运动，始终固定平铺在温室表面。固定保温棉被在太阳照射时会在温室地面产生阴影，进而影响了温室内光温环境和作物生长发育。
发明内容
针对固定保温被遮荫影响日光温室内光温环境和作物生长发育的问题，本发明提供了一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置，通过计算固定保温被在一天当中的投影面积大小及运移规律，设计一种移动可伸缩补光装置，在装置上搭载PLC位置控制模块和若干个LED射灯，实现该装置通过齿条导轨从西向东移动，对温室内受到固定保温被遮荫的区域进行补光。
为实现上述任务，本发明采用以下技术方案：一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置，包括固定保温被、移动可伸缩补光装置、固定支点、齿条导轨、LED射灯、PLC位置控制单元、齿轮组、电机。
所述的固定保温被安装在日光温室南屋面中间位置，在固定保温被南端2.5米高度处设置固定支点，以支点在后墙体上的投影位置为中心，在后墙体上，距地面2.5米高度处设齿条导轨；所述的移动可伸缩补光装置内安装若干个通过导线连接的LED射灯，其南端固定在支点上，北端通过固定螺栓与连杆一端连接；所述的连杆的另一端通过铰接螺栓与安装在齿条导轨内的齿轮组的支架连接；所述的齿轮组的支架上还安装有PLC位置控制单元和电机；所述的电机的动力轴与齿轮组中的任一个齿轮连接，所述的PLC位置控制单元分别与电机与LED射灯的开关连接。
所述的移动可伸缩补光装置由圆管和内套管组成，所述的内套管和圆管通过活接连接。
所述的移动可伸缩补光装置南端固定在支点上，北端通过铰接螺栓和固定螺栓与齿条导轨铰接，齿轮组在电机的带动下，从西向东移动。
所述的移动可伸缩补光装置内安装的LED射灯的宽度为40mm，厚度为5mm，通过4个固定插销固定在内套管中。
所述的齿条导轨距地面为2.5米，长度为25.9米。
所述内套管上有弦长为20mm的弧形断面。
本发明还有一个目的是提供一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，按照以下步骤实施：
步骤1，计算日光温室固定保温被在温室地面的投影面积大小及移动规律，获得任意一天内的任意时刻，固定保温被在温室内部的投影位置；
步骤2，将固定保温被投影面积移动规律转换为程序语言输入到PLC位置控制单元中，调节移动可伸缩补光装置从西向东的移动速度等于固定保温被投影面积的移动速度；
步骤3，所述的移动可伸缩补光装置在PLC位置控制单元的控制指令下，从齿条导轨西侧向东侧移动，移动过程中LED射灯保持开启，移动至齿条导轨东侧后，LED射灯关闭，通过PLC位置控制单元控制移动可伸缩补光装置从东向西反向移动至齿条导轨西侧。
所述的PLC位置控制单元的输出口Y0、Y1、Y2均连接电机控制器，其中Y0输出为1时控制移动伸缩补光装置向右移动，Y1输出为1时控制移动伸缩补光装置向左移动，Y2输出为1时控制移动伸缩补光装置停止移动，通过电机控制器的信号放大驱动电机，进而通过电机驱动移动伸缩补光装置；输出口Y3控制LED灯组开闭，输出口X0和X1分别为限位开关1与限位开关2的信号输入接口，两者分别为系统提供移动伸缩补光装置左右端位置校准的输入信号。
所述的PLC位置控制单元可通过计算，确定任意一天从早上开始补光到下午结束补光时，固定保温被的具体投影位置，设备可通过驱动电机的运行时间定位，驱动移动可伸缩补光装置以一定的时间周期，更新补光位置并移动到计算的指定补光位置；系统可使移动伸缩补光装置结束工作后，自动移动可伸缩补光装置保持向左移动，直至限位开关1处位置，校正位置信息后返回至下一天固定保温被阴影的落点位置，第二天循环往复。
所述的获得任意一天内的任意时刻，固定保温被在温室内部的投影位置具体公式为：
XI＝L2+IΔX (2)
式中△X为相邻节点之间的距离，m；L为温室跨度，m；L2为后屋面水平投影长度，m；K为划分的小区域个数；I为等分点个数；XI为第I个等分点的横坐标，m；X1EW为E点下午时刻在温室地面投影的横坐标，m；Y1EW为E点下午时刻在温室地面投影的纵坐标，m，HP为节点的高度，m；γ为太阳方位角；ε为温室方位角，H为太阳高度角。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
1.通过本发明设计的一种移动伸缩补光装置从西向东进行补光，可有效减少日光温室内部由过渡保温被形成的阴影区域，解决日光温室中过渡保温被对温室内光温环境及作物生长发育存在较大影响的问题。
