CC BY
193
Автоматизация управления капельным поливом тепличных культур
И.З. Аширов, к.т.н., В.А. Шахов, д.т.н., профессор, С.В.Горячев, к.т.н., АЛ.Козловцев, к.т.н., АА.Сорокин,
к.т.н., А.М. Старожуков, ст. преподаватель, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации и настоящая внешнеполитическая и экономическая ситуация обусловили бурное развитие тепличного хозяйства в стране. Несмотря на целый ряд проблем, число проектов в этой отрасли увеличивается. По данным Союза производителей овощей, производство тепличных культур по итогам 2016 г. составило около 900 тыс. т, что на 17% выше аналогичного показателя 2015 г., а доля КФХ в структуре производства овощей составила 12% [1].
Одна из проблем при выращивании овощей в теплицах — это качественный, своевременный полив растений. Сегодня в теплицах КФХ в основном используется капельный полив, который позволяет дозированно насыщать растения влагой локально у корней. В этом случае, в отличие от полива из шланга или оросительных систем, удаётся сэкономить до 70% воды и одновременно вносить растворённые минеральные удобрения.
В настоящее время управление капельным поливом в теплицах КФХ осуществляется вручную, таймером времени или датчиком влажности почвы. Устройства автоматизации полива на основе датчика влажности почвы позволяют обеспечить своевременное и точное дозирование воды. Однако современные доступные устройства автоматизации полива на основе датчика влажности имеют и ряд недостатков: отсутствие постоянного мониторинга влажности почвы (измерения проводятся через достаточно длительные промежутки времени); длительность полива регулируется таймером времени, в результате чего появляется необходимость периодически вносить коррективы (потребление влаги у растений зависит от вегетативного периода и температуры окружающей среды); один канал измерения, что не позволяет одним устройством обслуживать различные культуры [2, 3].
Настоящее исследование было проведено в Оренбургском ГАУ с целью разработки автоматического устройства управления капельным поливом.
Материал и методы исследования. Для устранения выявленных недостатков существующих систем разработано устройство автоматизации управления капельным поливом (рис. 1), которое позволяет производить непрерывное измерение влажности почвы одновременно по пяти каналам и выводить значения на ЖК-дисплей. Это даёт возможность управлять поливом на пяти разных участках в теплице.
В предлагаемом устройстве в качестве датчика влажности используется резистивный датчик. Он измеряет сопротивление почвы, которое зависит от влажности, так как основным проводником тока в почве является его жидкая часть — почвенный раствор. Как всякая проводящая жидкость, почвенный раствор является электролитом и обладает ионной проводимостью, и, чтобы исключить влияние электрохимических процессов на показания датчика, последний запитывается переменным напряжением.
Устройство определяет сопротивление почвы следующим образом. Переменное напряжение подаётся с понижающего трансформатора 1 (рис. 1) на датчик 4 через шунт 5. В зависимости от сопротивления почвы и напряжения источника в цепи датчика устанавливается определённый ток I.
Рис. 1 - Структурно-функциональная схема устройство управления капельным поливом почвы:
1 - понижающий трансформатор ТП115 - 10;
2 - ЖК-индикатор MT-16S2D-2YLG; 3 - микроконтроллер АТше§а16; 4 - резистивный датчик; 5 - шунт; 6 - электромагнитный клапан; 7 - кнопка управления
На выводы микроконтроллера 3 поступает напряжение от источника тока и и с шунта иш. Алгоритм работы микроконтроллера представлен на рисунке 2.
На основании закона Ома сопротивление почвы определяется равенством:
U л
Rn =-Ä , Ом, п I
(1)
где ид — напряжение на датчике, В.
Напряжение на датчике определяется разностью напряжений источника тока и шунта:
ид = и - иш, В. (2)
Ток цепи расчитывается по выражению,
иш
I = — , А. где Кш — сопротивление шунта, Ом.
^^^ Начало ^^^^^
\ !
