ЛЕКЦИЯ 9 АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ТЕМА 2

В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЁННОГО ГРУНТА (СЗГ)

1.НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

 

Согласно научно обоснованным нормам питания человек дол­жен равномерно в течение всего года потребить 130...150 кг ово­щей и 120 кг картофеля. Однако суровые климатические условия не позволяют получать овощи из открытого грунта равномерно в течение круглого года. Так, в первой половине года населению поступает менее 10% овощей, а в июле-сентябре – более 90% огурцов и 70 % томатов. С целью равномерного потребления насе­лением овощей в течение года около 25 % всего их количества должно выращиваться в сооружениях защищенного грунта (теп­лицах, парниках, утепленном грунте и т. п.).

Теплицы, особенно зимние, представляют собой весьма сложные, дорогостоящие и энергоемкие технические объекты с разветвленны­ми системами электро-, тепло- и водоснабжения и канализации.

На производство 1 кг тепличных овощей в средней полосе рас­ходуется до 200 МДж тепловой и 2,3 кВт·ч электрической энер­гии. Для обогрева 1 га площади зимних теплиц требуется за сезон более 2 тыс. т условного топлива, т. е. на порядок больше, чем для обогрева такой же плошали жилых помещений.

Механизация и автоматизация ТП в сооружениях защищенно­го грунта резко сокращают затраты труда и себестоимость продук­ции, повышают энерговооруженность труда и на 10... 15 % урожай­ность овощей, затраты труда на 1 га защищенного грунта достига­ют 180 тыс. чел·ч в год.

Сооружения защищенного грунта разделяют на утепленный грунт, парники и теплицы.

Утепленный грунт – это необогреваемые и обогреваемые зе­мельные участки, предназначенные для выращивания рассады и ранних овощей. Необогреваемый грунт характеризуется малогаба­ритными пленочными укрытиями или переносными укрытиями из матов, рогож, пленок, используемых для укрытия огородных грядок на ночь и на период резких похолоданий. В необогреваемом грунте в качестве источника теплоты используется солнечная энергия. В обогреваемом грунте источником теплоты служит сол­нечная энергия, биотопливо (свежий навоз, растительные отхо­ды), горячая вода или электрическая энергия.

Парники – это полностью или частично заглубленные в почву каркасные сооружения со съемным светопрозрачным покрытием на небольшой земельной площади, обслуживаемой снаружи. Пар­ники предназначены для выращивания рассады для открытого грунта и получения ранних овощей. Парники, заглубленные на 0,4...0,8 м, шириной до 1,4 м любой длины изготовляют из деревянных или железобетонных стен и закрывают стеклянными и пленочными рамами стандартного размера 1,06 х 1,60 м, а на ночь и на период похолодания —дополнительно соломенными матами размером 1,2 х 2 м при толщине 50...60 мм. Почва в парниках обо­гревается солнечной энергией, биотопливом, горячей водой или электроэнергией. Наиболее совершенны парники с техническими видами обогрева, позволяющими легче управлять температурой воздуха и почвы в парниках.

Теплицы – это наиболее совершенный и технически оснащен­ный вид сооружений защищенного грунта. Теплица позволяет при помощи технических средств выращивать растения в любое время года. В отличие от парников все работы по выращиванию овощей в теплице ведут внутри культивационного сооружения. Теплицы предназначены для выращивания ранних и внесезонных овощей, а также рассады для открытого и защищенного грунта.

По виду профиля поперечного сечения зимние теплицы делят на ангарные (однопролетные) и блочные (многопролетные).

Ангарные теплицы представляют собой сооружения площадью 600...3000 м² с двухскатной арочной светопроницаемой кровлей без внутренних опорных стоек. Несущими опорами для крыши служат металлические или деревянные арки, закрепленные непос­редственно на фундаменте или опорных стойках стен теплицы.

Блочные теплицы представляют собой объединение нескольких ангарных теплиц с заменой примыкающих одна к другой боковых стен опорными стойками. Стыки крыши смежных секций шири­ной 6,4 м соединяют желобами, которые являются опорой для элементов кровли и служат для отвода дождевой воды. В целом все секции образуют единое помещение площадью от 1 до 3 га. Благо­даря такой компоновке металлические конструкции блочных теп­лиц изготовляют на заводах. Эти теплицы самые экономичные при строительстве, так как расход металла составляет 7..,9кг/м². Оптимальная площадь блочной теплицы 1 га, а тепличного комп­лекса, состоящего из 3...12 отдельных блоков, — 18...60 га.

Преимущества ангарных теплиц – лучшая освещенность, воз­можность применения почвообрабатывающих и транспортных ма­шин. Но из-за большой высоты и ширины ангарной теплицы пло­щадь светопроницаемых ограждений ее завышена, что увеличивает теплопотери. Эти теплицы на 30...35 % дороже, но зато выдержива­ют большие снеговые нагрузки, не требуют специальных устройств для стаивания снега зимой и хорошо вентилируются летом. Ограж­дения теплиц выполняют из листового стекла толщиной 4 мм, укла­дываемого внахлест по металлическим направляющим.

Применяют также двойное остекление и полимерные покрытия достаточной прочности и высокой теплоизолирующей способности. С целью уменьшения теплопотерь используют трансформирующие­ся (свертывающе-развертывающиеся) экраны из полимерных мате­риалов (акрил), след., экономия теплоты достигает 30-40 %.

По срокам использования теплицы делят на зимние (работаю­щие круглогодично) и весенние (функционирующие с февраля по октябрь). Зимние теплицы в 2...3 раза дороже весенних из-за мас­сивных строительных конструкций и большей насыщенности теп­лотехническими установками.

Башенные гидропонные теплицы – это многоэтажные стеклян­ные или светонепроницаемые сооружения высотой 20…40 м при экономном использовании земли. По высоте теплицы сооружен непрерывный конвейер со стеллажами для растений и питатель­ного раствора. При движении конвейера растения на стеллажах в нижнем положении получают минеральную подкормку и увлаж­нение. Такую теплицу можно строить в любом месте: на бросовых землях или как пристройку к многоэтажному дому в городе.

 

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СООРУЖЕНИЙ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА СЗГ

 

Для сравнительной оценки СЗГ используют ряд показателей, характеризующих световой, тепло­вой, водный, воздушно-газовый и питательный режимы.

Световой режим определяется степенью использования солнеч­ной энергии, которая характеризуется интегральным коэффици­ентом проницаемости световой и инфракрасной солнечной энер­гии через светопроницаемые ограждения ЗГ.

Коэффициент проницаемости k_П равен отношению потока сол­нечной энергии Ф_T, прошедшего через ограждения, к потоку энергии Ф_П, поступившему от солнца: k_П = Ф_T / Ф_П. Его значение зависит от коэффициентов пропускания k_М, зате­нения k_З и загрязнения k_Г светопроницаемого материала и к-та k_У, зависящего от угла падения светового потока на плоскость светопроницаемого материала:

k_П=k_М(1–k_З)(1–k_Г)k_У.

Коэффициент пропускания k_М характеризует светопроницаемость материала (например, для стекла k_М = 0,8...0,85, для синтетичес­ких пленок k_М = 0,85…0,9, для стеклопластика k_М = 0,75...0,85. Коэффициент затенения характеризует площадь светонепро­ницаемых ограждений. Он равен отношению площади тени от светонепроницаемых ограждений S_Н, закрывающей защищенный грунт, к общей плошали защищенного грунта S_T: k_З = S_Н/S_Т. Коэф­фициент затенения для современных теплиц составляет 0,03...0,1, а для воздухонаполненных приближается к нулю.

