CC BY
42
DOI: 10.15593/2224-9400/2021.2.13 УДК 65.011.56
И.В. Адищев, И.А. Вялых, А.А. Таскаева
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КЛИМАТОМ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА НА БАЗЕ АППАРАТНОЙ ПЛАТФОРМЫ ARDUINO
Автоматизация технологических процессов - это совокупность средств и методов, предназначенная для реализации различных систем, которая дает возможность осуществлять управление технологическими процессами без личного участия человека либо с оставлением за человеком возможности принятия решений, являющихся наиболее ответственными.
Уровень современных технологий и скорость прогресса таковы, что уже невозможно вести эффективную трудовую деятельность, особенно в области пищевой и сельскохозяйственной промышленности, без серьезной модернизации технической базы и внедрения компьютерной техники.
Автоматизация процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и безопасности, исключения влияния «человеческого фактора» и улучшения условий труда. Все существующие и строящиеся объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации.
В данной статье поднимается вопрос автоматизации тепличного хозяйства. Решается вопрос автоматизации управления температурой и поливом растений в защищенном грунте в летнее время года для уральских регионов. Производится анализ способов полива, регулирования температуры и влажности. Также произведен анализ рынка выпускаемой продукции под данные нужды. Представлено доступное, как для малых, так и для крупных предприятий, решение устройства автоматизации полива и регулирования температуры на основе аппаратной платформы Arduino Nano с применением датчиков влажности почвы, датчиков температуры, таймеров, актуаторов, насосов и сервоприводов. Приведены чертежи для правильной установки приборов и способы подключения средств автоматизации. Представлены алгоритмы работы системы как для регулирования влажности, так и для регулирования температуры. Сделаны выводы о перспективе использования Arduino в качестве программируемого логического контроллера в тепличном хозяйстве.
Авторами предложено использовать проект в качестве минимальной системы автоматизации для всех видов тепличных хозяйств.
Ключевые слова: автоматизация, Arduino, полив, влажность, датчик, ак-туатор.
I.V. Adishchev, I.A. Vialykh, А. А. Taskaeva
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
PROTECTED GROUND CLIMATE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM BASED ON ARDUINO HARDWARE PLATFORM
Automation of technological processes is a set of tools and methods intended for the implementation of various systems, which makes it possible to control technological processes without the personal participation of a person, or leaving the person with the ability to make decisions that are the most responsible.
The level of modern technologies and the speed of progress are such that it is no longer possible to conduct effective labor activity, especially in the food and agricultural industries, without a serious modernization of the technical base and the introduction of computer technology.
Automation is one of the decisive factors in increasing productivity and safety, the influence of "human" factors, and improving working conditions. All potential and construction projects are equipped with automatic systems to one degree or another.
This article raises the question of the greenhouse production. The issue of temperature control and watering of plants, in protected ground, in the summer season for the Ural regions, is being resolved. The analysis of watering, temperature regulation and methods is carried out. Also, the analysis of the market of manufactured products for these needs was carried out. It is presented, for both small and large enterprises, a solution to the problem of irrigation and temperature control based on the Arduino Nano hardware platform, using soil access sensors, temperature sensors, timers, actuators, pumps and servo drives. Drawings are given for the correct installation of devices and methods of connecting automatic devices. Algorithms of the system operation are presented for regulation watering and regulation of temperature. Conclusions are made about the possibility of using the Arduino as a logic controller (PLC) in a greenhouse economy.
The authors propose using the project as a minimum automation system for all types ofgreenhouse
Keywords: automation, Arduino, watering, humidity, sensor, actuator.
Для жизнедеятельности растениям необходимо пять составляющих: свет, влага, температурный режим, воздух и питательные вещества. У каждого вида растений потребность в данных составляющих будет разной. Наглядно факторы, влияющие на жизнь и рост растений, представлены на рис. 1.
Проведен сравнительный анализ последствий избытка и недостатка элементов. Исходя из полученных данных решено рассмотреть и автоматизировать две составляющие, такие как автоматический полив (влажность почвы) и автоматическое регулирование температуры (воздуха, и как следствие, почвы).
