«Умная теплица» на шести сотках

Термин, или понятие, «умная теплица» подразумевает автоматизированную систему управления (АСУ) инженерным оборудованием, задействованным в самой теплице или на прилежащей территории, которая позволяет осуществлять регулировку микроклимата и может решать следующие задачи:

• автоматическое управление режимами работы инженерных систем в теплице;
• поддержание заданных параметров микроклимата;
• отображение необходимой информации на экране контроллера, монитора или мобильного устройства;
• контроль и диагностика состояния исполнительного оборудования;
• удалённое управление в личном кабинете;
• своевременное оповещение персонала о нештатных ситуациях.

Для контроля и управления тепличным оборудованием может быть задействован диспетчерский пункт со SCADA-системой. Для менее масштабных объектов целесообразнее организовать мониторинг и управление в облачных сервисах, например, OwenClоud, связь с которым обеспечивается через Ethernet или по беспроводной связи стандарта GSM/Wi-Fi.

В теплицах могут быть установлены следующие локальные системы и оборудование:

• система вентиляции – открывание форточек, фрамуг или приточно-вытяжная; 
• система отопления – водяное, воздушное или другое; 
• система зашторивания – горизонтальное и вертикальное. В общем случае можно выделить 5 видов зашторивания: энергосберегающее, затеняющее, комбинированное, затемняющее, световозвращающее; 
• СИОД – система испарительного охлаждения и увлажнения для снижения температуры воздуха на 5–10°С и создания необходимой влажности в теплице; 
• искусственное ассимиляционное освещение для увеличения продолжительности светового дня в теплице; 
• система подачи СО2 для увеличения урожайности до 30% при прочих равных условиях; 
• система полива.

Кроме того, каждая система может в себя включать составные части, функциональные блоки и узлы.

Например, система полива может в себя включать:

• растворный узел для смешивания маточных растворов удобрений с водой и подачи в магистраль полива; 
• гравийный фильтр для предварительной подготовки воды; 
• теплообменник для подогрева воды;
• систему подготовки воды ОСМОС;
• магистраль капельную, оросительную или прилив-отлив;
• накопительные ёмкости для подготовленной воды, сбора грязного и чистого дренажа; 
• дезинфектор дренажа – термический или ультрафиолетовый.

Автоматизация теплиц подразумевает под собой управление и отслеживание параметров климата, которые можно регулировать. Автоматизация поддержания микроклимата способствует лучшему росту и повышению урожайности, а также уменьшает затраты на ручной труд.

От слаженной работы локальных систем зависит микроклимат в теплице, а следовательно, и урожай. В сознании обывателя укоренилось, что понятие «умная теплица» применимо только к большим тепличным комплексам или крупным фермерским хозяйствам. Бо́льшая часть коммерческих проектов по автоматизации теплиц разрабатывается для тепличных комплексов площадью несколько гектаров, в то время как рынок автоматизации теплиц для фермерских и индивидуальных хозяйств остаётся без внимания. Современные тепличные комплексы строятся многопролётными по типовым проектам, они комплектуются необходимыми инженерными системами поддержания микроклимата: отопления, полива, вентиляции и циркуляции воздуха, водостока, водоснабжения и канализации, освещения. Все эти системы предназначены для больших предприятий. Они являются сложными в установке и эксплуатации, а также имеют высокую стоимость. Их отличительная черта – высокие затраты на обслуживание, потребность в квалифицированном техническом рабочем персонале. Эти системы неприменимы для индивидуальных, частных или мелких фермерских хозяйств. 

Применение современных программируемых реле позволяет реализовать свою «умную теплицу» для индивидуального хозяйства в сельской местности или в городе, в садоводческих обществах на шести сотках. Программируемое реле ОВЕН ПР200-24.4.2 (далее – ПР200) – одно из множества модификаций позволяет автоматизировать как большие тепличные комплексы, так и бюджетные теплицы для индивидуальных хозяйств. ПР200 позволяет разработать АСУ ТП для бюджетной, негабаритной теплицы, способную поддерживать благоприятные условия для культивации растений.

