Автоматизация технологического процесса и энергообеспечения промышленной теплицы

[Denis.N.]

                                                              Тема: "Автоматизация технологического процесса и энергообеспечения промышленной теплицы".
                                                 Исполнитель: Носонов Денис Сергеевич, студент гр. 841-об.
                                                 Руководитель - Русинов Владислав Леонидович, руководитель СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация".
    Введение
    В России применение автоматизированных систем управления микроклиматом в теплицах является перспективной областью. Создание актуальных продуктов для сельскохозяйственного рынка положительно скажется на импортозамещении и развитии страны. Автоматизированные системы управления микроклиматом с более низкой стоимостью и простотой в эксплуатации понизит стоимость и содержание самих теплиц.
    Рассматриваемая теплица должна обладать простотой сборки и отладки, расширяемым списком заранее заложенных настроек под определённые растения, а также должна собрана из деталей широко доступных, с умеренной ценовой политикой.
    "Умная теплица", представляет собой полностью автоматизированную конструкцию, способная упростить работу в огородах и садах. Одной из важных особенностей умных теплиц, является возможность монтирования всех составляющих системы абсолютно в любую, даже ранее построенную, теплицу. Для улучшения собственной теплицы необходимо лишь обладать смекалкой, а также способность использовать соответствующие технологии.
    Лишь люди пенсионного возраста, которые обладают достаточным свободным временем, способны постоянно следить за огородом. Остальное же население способно посещать загородные участки лишь в свободное для отдыха время. На рисунке под номером 1 представлена схема работы умной теплицы. Устройства, разработанной системы умной теплицы, управляются посредством подачи сигналов с управляющих устройств на исполнительные устройства при помощи разработанного алгоритма.
                                                      
                                                                                                                     Рисунок 1 - Cхема работы умной теплицы

Умная теплица включает в себя такие системы, как:
  1. Система автоматического полива, посредством капельного орошения;
  2. Система автоматического поддерживания температуры почвы;
  3. Система автоматического восстановления почвы (мульчирование);
  4. Система автопроветривания;
  5. Система автоматического освещения.
Исходя из списка систем перечисленных выше, в работе будут рассматриваться такие отдельные системы умной теплицы, как:
  1. Система автоматического полива, посредством капельного орошения;
  2. Система автоматического поддерживания температуры почвы;
  3. Система автопроветривания;

 
    1. Объем механизации и автоматизации технологических процессов в теплицах

    Тепличное хозяйство - наиболее трудоемкая отрасль растениеводства с ежегодными затратами до 10...18 ч на 1 м2 площади. Растения хорошо развиваются и плодоносят только при оптимальных значениях параметров микроклимата теплиц. Теплицы имеют высокую степень механизации и автоматизации технологических процессов.

    Около 40% от общих затрат труда расходуется на подготовительные работы, которые выполняют при помощи машин: приготовление почвенных смесей, замена почвы, стерилизация почвы, предпосевная ее обработка, дезинфекция конструкций теплиц, текущий ремонт, предпосевная обработка семян, изготовление питательных кубиков, предпосевное внесение удобрений и т. д. В процессе выращивания и сбора урожая средства механизации и автоматизации используют при посеве семян и уходе за рассадой, поливе и подкормке растений, опылении растений и их защите от болезней, сборе и транспортировке овощей и растительных остатков, а также для управления параметрами микроклимата.

    Для механизации подготовительных работ используют как специальные, так и сельскохозяйственные и строительные машины общего назначения. Дерн для почвенных смесей вскрывают тракторным плугом, сгребают бульдозером, погружают на транспортные средства погрузчиком-бульдозером или экскаватором. Аналогичным образом механизирована доставка навоза, рыхлящих материалов и минеральных удобрений. При составлении почвенных смесей и их перебивке применяют различные экскаваторы, бульдозеры, погрузчики и специальные машины для приготовления почвенных грунтов, например СТМ-8/20. При смене и обновлении грунтов используют эту же технику.