Рис. 1. Факторы, влияющие на жизнь и рост растений: u - управляющее воздействие [4]: свет, влага, температурный режим, воздух, удобрения; в - возмущающее воздействие [4]: время суток, температура почвы и окружающей среды, влажность почвы и воздуха; у - состояние объекта: развитие, рост
Полив растений может осуществляться дождевальным, капельным, подпочвенным, мелкодисперсным, бороздным способом.
Проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков способов полива. Из перечисленных способов оптимальным является дождевальный полив, так как его можно полностью автоматизировать, без необходимости частой проверки водных каналов.
Регулирование температуры может осуществляться проветриванием и с помощью охлаждающих приборов [5]. Достоинства и недостатки представлены в табл. 1.
Таблица 1
Достоинства и недостатки способов регулирования температуры
Способ регулирования Достоинства Недостатки
Проветривание (открытия окон и дверей) Низкие затраты на оборудование и на электроэнергию Неточное регулирование
Регулирование температуры с помощью охлаждающих приборов (кондиционеров) Точность регулирования Высокие затраты на оборудование, обслуживание, электроэнергию
Из перечисленных способов более экономично регулирование температуры с помощью проветривания [10].
По размерам тепличные хозяйства делятся на микро-, малые, средние и большие. Зависимость деления приведена в табл. 2.
Таблица 2
Зависимость деления тепличных хозяйств
Размер хозяйства По численности По выручке
Микрохозяйство До 15 чел. До 60 млн руб.
Малое До 100 чел. До 400 млн руб.
Среднее До 250 чел. До 1 млрд руб.
Большое Свыше 250 чел. Выше 1 млрд руб.
Все предприятия исходя из доходов могут позволить себе разное оборудование в зависимости от цены и целесообразности его использования.
На сегодняшний день существует множество систем, применяемых в целях автоматизации ухода за растениями. Цены на такое оборудование варьируются. Разброс в цене вызван тем, что все проектируется индивидуально для каждого случая.
В результате анализа функций и цены систем, используемых на различных предприятиях, было решено разработать собственную систему, не уступающую по функционалу рыночным и подходящую для всех размеров предприятий.
За основу выбрана сборка, способная выполнять такие же функции, как и предлагаемые на рынке системы с минимальным количеством настроек и низкой ценой. Требования к системе: разрабатываемая система должна быть масштабируема [8] под все предприятия и управляться микроконтроллером, например, на базе платформы Arduino [2].
Комплектация включает в себя насос, кабельную продукцию, сервопривод для открытия окон, линейный привод для открытия дверей, концевые выключатели, дисплей LCD, часы, датчик температуры, датчик влажности почвы, источники питания на 5 и 12 В, энкодер, реле и Arduino Nano. Структурные схемы [3] представлены на рис. 2 и 3.
Сравнение стоимости разработанной системы и аналогов приведено в табл. 3, показателей системы - в табл. 4.
Масштабирование системы проявляется в цене на водопроводную систему (указана в погонных метрах), количестве купленных реле и остальных деталях.
Из таблиц видно, что более выгодно использовать системы собственного производства, обладая начальными навыками программиро-
вания и знаниями в области электроники. Данная система осуществляет полив растений, мониторинг режима в теплице, регулирование температуры воздуха посредством открытия окон и дверей.
Кнопка ручного управления приводом (дубль кнопки энкодера)
Рис. 2. Схема проекта автоматизации ухода за растениями защищенного грунта
-220 В 1®
Рис. 3. Схема реле
Рассмотрим мероприятия по установке системы собственного производства и ее работу [7]. На участке защищенного грунта крепится водопровод (железные трубы, ПВХ трубы или шланги), в котором через определенные промежутки просверлены отверстия и вставлены распылители. Водопровод соединен с главной системой и отделяется от нее запорным клапаном. К системе, в свою очередь, подключен насос. Наглядный пример установки представлен на рис. 4.
Таблица 3
Цена системы
Система сборки Комплектация Стоимость системы, руб.
