我们需要什么样的田间电磁阀?

假如你是个灌溉从业者，你不时会听到客户抱怨”我们的整个灌溉自动化系统，都毁在电磁阀门上了:偶尔打不开，有时候关不严，要么电磁头频繁更……；当我们提交问题需要解决的时候，我们的电磁阀供应商和控制系统供应商以及施工方都在表明问题不是他们，他们分析的都有道理，但是整个灌溉系统由于电磁阀工作不正常而导致整个系统不能使用！”

在一个灌溉自动化控制系统里，田间电磁阀作为一个执行单元，没有任何逻辑运算在里面，也大概因此而备受设计者忽视。工程开始设计的时候人们往往不够重视它，结果在工程的验收阶段，它总是会让每个人头疼。在设计一款灌溉控制系统或者电磁阀解码器的时候，我们也一直没有想到阀门的开关效果对整个控制系统产生的反作用。

田间电磁阀,这是一个复杂而又精巧的机电一体设备，很少人能对他彻底了解，甚至包括他们的生产厂家。作为灌溉工程师或者农艺管理投资商以及农场主，都想在产品设计选型上找到最佳选择,可是在成本,性能方面寻找平衡点并不容易,另外它很难选择的原因之一，就是或许它看起来很简单。

实际上我们在针对工程而选型的时候，最恰当的办法首先是认真全面阅读厂家的产品技术手册(但是我们很多工程师没有这个习惯),要不厌其烦的咨询电磁阀厂家的工程师。但很遗憾的是，无论是进口还是国产阀门供应商，很多厂家往往不能提供更完备的技术参数，甚至一些构件原理都不能给你讲的太清楚,要么基于各种原因（知识产权保护或者本身无能为力）。大部分厂家能根据他们的销售手册上那样提供给你电磁线圈的选型以及阀体的不同通径安装结构以及希望的安装压力范围等等这些粗疏的参数。他们认为这对你已经足够了.但是咱们农田或者园林绿化用的电磁阀结构因专用的应用场景而做了不同的特性设计:无论构件还是材质。或者说它不是某种意义的国标产品，没有更细致的专业标准教程解释它们的工作机制和以及普通阀门的细微差异，不同的专利技术和厂家独有的发明，会让阀门的特性和应用总有差别，而这些差异和差别可能与你整个灌溉控制系统应用有关系:例如不同的水压情况下,我的电磁驱动力为什么会不匹配了?气泡对阀头的冲击会产生恶性震荡吗?......

   更多的有经验的灌溉设计工程师更加看重阀门同等压力和口径下的过流量以及压损曲线(流阻)，通过这个能大概评估这个阀门腔体以及流体力学特性做的设计是否更加合理。很多电磁阀厂家的人会对你索要基础资料表现的很惊奇，因为他们觉得他们是专业的设计产品公司，已经对产品的应用考量做了专家级的对比研究，你们只需根据宏观参数对着产品手册进行选就可以了。如果你是认真的工程师，你会执着向不同厂家索要更详细的技术资料，以及一些数据报告表格。我们获取厂家资料，更多的是为了要你从基础结构、工作原理和微观流体特性上认识这个产品，从而对你这个阀在整个流体管道回路上产生的一些现象能做更加准确的推理：水锤系统出现的频次和程度；开关阀门产生的啸叫；开关过程中管道的共振等等。

在这里我并无意让我们都成为阀门专家，去孜孜以求既全面而且又专业的知识，但是假如你想弄清灌溉控制系统里一些费解的问题，最好还是尽你所能的去了解它，因为太多的问题与电磁阀关联。

一般来说电磁阀厂家的资料里有时候虽然极少出现技术错误，尽管他们的表达方式会让你产生不自觉的误导，但是你阅读不同公司的技术资料，加上你的独立思考，你会很快得到澄清，例如弹性膜片替代金属弹簧的优势，它带来的缺点是什么？例如超低压电磁阀真的比普通电压电磁阀呈现出优势吗？诸如此类。