В процессе эксплуатации поверхность ограждения может заг­рязняться, вследствие чего светопроницаемость снижается до 50% (k_Г ≤ 0,5). Для уменьшения значения проникающего потока сол­нечной энергии на летний период остекленные ограждения забе­ливают 10%-м раствором мела.

В теплицах (на Севере России) овощи выращивают при искусственном свете (электросветокультура). Для этого применяют электрические лампы накаливания и люминесцентные лампы с установочной мощностью для огурцов до 700 Вт и для томатов до 900 Вт на 1 м², стремясь создать освещенность растений не менее 5...8 тыс. лк. В центральной климатической зоне России электродосвечиванние при­меняют только в рассадном отделении с удельной мощностью до 200 Вт/м2.

Тепловой режим сооружений должен обеспечивать оптималь­ные температуры воздуха и почвы в соответствии с фазами роста и типом растений, способом выращивания и освещенности. Опти­мальная температура воздуха для теплолюбивых культур (томат, огурец, баклажан, перец) при солнечной погоде равна 24±4°С, в пасмурную погоду 22°С, ночью 15...20°С, для умеренно требова­тельных к теплоте культур (редис, салат, сельдерей, укроп и т. п.) 16±4°С. Оптимальное значение среднесуточной температуры по­чвы для первых культур должно быть 22...26°С, для вторых – на 3...4°С ниже. При прорастании семян всех культур температуру почвы поддерживают на уровне 20...25°С, а после появления всхо­дов снижают до 18...20 °С для теплолюбивых и до 6...8 °С для уме­ренно требовательных к теплоте растений.

Тепловой режим культивационных сооружений поддерживают при помощи технических средств обогрева и вентиляции. Он опре­деляется коэффициентами теплопроводности и теплопередачи ог­раждений, а также конструктивными особенностями сооружений.

Коэффициент теплопроводности зависит от материала огражде­ния: для стекла – 0,34 Вт/(м·К), для синтетических пле­нок – 0,26...0,29, для стеклопластика – 0,24 Вт/(м·К).

Коэффициент теплопередачи зависит не только от материала ог­раждения, но и от условий теплообмена. В существующей практи­ке для теплиц с ограждением из стекла толщиной 4 мм его прини­мают равным 6,38 Вт/(м²·К), для однослойных пленочных ограж­дений – 9,1…1,6, для двухслойных пленочных ограждений – 4,72...6,94 Вт/(м²·К).

Конструктивные особенности сооружений характеризуются коэффициентами ограждения k₀ и объема k_V. Коэффициент ограж­дения k₀ равен отношению площади светопроницаемого огражде­ния S_C к инвентарной площади S_П теплиц: k₀ = S_C / S_П. Для ангарных теплиц k₀ = 2...2,5, а для блочных теплиц – 1,15.

Коэффициент объема k_V определяют как отношение объема тепли­цы к инвентарной ее площади. Этот коэффициент численно равен средней высоте сооружения. При вычислении коэффициента объема исходят из возможности создания оптимальных условий для роста растений и механизации технологических процессов.

Однако с увеличением высоты теплицы повышаются коэффици­ент ограждения и соответственно затраты на обогрев.

Водный режим. Урожайность в культивационных сооружениях существенно зависит от влажности почвы и относительной влаж­ности воздуха.

Влажность почвы необходимо поддерживать на уровне 75...90% полной полевой влажности (ППВ), а относитель­ную влажность воздуха для рассады огурцов и баклажанов — 65...75 %, томата и перца — 55...65, салата и капусты — 60...70 %. В послерассадный период относительная влажность воздуха для огурцов и баклажанов должна быть 85...95%, томата и перца — 55...65, салата и капусты — 75...85 %.

Влажностью почвы и воздуха управляют при помощи различных устройств орошения (дождевание, полив из шлангов, подпочвенный полив, капельный полив). Температура воды для полива должна быть на уровне температуры почвы и воздуха в теплице (20...25°С).

Воздушно-газовый режим в значительной мере определяет продук­тивность фотосинтеза и конечную урожайность овощных культур.

Растениям необходим кислород для дыхания и диоксид углерода (углекислый газ) для фотосинтеза. Наибольшее значение имеет ди­оксид углерода (С0₂), оптимальное значение которого в воздухе для огурцов должно составлять 0,25...0,35%, для томата — 0,1...0,15%, т. е. в 3...12 раз больше, чем в открытой воздушной среде. Содержание С0₂ в теплицах повышают, сжигая природный газ в специальных горелках или используя газы из котельных.

Для нормального роста растений и предохранения их от забо­леваний необходима постепенная смена воздуха в надземной час­ти растений. Оптимальный воздушно-газовый режим обеспечива­ет повышение урожая до 20 %.

Режим питания. Интенсивное использование почвы в теплицах под две-три культуры за сезон предъявляет повышенные требова­ния к составу субстратов и минеральному питанию.

Почвенные смеси для теплиц и парников приготавливают лег­кими, плодородными, структурными. Для приготовления таких смесей используют дерновую и полевую землю, перегной, торф, песок, древесные опилки, навоз, соломенную резку и т. п. с опти­мальным содержанием азота, фосфора, калия, магния и других минеральных удобрений. На основе агрохимических анализов по­чвенных смесей применяют корневые и внекорневые подкормки растворами минеральных макро- и микроэлементов.

Большую роль в жизнедеятельности растений играет реакция среды, которая определяется значением рН. Необходимость уп­равления величиной рН возникает при подготовке и внесении в почву жидких минеральных удобрений.

Выращивание овощей без почвы на питательных растворах на­зывается гидропонным методом (гидропоника в переводе с гречес­кого означает «работа водой»).

При использовании гидропонного метода в качестве заменителя почвы используют твердые инертные субстраты (щебень, гравий, керамзит), органические субстраты (древесные опилки, мох, верхо­вой торф) и ионитные смолы. Заменители почвы засыпают в стелла­жи, в которые затем высаживают рассаду и по соединительным кана­лам из резервуара подают специальный питательный раствор.

Стоимость таких теплиц в два раза выше, чем почвенных, из-за необходимости оснащения гидропонных теплиц стеллажами для размещения субстрата, растворным узлом с резервуарами для хра­нения отдельных видов жидких концентрированных удобрений и приготовления растворов минерального удобрения, системой рас­пределительных трубопроводов питательного раствора. Технология использования раствора предусматривает периодическое (через два-три дня) регулирование значения рН, проведение еженедель­ного агрохимического анализа на содержание основных элементов питания и через месяц – полную замену питательного раствора.

В связи с уменьшением затрат из-за отсутствия обработки по­чвы удельные затраты труда в них в два раза ниже, а урожайность, по многолетним наблюдениям, выше на 20...50 %. Кроме того, со­кращается период от посева до плодоношения овощей. Гидропонный способ незаменим там, где невозможно исполь­зовать грунтовые теплицы.

3. СПОСОБЫ ОБОГРЕВА ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

 

В практике СЗГ обогревают за счет солнечного излучения, биологического топлива (биотоплива), горячей водой или паром от котельных, отходами теплоты промышленных пред­приятий, а также электронагревательными установками.