Описание переменных Загрузка уставок Инициализация и настройка АЦП Инициализация и настройка таймера Инициализация ЖК
\ /
Цикл до окончания У^-
программирования
Рис. 2 - Алгоритм работы микроконтроллера
Используя выражения (2) и (3), формулу (1) можно представить следующим образом:
К = (Ц~ -1), Ом. (4)
и Ш
Из полученного выражения видно, что сопротивление почвы определяется двумя напряжениями — на источнике и на шунте.
Напряжение на источнике с течением времени может колебаться. Однако эксперимент показал, что на сопротивление почвы не влияет напряжение на датчике, а напряжение на шунте зависит только от тока в цепи.
Для удобства пользователя устройства на ЖК-индикатор 2 выводится не величина сопротивления почвы, а данные по количеству доступной влаги в почве Ж%, определяемой зависимостью:
V = 100(1 - ) (5)
где — сопротивление почвы при влажности завядания, Ом.
Выражение (5) устанавливает линейную зависимость свободной влаги от сопротивления почвы. Следовательно, значение Ж = 0% показывает, что свободная влага отсутствует, а Ж=100 % соответсвует полному насыщению почвы свободной влагой. Как паказывают исследования, сопротивление почвы на этом участке имеет не совсем линейную зависимость от влажности. Т.е. показания между 0 и 100% будут незначительно отличаться от действительных.
Перед эксплуатацией устройства пользователь вносит в память микроконтроллера уставку (ко-
личество доступной влаги в почве в процентах), при которой будет происходить запуск, и уставку остановки полива для каждого канала. Далее в процессе эксплуатации пользователь корректирует, если необходимо, уставки включения и отключения полива.
Включение и отключение полива осуществляется электромагнитными клапанами. На случай отказа клапана, отсутствия воды, обрыва провода датчика устройство сигнализирует об отказе и прекращает полив на соответствующем канале (контроль ведётся по изменению влажности во время полива и напряжению на шунтах).
Выводы. Разработанное устройство позволяет осуществлять автоматический полив овощных культур на пяти разных участках теплицы, ведёт постоянный мониторинг влажности, сообщает о неполадках в системе полива.
Неточное отображение влажности не сказывается на качестве полива, так как уставки изменяются, если необходимо, в соответствии с указанием специалиста.
В настоящее время устройство проходит производственные испытания, в ходе которых в устройство была дабавлена функция по контролю температуры внутри теплицы.
Литература
1. Котов В.П., Адрицкая Н.А., Пуць Н.М. Овощеводство: учебное пособие. М.: «Лань», 2017.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. 9-е изд. М.: «Высшая школа», 1996. 638 с.
3. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL, 5-е изд., стер. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. 560 с.
Определение оптимальной ширины транспортирующего устройства порционной жатки с устройством образования кулис
И.Н.Глушков, к.т.н., ИВ.Герасименко, к.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Одним из ключевых направлений сельскохозяйственного производства было и остаётся возделывание зерновых культур. В этой связи вполне понятна важность такого процесса, как уборка урожая зерновых.
Часто сроки уборочных работ превышают сроки, установленные агротехническими требованиями. Это приводит к перезреванию зерна и, как следствие, к повышению потерь. Сведение потерь к минимуму позволяет получить прибавку урожая от 20 до 30%. Для этого выпускаются и используются высокопроизводительные комбайны [1 — 3]. Данная техника хорошо подходит для уборки вы-
сокоурожайных полей и вполне окупаема в таких условиях, а режимы работы этих комбайнов, в частности уровень загрузки молотильных аппаратов, соответствуют их паспортным характеристикам [3].
Однако далеко не во всех регионах Российской Федерации можно наблюдать стабильную высокую урожайность зерновых культур, и прежде всего по причинам не слишком благоприятных климатических и почвенных особенностей. Примером могут служить большая часть Оренбургской области, степные зоны Челябинской, Самарской, Саратовской и Волгоградской областей, северная часть Ставрополья, а также Северный Казахстан. В условиях невысокой урожайности, свойственной названным территориям, производительность высокопроизводительных зерноуборочных комбай-