Устройство управляющее многофункциональное ПР200 относится к классу приборов «программируемое реле». Подобные приборы широко применяются для построения автоматизированных систем управления при решении задач локальной автоматизации. Их применение снижает затраты на проектирование и изготовление систем управления, повышает их надёжность, снижает издержки и эксплуатационные расходы. Фактически ПР200 представляет собой программируемое реле с дисплеем. Прибор предназначен для построения простых автоматизированных систем управления технологическим оборудованием. ПР200 программируется в OwenLogic на языке FBD. Пользовательская программа записывается в энергонезависимую Flash-память прибора. Прибор поддерживает следующие функции: 

• работа по программе, записанной в память;
• работа в сети RS-485 по протоколу Modbus RTU / Modbus ASCII в режиме Master или Slave; 
• обработка входных сигналов от датчиков; 
• управление подключёнными устройствами с помощью дискретных или аналоговых сигналов; 
• отображение данных на ЖКИ;
• ввод и редактирование данных с помощью кнопок на лицевой панели.

ПР200 – это программируемый управляемый автомат с дисплеем, который позволяет контролировать на дисплее состояние выходов и входов. Для увеличения количества входов и выходов головного устройства ПР200, а значит, и для увеличения его функциональных возможностей необходимо задействовать следующие модули расширения: дискретного ввода/вывода ПРМ-Х.1; аналоговых входов и дискретных выходов ПРМ-Х.2; аналогового ввода-вывода ПРМ-Х.3. Каждый модуль имеет независимое питание с усиленной гальванической изоляцией, что позволяет подключать к прибору модули любой модификации с любым питающим напряжением. Допускается подключение модулей с различным напряжением. Внешний вид ПР200 с подключёнными модулями расширения ПРМ-24.1, ПРМ-24.2 приведён на рис. 1.

Для удалённого обмена данными через беспроводную сеть GPRS задействован сетевой шлюз ПМ210-24. Он предназначен для передачи данных в OwenCloud. Структурная схема АСУ умной теплицы (далее – АСУ УТ) на базе ПР200 приведена на рис. 2.

Принципиальная схема ПР200 с модулями расширения ПРМ-24.1 для системы полива, системы обогрева и вентиляции, системы подсветки и охраны приведена на рис. 3.

Функциональная схема АСУ УТ на базе ПР200 для системы полива приведена на рис. 4.

Алгоритм работы данной системы следующий. Пусть в теплице имеется четыре независимых сектора для полива, которые соответственно поливаются насосами Н1…Н4. Вода для полива забирается из накопительного бака А2. В данном баке имеются: нагреватель ЕК1; датчик температуры B1; датчик верхнего уровня ДВУ1; датчик нижнего уровня. В накопительный бак вода закачивается из внешней системы насосом Н5. Скриншот управляющей программы для системы полива в среде OWEN Logic приведён на рис. 5.

В табл. 1 приведено функциональное назначение дискретных и аналоговых входов реле ПР200 в системе полива. 

В табл. 2 приведено функциональное назначение дискретных выходов реле ПР200 в устройстве.