    实际应用中田间的特殊环境，夏天炙热烈烤，冬天严寒低温，平日高温高湿度，强烈的辐射，肥料液体的腐蚀性等对田间电磁阀的设计提出了挑战，包括材料和结构，有人更愿意采用尼龙混合材料或者为了防腐蚀用无弹簧特殊橡胶膜片和高品质的螺栓。阀腔和构件的模具精度也越来越高，否则会影响整体过流特性，这些差别让田间阀门的造价明显提高。很多人抱怨阀门如此昂贵，(特别进口的产品)，它的投资在整个灌溉自动化系统里的投资比重非常大. 这也让我们国内的电磁阀从业者寻找到了这个行业的切入点:制作性价比更高的电磁阀,并且近几年在浙江,福建等一带有很多这方面专业公司兴起,并且迅速占据了一定的市场,但是总的来说进口的依然占据应用的主流,尽管他们的价格依然是国内平均价格的2倍以上。

    但是有人会总是不自觉得询问，到底国内和国外的差别在哪里？国外产品的价格昂贵，品质似乎也好了许多，或者说国内的产品便宜，有没有好的？当你在一个工程上选择阀门，会很多人提醒你：慎用国产阀门，否则你麻烦不断。实际很多人在想：不就是一个截止阀门吗？一个机械工程系的学生学习机械制图课程的第一个实习图大概就是个截止阀，如此简单的东西，国内怎么就搞不好呢？

    前面提过田间电磁阀门是精巧机电设备，它的技术含量极高。为了降低功耗和便于远程控制(水力,电磁力),阀门设计为先导结构, 采用先导溢流原理单独设计的腔体的水体产生不平衡压差，配合膜片或者弹簧的力学平衡产生阀芯动作,已经不再是一般的截止阀。

水力学特性的建模很复杂，对理论和经验要求极高，先导阀的设计专利最早的经典结构都是来自美国或者日本等国家,我们国家在这方面学术研究的时间很短,似乎没有太多积累(我检索类似的国内论文并不多).

有人禁不住想:电磁头看起来只是一个简单的线圈而已，产生磁力不就够了吗?但是实际情况完全不是这样：试想在较小的驱动功率条件下不仅要产生稳定的磁力还要和阀体完成一些机构稳妥联合，其实是个及其麻烦的技术难题。并且阀芯动作的时候，一直不断变化的磁隙和气隙也会不断影响着磁回路,这让问题变得更加复杂起来,于是想把线圈设计合理的难度就非常大。

    21ic论坛上有个感叹贴:”我学了那么多滤波器计算公式和教程，我却依然选不好一个恰当的LC滤波器参数”,这表明电磁理论的实际应用需要更多的经验。国内似乎很少完整的针对田间电磁阀的研发机构，更多的是依靠经验和试错。同时你会发现，我们国家更多的电磁阀门公司是实际是做开塑料模具起家的，所以我们的阀门外观总是显得很耐看。甚至比进口的还要强一些，他们的高超模具工程师善于剖析国外产品的结构并能准确复制过来，结构控制方面做得相当不错,尽管有知识产权方面的嫌疑，毕竟是在学习中。有的公司甚至在结构上做了微创新，令人耳目一新。但是在材料和电磁线圈设计方面，还有比较大差距,阀门的整体流阻特性还有差距。如果让他们做更多的产品创新似乎很难，因为他们大部分不懂流体力学，不会数学建模(阀门腔体的流体是典型的高度复杂不规则湍流,对它有效的建模大概是最头疼的物理学难题)，不会做磁力结构方面的复杂演算以及购买对应的测试系统。

很明显，电磁阀是个典型的交叉学科产品。我似乎很少看见大的专门的企业研究机构对他感兴趣。学术科研部门仅仅满足原理上探究性创新.浙江大学有液体流体力学研究的优良传统，对阀门力学特性研究也可圈可点，这或许是浙江一带做田间电磁阀特别多的缘故？

   浙江一带很多电磁阀企业从业者正在依靠他们的执着和聪明试图改变这种局面，有的材料品质上做提升，有的在结构上做经验性改进（我们的一些电磁阀生产厂家的工程师拥有丰富的经验），未来看起来无限可能，值得期待。

