Навчальний посібник Автоматизація технологічних процесів і систем автоматичного керування (частина 3)

Страница 8 из 13

РОЗДІЛ 5. АВТОМАТИЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ В ЗАХИЩЕНОМУ ГРУНТІ

5.1. АВТОМАТИЗАЦІЯ ОБІГРІВАННЯ ПАРНИКІВ ТА ТЕПЛИЦЬ

5.1.1. Види споруд закритого ґрунту

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

Утеплений грунт — це земельні ділянки, що можуть обігріватися чи не обігріватися, призначені для вирощування розсади і ранніх овочів.

Грунт, що не обігрівається, 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 грунту, 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 грунту і отримання ранніх овочів. Парники 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 найбільш зручний для автоматизації.

Теплиці - це найдосконаліший і технічно оснащений вид споруд закритого грунту. Теплиці, що входять до складу тепличних комбінатів або експлуатуються як окремі споруди, згідно з агротехнічними вимогами поділяють за призначенням (овочеві, квіткові, розсадні, розсадно - овочеві), періодом експлуатації (зимові, весняні), способом вирощування (ґрунтові й субстратні).

Теплиці класифікують також за конструкційними ознаками на одноланкові (ангарні) і багатоланкові (блочні), матеріалом покриття— скляні, плівкові та склопластикові. Вони можуть бути одно - або багатоповерховими (баштового типу), як з прозорим огородженням, так і непрозорі. За конструкцією даху теплиці поділяють на односкатні, двоскатні, нерівноскатні, аркові.

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 проекти тепличних комбінатів, призначених для різних кліматичних зон.

5.1.2. Агротехнічні вимоги до автоматизації технологічних процесів у закритому грунті

Норми технологічного проектування споруд закритого грунту (НТП—СХ) передбачають: автоматичне регулювання температури і вологості повітря; температури води в системі підґрунтового обігрівання; температури поливної води і розчинів мінеральних добрив; концентрації добрив у розчині та вуглекислоти в повітрі; автоматизацію процесів поливу, підживлення і досвічування рослин; закриття вентиляційних фрамуг при 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. Він визначається потужністю джерел тепла, а також конструктивними особливостями споруд. Точність підтримання заданої температури—в межах ±1°С. Крім того, задана температура повинна узгоджуватись з 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).

Водний режим забезпечується підтриманням необхідної вологості повітря і грунту за допомогою різних систем зрошення (надґрунтове, підґрунтове, крапельне зрошення). 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 грунту (в межах 20—25 °С).

Режим живлення забезпечується підтриманням необхідної концентрації мінеральних добрив, їх співвідношенням і рН грунту 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.

Газовий режим в об'ємі споруди закритого грунту передбачає контроль і підтримання концентрації вуглекислоти на рівні 0,1—0,35%. Регулювання концентрації здійснюється на рівні освітленості більше 5 клк. При цьому повітряний обмін з навколишнім середовищем припиняється шляхом закриття вентиляційних фрамуг. Для інтенсифікації процесів життєдіяльності рослин швидкість повітряних потоків повина становити 0,15 м/с.

Світловий режим, як правило не регулюється. Лише при вирощуванні розсади і в селекційних спорудах використовують штучне освітлення. Питома потужність опромінювачів згідно з технологічними нормами знаходиться в межах100 -300 Вт/м2.

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 — найбільш трудомістка галузь рослинництва з щорічними витратами до 10...18 год. на 1 м2 площі. Рослини добре розвиваються і плодоносять тільки при оптимальних значеннях параметрів мікроклімату теплиць. Теплиці мають високий ступінь механізації й автоматизації технологічних процесів.

Близько 40% від загальних витрат 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 і т. д. У процесі вирощування і збору врожаю засоби механізації й автоматизації використовують при посіві насіння і доглядом за розсадою, поливі і підживлені рослин, запиленні рослин і їхньому захисту від хвороб, зборі і транспортуванні овочів і рослинних залишків, а також для керування параметрами мікроклімату.

Для механізації підготовчих робіт використовують як спеціальні, так і сільськогосподарські і 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. При закладанні ґрунтових сумішей і їхньому переміщенню застосовують різні екскаватори, бульдозери, навантажувачі і спеціальні машини для готування ґрунтових сумішей, наприклад СТМ-8/20. При зміні і відновленні ґрунтів використовують цю же техніку.

У захищеному ґрунті ґрунт рихлять на глибину 10...12 см. перед кожним посівом, тобто кілька разів у році, а перед пропарюванням і при закладенні гною ґрунт рихлять на глибину не менш 22 см. з оборотом шару. Для цього використовують, якщо дозволяють конструкції культиваційних споруджень, грунтопереробні 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 електромотиги.

У малих теплицях грунтосуміші при сильному зараженні їхніми хворобами і шкідниками змінюють раз у 2...4 роки, а в тепличних комбінатах щорічно дезінфікують і потім промивають грунтосуміші без їхньої заміни. З багатьох способів дезінфекції найбільш ефективне пропарювання. При цьому ґрунт покривають термостійкою плівкою і підводять під неї пару температурою 110...120°С при тиску до 50 кПа. Витрата пари 45...50 кг на 1 м2, тривалість пропарювання 8...10 ч. 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 протравляння насіння, обробку конструкцій споруджень і обприскування рослин. Вартість обробки ґрунту ядохімікатами складає 20...70% від парового, але в ґрунт заносять токсичні речовини. Торфоперегнійні живильні кубики (горшочки) виготовляють на спеціальних верстатах конвеєрного типу. Верстат — простий по будові. Він складається з бункера, конвеєра і штампа з електроприводом. Принцип роботи наступний: при підйомі 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 100Х100 мм.