Солнечный обогрев используют в сооружениях защищенного грунта наряду с другими дополнительными видами обогрева. Солнечные лучи, проникая через светопрозрачные ограждения, нагревают почву, воздух, растения. Нагретые тела испускают инфра­красные тепловые излучения, которые через светопрозрачные ограждения обратно практически не проникают. Поэтому внутри со­оружений происходит накопление теплоты. Однако при солнечном обогреве сильно колеблются значения суточной температуры: днем – повышается, ночью – резко снижается.

Солнечный обогрев в утепленном грунте и парниках широко распространен в южных районах России, а также на Крайнем Севере в период полярного дня.

Биологический обогрев осуществляют за счет теплоты, выделяе­мой органическими материалами в процессе их разложения мик­роорганизмами. В качестве биотоплива используют навоз живот­ных, городские отбросы и органические отходы промышленных предприятий.

После заправки защищенного грунта биотопливом температура его постепенно за одну-три недели повышается до 60...70 °С, затем снижается до 20...30 °С и держится на этом уровне до двух месяцев. Биологический обогрев наиболее удобен в пар­никах и весенних небольших теплицах, где постепенное снижение температуры биотоплива компенсируется увеличением солнечного излучения. Однако на заправку биотопливом требуются боль­шие затраты труда, и в то же время практически невозможно уп­равлять температурой его разложения.

Водяной обогрев – самый распространенный вид обогрева бла­годаря высоким эксплуатационным и экономическим показате­лям. Он характеризуется простотой устройства и низкой трудоем­костью, легкостью управления и безвредностью для растений и обслуживающего персонала, доступностью и высоким процентом использования теплоты (65...70%).

Зимние теплицы обогревают водой при t-ре 70...90°С, парники - 50...70°С, утепленный грунт - 40°С.

Для водяного обогрева почвы в парниках на глубине 60...65 см в песчаной подушке укладывают асбоцементные трубы диаметром 50...100 мм, а для обогрева воздуха вдоль стен под рамами прокла­дывают металлические трубы диаметром 50 мм с уклоном 0,003. Циркуляцию горячей воды создают принудительно при помощи электронасоса.

В блочных теплицах трубы для циркуляции горячей воды укла­дывают внутри и по поверхности почвы, а также вдоль стен и под стеклянной кровлей (рисунок 1).

Рисунок 1 – Расположение нагревательных элементов в многопролетной (а)

и ангарной (б) теплицах: 1 – кровельных; 2 – подлотковых; 3 – шатровых;

4 – надпочвен­ных; 5 – подпочвенных; 6 – калориферного

 

Основные потребители теплоты в защищенном грунте — систе­мы обогрева воздуха и почвы в теплице. Еще примерно 14% ее суммарного количества расходуется на обогрев коридора и слу­жебных помещений, нагрев поливной воды и т.д.

Суммарная мощность систем обогрева зимних теплиц в средней полосе Рос­сии составляет около 7 МВт на 1 га.

Важнейшая характеристика теплицы – конструкция системы обогрева. В большинстве зимних теплиц применяют трубный во­допой обогрев с использованием гладкотрубных регистров, разме­щение которых в теплицах разного типа (рисунок 1).

Основа системы обогрева — регистры обогрева шатра, лотков и кровли, требующие почти 80 % суммарной мощности системы. Остальной обогрев обеспечивается надпочвенными 4 (14%) и подпочвенными 5 (6%) регистрами.

Высокую экономическую эффективность обогрева защищен­ного грунта дает использование отходов теплоты промышленных предприятий. Так, в себестоимости тепличных овощей около 60 % затрат приходится на стоимость обогрева. В то же время, исполь­зуя теплоту, получаемую только от тепловых электростанций, можно обогревать около 120 тыс. га теплиц, т. е. на порядок больше имеющихся площадей теплиц. Построены теплицы, которые обогреваются низкотемпературными тепловыми отходами про­мышленных предприятий или геотермальными водами. Они по­зволяют снизить себестоимость продукции на 5...10 % и сократить расход топлива в 3...10 раз.

Электрический обогрев (ЭО)используют в основном в парниках. Бывает почвенный, воздушный, комбинированный (почвенно-воздушный). Для ЭО применяют специальные нагре­вательные провода, трубчатые, оголенные проволочные, асфаль­тобетонные, электродные и другие нагревательные элементы.

В качестве трубчатых нагревательных элементов используют оцинкованную проволоку диаметром 2,5…3 мм, протянутую внут­ри керамических или асбоцементных труб диаметром 75...100 мм. Трубы прокладывают в слое песка на глубине не менее 200 мм от поверхности почвы на теплоизоляционной подложке из шлака и гравия.

Средняя удельная мощность нагревательных элементов в теп­лицах для южных зон России должна составлять 150...180 Вт/м², а для ос­тальных зон России 180…200 Вт/м².

Оголенные проволочные нагревательные элементы выполняют из стальной оцинкованной проволоки диаметром 3...4 мм, кото­рую укладывают в теплоаккумулирующем слое песка петлями под обогреваемой почвой и закрепляют на натяжных планках в торцах обогреваемого участка. При этом используют сниженное напря­жение питания элементов (12...50 В) от специальных понижаю­щих трансформаторов.

Электропромышленность выпускает специальные нагреватель­ные провода ПОСХВ, ПОСХП, ПОСХВТ (провод обогревательный сельскохозяйственный с изоляцией соответственно из поливинилхлорида, полиэтилена или поливинилхлоридного пластика). Дли­тельно допустимая температура нагрева изоляции не должна пре­вышать 90 °С, что соответствует удельной мощности 8...11 Вт на 1 м длины провода. Провода заливают теплоаккумулирующим слоем, состоящим из цементно-песочной смеси (1:10), а сверху насыпают слой почвы. Провод подключают к напряжению 380/220 В.

Асфальтобетонные нагревательные элементы выполняют в виде плит толщиной 6...7 см на все дно площади парников. В пли­ту закладывают зигзагом стальную оцинкованную проволоку диа­метром 2...3 мм, и подключают к напряжению 380/220 В.

Электродный способ обогрева заключается в том, что в почву закладывают металлические электроды и при их помощи через почву пропускают ток, нагревающий ее. Однако этот способ не используют в практике из-за большого расхода металла (8...9 кг на 1 кВт установленной мощности обогрева), непостоянства сопро­тивления почвы и большой неравномерности распределения тем­пературы по площади почвы. Как правило, установленная мощ­ность 1 м длины электронагревателя для парника составляет 100...230 Вт, а для пленочной весенней теплицы — 100... 120 Вт.

4. ТП (ОПЕРАЦИИ), МЕХАНИЗИРУЕМЫЕ И АВТОМАТИЗИРУЕМЫЕ В СЗГ

 

Защищенный грунт характеризуется ежегодными затратами труда ~18 чел.ч на 1 м² площади. Растения хорошо развиваются и плодоносят только при оптимальных значениях параметров микроклимата теплиц. Степень механизации и автоматизации технологических процессов в теплицах достаточно высокая.

Около 40% общих затрат труда приходится на подготовитель­ные работы, которые выполняют при помощи машин: приготов­ление почвенных смесей; замена, стерилизация и предпосевная обработка почвы; 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 применяют различные экскаваторы, бульдозеры, погруз­чики и специальные машины для приготовления почвенных грун­тов.