国内的很多公司也在试图基于电磁阀应用层面创新电磁阀系统：例如在阀体上增加检测流体的状态开关（试图解决阀位状态检测问题，实际情况是开关的可靠性以及水流的复杂状态会导致状态反复，反过来让我们产生更多的误判，增加了困扰。），或者将数据采集(压力，流量，解码器)集成在阀门磁头上，将电磁阀摇身一变为一个智能数据单元。

有的公司将阀门内置水流微型发电单元，完成解码控制RTU的充电管理，想着彻底解决线缆传输问题，但是或许用在室内更合适（室外严重的温差下充电，会很快毁掉它的电池，即便它选的电池再优良，充电电路再合理），发电单元轴承的寿命是个巨大挑战。这些都是追寻差异化过程中产生的一些想法，或许某个时期，会赢得一部分市场,诸如此类的创新国内是五花八门。但市场和技术原理会同步检验他们能否长久的存在下去，我们拭目以待。

国外的产品似乎比较老套，他们似乎比较”死脑筋”，鲜见在阀门本身上的这些集成性创新（至少我没看见，或许他们没有在国内推广？）。我无法评价这种差异，或许工程应用和产品设计本身就需要互相约束，只有寻找平衡，才能走得更远。

   当然国外的电磁阀，也不见得一定都是好的，有一个原因，国外也有很多代工公司，也有一些针对中国市场而做的小作坊式贴牌生产，甚至某些知名品牌被山寨假货仿冒，这只能需要你拥有一双慧眼，或者有足够的货物渠道经验。另外国外的某些品牌，特别以色列派系的厂家，已经就意识到他们的价格门槛在中国市场的副作用,开始考虑各种策略来降低他们的成本,美国派的很多公司在这方面觉悟似乎还不够大。

   其实电磁阀体的工作机制大同小异,只是有的公司在先导控制结构上，采用微型低功耗特种电机来执行切换动作,避免复杂的电磁头设计引起可能的开关动作失败(特别是闩型)，这似乎是两个技术流派，他们的产品系列都成功的运用在工程上,他们销售商之间偶尔会进行一些（暗示性的）不同程度的批评对方：实际他们各有优点和缺点，前者拥有更宽泛的电磁头驱动电压范围，对电器线路和解码器要求更低，后者拥有对水力波动更稳健的操控，而缺乏对电压的适应性。市场存在的，大概就是合理的。我们需要了解自己的应用场景选择对的产品。因为没有一款完美的产品存在。

另外在电磁头的选择上，设计者也往往非常疑惑，我们的阀门驱动线圈类型选择交流，还是直流，还是闩形？

一般情况下，电磁阀门公司往往会给你答案，大概描述它们的特性和优缺点。但是他们的答案往往过于简单，还需要我们自己作进一步的探讨。

   交流线圈，往往都是采用低压交流电，更简易的磁头结构，更少的线圈匝数，便利的电源获取（一个变压器就搞定），交流线圈的启动停止响应速度很快（比较直流而言），产品成本会更低。交流的磁性效率高好一些，让交流线圈对电压波动范围适应性似乎好一些，这也是很多工程师原意选择他的原因。而且这个快速特性应用在水肥机的快开关阀上很有积极意义，但是在田间电磁阀反而没有作用。他希望的慢开关虽然部分解决水锤问题，但是作为一个持压型的驱动机构，就意味着当你打开一个阀门，瞬间会有很大的电流冲击，能达到接近数百毫安甚至更大。你需要一直通电，每个阀门的电流大概在60-140ma不等。假如你的灌溉工程师制定轮灌策略允许更多阀门同时打开（园林绿化中可能同时打开甚至可以到16个之多），线路的电流之大可想而知。对电缆线材和电缆施工要求就很大了，这就间接增加了成本和缩减了寿命。交流特性决定了他的磁头铁芯的震动似乎难免，磁头容易产生交流耦合的噪声,这额外的损耗让交流线圈发热更严重。一个电器件发热，这意味着什么，你是知道的。虽然有的公司在这方面做了设计优化，挖掘了交流线圈的潜力，极大降低了发热。但这样的技术公司并不多，他们由于做了这样的改善而提高了交流电磁头的价格。尽管交流磁头允许电压波动范围宽，但是有些场景还是需要稳压，交流实现稳压的成本远远大于直流稳压。