    В защищенном грунте почву рыхлят на глубину 10...12 см перед каждым посевом, то есть несколько раз в году, а перед пропариванием и при заделке навоза почву рыхлят на глубину не менее 22 см с оборотом пласта. Для этого используют, если позволяют конструкции культивационных сооружений, почвообрабатывающие машины общего назначения, а также специальные ротационные плуги и самоходные электрофрезы ФС-0,7А или МПТ-1,2. Для междурядной обработки почвы в теплицах в непосредственной близости от растений и сплошной обработки почвы в парниках используют ручные электромотыги.

    В малых теплицах почвосмеси при сильном заражении их болезнями и вредителями меняют раз в 2...4 года, а в тепличных комбинатах ежегодно дезинфицируют и затем промывают почвосмеси без их замены. Из многих способов дезинфекции наиболее эффективно пропаривание. При этом почву покрывают термостойкой пленкой и подводят под нее пар температурой 110...120°С при давлении до 50 кПа. Расход пара 45...50 кг на 1 м2, длительность пропаривания 8...10 ч. После пропаривания почвосмеси для уменьшения концентрации солей промывают дождеванием в 3...5 приемов с общим расходом воды до 200...400 л/м2.

    Для борьбы с вредителями и болезнями используют также химические методы протравливания семян, обработку конструкций сооружений и опрыскивание растений. Стоимость обработки почвы ядохимикатами составляет 20...70% от паровой, но в почву заносят токсические вещества. Торфоперегнойные питательные кубики (горшочки) изготовляют на специальных станках конвейерного типа. Станок - простой по устройству. Он состоит из бункера, конвейера и штампа с электроприводом. Принцип работы следующий: при подъеме штампа лента конвейера загружается из бункера ровным слоем торфоперегнойной массы и перемещается под штамп. Когда штамп идет вниз, лента останавливается, происходит прессовка и нарезка нескольких сот кубиков размером до 100Х100 мм.

    В защищенном грунте должен быть точный высев, благодаря чему экономится до 40% дорогостоящих семян овощных культур и снижаются затраты на последующее прореживание.

    Для посева применяют специальные парниковые сеялки. Лунки для рассады в грунте и ее посадку пока делают вручную.

    Полив и подкормку растений минеральными удобрениями в крупных тепличных комбинатах осуществляют через стационарную систему дождевания автоматически в соответствии с заданной программой. В малых теплицах и парниках для этого используют передвижные насосные станции.

    При подвязке растений к шпалерам, обрезке побегов и листьев, уборке и перевозке урожая применяют передвижные платформы, стремянки и ручные тележки. Для перевозки готовой продукции и оборудования применяют электрокары и самоходные шасси, снабженные для облегчения труда тепличными специальными поддонами и подъемниками. Для перевозки рассады из блока в блок теплиц по открытому холодному воздуху применяют крытые фургоны.

    Автоматизация технологических операций в защищенном грунте дает существенный эффект: увеличивается производительность и улучшаются условия труда, экономится топливо и электроэнергия, снижается заболеваемость посадочного материала и взрослых растений, повышается урожайность и сокращаются сроки созревания растений и овощей. Условия труда и быта рабочих на автоматизированных тепличных комплексах не хуже, а иногда лучше, чем на промышленных предприятиях.

    В малых теплицах и парниках уровень автоматизации по контролю и управлению микроклиматом пока невысокий и ограничивается в основном одним параметром - температурой.

    На тепличных комплексах промышленного типа автоматические контроль и управление используют практически для многих параметров, а именно: температуры и влажности почвы и воздуха, содержания углекислого газа, степени освещенности, температуры воды для полива почвы, увлажнения воздуха, вентиляции и скорости перемещения воздуха в теплице, концентрации растворов минеральных удобрений почвы, режимов питания стеллажей гидропонных теплиц, значения рН и других параметров. Для выбора оптимального режима в соответствии с внешними погодными условиями предусмотрено автоматическое слежение за ними и изменение внутренних параметров микроклимата. Кроме того, средства автоматики широко используются на вспомогательных установках тепло- и энергоснабжения, снабжения водой и т. п.