В СЗГ почву рыхлят на глубину 10...12 см перед каждым посевом, а перед пропариванием и при заделке навоза – 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. 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 один 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/м², дли­тельность пропаривания 8...10 ч. После пропаривания почвосмеси для уменьшения концентрации солей промывают дождеванием в 3…5 приемов с общим расходом воды 200...400 л/м².

Для борьбы с вредителями и болезнями используют также хи­мические методы протравливания семян, обрабатывают конструк­ции сооружений и опрыскивают растения. Стоимость обработки почвы пестицидами составляет 20...70% паровой, но при этом в почву вносят токсические вещества. Торфоперегнойные питатель­ные кубики (горшочки) изготовляют на специальных станках кон­вейерного типа, станок который состоит из бункера, конвейера и штампа с электроприводом, а принцип рабо­ты: при подъеме штампа лента конвейера загружается из бункера ровным слоем торфоперегнойной массы и перемеша­ется под штамп. Когда штамп идет вниз, лента останавливается, происходит прессовка и нарезка нескольких сот кубиков размером до 100 x100 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. Для полива и под­кормки растений минеральными удобрениями в крупных теп­личных комбинатах используют стационарную систему дождева­ния, а в малых теплицах и парниках -передвижные насосные станции.

При подвязке растений к шпалерам, обрезке побегов и листьев, уборке и перевозке урожая применяют передвижные платформы, стремянки и ручные тележки. Готовую продукцию и оборудование перевозят с помощью электрокаров и самоходных шасси, снаб­женных 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 СЗГ 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 - t°С.

На тепличных комплексах промышленного типа площадью от 3 га используют СА контроля и управления многими параметрами (температурой и влажностью почвы и воз­духа, содержанием диоксида углерода, степенью освещенности, температурой воды для полива почвы, влажностью воздуха, венти­ляцией и скоростью перемещения воздуха в теплице, концентра­цией растворов минеральных удобрений почвы, значением рН и др.)

Для выбора оптимального режима в соответствии с внешними погодными условиями предусмотрено автоматическое слежение за ними (температурой, скоростью ветра и освещенностью) и со­ответствующее изменение внутренних параметров микроклимата. Средства автоматики также широко используют на вспомогатель­ных установках тепло-, энерго-, водоснабжения и др.

 

Проектный объем автоматизации ТП в зимних теплицах на примере блока многопролетной теплицы площадью 6 га показан на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2 - Схема автоматизации ТП в блоке многопролетной теплицы:

1 - подогреватель поливной воды; 2 - насосы-дозаторы; 3 - растворные баки с мешалками; 4 - клапаны полива; 5 - насосы; 6 - клапан сброса; 7 - генератор С0₂;

8 - регистры обогре­ва; 9 – 3^Хходовой смесительный клапан; 10 –подмешивающий

насос; 11-циркуляцион­ный насос

 

Допустимые отклонения температуры воздуха в теплице от уровня, заданного агротехническими требованиями, составляют ±1 °С, относительной влажности воздуха ±5 %, темпе­ратуры воды в системе надпочвенного обогрева ±2 °С и т.д.

5. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРОЙ ВОЗДУХА И ПОЧВЫ

 

 

Важнейшие факторы, определяющие рост растений: темпера­тура, освещенность, влажность воздуха и газовый состав окружаю­щей среды.

На Земле существует равновесие между теплотой, поступаю­щей за счет солнечного излучения, и ее потерей. В теплице это равновесие менее устойчиво, ибо ограждение задерживает часть теплоты солнечного излучения, отраженного от почвы. Это явле­ние называется «парниковым эффектом». Равновесие, конечно, наступает. Однако важно, чтобы это произошло при той темпера­туре, которая нужна растению. Следует также иметь в виду, что температура самого растения может значительно (иногда на 5...10 °С) отличаться от температуры почвы и окружающего возду­ха.

Регламентации подлежит не только температура окружающего воздуха, но и скорость изменения, поскольку массивные части ра­стения прогреваются медленнее и на них возможна конденсация влаги, приводящая к заболеваниям растений.

Задача системы управления микроклиматом состоит в обеспе­чении условий для максимальной интенсивности фотосинтеза, который зависит от температуры, так как при высоких ее значени­ях дыхание (обратный фотосинтезу процесс) начинает превалиро­вать над фотосинтезом. Оптимальное значение внутренней темпе­ратуры зависит от вида и фазы развития растения.

Внутренняя температура должна возрастать при увеличении ос­вещенности. Нарушение этого условия зимой, когда температура в теплице может быть высокой, а освещенность недостаточной, вызывает дефицит углеводов и истощение растений.

Известно, что структура и параметры любой САУ определяют в соответствии с характеристиками объекта автоматизации и требо­ваниями к качеству стабилизации параметра.

Теплицы, как ОУ температурным режимом, относятся к наибо­лее сложным объектам автоматизации. Определение их характе­ристик сопряжено с известными трудностями, обусловленными особенностями объектов и условиями их функционирования.

Основные управляющие воздействия в холодное время года — изменения температуры и расхода теплоносителя в системе обогрева теплицы, режима работы калориферов, в теплое время года — открытие вентиляционных форточек.

Основные контролируемые возмущающие воздействия — изме­нения наружной температуры, скорости ветра и уровня естествен­ной освещенности. Кроме перечисленных параметров, на темпе­ратурный режим теплицы влияют также влажность наружного воздуха, осадки и другие метеорологические факторы.

Статические и динамические характеристики объекта зависят от начальных значений расхода и средней температуры воды в си­стеме трубного обогрева. Эта зависимость слабеет только при больших расходах теплоносителя, что объясняется стабилизацией коэффициента теплоотдачи от воды к внутренней поверхности труб при скоростях движения воды, превышающих 0,1 м/с.

Постоянная времени теплицы по каналам управляющих воз­действий определяется тепловой емкостью системы трубного обо­грева и собственно теплицы. Запаздывание изменения температу­ры воздуха в теплице при изменении мощности системы трубного обогрева зависит от конструкции самой теплицы и ее системы обогрева, направления движения теплоносителя в трубах и места расположения измерительных преобразователей. Время запазды­вания для различных каналов управления неодинаково.

Наличие зеленой массы растений в значительной степени оп­ределяет нестационарность теплицы как ОУ температурным ре­жимом. За время от высадки рассады до начала сбора урожая из-за увеличения зеленой массы в объеме теплицы постоянная времени объекта увеличивается в 1,1...1,3 раза, коэффициент теплопереда­чи уменьшается в 1,5 раза, а время запаздывания, зависящее от скорости распространения воздушных потоков, увеличивается на 300...400 с.

Т. о., если инерционность объекта оценивать по от­ношению τ/Т, то теплица относится к числу наиболее сложных объектов. Кроме того, решение задачи автоматизации осложняет­ся большими абсолютными значениями τ и Т, очень малой инер­ционностью объекта по каналам передачи возмущающих воздей­ствий и достаточно жестким требованием к точности стабилиза­ции температуры (± 1 °С).

В теплый период года температурный режим в теплице поддер­живается системой естественной вентиляции, образованной мно­гочисленными поворотными форточками (фрамугами), приводимыми в движение специальными исполнительными механизмами.