2.本发明建立了固定保温被投影面积大小和移动规律的计算模型，可应用于任何类型的日光温室固定保温被投影计算，以计算模型为基础，编写控制程序，嵌入到PLC位置控制单元，实现了移动伸缩补光装置的远程化，自动化控制。
3.对比现有的补光措施：动态补光需要多个传感器，实时调节补光强度，成本高不宜推广；而均匀固定补光效果针对性不强，效果差的缺点，本发明能根据阴影区域的变化调整补光区域的位置，实现了固定光强的移动补光，大大减少了补光成本，结构简单，便于推广。
附图说明
图1为为移动伸缩式补光装置从西向东移动几何示意图；
图2为移动伸缩式补光装置正常工作侧视图；
图3固定保温被投影位置计算示意图；
图4为移动伸缩式补光装置示意图；
图5为移动伸缩式补光装置中内圆柱与弧形断面的横截面示意图；
图6为移动伸缩式补光装置与齿条导轨连接示意图；
图7为PLC位置控制单元电路图；
图8为日光温室内阴影区域与补光区域示意图；
图9为P1测点处光照强度随时间的变化规律曲线图；
图10为P2测点处光照强度随时间的变化规律曲线图。
图中标号代表：1固定保温被，2移动可伸缩补光装置，3固定支点，4齿条导轨，5LED射灯，6PLC位置控制单元，7电线，8齿轮组，9电机，10铰接螺栓，11固定螺栓，12后墙体，13活接，14弧形断面，15固定插销，21圆管，22内套管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
参见图1-6，本发明公开了一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置，包括固定保温被1、移动可伸缩补光装置2、固定支点3、齿条导轨4、LED射灯5、PLC位置控制单元6、齿轮组8、电机9。
所述的固定保温被1安装在日光温室南屋面中间位置，在固定保温被南端2.5米高度处设置固定支点3，以支点3在后墙体上的投影位置为中心，在后墙体12上，距地面2.5米高度处设齿条导轨4；所述的移动可伸缩补光装置2内安装若干个通过导线7连接的LED射灯5，其南端固定在支点3上，北端通过固定螺栓11与连杆一端连接；所述的连杆的另一端通过铰接螺栓10与安装在齿条导轨4内的齿轮组8的支架连接；所述的齿轮组8的支架上还安装有PLC位置控制单元6和电机9；所述的电机9的动力轴与齿轮组8中的任一个齿轮连接，所述的PLC位置控制单元6分别与电机9与LED射灯5的开关连接。
所述的移动可伸缩补光装置2由圆管21和内套管22组成，所述的内套管和圆管通过活接13连接。
所述的固定保温被1安装在日光温室南屋面中间位置，在固定保温被1南端2.5米高度处设置固定支点3，以固定支点3在后墙体8上的投影位置为中心，在后墙体12上，距地面2.5米高度处设置长度为25.9米的齿条导轨4。
所述的移动可伸缩补光装置南端固定在支点上，北端通过铰接螺栓和固定螺栓与齿条导轨铰接，齿轮组在电机的带动下，从西向东移动，LED射灯的宽度为40mm，厚度为5mm，将LED射灯通过4个固定插销固定在内套管中。为了使内套管中LED射灯照射到地面上，在内套管中切割出弦长为20mm的弧形断面14。
所述移动可伸缩补光装置2由圆管21和内套管22组成，圆管21直径为75mm，长度为10m，内套管22直径为47mm，长度为8m，内套管22嵌套在圆管21内，圆管21和内套管22正下方每间隔0.9m安装一个LED射灯5，LED射灯5与圆管21和内套管22内的电线7连通，通过温室内部电源供电。
实施例2
一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，按照以下步骤实施：
步骤1，计算日光温室固定保温被在温室地面的投影面积大小及移动规律，获得任意一天内的任意时刻，固定保温被1在温室内部的投影位置；
步骤2，将固定保温被投影面积移动规律转换为程序语言输入到PLC位置控制单元6中，调节移动可伸缩补光装置2从西向东的移动速度等于固定保温被1投影面积的移动速度；
步骤3，所述的移动可伸缩补光装置2在PLC位置控制单元6的控制指令下，从齿条导轨西侧向东侧移动，移动过程中LED射灯5保持开启，移动至齿条导轨4东侧后，LED射灯5关闭，通过PLC位置控制单元6控制移动可伸缩补光装置2从东向西反向移动至齿条导轨4西侧。
所述的获得任意一天内的任意时刻，固定保温被在温室内部的投影位置具体公式为：
XI＝L2+IΔX (2)
