АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

І СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
ДОДАТКИ	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	УКЛАДАЧІ

5. АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ В ЗАХИЩЕНОМУ ГРУНТІ

5.1. Автоматизація обігрівання парників та теплиць

5.1.1. Види споруд закритого ґрунту

5.1.2. Агротехнічні вимоги до автоматизації технологічних процесів у закритому ґрунті

5.1.3. Обсяг механізації й автоматизації технологічних процесів у теплицях

5.1.4. Автоматизація обігріву парників

5.1.1. Види споруд закритого ґрунту

Споруди закритого ґрунту поділяються на утеплений грунт, парники і теплиці.


	*Утеплений ґрунт* – це земельні ділянки, що можуть обігріватися чи не обігріватися, призначені для вирощування розсади і ранніх овочів.

Рис. 5.1.1. Утеплений ґрунт

Ґрунт, що не обігрівається (рис. 5.1.1), має малогабаритні плівкові покриття або переносні покриття з матів, ряднини, плівок, які використовуються для захисту городини вночі чи в період різких похолодань. Єдиним джерелом тепла є сонячна енергія.

Для ґрунту, що обігрівається, джерелом тепла може бути сонячна енергія, біопаливо (свіжий гній, рослинні відходи), а також гаряча вода й електрична енергія.


	*Парники* – це повністю або частково заглиблені в грунт каркасні споруди невеликої площі з прозорим покриттям. Парники призначені для вирощування розсади для відкритого ґрунту і отримання ранніх овочів.

Рис. 5.1.2. Парник

Парники (рис. 5.1.2) глибиною 0,4–0,8 м, шириною 1,4 м будь-якої довжини виготовляють з дерева або бетону і закривають скляними і плівковими рамами, а на ніч і під час похолодань – додатково солом’яними матами товщиною 5–6 см. Грунт у парниках обігрівається сонячною енергією, біопаливом, гарячою водою або електроенергією. Останній спосіб найзручніший для автоматизації.


	*Теплиці* *– це найдосконаліший і технічно оснащений вид споруд закритого ґрунту.*

image014-topaz-enhance


	Теплиці, що входять до складу тепличних комбінатів (рис. 5.1.3) або експлуатуються як окремі споруди, згідно з агротехнічними вимогами поділяють за:

· призначенням (овочеві, квіткові, розсадні, розсадно-овочеві),

· періодом експлуатації (зимові, весняні),

· способом вирощування (ґрунтові та на субстраті).

Рис. 5.1.3. Багатоланкова блочна теплиця

XHXn

Теплиці класифікують також:

• за конструкційними ознаками:

· на одноланкові (ангарні);

· багатоланкові (блочні),

• за матеріалом покриття:

· скляні,

· плівкові та

· склопластикові.

• за конструкцією даху теплиці поділяють на:

· односкатні,

· двоскатні,

· нерівноскатні,

· аркові.

Вони можуть бути одно- або багатоповерховими (баштового типу), як з прозорим огородженням, так і непрозорі.

Будівельні конструкції теплиць визначають з урахуванням впливу зовнішніх кліматичних факторів: найнижчої середньодобової температури, вітрового і снігового навантаження (добова маса снігового покриву), а також сейсмічної активності в районі будівництва. На даний час розроблені типові проєкти тепличних комбінатів, призначених для різних кліматичних зон.

5.1.2. Агротехнічні вимоги до автоматизації технологічних процесів у закритому ґрунті

Норми технологічного проєктування споруд закритого грунту (НТП–СХ) передбачають:

· автоматичне регулювання температури і вологості повітря;

· температуру води в системі підґрунтового обігрівання;

· температуру поливної води і розчинів мінеральних добрив;

· концентрацію добрив у розчині та вуглекислоти в повітрі;

· автоматизацію процесів поливу, підживлення і досвічування рослин;

· закриття вентиляційних фрамуг за швидкості вітру понад 10 м/с.

Для кожного виду рослин характерні свої оптимальні режимні параметри та допустимі відхилення від оптимальних.