 

 

Рисунок 3 - Схема механизма открытия форточек в теплице:

1 - форточка; 2 - рейка; 3 – вал; 4 - редуктор

 

Суммарная площадь поднимающейся кровли составляет 25...50 % в зависимости от зоны размещения тепличного ком­бината. Технические решения по автоматизации управления темпера­турным режимом в многопролетных блочных и ангарных тепли­цах различаются, а потому далее рассмотрены самостоятельно.

 

 

6. САУ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В БЛОЧНЫХ ТЕПЛИЦАХ

 

СУ температурным режимом для холодного (режимом обогре­ва) и теплого (режимом вентиляции) времени года существенно различаются.

СУ режимом обогрева. В холодное время года управление тем­пературным режимом в теплице может быть обеспечено за счет изменения температуры t (качество) или расхода G (количество) теплоносителя.

Температуру теплоносителя изменяют с помощью трехходово­го смесительного клапана 9 (см. рисунок 2), сконструированного та­ким образом, что при перемещении плунжера h (рисунок 4, а ) расхо­ды горячей G₁ и охлажденной G₂ воды изменяются в равных долях, но с разным знаком.

 

Рисунок 4 - Трёхходовой смесительный клапан (а) и

кривые разгона [1,2,3] для теплицы по каналу h→ t_ВН (б)

 

Поэтому суммарный расход воды через кла­пан G_T от положения плунжера не зависит, но температура t_Т ее изменяется. Заметим, что это положение выполняется только при стабильном и одинаковом давлении в обоих входных патрубках (р₁ = р₂).

Типовой вариант САУ – одноконтурная СУ отклонением температуры t_ВН внутри теплицы (рисунок 5).

Рисунок 5 - Функциональная схема САУ температурой в блочной теплице в режиме обогрева (а) и в режиме вентиляции (б): 1 - системы трубного обогрева; 2 - трехходовой смесительный клапан; 3 - насос; 4 - форточки; 5 - ИМ привода форточек

 

Горячая вода из тепловой сети поступает во входной горизон­тальный патрубок трехходового смесительного клапана 2. Одно­временно насос 3 подает во входной вертикальный патрубок опре­деленное количество охлажденной воды, прошедшей уже по тру­бам системы обогрева теплицы 1. Образующаяся в результате сме­шивания потоков вода с температурой t_Т поступает в систему обогрева теплицы. Температура в средней точке теплицы (измери­тельный преобразователь ТЕ1) поддерживается ПИ-регулятором ТС1, управляющим клапаном 2.

В ночные часы, когда фотосинтеза нет, температура в теплице д.б. понижена на 4...6°С. Операция понижения темпера­туры называется технологическим переходом «день—ночь» и вы­полняется по команде реле времени KT1 (рисунок 5, а). Это реле д.б. настроено т.о., чтобы к восходу солнца теплица была уже разогрета.

В дневные часы температура воздуха в теплице автоматически корректируется в зависимости от уровня естественной освещен­ности, измеряемой преобразователем NE1. В корпусе преобразо­вателя объединены фотодиод и усилитель. Корпус накрыт рассеивателем света шарообразной формы.

Кривая 3 разгона для теплицы (рис. 4, б) представляет со­бой результирующую двух кривых: 1 — по каналу t_Т→ t_ВН и 2 — по каналу G_Т→ t_ВН.

СУ режимом вентиляции. В теплое время года управление тем­пературным режимом в теплице может быть обеспечено за счет изменения степени открытия форточек или за счет действия сис­темы испарительного охлаждения.

Требуемая степень открытия форточек обеспечивается работой самостоятельной одноконтурной САУ отклонением температуры в средней точке теплицы (рисунок 5, б).

Независимость действия обеих САУ температурным режимом возможна благодаря тому, что регулятор температуры в режиме вентиляции срабатывает при температуре на 2...4 °С выше, чем ре­гулятор в режиме обогрева.

Регулятор температуры ТС1 (рисунок 5, а) действует по П-закону, поддерживая соотношение между температурой в теплице (преоб­разователь ТЕ2, рисунок 5, б) и степенью открытия форточек 4 (пре­образователь НЕЗ). Диапазон срабатывания регулятора автомати­чески корректируется в зависимости от уровня естественной освещенности (преобразователь NE2), а предельная степень открытия форточек — в зависимости от текущего значения наружной темпе­ратуры, контролируемой измерительным преобразователем ТЕЗ.

В зависимости от направления и силы ветра регулирующее воз­действие с помощью переключателя HS может быть направлено к одному из двух рядов форточек или к обоим одновременно.

В современных САУ вентиляцией теплиц применяют устрой­ства защиты, закрывающие форточки при аварийной скорости ветра. Соответствующая команда выдастся спустя 60 с после того, как чашечный анемометр зафиксировал аварийную ситуацию. Спустя 2500 с (время хода исполнительного механизма - ИМ) должен поступить сигнал, подтверждающий закрытие форточек. Запрет на открытие форточек снимается только через 300 с после того, как скорость ветра понизится до нормальною значения.

 

 

7. САУ МИКРОКЛИМАТОМ В АНГАРНЫХ ТЕПЛИЦАХ

 

В ангарных теплицах в основном используется комбинирован­ный обогрев: водяной (почвы и воздуха) и калориферный (возду­ха). Основной обогрев обеспечивают греющие регистры, а допол­нительный - калориферы. От калориферов подогретый воздух подается по воздуховодам и распределяется вентиляционной сис­темой по всей теплице. Благодаря малой инерционности калори­ферного обогрева можно с высокой точностью управлять темпера­турой воздуха.

Вентиляция теплицы осуществляется через форточки, располо­женные в боковых стенах и на кровле. Увлажнение воздуха проис­ходит путем распыления воды через форсунки, закрепленные в подвешенных в теплице водопроводах на расстоянии примерно 3 м одна от другой. Для сбора и отвода воды, образующейся на конструкциях теплицы при распылении и конденсации влаги, ус­троены специальные желоба, по которым вода стекает в канализа­цию. Вода, необходимая для увлажнения воздуха и полива почвы, поступает из водоподогревателя под постоянным давлением, со­здаваемым насосной станцией. Для полива используют дожде­вальную установку или шланги. Температура воды должна быть 16...25°С.

В сельском хозяйстве применяют несколько комплектов обо­рудования для управления микроклиматом теплиц, например АМТ-600, СК-2, ОРМ-1, УТ-12 и др. В качестве примера рассмот­рим принцип работы комплекта УТ-12.

Основная элементная база этого комплекта — микропроцес­сорные логические элементы. Оборудование комплекта УТ-12 размещено в отдельных шка­фах и включает в себя САУ параметрами микро­климата: 1. температурой воздуха в теплицах, бытовых помещениях и коридоре; 2. температурой почвы; 3. температурой поливной воды; 4. влажностью почвы и воздуха; 5. концентрацией растворов минеральных удобрений; 6. подачей диоксида углерода и облучением растений.

Комплект рассчитан на управление указанными параметрами в 12 отделениях теплиц, а также температурой в соединительном коридоре и в бытовых помещениях. Он поддерживает температуру воздуха, почвы и поливной воды с точностью до ±1,5 °С в диапа­зоне заданных температур (0...40°С) и концентрацию растворов минеральных удобрений. Также комплект УТ-12 измеряет и регистрирует параметры микро­климата.