    直流电压线圈，也是持压型驱动，它拥有交流线圈同样线路持续供电而产生的问题。只是他有了更稳定的磁路和小一点驱动电流，可是差别并没有我们想的那么大。它没有铁芯震动，它的发热问题很少出现，也不会产生噪声，但是更多的匝数耗费更多的铜，成本提高了。

较大的线圈电阻保证了瞬间电流不会很大,这个对提高解码器或者控制器的寿命有帮助，它的磁滞会导致响应动作迟缓一些但这个缺点在田间电磁阀里并不突出。一般理解是直流线圈的寿命高于交流线圈,因此价格也会高一些。

闩型（latching）电磁阀(我们总是俗称它为脉冲阀,实际这应该是个误导的名称)，大家都很熟悉,近几年很多项目都在广泛的应用,特别是太阳能大田灌溉,或者电池应用场景下的园林灌溉..它需要电磁法驱动控制器能够产生几十到数百毫安之间瞬间驱动电流脉冲，电流能高达到2-5安培,产生瞬间磁力引起先导阀芯动作产生状态反转。阀门开关结束后控制线路没有电流，这个特性极大的降低了对田间电缆电流承载能力的依赖,同时为设计解码器的公司克服了功耗带来的一系列困扰而变得容易一些。让电池供电驱动电磁阀成为可能。可以说这是耗能极小且极为环保的一种结构，让电池供电成为可能。

闩结构特性，保证了开关状态的稳定性，阀门线圈寿命高了一个数量级。虽然线圈机构设计略微复杂，成本也会提高，但是众多的设计公司也开始青睐这些类型。

闩结构看起来这是个技术趋势，但是依然有很多工程师不喜欢闩型阀门，因为他们感觉如果运行过程中，控制器出现故障或者断电异常，我们的阀门总是保持当前状态，而不再被我们能够实施控制，他们不喜欢这个状态。我们针对工程安全设计的一些系统崩溃自动瞬间切断阀门的动作任务不能得到准确执行,这看起来很恐怖。基于这个考量，大型绿化或者灌溉工程的设计中往往不被选择。而电压保持型阀门却没有这个问题。因此闩型阀门更多被设计在需要电池供电的场景，例如家庭庭院,阳台绿化,屋顶植被等小规模灌溉系统中,简洁环保,而不用担心复杂的工程危害.

有的设计者想了解他们不同驱动磁头的价格差异，当你询问不同的厂家，会得到不同的答案，让你无所适从，但是普遍的情况下是交流磁头会更便宜一些，而直流或者闩型的较贵，这个往往与他们的商业策略有关：库存和销售指标等等。事实上他们真实的材料和加工导致的成本差异并没有你想的那么大。

   不同的电磁头对你的解码器的需求和选型有很明确的不同，解码器的驱动能力以及自身功耗或者通讯距离是否能满足不同压力状况下它们阀头变化的提升力；你的灌溉控制器是否能完美解决阀门之间切换之间的一些微小的逻辑关系来最大程度降低系统水锤的产生和预防瞬间压力波动而损害阀门等，这一切他们互相关联。假如你在研发解码器和控制器的时候，必须要认真对待阀门的所有细节。

    前面说过，目前电磁阀没有哪个公司能提供完美的产品，以后也不会有，我们追求的是他们的优缺点不对称，这种事实上的差异化，也正是我们选择电磁阀的依据，也是他们不同电磁阀厂家的生存基础。了解了这个现实，我们才会激发更多的兴趣去探索灌溉工程设计方面经验积累，显然一个拥有丰富经验工程施工公司会解决阀门带来的一些棘手的问题，产品可以不完美，但是客户的工程总是会需要你一个完美的交待。

    最后我也期待灌溉田间电磁阀专业的技术专家能给业内灌溉设计工程师更加专业和全面的知识，让我们这些应用者在使用过程中拥有更科学的依据。