Тепловий режим культиваційних споруд підтримується за допомогою автоматичних систем обігрівання і вентиляції (рис. 5.1.4). Він визначається потужністю джерел тепла, а також конструктивними особливостями споруд. Точність підтримання заданої температури – в межах ±1°С. Крім того, задана температура має узгоджуватись із рівнем освітленості, що пов'язане з фізіологічними особливостями життєдіяльності рослин. Технологічні норми також регламентують максимальну температуру 30°С (для розсади 26°С) мінімальну – 15°С (не більше доби).

Рис. 5.1.4. Пристрої для автоматичної системи обігріву

і вентиляції в теплиці

Водний режим забезпечується підтриманням необхідної вологості повітря і грунту за допомогою різних систем зрошення (надґрунтове, підґрунтове, крапельне зрошення) (рис. 5.1.5). Витрати води становлять від 5 до 15 л/м² на добу. Оскільки зрошення може порушувати тепловий режим у споруді, температуру поливної води підтримується на рівні температури повітря і ґрунту (в межах 20–25°С).

Рис. 5.1.5. Полив та зволоження в теплиці

Режим живлення забезпечується підтриманням необхідної концентрації мінеральних добрив, їх співвідношенням і рН ґрунту або субстрату. Технологія передбачає регулювання загальної концентрації з точністю ±10% і рН з точністю ±0,1 в достатньо вузькому діапазоні, який визначається технологічним регламентом для кожного виду рослин і змінюється залежно від фази розвитку.

Рис. 5.1.6. Система підживлення вуглекислим газом

рослин в теплиці

Газовий режим в об'ємі споруди закритого грунту передбачає контроль і підтримання концентрації вуглекислоти на рівні 0,1–0,35% (рис. 5.1.6). Регулювання концентрації здійснюється на рівні освітленості понад 5 клк. При цьому повітряний обмін з довкіллям припиняється шляхом закриття вентиляційних фрамуг. Для інтенсифікації процесів життєдіяльності рослин швидкість повітряних потоків має становити 0,15 м/с.

Світловий режим, як правило не регулюється (рис. 5.1.7). Лише під час вирощування розсади і в селекційних спорудах використовують штучне освітлення. Питома потужність опромінювачів згідно з технологічними нормами знаходиться в межах 100–300 Вт/м².

Рис. 5.1.7. Штучне освітлення в теплиці

Урахування всієї різноманітності взаємозв'язків між режимними параметрами, їх узгодження та оптимізація погребують високого рівня автоматизації технологічних процесів.

5.1.3. Обсяг механізації й автоматизації технологічних процесів у теплицях


	*Тепличне господарство* – найтрудомісткіша галузь росли-нництва з щорічними витратами до 10–18 год на 1 м² площі. Рослини добре розвиваються і плодоносять тільки за оптимальних значень параметрів мікроклімату теплиць. *Теплиці мають високий ступінь механізації й автоматизації технологічних процесів.*


	Близько 40% від загальних затрат праці витрачається на підготовчі роботи, що виконують за допомогою машин:

· готування ґрунтових сумішей;

· заміна ґрунту;

· стерилізація ґрунту передпосівна її обробка;

· дезінфекція конструкцій теплиць;

· поточний ремонт;

· передпосівна обробка насіння;

· виготовлення живильних кубиків;

· передпосівне внесення добрив тощо.


	У процесі вирощування і збору врожаю засоби механізації й автоматизації використовують під час:

· посіву насіння і догляду за розсадою;

· поливу і підживлення рослин;

· запилення рослин і їх захисту від хвороб;

· збору і транспортування овочів і рослинних залишків (рис. 5.1.8);

· керування параметрами мікроклімату.