式中△X为相邻节点之间的距离，m；L为温室跨度，m；L2为后屋面水平投影长度，m；K为划分的小区域个数；I为等分点个数；XI为第I个等分点的横坐标，m；X1EW为E点下午时刻在温室地面投影的横坐标，m；Y1EW为E点下午时刻在温室地面投影的纵坐标，m，HP为节点的高度，m；γ为太阳方位角；ε为温室方位角，H为太阳高度角。
参见图7，所述的PLC位置控制单元6的输出口Y0、Y1、Y2均连接电机控制器，其中Y0输出为1时控制移动伸缩补光装置2向右移动，Y1输出为1时控制移动伸缩补光装置2向左移动，Y2输出为1时控制移动伸缩补光装置2停止移动，通过电机控制器的信号放大驱动电机9，进而通过电机9驱动移动伸缩补光装置2；输出口Y3控制LED灯组5开闭，输出口X0和X1分别为限位开关与限位开关2的信号输入接口，两者分别为系统提供移动伸缩补光装置2左右端位置校准的输入信号。
所述的PLC位置控制单元可通过计算，确定任意一天从早上开始补光到下午结束补光时，固定保温被1的具体投影位置，设备可通过驱动电机的运行时间定位，驱动移动可伸缩补光装置2以一定的时间周期，更新补光位置并移动到计算的指定补光位置；系统可使移动伸缩补光装置2结束工作后，自动移动可伸缩补光装置2保持向左移动，直至限位开关1处位置，校正位置信息后返回至下一天固定保温被1阴影的落点位置，第二天循环往复。
进一步讲，以冬至日12月22日固定保温被1的投影位置为例，具体介绍投影位置的计算过程：在冬至日早晨8：30时，输入上述参数，可求得温室投影位置的中心线为AD中点与O点正西方向12.95m位置的连线。
式中δ为太阳赤纬角，°；ω为太阳时角，°。
太阳高度角α计算公式：
ω＝15×(ST-12) (8)
ST＝TB+TC (9)
式中为地理纬度，°；N为日序数，1月1日，N＝1；ST为真太阳时；TB为北京时间；TC为测点位置与北京时间的时差；ξ为当地的经度，°，东经为正，西经为负。
固定保温被1上不同高度的节点，其投影可能落在地面、后屋面或北墙8上，根据节点E的投影在X1轴上的坐标x1EW可判断投影的落点位置，若x1EW>0，则投影点落在地面上，用多项式拟合投影位置在地面上的固定保温被1节点的投影坐标(x1iW,y1iW)，并沿跨度方向对多项式进行积分，得式(11)。
式中S为固定保温被在温室地面的投影面积，m2；G(x)和P(x)分别为固定保温被西侧和东侧轮廓在温室地面形成的投影曲线的多项式拟合函数。
进一步讲，以5月22日13:30时刻，固定保温被1的投影面积计算为例，具体介绍投影面积的运算过程。假设将温室跨度等分为25份，计算每个等分点在温室地面投影的坐标。将上述坐标点拟合为曲线，得到G(X)＝-0.0044X2-0.0186X+24.125；P(X)＝-0.0044X2-0.0186X+22.125；代入式(11)可得S＝20m2。则13:30时，温室地面阴影总面积S为20m2。
参阅图8，本发明的实施例中，温室坐北朝南，东西走向，屋脊高5.0m，跨度10.0m，北屋面水平投影长度1.2m，温室后走道宽0.8m，长度45.0m，北屋面的倾斜屋顶上覆盖厚度为10cm的保温彩钢板，南屋面曲线形状为抛物线型。南屋面覆盖厚度为0.12mm的PO塑料薄膜，清洁状态下透光率为85％。塑料薄膜外侧加盖厚度4cm的保温棉被，保温棉被的材质为再生棉和薄帆布，传热系数0.782W/(m2·K)。移动可伸缩补光装置2，其圆管21和内套管22的材质为PVC塑料。单个LED射灯5的功率为7W，波长为380～840nm。试验日光温室位于陕西杨凌创新农业示范园(34.16°N，108.95°E)，结合图8所示，通过光照度传感器实时测量温室中布置两个光照强度测试点P1和P2。不同测点处光照强度随时间的变化规律如图9和图10所示。

Claims (9)

1.一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，其特征在于，所述的补光装置包括固定保温被(1)、移动可伸缩补光装置(2)、固定支点(3)、齿条导轨(4)、LED射灯(5)、PLC位置控制单元(6)、齿轮组(8)、电机(9)；所述的固定保温被(1)安装在日光温室南屋面中间位置，在固定保温被南端2.5米高度处设置固定支点(3)，以支点(3)在后墙体上的投影位置为中心，在后墙体(12)上，距地面2.5米高度处设齿条导轨(4)；所述的移动可伸缩补光装置(2)内安装若干个通过导线(7)连接的LED射灯(5)，其南端固定在支点(3)上，北端通过固定螺栓(11)与连杆一端连接；所述的连杆的另一端通过铰接螺栓(10)与安装在齿条导轨(4)内的齿轮组(8)的支架连接；所述的齿轮组(8)的支架上还安装有PLC位置控制单元(6)和电机(9)；所述的电机(9)的动力轴与齿轮组(8)中的任一个齿轮连接，所述的PLC位置控制单元(6)分别与电机(9)与LED射灯(5)的开关连接；