Система полива выполнена на базе следующих элементов: макроса 2PosHisReg1; интервальном таймере с недельным циклом работы CLOCKW1; RS-триггер RS1; семи элементах 2ИЛИ, тринадцати элементах 2И и двух элементах НЕ. Алгоритм работы данной системы следующий. При установке тумблера SА8 в положение «РУЧ» осуществляется полив в ручном режиме секторов № 1–4. Для полива данных секторов необходимо тумблеры SA4–SA8 установить в положение «ВКЛ». При установке тумблера SА8 в положение АВТ осуществляется полив секторов №1–4 в автоматическом режиме. Ежедневный интервал полива задаётся в данном случае таймером с недельным циклом работы CLOCKW1. При установке тумблера SА2 в положение «РУЧ» осуществляется управление насоса Н5 для заполнения накопительного резервуара в ручном режиме. Для включения насоса Н5 в данном режиме необходимо установить тумблер SA1 в положение «ВКЛ». При установке тумблера SА2 в положение «АВТ» заполнение водой накопительного резервуара осуществляется автоматически. В данном случае включение насоса Н5 осуществляется при срабатывании датчика нижнего уровня в накопительном резервуаре, а выключение насоса Н5, соответственно, при срабатывании датчика верхнего уровня. Системы нагрева воды в накопительном резервуаре выполнены на базе макроса 2PosHisReg1. Макрос 2PosHisReg1 представляет собой двухпозиционный регулятор, в котором только нужно задать уставку SP и гистерезис Delta. При установке тумблера SА3 в положение «ВКЛ» в накопительном резервуаре включается нагреватель. Вода в нём разогревается до значения уставки SP. Если температура воды в накопительном резервуаре меньше значения уставки – полив заблокирован. Скриншот управляющей программы для системы обогрева и вентиляции в среде OWEN Logic приведён на рис. 6. 

Скриншот управляющей программы для системы подсветки в среде OWEN Logic приведён на рис. 7. 

В табл. 3 приведено функциональное назначение дискретных входов модулей расширения ПРМ-24.1 (А3 по рис. 4) и ПРМ-24.1 (А4 по рис. 4) в устройстве.

В табл. 4 приведено функциональное назначение дискретных выходов вышеуказанных модулей расширения в устройстве.

Система обогрева и вентиляции состоит из трёх функциональных блоков: блока управления обогрева, блока открывания окон (фрамуг) и блока управления вентиляцией. Блок открывания окон предназначен для управления актуатором. Автор не будет приводить конструкцию механизма открывания окон с помощью актуатора. Крайние состояния актуатора определяют переключатели кнопочные S3, S4. При втянутом штоке в корпус актуатора окно закрыто. Если шток выдвинут из корпуса – окно открыто. 

Функциональный блок обогрева теплицы выполнен на базе макроса 2PosHisReg2, двух логических элементов 2И-НЕ. Макрос 2PosHisReg2, как и 2PosHisReg1, представляет собой двухпозиционный регулятор, в котором только нужно задать уставку SP и гистерезис Delta. Воздух в теплице тепловентилятором разогревается до значения уставки SP. Блок открывания окон (фрамуг) включает в себя следующие основные элементы: RS-триггеры SR1, SR2; интервальные таймеры с недельным циклом работы CLOCKW2 и CLOCKW3; шесть элементов 2И; два элемента 2ИЛИ; четыре элемента НЕ. Блок управления вентиляцией включает в себя следующие основные элементы: RS-триггеры SR3, два элемента 2И, элемент 2ИЛИ, один элемент НЕ. Алгоритм работы система обогрева и вентиляции следующий. При установке тумблера SА9 в положение «ВКЛ» включается тепловентилятор, подключённый к выходу Q1(1). Тепловентилятор включится при закрытом окне в теплице, а также если текущая температура внутри теплицы меньше заданной уставки. При установке тумблера SА10 в положение «РУЧ» управление актуатором осуществляется с помощью кнопок S1, S2. При установке тумблера SА10 в положение «АВТ» управление актуатором осуществляется с помощью интервальных таймеров с недельным циклом работы CLOCKW2 и CLOCKW3. Данными таймерами в течение недели задаётся ежедневный временной интервал открытия окон. 

При установке тумблера SА12 в положение «РУЧ» осуществляется управление вентилятора системы вентиляции в ручном режиме. В данном случае для включения вентилятора необходимо установить тумблер SA11 в положение «ВКЛ». При установке тумблера SА12 в положение «АВТ» осуществляется автоматическое включение системы вентиляции при открытом окне. При закрытом окне система вентиляции в данном режиме автоматически выключается. 