Рис. 5.1.8. Збір і транспортування салату в теплиці

Для механізації підготовчих робіт використовують як спеціальні, так і сільськогосподарські й будівельні машини загального призначення. Дерен для ґрунтових сумішей розкривають тракторним плугом, згрібають бульдозером, завантажують на транспортні засоби бульдозером чи екскаватором. Аналогічним чином здійснюється механізована доставка гною, сипучих матеріалів і мінеральних добрив. Під час закладання ґрунтових сумішей і їхнього переміщення застосовують різні екскаватори, бульдозери, навантажувачі і спеціальні машини для готування ґрунтових сумішей, наприклад СТМ-8/20. Під час зміни і відновлення ґрунтів використовують цю же техніку.

Захищений ґрунт розпушують на глибину 10–12 см перед кожним посівом, тобто кілька разів на рік, а перед пропарюванням і під час закладення гною ґрунт розпушують на глибину не менше 22 см з оборотом шару. Для цього використовують, якщо дозволяють конструкції культиваційних споруджень, ґрунтопереробні машини загального призначення, а також спеціальні ротаційні плуги і самохідні електрофрези ФС-0.7А чи МПТ-1,2. Для міжрядної обробки ґрунту в теплицях у безпосередній близькості від рослин і суцільної обробки ґрунту в парниках використовують ручні електромотики.

У малих теплицях грунтосуміші за сильного зараження хворобами і шкідниками змінюють один раз у 2–4 роки, а в тепличних комбінатах щорічно дезінфікують і потім промивають грунтосуміші без їхньої заміни. З багатьох способів дезінфекції найефективніше пропарювання. При цьому ґрунт покривають термостійкою плівкою і підводять під нею пару температурою 110–120°С за тиску до 50 кПа. Витрата пари 45–50 кг на 1 м², тривалість пропарювання 8–10 годин. Після пропарювання грунтосуміші для зменшення концентрації солей промивають дощуванням у 3–5 прийомів із загальною витратою води до 200–400 л/м².

Для боротьби зі шкідниками і хворобами використовують також хімічні методи протравлювання насіння, обробку конструкцій споруджень і обприскування рослин. Вартість обробки ґрунту отрутохімікатами складає 20–70% від парового, але в ґрунт заносять токсичні речовини.

image039-topaz-enhance

Рис. 5.1.9. Торфоперегнійні живильні кубики

Торфоперегнійні живильні кубики (горщики) виготовляють на спеціальних верстатах конвеєрного типу (рис. 5.1.9). Верстат – простий за будовою. Він складається з бункера, конвеєра і штампа з електроприводом. Принцип роботи наступний: під час підіймання штампа стрічка конвеєра завантажується з бункера рівним шаром торфоперегнійної маси і переміщається під штамп. Коли штамп йде вниз, стрічка зупиняється, відбувається пресування і нарізка кількох сотень кубиків розміром до 100×100 мм.

У захищеному ґрунті має бути точний висів, завдяки чому заощаджується до 40% дорогого насіння овочевих культур і знижуються витрати на наступне проріджування.

Для посіву застосовують спеціальні парникові сівалки. Лунки для розсади в ґрунті і її посадку поки роблять вручну.

Полив і підгодівлю рослин мінеральними добривами у великих тепличних комбінатах здійснюють через стаціонарну систему дощування автоматично відповідно до заданої програми. У малих теплицях і парниках для цього використовують пересувні насосні станції.

Greenhouse harvest trolley - A3R - 1700 - IDM - self-propelled / adjustable-height

Рис. 5.1.10. Підв'язка рослин до шпалер

Під час підв'язки рослин до шпалер, обрізування пагонів і листя, збирання і перевезення врожаю застосовують пересувні платформи, драбини і ручні візки (рис. 5.1.10). Для перевезення готової продукції й устаткування застосовують електрокари і самохідні шасі, які постачаються для полегшення праці тепличними спеціальними піддонами і підйомниками. Для перевезення розсади з блоку в блок теплиць по відкритому холодному повітрі застосовують криті фургони.