    2. Анализирование существующих решений

    2.1. Анализ существующих решений автоматического полива
    Благодаря капельному поливу осуществляется орошение водой непосредственно к корням растений. Полив происходит малыми дозами, которые поступают к каждому растению по отдельности. Данный способ осуществляется благодаря многочисленным разветвлениям систем полива при помощи трубок с капельницами. Из-за подобного способа полива растений верхний слов почвы постоянно находится во влажном состоянии, что позволяет растениям впитывать необходимый уровень воды.
                                                              
                                                                                              Рисунок 2 -Система автоматического полива

    Основной часть данного метода полива является гидроавтомат. Благодаря кряку, который размещается на штоке цилиндра, и происходит процесс открывания крана. Вода по трубкам поступает из бака, из которого она проливается самотеком.
    Достоинствами капельного полива являются:
  • Отсутствие процесса распространения сорняковых культур;
  • Равномерное распространение воды в почве;
  • Экономичность воды (около 30% в отличие от обычных методов полива).
    Недостатками же данного вида полива является:
  • Достаточно сложная конструкция;
  • Высокая цена затрат на оборудование;
  • Требуется постоянно следить за чистотой воды;
    Сложность и высокая цена системы, необходимость тщательно следить за чистотой воды, чтобы не допустить засорения капельных лент.

    2.2. Анализ существующих решений автоматического поддерживания температуры почвы
Не маловажным в системе "умная теплица" является и автоматический подогрев почвы, температура которого регулируется исходя из данных установленных в терморегуляторе.
                                                                
                                                                                               Рисунок 3 - Система обогрева грунта

    Температура почвы мало отличается от температур окружающего воздуха и достаточно стабильна. Однако при понижении температуры замедляется поглощение растением питательных веществ и воды, а при повышении -- чрезмерно развивается корневая система.

    Температуру почвы в теплице поддерживают с помощью системы подпочвенного обогрева, монтируемой обычно только в теплицах для рассады. Слой обогреваемого грунта обладает громадной тепловой емкостью, и автоматизация осуществима только потому, что объект практически не подвержен действию внешних возмущений, поскольку температура воздуха в теплице достаточно стабильна, а солнечные лучи задерживаются растениями.

    2.3. Анализ существующих решений автопроветривания
    Выращивание растений в теплицах является довольно непростым процессом, который имеет массу особенностей и тонкостей. По сути, «битвой за урожай» он называется не зря, так как для выращивания тепличных овощей придется преодолеть немало трудностей. Одной из проблем может стать температурный режим: слишком низкие или слишком высокие температуры плохи для любых растений. То же самое будет касаться и повышенной влажности. Поэтому следует подробней поговорить о такой вещи, как автоматические системы для проветривания теплиц, которые помогают быстро решить вышеупомянутую проблему.

    Преимущества и недостатки использования

    Если говорить об автоматических вариантах проветривания тепличных помещений, то они получают энергию от системы централизованного электроснабжения либо могут быть автономными.

    Иными словами, они делятся на две большие категории:
  - независимые решения;
  - энергозависимые варианты.

    Если говорить о достоинствах системы автоматического проветривания тепличных помещений, то следует назвать:
  - высокая технологичность процесса;
  - компактность конструкции;
  - проветривание помещения осуществляется в заявленные сроки;
  - высокая мощность.

    Минусами подобного механизма будут следующие моменты.
    Если в автомате произойдет поломка, то погибнут растения, которые находятся внутри помещения. Избежать вероятности такого исхода можно, если приобрести заранее запасной электрический блок.
    При обнаружении поломки какого-то элемента конструкции, будет необходим ремонт всей системы.