В первом шкафу управления ШУ1 (рисунок 6, а, б) размещены САУ температурой воздуха и почвы в 12 теплицах, температурой воздуха соединительного коридора и бытовых помещений, а также контрольно-регистрационная система температуры воздуха в 12 теплицах. Во втором шкафу управления ШУ2 размешены САУ влажнос­тью почвы и воздуха, а также подачей диоксида углерода и облуче­нием растений в 12 теплицах. В третьем шкафу ШУ3 расположены САУ температурой поливной воды, концентрацией растворов минеральных удобрений, система контроля температуры наружного и внутреннего (в 24 точках) воздуха, а также система контроля скорости ветра. В четвертом шкафу расположена пускозащитная аппаратура насосов поливной воды и насосов подачи концентрированного раствора минеральных удобрений, а также пускозащитная аппара­тура технологических установок приготовления минеральных удобрений и управления температурой воздуха коридора и быто­вых помещений. В пятом шкафу управления установлена промежуточная аппа­ратура, предназначенная для управления электромагнитными вен­тилями полива и другим оборудованием теплицы. В соединитель­ном коридоре для каждой теплицы расположены местные шкафы управления оборудованием (ШУО).

Рисунок 6 - Схема размещения оборудования УТ-12 в теплице

(а - вид с торца; б - вид сверху) и последовательность его работы (в)

 

В теплице устанавливают панели датчиков температуры и влажности, а также датчики освещенности, скорости ветра, темпе­ратуры поливной воды, концентрации растворов минеральных удобрений и др.

Электропитание шкафов осуществляется от специальных бло­ков, подключаемых к трехфазной сети 220/380 В.

САУ температурой воздействует на 16 исполнительных меха­низмов, охватывающих 12 отделений тепличного блока, соедини­тельный коридор, бытовое помещение и две системы почвенного обогрева.

Управление температурой воздуха в теплице осуществляется при помощи двух групп водяных калориферов KBI и КВII, конь­ковой (верхней) ВФ и боковой БФ систем вентиляции (форточек). Греющая вода из котельной подается в теплицу через клапан ото­пления КО, а теплая вода для полива – через клапаны КП1 и КП2. Верхние и боковые форточки открываются и закрываются испол­нительными механизмами верхней левой МВЛ и правой MBП, а также боковых левой МБЛ и правой МБП систем вентиляции.

Последовательность работы и состояние оборудования управ­ления температурой в теплице зависят от значения и знака откло­нения температуры от заданной (рисунок 6, в).

СУ включает соответствующие исполнительные механизмы в зависимости от отклонения температуры воздуха от заданной. Правая (левая) верхняя коньковая система вентиляции (ВФ) включается при повышении температуры в теплице на 2(3) °С, а правая (левая) боковая стенная система вентиляции БФ - при по­вышении температуры на 4(5)°С.

При отклонении фактической температуры от заданной па 1 °С открывается «шагами» клапан отопления КО (один «шаг» за один цикл опроса). При отклонении ее на 3°С включается первая ото­пительная группа калориферов KBI, а на 4 °С – вторая их группа КВII. При отклонении температуры от заданной на ±6 °С срабаты­вают пороговые элементы, включаются аварийные звуковая и све­товая сигнализации. О значениях отклонений температуры с ука­занием номера контролируемой теплицы сигнализирует индика­тор, выполненный на сигнальных лампах. Заданное значение тем­пературы в 16 объектах устанавливают с помощью задатчиков.

Блок освещения с 12 датчиками автоматически корректирует заданное значение температуры в зависимости от освещенности в 12 теплицах. При освещенности более 10 клк срабатывает реле, контакты которого включают сигнальную лампу и резистор, вызывающий температурную надбавку установки до 5 °С. При сни­жении освещенности до 10 клк срабатывает другое реле, которое включает сигнальную лампу «Пасмурно» и соответствующую тем­пературную надбавку около 2,5 °С. При низкой освещенности, например в ночное время, срабатывает третье реле, которое включа­ет сигнальную лампу и выдает своим контактом задание на управление температурой, соответствующей темному периоду суток. Перевод схемы с автоматического управления на ручное и обратно выполняют в соответствующем местном шкафу управления ШУО.

В случае необходимости экстренного закрытия форточек или изменения их положения одновременно во всех 12 теплицах ис­пользуют соответствующую кнопку. Возможно также автомати­ческое полное закрытие форточек по команде от анемометра при предельно допустимой скорости ветра. Положения форточек, зна­чения температур вне и внутри теплицы контролируют соответ­ствующие приборы.

 

 

8. САУ ТЕМПЕРАТУРОЙ ПОЧВЫ И ТЕПЛОЗАЩИТНЫМ ЭКРАНОМ

 

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. Стой 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.

Наиболее значительное возмущение — изменение температуры греющей воды. Для автоматизации объектов этого класса реко­мендуются каскадные автоматические САУ (рисунок 7). Система включает в себя два контура управления: внутренний (малоинер­ционный), обеспечивающий стабилизацию температуры воды, поступающей в систему обогрева (измерительный преобразова­тель ТЕ2), и внешний (инерционный), стабилизирующий температуру почвы на глуб. 15 см от поверхности (из­мерительный преобразова­тель ТЕ1).

Рисунок 7 – Функциональная схема САУ температурой почвы в теплице

 

Задача внешнего конту­ра – компенсировать воз­мущения, вызванные изме­нением температуры возду­ха, влажности и т. п. Во внутреннем контуре стабилизации температуры воды обычно действует ПИ-регулятор (ТС1), а во внешнем – П-регулятор (ТС2), выходной сигнал которого может быть ограничен, чтобы исключить опасность повышения темпера­туры воды. Схему управления дополняют элементом зашиты, вы­рабатывающим запрет на дальнейшее открытие регулирующего клапана при аварийном повышении этого параметра.

Теплозащитные экраны экономят большое коли­чество теплоты, но управление ими должно быть автоматизирова­но, поскольку возможны ситуации, когда экран рационально раз­вернуть даже в дневное время, если уровень освещенности мал и фотосинтез слаб, а тепловые потери сооружения значительны.

Разворачивается экран быстро, а сворачивается с остановками, для того чтобы исключить попадание холодного воздуха из подэкранного пространства в зону размещения растений. В ночные часы возможно частичное сворачивание экрана, чтобы понизить относительную влажность и повысить температуру воздуха между экраном и ограждением. При снегопаде экран обязательно свер­тывают (или вырабатывают запрет на его развертывание), чтобы создать лучшие условия для таяния снега.

Регулирующее устройство должно иметь достаточную зону не­чувствительности и выдержку времени, для того чтобы частота срабатывания привода экрана не была чрезвычайно большой. Раз­вертывание экрана существенно изменяет динамику каналов уп­равления температурным режимом теплицы и потому должно со­провождаться соответствующей перенастройкой СУ.

Дальнейшее совершенствование аппаратурной базы СУ температурным режимом предусматривает широкое вне­дрение микроЭВМ и микропроцессорных комплексов, в основу алгоритма функционирования которых могут быть положены принципы автоматизации управления температурным режимом, рассмотренным в настоящей главе.