	Автоматизація технологічних операцій у захищеному ґрунті дає істотний ефект:

· збільшується продуктивність і поліпшуються умови праці;

· заощаджується паливо й електроенергія;

· знижується захворюваність посадкового матеріалу і дорослих рослин;

· підвищується врожайність і скорочуються терміни дозрівання рослин і овочів.

image043-topaz-enhance

Рис. 5.1.11. Автоматизація технологічних операцій у захищеному ґрунті

Умови праці і побуту робітників на автоматизованих тепличних комплексах не гірше, а іноді краще, ніж на промислових підприємствах.

У малих теплицях і парниках рівень автоматизації з контролю і керування мікрокліматом поки невисокий і обмежується в основному одним параметром – температурою (рис. 5.1.11).


	На тепличних комплексах промислового типу автоматичні контроль і керування використовують практично для багатьох параметрів, а саме:

· температури і вологості ґрунту і повітря;

· змісту вуглекислого газу;

· ступеня освітленості;

· температури води для поливу ґрунту;

· зволоження повітря;

· вентиляції і швидкості переміщення повітря в теплиці;

· концентрації розчинів мінеральних добрив ґрунту;

· режимів живлення стелажів гідропонних теплиць;

· значення рН та інших параметрів.

Для вибору оптимального режиму відповідно до зовнішніх погодних умов передбачене автоматичне спостереження за ними і зміна внутрішніх параметрів мікроклімату. Також засоби автоматики широко використовуються на допоміжних установках тепло- і енергопостачання, постачання води тощо.

Дивіться по відео технологію вирощування овочів у теплицях, а саме: посів насіння у відділі проростання, вирощування дорослих рослин у теплицях, збирання врожаю, сортування, вирощування проміжних культур.

cinema-321

Технологія вирощування помідорів у теплицях

Джерело https://cutt.ly/MMZpLNE

5.1.4. Автоматизація обігріву парників

У парниках вирощують розсаду для відкритого ґрунту і ранньоспілі овочі у весняний період. За технічним оснащенням і рівнем механізації й автоматизації технологічним процесом вони займають проміжне місце між утепленим ґрунтом і аграрними теплицями.


	*Найпростіші парники* обігрівають біопаливом, широке розповсюдження одержав обігрів гарячою водою і за допомогою електроенергії. Іноді сполучать водяний обігрів з електричним, котрий включається у період різких похолоданнь і заморозків.

Унаслідок короткого терміну вигонки розсади і високої її щільності посадки (на 1 м² кілька сотень штук) економічно завжди ефективно використовувати для обігріву електричну енергію. Для обігріву використовують трубчасті й оголені нагрівальні елементи з питомою потужністю 100–200 Вт/м².

image068-topaz-enhance

Рис. 5.1.12. Електричний обігрів ґрунту в парнику

Автоматизація обігріву парників і утепленого ґрунту, як досить простих споруд захищеного ґрунту, зводиться до автоматичного керування температурою ґрунту і повітря залежно від погодних умов, виду і віку рослин. Керування тепловим режимом може бути ручним (неавтоматизованим): перемикання нагрівальних елементів на різні напруги, вмикання окремих груп нагрівачів тощо (рис. 5.1.12). Однак автоматичне керування температурою в парниках куди важливіше: тільки витрати електроенергії в порівняно з ручним керуванням скорочуються на 15–20%.


	Найпоширеніший спосіб автоматичного керування температурою в парниках заснований на принципі періодичного вмикання і вимикання нагрівальних елементів за допомогою магнітних пускачів залежно від температури всередині парника.

Електричну схему керування режимом роботи нагрівальних елементів для однієї групи, що складається з чотирьох парників, зображено на рис. 5.1.13.

Рис. 5.1.13. Схема автоматичного керування температурою в парниках із грунтово-повітряним електрообігріванням

Нагрівальні елементи переводять з однієї напруги живлення на іншу (220 чи 380 В) перемикачами SA1 і SA2. Ручний режим задають, ставлячи тумблер SA3 у положення Р, автоматичний – у положення А, вимкненому стану нагрівачів відповідає положення О. Для автоматичного керування тепловим режимом у повітряному просторі одного з 4–6 послідовно з'єднаних парників встановлюють датчик температури ВК, який підєднується до регулятора температури SK.