    Теперь перейдем к видам автоматических установок для проветривания. Как уже было сказано, такие механизмы делятся за независимые решения и энергозависимые варианты автотипа. Энергозависимые решения вызывают сегодня немалый интерес. Как правило, суть таких систем состоит в работе от электросети и несколько реже - от батарей солнечного типа или же каких-то иных энергоисточников альтернативного направления. Подобные приборы обычно используют для работы термореле, которое может активировать вентиляторы, обеспечивая приток свежего воздуха в парник.
                                                                                                    
                                                                          Рисунок 4 - Система автоматического проветривания биметаллическим методом

    Независимые решения, в свою очередь, делятся на три категории:
  - на основе пневматики;
  - биметаллические;
  - на основе гидравлики.
    Теперь разберем каждый автомат более тщательно. Биметаллический вариант для парников работает по следующему алгоритму: при воздействии определенной температуры происходит расширение материала линейного типа. Данная конструкция предусматривает наличие двух видов материалов, и суть работы состоит в различных коэффициентах их расширения. То есть при повышении температуры термопривод в авторежиме открывает форточки и двери в парнике, а при снижении - закрывает их. Автоматика в таком случае имеет лишь один недостаток - сложно подобрать необходимую температуру, чтобы вентиляция осуществлялась качественно.
    Гидравлический вариант для проветривания тепличных помещений имеет целый ряд плюсов:
  - отсутствие неприятных запахов или их минимальное количество;
  - отсутствие зависимости от электричества;
  - легко собрать собственноручно;
  - нет необходимости постоянно быть рядом с тепличным помещением;
  - возможность работы внутри при комфортных условиях.
                                                                                            
                                                                                         Рисунок 5 - Система автоматического проветривания гидравлическим методом

    Такая система считается одной из наиболее надежных.

    Необходимо отметить, что автомеханизм для гидравлического проветривания имеет и кое-какие недостатки:
  - большая инерционность;
  - высокая цена;
  - температуру можно отследить только там, где система расположена.

    Такой автомат имеет довольно простое устройство. Гидроцилиндр начинает движение исключительно тогда, когда появляется разница в температурах масла и емкостного материала. То есть получается, что шток потихоньку вытесняется. И именно гидропривод будет приоткрывать форточку. Для получения оптимальных условий в теплице, позволяющих эффективно ухаживать за растениями, необходимо будет просто выставить определенную температуру. Дверной автомат сам открывает дверь, когда температура становится выше запланированной.
    Пневматический вариант использует энергию теплового характера. Его главным преимуществом будет то, что он совершенно независим от каких-либо других источников энергии.
                                                                            
                                                                                   Рисунок 6 - Система автоматического проветривания пневматическим методом

    Среди других плюсов такого варианта также следует назвать:
  - серьезную производительность;
  - малую цену.

    Он имеет и ряд недостатков, а именно:
  - небольшое рабочее усилие;
  - большую инерционность;
  - зависимость от показателей атмосферного давления;
  - громоздкость.

    Заключение
    Для выращивания овощей в «умной» теплице не требуется постоянного присутствия человека. Владелец дачи должен лишь высадить рассаду в грунт. Применение автоматики в тепличном хозяйстве позволяет в значительной мере облегчить работу на дачном участке. При этом урожай можно собирать на протяжении всего года.

    Автоматизация позволяет создать идеальные условия для управления микроклиматом в парнике. Системы автономности помогают сэкономить время и ресурсы. Стоит отметить, что «умная» теплица, несмотря на свою кажущуюся сложность, имеет вполне обычную конструкцию. Соорудить парник может любой дачник знакомый с инструментами. После установки автоматической системы управления теплицей, дачник сможет почувствовать, что садовый участок - это не только физический труд, но и место отдыха на природе.

[ran]

Здравствуйте!
Спасибо за доклад.
Осталось определиться только с тем,
Что растить в теплице, предлагаю хрен