Система управления подсветкой и охраны состоит из двух функциональных блоков: подсветки и, соответственно, охраны. Блок подсветки включает в себя: интервальный таймер с недельным циклом работы CLOCKW4, два элемента 2И, элемент ИЛИ, элемент НЕ.

При установке тумблера SА15 в положение «РУЧ» осуществляется управление подсветкой в ручном режиме. В данном случае для её включения необходимо установить тумблер SA14 в положение «ВКЛ». При установке тумблера SА15 в положение «АВТ» осуществляется автоматическое включение подсветки. При этом интервал включения подсветки определяет таймер с недельным циклом работы CLOCKW4.

Блок охранной сигнализации включает в себя следующие основные элементы: RS-триггеры RS2, RS3; таймеры с задержкой включения ТОN1, TON2; D-триггер DTRIG1; генераторы импульсов BLINK1, BLINK2; элемент 2И; элемент НЕ, элемент ИЛИ. Рассмотрим работу блока охраны после установки тумблера SA13 в положение «Работа». При этом запускается процедура перехода в режим «Охрана». Начинается обратный отсчёт времени таймера с задержкой включения TON1 (время задержки – 45 с). При этом индикатор режима работы блока охраны Н1 периодически мигает. За это время нужно покинуть территорию тепличного хозяйства, закрыть двери – «Сдать теплицу под охрану». У некоторых датчиков (извещателей) охраны после подачи питания имеется дежурный режим, его длительность определяется типом датчика. После дежурного режима датчики переходят в рабочий (активируются). То есть интервал задержки для TON1 заведомо должен быть больше этого значения и задаваться под каждый конкретный тип датчика охраны. Как только заданное значение времени таймера с задержкой включения TON1 примет нулевое значение, теплица ставится под охрану (режим «Охрана»). При этом индикатор Н1 горит постоянно. При включении охранного извещателя, подключённого к входу DI5 модуля расширения А4, на выходе регистра RS3 устанавливается лог.1. Начинается обратный отсчёт времени таймера с задержкой включения TON2 (время задержки – 10 с). Как только заданное значение времени таймера с задержкой включения TON2 примет нулевое значение – на выходе D-триггера DTRIG1 установится лог.1 (режим – «Тревога»). При этом индикатор Н2 начнёт мигать. Срабатывают исполнительные устройства, подключённые к выходам Q1(2), Q2(2), ревун, блокировка дверей и пр. Для выхода из режимов «Охрана» или «Тревога» необходимо установить тумблер SA13 в положение «Сброс». 

На принципиальной схеме приведено подключение элементов управления и датчиков к входным цепям ПР200 А1, ПРМ-24.1 А3, ПРМ-24.1 А4. Тумблеры SA1-SA15 типа МТД1, кнопки S1, S2 (без фиксации) ПКн-105М-1. Извещатель охранный ВА2 типа ИО 102 Люкс. Датчики температуры В1, В2 типа ОВЕН ДТС125М-Pt100.0,5.60.И12. Исполнительные устройства подключаются к выходам ПР200 А1 и ПРМ-24.1 А3, А4 в соответствии с таблицами 2, 4 через соединители XS1–S12. Технологические шлейфы 1 и 2 (входят в комплект поставки) подключают соответственно ПР200 А1 к ПРМ-24.1 А3 и ПРМ-24.1 А3 к ПРМ-24.1 А4. 

В устройстве параметры интервальных таймеров с недельным циклом работы CLOCKW, двухпозиционных регуляторов 2PosHisReg, таймеров с задержкой включения ТОN, генераторов импульсов BLINK – программируются. ПР200 с модулями расширения ПРМ позволяет быстро организовать достаточно гибкий, необходимый алгоритм работы «умной теплицы» и при необходимости оперативно его изменить с минимальными доработками в аппаратной части.