9. САУ ВЛАЖНОСТЬЮ ВОЗДУХА И ПОЧВЫ, ТЕМП-РОЙ ПОЛИВНОЙ ВОДЫ

 

Автоматическое управление влажностью. Относительную влаж­ность воздуха в теплице регулируют стационарной системой ув­лажнения (рисунок 8).

Рисунок 8 – Функциональные схемы разных САУ и технологическая схема

мембранного вентиля с электромагнитным приводом:

а – САУ влажностью воздуха; б – САУ влажностью почвы:

1 - обегающее устройство; 2 - пе­реключатель набора программы полива;

3 - мембранный вентиль; 4 - насос поливной воды;

в – схема мембранного вентиля:

1 – мембрана; 2 - электромагнит; 3 - канал сброса воды из надмембранной полости.

Режим работы системы увлажнения выбирает оператор с помо­щью переключателя HS1 в зависимости от выращиваемой культу­ры: для огурца команда на включение форсунок подается при по­вышении температуры t_ВН, для томатов – при понижении φ_ВН, причем заданное значение t_ВН корректируется в зависимости от уровня естественной освещенности. При снижении уровня осве­щенности до определенного предела налагается запрет на включе­ние увлажнения.

Средство понижения влажности - «сухое отопление» также выполняется автоматически. В процессе выполнения этой опера­ции сначала повышается температура воздуха и затем открывают­ся форточки, в результате чего нагретый воздух покидает теплицу, унося с собой влагу. На время выполнения операции «сухое ото­пление» регулятор температуры воздуха блокируют.

Регулятор влажности воздуха NE работает с электролитическим измерительным преобразователем.

К СУ влажностью воздуха можно отнести си­стему управления туманообразова-нием, используемую в процессе черенкования. Измерителем влажности в таких системах служит модель листа или так называемый «электронный лист», изготов­ленный из неэлектропроводного материала с пленочным смачива­нием. Электрическое сопротивление пленки влаги на поверхности «листа» характеризует степень увлажнения укореняемых растений.

Задача СУ поливом почвы - поддержание влажности почвы в определенных пределах. В некоторых случаях одну и ту же систему используют и для полива почвы, и для ув­лажнения воздуха.

Наиболее эффективны струйные и капельные системы полива, хотя широко распространены стационарные дождевальные систе­мы с распылителями дефлекторного типа, вода к которым пода­ется через мембранный вентиль с электромагнитным приводом (рисунок 8, в). При обесточенном электромагните 2 давление воды в камерах I и II вентиля одинаково и мембрана 1 прижата к седлу усилием, пропорциональным площади всей мембраны. При пода­че питающего напряжения на электромагнит вода из надмембранной полости I сбрасывается в выходной патрубок III через трубку 3 и мембрана поднимается давлением воды во входном патрубке II. Путь воде в систему полива открыт. Преимущество конструкции мембранного вентиля — отсутствие сальникового уплотнителя што­ка, имеющего низкую эксплуатационную надежность.

В связи с ограниченной мощностью источника водоснабжения одновременный полив всех теплиц блока невозможен и автомат полива (рисунок 8, б) действует по заданной программе, запускае­мой по команде оператора (Н5) от реле времени (К2) или от изме­рительных преобразователей влажности воздуха (ME2) и почвы (МЕЗ). Программа полива, набираемая оператором с помощью переключателя 2, реализуется обегающим устройством 1.

Одновременно с включением насоса поливной воды 4 обегаю­щее устройство 1 начинает вырабатывать команды на поочередное открытие мембранных вентилей 3 на трубопроводах подачи воды к оросителям почвы. Экспозицию полива (увлажнения) также ус­танавливает оператор.

С технологической точки зрения требуемое количество воды нужно подать в несколько приемов. Заданную кратность полива устанавливают специальным переключателем HS4.

При необходимости программу полива можно прервать, повер­нув переключатель HS5. С помощью переключателя HS6 можно осуществить полив любого участка теплицы. В этом случае экспо­зиция полива не ограничена.

Некоторые конструкции автоматов полива несколько отлича­ются от рассмотренного. Так, при поступлении информации о снижении относительной влажности воздуха в одной из теплиц блока программа полива прерывается и система быстро переклю­чается на увлажнение воздуха в той теплице, из которой поступил сигнал. По окончании цикла увлажнения автомат возвращается к выполнению прерванной программы полива. Команда на повтор­ное увлажнение воздуха в теплице может выполняться как через заданный интервал времени, так и через интервал времени, зави­сящий от уровня освещенности (чем выше освещенность, тем ин­тервал меньше).

Программа полива (увлажнения) автоматически прерывается при уменьшении расхода воды (импульс от реле протока), аварийном повышении температуры воды и снижении уровня естественной освещенности (обычно до 2 клк).

Главный недостаток всех рассмотренных систем управления поливом — ручное задание норм полива.

Автоматическое управление температурой поливной волы. В соот­ветствии с агротехническими нормами температура поливной воды должна быть 22...25 °С. САУ температурой поливной воды работает следующим образом. Датчик температуры поливной воды ТС2 (рисунок 9) и задатчик R1 температуры подсоединяют к блоку регули­рующего прибора БРП1.

рисунок 9) – Принципиальная схема управления температурой поливной воды

 

При отклонении температуры от заданной на ± 1 °С срабатывают соответствующие пороговые элементы в бло­ке БРП2 и включается реле KV1 или KV2. При снижении темпера­туры на 1 °С включается реле КV1, которое вызывает срабатывание исполнительного механизма (ИМ), увеличивающего открытие регу­лирующего клапана КР, а следовательно, и количество горячей воды, поступающей в подогреватель ППВ. При повышении темпе­ратуры на 1 °С включается реле KV2, которое подает ИМ сигнал на уменьшение количества греющей воды, проходящей через регули­рующий клапан. Чтобы исключить перерегулирование при измене­нии открытия КР, применяют импульсный прерыватель БД1 (гене­ратор импульсов) и реле KV3. На реле KV3 от БД1 через каждые 20 с поступают импульсы установленной при наладке длительности от 1 до 10 с. Изменение пропускаемого количества греющей воды про­исходит кратковременно только при замкнутом положении контак­тов реле KV3 и KV1 (или KV2), что исключает перерегулирование температуры из-за инерционности ППВ.

Логометр Р при помощи датчика ТС1 измеряет температуру поливной воды и ограничивает ее максимальное значение в слу­чае возникновения аварийной ситуации. При достижении мак­симально допустимого значения температуры воды логометр раз­мыкает контакты P1 и замыкает контакты Р2, что вызывает форсированное закрытие регу­лирующего клапана КР. За­тем при снижении темпера­туры воды до установленно­го значения контакты логометра возвращаются в исход­ное положение и вводят в работу систему регулирова­ния температуры воды. Сиг­нальные лампы показывают следующее: НL1 — темпе­ратуру воды меньше задан­ной, HL2 — больше задан­ной, HL3 — обрыв, HL4 — короткое замыкание в цепи датчиков.

 

 

10. САУ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ РАСТВОРОВ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

 

 

САУ концентрацией растворов минеральных удобрений (рисунок 10 –) позволяет измерять концент­рацию растворов в диапазоне от 0 до 0,2 МПа осмотического дав­ления с точностью до ±10 % и управлять ею. Концентрированный раствор минеральных удобрений готовят в специальном бассейне Б, откуда насосами-дозаторам и НД подают его через регулирую­щий клапан КР1 в поливную воду.