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

Для посіву застосовують спеціальні парникові сівалки. Лунки для розсади в ґрунті і її посадці 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.

При підв'язці рослин до шпалер, обрізку пагонів і листя, збиранню і перевезенню врожаю застосовують пересувні платформи, драбини і ручні візки. 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. 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 по контролі і керуванню мікрокліматом поки невисокий і обмежується в основному одним параметром — температурою.

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 і 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 водою і т. п.

5.1.4. Автоматизація обігріву парників

В парниках вирощують розсаду для відкритого ґрунту і ранньоспілі овочі у весняний період. По технічному оснащенню і рівні механізації й автоматизації технологічних 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 похолоданні 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.

Розглянемо приклади автоматичного керування температурою за допомогою електричного обігріву.

Автоматизація обігріву парників і утепленого ґрунту як досить простих споруд захищеного ґрунту зводиться до автоматичного керування температурою ґрунту і повітря в залежності від погодних умов, виду і віку рослин.

Керування тепловим режимом може бути ручним (неавтоматизованим): переключення нагрівальних елементів на різні напруги, включення окремих груп нагрівачів і т. п. 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 включення і відключення нагрівальних елементів за допомогою магнітних пускачів у залежності від температури всередині парника. Електрична схема керування режимом роботи нагрівальних елементів для однієї групи, що складається з чотирьох парників, показана на рисунку 5.1. 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, відключеному 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.

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

Рисунок 5.1. Схема автоматичного керування температурою в парниках із грунтово-повітряним електрообігріванням

При низькій температурі регулятор температури в автоматичному режимі роботи контактами SK включає магнітний пускач КМ одночасно з подачею напруги 380/220 В. В міру підвищення температури до заданої контакти SK розмикаються, і пускач КМ відключає 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 менш 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 4 групи по 480 рам і підключають до трансформатора типу ТМОБ-63. Для живлення чотирьох таких трансформаторів встановлюють електричну підстанцію потужністю не менш 250 кВА.

Понижуючі трансформатори в режимі розігріву парника включають за схемою «зірка-зірка», а в режимі обігріву— за схемою «зірка-трикутник». Трифазна лінійна напруга на вторинній стороні можна встановлювати переключенням відгалужень трансформатора: у першому режимі 125, 103 і 85 В, а в другому — 70, 60 і 49 В.

Рисунок 5.2. Принципова електрична схема комплекту устаткування типу КП-1.

Розглянемо роботу принципової схеми комплекту обладнання для одного понижуючого трансформатора (рис. 5.2). Обладнання може працювати в ручному режимі при встановлені універсального перемикача SA 1 у положення Р чи в автоматичному при встановлені SA1 у положення А. Ручне включення і відключення 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. 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 при заданій агрослужбою температурі. Якщо фактична температура нижче заданої, замикаються контакти Р1 чи Р2 і включаються магнітним пускачем КМ трансформатор TV і електронагрівальні елементи. При підвищенні температури до заданої розмикаються контакти Р1 і Р2, а магнітний пускач КМ відключає електроживлення. Перемикачами SA1 і SA2 і рубильниками SA6... SA9 включають 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°.

ЗАПИТАННЯ

1. Що забезпечує тепловий режим у спорудах закритого ґрунту? 2. Що забезпечує водний режим у спорудах закритого ґрунту? 3. Що забезпечує режим живлення у спорудах закритого ґрунту? 4. Що забезпечує газовий режим у спорудах закритого ґрунту? 5. По яких параметрах здійснюється автоматичний контроль і керування на тепличних комплексах? 6. Для чого використовуються два логометри температури в обладнанні обігріву парника КП-1? 7. Поясніть роботу принципової електричної схеми керування обігрівом парника КП-1

ТЕСТИ

1. Дайте визначення “утеплений грунт”

A. Це повністю або частково заглиблені в грунт каркасні споруди невеликої площі з прозорим покриттям

B. Це земельні ділянки, що можуть обігріватися чи не обігріватися, призначені для вирощування розсади і ранніх овочів

C. Це найдосконаліший і технічно оснащений вид капітальних споруд закритого грунту

2. Дайте визначення “теплиця”

A. Це найдосконаліший і технічно оснащений вид капітальних споруд закритого грунту

C. Це повністю або частково заглиблені в грунт каркасні споруди невеликої площі з прозорим покриттям

3. По яких параметрах здійснюється автоматичний контроль і керування на малих теплицях і парниках

A. По вологості ґрунту та повітря

B. По температурі ґрунту та повітря В залежності від погодних умов, виду і віку рослин

C. По температурі води для поливу ґрунту, зволоження повітря

4. Які пристрої використовуються для автоматичного керування парником із грунтово-повітряним електрообігріванням

A. Терморегулятор в шафі керування

B. Терморегулятор в шафі керування та датчики температури в грунті на глибині 0,1м та в повітряному просторі.