所述补光装置的控制方法按照以下步骤实施：
步骤1，计算日光温室固定保温被在温室地面的投影面积大小及移动规律，获得任意一天内的任意时刻，固定保温被(1)在温室内部的投影位置；
步骤2，将固定保温被投影面积移动规律转换为程序语言输入到PLC位置控制单元(6)中，调节移动可伸缩补光装置(2)从西向东的移动速度等于固定保温被(1)投影面积的移动速度；
步骤3，所述的移动可伸缩补光装置(2)在PLC位置控制单元(6)的控制指令下，从齿条导轨西侧向东侧移动，移动过程中LED射灯(5)保持开启，移动至齿条导轨(4)东侧后，LED射灯(5)关闭，通过PLC位置控制单元(6)控制移动可伸缩补光装置(2)从东向西反向移动至齿条导轨(4)西侧。
2.根据权利要求1所述的一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，其特征在于，所述的移动可伸缩补光装置(2)由圆管(21)和内套管(22)组成，所述的内套管和圆管通过活接(13)连接。
3.根据权利要求1所述的一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，其特征在于，所述的齿轮组(8)在电机(9)的带动下，从西向东移动。
4.根据权利要求1所述的一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，其特征在于，所述的移动可伸缩补光装置(2)内安装的LED射灯(5)的宽度为40mm，厚度为5mm，通过4个固定插销(15)固定在内套管(22)中。
5.根据权利要求1所述的一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，其特征在于，所述的齿条导轨(4)长度为25.9米。
6.根据权利要求2所述的一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，其特征在于，所述内套管(22)上有弦长为20mm的弧形断面(14)。
7.根据权利要求1所述的一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，其特征在于：所述的获得任意一天内的任意时刻，固定保温被在温室内部的投影位置具体公式为：
XI＝L2+IΔX (2)
式中△X为相邻节点之间的距离，m；L为温室跨度，m；L2为后屋面水平投影长度，m；K为划分的小区域个数；I为等分点个数；XI为第I个等分点的横坐标，m；X1EW为E点下午时刻在温室地面投影的横坐标，m；Y1EW为E点下午时刻在温室地面投影的纵坐标，m，Hp为节点的高度，m；γ为太阳方位角；ε为温室方位角，H为太阳高度角。
8.根据权利要求1所述的一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，其特征在于，所述的PLC位置控制单元(6)的输出口Y0、Y1、Y2均连接电机控制器，其中Y0输出为1时控制移动伸缩补光装置(2)向右移动，Y1输出为1时控制移动伸缩补光装置(2)向左移动，Y2输出为1时控制移动伸缩补光装置(2)停止移动，通过电机控制器的信号放大驱动电机(9)，进而通过电机(9)驱动移动伸缩补光装置(2)；输出口Y3控制LED灯组开闭，输出口X0和X1分别为限位开关与限位开关2的信号输入接口，两者分别为系统提供移动伸缩补光装置(2)左右端位置校准的输入信号。
9.根据权利要求1所述的一种针对日光温室固定保温被遮荫的补光装置控制方法，其特征在于，所述的PLC位置控制单元可通过计算，确定任意一天从早上开始补光到下午结束补光时，固定保温被(1)的具体投影位置，设备可通过驱动电机的运行时间定位，驱动移动可伸缩补光装置(2)以一定的时间周期，更新补光位置并移动到计算的指定补光位置；系统可使移动伸缩补光装置(2)结束工作后，自动移动可伸缩补光装置(2)保持向左移动，直至限位开关1处位置，校正位置信息后返回至下一天固定保温被(1)阴影的落点位置，第二天循环往复。
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