 

Рисунок 10 – Принципиальная электрическая схема управления

концент­рацией растворов минеральных удобрений

 

Концентрацию удобрений в поливной воде измеряют датчиком ДКУ кондуктометрического типа (по электропроводности раство­ра). Он имеет встроенный терморезистор, предназначенный для компенсации температурой погрешности.

Датчик устанавливают в трубопровод за участком смешения концентрированного раствора и поливной воды. Его присое­диняют через анализатор удобрений АУ к регулирующему прибору РП, который настраивают на двухпозиционное управле­ние исполнительным механизмом ИМ1 при помощи реле KV1 «Концентрация больше» и KV2 «Концентрация меньше». На­пример, если концентрация минеральных удобрений в поли­вной воде больше заданной, то срабатывает реле KV1, которое включает исполнительный механизм на уменьшение пропуска клапаном КР1 концентрированного раствора. При этом заго­рается сигнальная лампа НL1. Если концентрация удобрений меньше заданной, то срабатывает реле KV2 и исполнительный механизм открывает регулирующий клапан KP1. При достиже­нии концентрации заданного значения реле KV1 или KV2 от­ключает исполнительный механизм. Для улучшения качества двухпозиционного регулирования используется импульсный прерыватель, состоящий из реле KV3 и блока БД генератора импульсов с периодом 20 с. Его принцип действия приведен в описании системы регулирования температуры поливной воды (см. рис. 9).

Одной из основных характеристик растворов минеральных удобрений является показатель рН, который обеспечивает проте­кание кислотно-щелочной реакции в гидропонной теплице. Тео­ретически рН может изменяться от 0 до 14. При рН < 7 реакцию считают кислой, при рН > 7 — щелочной.

Характер реакции питательного раствора оказывает сложное и разностороннее влияние на рост и развитие растений. При этом в разные периоды роста растений требуется различное оптималь­ное значение рН. При рН < 4 рост большинства растений затор­маживается из-за снижения усвоения растением катионов мине­ральных веществ из почвы. При рН > 8 также резко снижается рост растений из-за того, что многие минеральные вещества осаждаются на поверхности корней и затрудняют дыхание и пи­тание растений.

Для большинства растений оптимальное значение рН находит­ся в пределе от 5 до 7. В процессе роста растений рН тепличной почвы изменяется, поэтому необходимо управлять значением рН питательного раствора.

Значение рН определяют методами физико-химического ана­лиза. Из экспрессных методов наиболее подходит электрометри­ческий метод измерения рН, принцип действия которого основан на определении потенциалов на электродах, помещенных в иссле­дуемый раствор. Такой электродный датчик измеряет концентра­цию водородных ионов (рН) в растворе и выдает сигнал в виде гальванического напряжения. Датчик измеряет рН с точностью до 0,1 рН, а для растений допускаются отклонения до ±0,2рН, а иногда и до ± (0,3...0,5) рН.

Схема управления значением рН раствора минеральных удоб­рений показана в правой части рисунка 10.

При отклонении рН раствора от заданного значения на выходе датчика Д рН изменя­ется гальваническое напряжение, которое повышается усилите­лем У с большим входным сопротивлением. С усилителя сигнал поступает на исполнительный механизм ИМ2, который изменяет степень открытия регулирующего клапана КР2. Это приводит к изменению подачи из бака БК специального раствора, корректи­рующего значение рН раствора удобрений в бассейне Б. Мешал­ка с электроприводом М обеспечивает выравнивание концентра­ции минеральных удобрений и значения рН по всему объему ра­створа.

Значением рН обязательно надо управлять при выращивании растений в гидропонных теплицах.

 

 

11. САУ СОДЕРЖАНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

И ДОСВЕЧИВАНИЕМ РАСТЕНИЙ

 

Интенсивность фотосинтеза в теплице зависит от концентра­ции СО₂. В ночные часы концентрация его возрастает до 0,05 %, а в дневные падает до 0,01 %. В случае увеличения концентрации СО₂ в воздухе теплицы с 0,03 до 0,15 % интенсивность фотосинте­за значительно возрастает, а урожайность повышается на 10…20 %. Очевидно, требуемая по агротехническим нормам концентрация СО₂ может быть достигнута только в результате применения спе­цсистем подкормки (искусственной подачи СО₂ в теплицу).

Содержание диоксида углерода поддерживают на определенном уровне, сжигая природный газ в специальных гене­раторах или подавая в теплицу дымовые газы из тепличных котель­ных (реже из специальных газовых баллонов, содержащих СО₂).

Схема управления подкормкой СО₂ работает по заданной вре­менной программе с 24-часовым циклом.

В оптимальном режиме работы теплицы подача СО₂ в расчете на 1 га составляет 50...70 кг/ч.

Генератор, вырабатывающий СО₂, представляет собой дистан­ционно управляемую газовую горелку, заканчивающуюся керами­ческим насадком 1 (рисунок 11), в каналах которого происходит сме­шивание газа с воздухом, а на поверхности — сжигание смеси.

Рисунок 11 – Схема генератора, вырабатывающего СО₂:

1 - керамический насадок; 2 - защитный экран; 3, 4 - магнитные клапаны;

5 - резиновый шланг; 6 - термо­пара; 7 – запальник

 

Для подготовки генератора к работе нажимают на кнопку клапана 4 и разжигают факел запальника 7, пламя которого «лижет» насадок и спай термопары 6. После 20...30 с прогрева вырабатываемой тер­мопарой ЭДС достаточно для удержания клапана 4 в открытом состоянии. Генератор включают в работу, дистанционно открывая клапан 3. В случае погасания факела запальника термопара остывает и клапан 4 закры­вается. Все генераторы (их 16 на 1 га) включаются в светлое время суток по команде реле времени или по импульсу от газоанализатора. Схема автомати­ческого управления подкормкой СО₂ блокируется при снижении уровня ос­вещенности, а также при открытии форточек из-за повышения температуры или относительной влажнос­ти воздуха в теплице.

Продукты сгорания газообразного топлива в котельных содер­жат 8... 12 % СО₂ и тоже могут быть использованы для подкормки растений (рисунок 12). Дымовые газы из котла 1 дымососом 2 на­правляются в дымовую трубу 3. Часть этих газов вентилятором 4 перекачивается в теплицу 5, где равномерно распределяется через перфорированный воздуховод. При необходимости допустимая температура газов перед теплицей может быть понижена за счет подмешивания наружного воздуха, подаваемого дополнительно установленным вентилятором 6. В этом случае желательна уста­новка регулятора, стабилизирующего температуру дымовых газов на входе в теплицу.

 

Рисунок 12 - Функциональная схе­ма автоматизации подкормки растений

дымовыми газами из котельной:

1 - котел; 2 - дымосос; 3 - дымо­вая труба; 4, 6 - вентиляторы;

5 - теплица; ТЕ - измерительный преобразователь; ТС - датчик

 

Подкормка уходящими дымовыми газами котельной экономи­чески оправдана лишь при небольшом расстоянии между котель­ной и теплицами.

Автоматизация рассмотренных схем подкормки растений ди­оксидом углерода несложная, но наибольшего эффекта следует ожидать от системы авторегулирования, поддерживающей опти­мальное соотношение между облученностью растений и концент­рацией СО₂ в теплице.