У парниках тільки з ґрунтовим обігрівом на групу парників ставлять один датчик температури ґрунту. Його заглиблюють у ґрунт парника на глибину близько 0,1 м. Перемикачем SA1 включають нагрівальні елементи для обігріву повітря, а перемикачем SA2 – елементи обігріву ґрунту.

За низької температури регулятор температури в автоматичному режимі роботи контактами SK вмикає магнітний пускач КМ одночасно з подачею напруги 380/220 В. В міру підвищення температури до заданої контакти SK розмикаються, і пускач КМ вимикає нагрівальні елементи.

Електротехнічною промисловістю розроблено для парників комплектне устаткування типу КП-1. Воно призначено для автоматичного керування температурою повітря і ґрунту в парниках на 1920 рам із ґрунтовим і повітряним електрообігріванням. Воно ж може застосовуватися для керування температурою ґрунту і повітря в плівкових теплицях площею до 0,5 га.

Електрообігрівання здійснюється від паралельно з'єднаних шести рядів сталевого неізольованого проводу діаметром 6 мм, покладеного на глибині не менше 0,25 м у парнику з відстанню між проводами 0,25 м. Для обігріву повітря нагрівальні проводи монтують на внутрішніх бічних стінках парника.

Датчики встановлюють в одному з парників, розташованому в центрі кожної ділянки, що складає з 240 рам: у ґрунті на глибині 0,1 м – датчик температури ґрунту, а на бічній стінці парника – датчик температури повітря.

Електрообігрівні елементи поєднують у чотири групи по 480 рам і підключають до трансформатора типу ТМОБ-63. Для живлення чотирьох таких трансформаторів встановлюють електричну підстанцію потужністю не менше 250 кВА.

Понижуючі трансформатори в режимі розігріву парника вмикають за схемою «зірка-зірка», а в режимі обігріву – за схемою «зірка-трикутник». Трифазну лінійну напругу на вторинній стороні можна встановлювати переключенням відгалужень трансформатора: у першому режимі 125, 103 і 85 В, а в другому – 70, 60 і 49 В.

Розглянемо роботу принципової схеми комплекту обладнання для одного понижуючого трансформатора (рис. 5.1.14). Обладнання може працювати в ручному режимі під час встановлення універсального перемикача SA1 у положення Р чи в автоматичному під час встановлення SA1 у положення А. Ручне вмикання і вимикання трансформатора й електронагрівників ЕК1...ЕК4 здійснюють дистанційно за допомогою кнопок «Пуск» SB2 і «Стоп» SB1, попередньо ввімкнувши відповідно рубильники SA6...SA9 обігріву ґрунту і повітря та автомат QF.

image008-topaz-enhance

Рис. 5.1.14. Принципова електрична схема комплекту устаткування типу КП-1

Автоматичне керування здійснюється за допомогою логометрів Р1 і Р2, що виконують одночасно роль регулятора і роль вимірювального приладу для візуального контролю фактичної температури ґрунту і повітря в парниках. У вимірювальні ланцюги логометрів включені за мостовою схемою термометри опору типу ТСМ, що є датчиками температури ґрунту ВК2, ВК4 і повітря ВК1 і ВКЗ.

Мостова схема врівноважується за заданою агрослужбою температури. Якщо фактична температура нижча заданої, замикаються контакти Р1 чи Р2 і вмикаються магнітним пускачем КМ трансформатор TV і електронагрівальні елементи. За підвищення температури до заданої розмикаються контакти Р1 і Р2, а магнітний пускач КМ вимикає електроживлення. Перемикачами SA1 і SA2 і рубильниками SA6...SA9 вмикають обігрів ґрунту чи повітря. До штепсельного роз’єму ШР підключають електрифіковані механізми для обробки ґрунту і догляду за рослинами. Силу струму і значення напруги у всіх фазах контролюють амперметром і вольтметром з перемикачами SA4 і SA5. Точність регулювання температури +1,5°.