Рыночная Для автоматизации полива: Блок питания Набор для полива на 1 п. м (металл/ПВХ/шланг) Электрический кран со встроенной системой управления 3550
Для автоматизации управления температурой: Линейный привод Концевые выключатели (встроены) 3800
Итого 7350
Собственная Для автоматизации полива: Помпа Провода Водопроводная система на один п.м + насадки дождеватели (металл/ПВХ/шланг) Дисплей LCD Часы Датчик влажности почвы Источник питания на 5 В Источник питания на 12 В Энкодер Реле Arduino Nano 750,48 34,52 1500,00 75,05 74,3 33,77 138,84 288,18 68,29 300,19 198,88
Для автоматизации управления температурой: Сервопривод Линейный привод Датчик температуры Концевые выключатели (встроены в линейный привод) 120,08 1200,76 36,02
Итого 4819,36
Таблица 4
Достоинства и недостатки систем
Система сборки Достоинства Недостатки
Рыночная Простота сборки и использования Поддержка Гарантия Защита от пыли и влаги Простая настройка Меньшие затраты времени Примитивность функций Цена Ремонтопригодность
Собственная Гибкость настройки Цена Ремонтопригодность Обучающая документация и видеофайлы Возможность модернизации и доработки Минимальные знания в области электротехники и программирования Большие затраты времени Защита от пыли и влаги
Актуаторы Контроллер Рис. 4. Пример установки
Рассмотрим систему, работающую на датчике влажности почвы. Система полива работает на основе датчика влажности почвы, информация с которого считывается (опрашивается) 1 раз в минуту. Алгоритмы работы [6] системы на датчиках влажности или таймерах представлены на рис. 5.
Достоинства и недостатки системы, работающей на таймере и датчике, приведены в табл. 5.
Система регулирования температуры работает за счет датчика температуры и приводов, которые обеспечивают открытие и закрытие окон. Алгоритм регулирования температуры [12] представлен на рис. 6.
Существуют системы, которые измеряют температуру воздуха и почвы [15]. Такая система используется на предприятиях, которые занимаются выращиванием растений круглый год, и где обязательно обеспечение подогрева почвы.
После сборки системы необходимо прошить микроконтроллер, готовые прошивки (программы) можно найти в интернете [14] либо написать в приложение Arduino IDE, созданное специально для данной платформы и использующее упрощенный язык С++ [1]. Также можно найти приложения, работающие на других языках программирования [13].
В случае если система будет работать автономно достаточно долгое время, нужно позаботиться о запасе воды в водохранилище.
Рис. 5. Алгоритмы работы системы на датчиках влажности или таймерах
Таблица 5
Достоинства и недостатки
Вид системы Достоинства Недостатки
На таймерах Цена Отсутствие точных показателей влажности почвы. Возникновение необходимости в корректировке значений человеком
На датчиках Точные показания влажности почвы. Полная автоматизация без участия человека Окисление в земле
Рис. 6. Алгоритм регулирования температуры
Что касается вопроса о большем снижении уровня энергопотребления, если это имеет значение, предложенную платформу Arduino Nano можно заменить на другую модель Arduino, но нужно быть готовым к снижению количества датчиков, а следовательно, и точности измерения.
Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что, имея определенные навыки и базовые знания в сфере автоматизации [11], можно создать собственный продукт [9], который сможет собрать в себе функции дорогих систем за более низкие цены, тем самым получив преимущество над существующими коробочными решениями и удовлетворив потребности любых предприятий.
Список литературы
1. Прата С. Язык программирования C++. Лекции и упражнения. - М.: Вильямс, 2017. - 1248 с.
2. Соммер У. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino. - СПб.: БХВ-Петербург, 2012. - 256 с.
3. Ревич Ю. Занимательная электроника. - СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 576 с.
4. Энциклопедия АСУТП. - URL: https://www.bookasutp.ru (дата обращения: 10.03.2021).
5. Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. - М.: Инфра-Инженерия, 2018. - Т. 1. - 447 с.
6. Федоров Ю.Н. Порядок создания, модернизации и сопровождения АСУТП: метод. пособие. - М.: Инфра-Инженерия, 2011. - 566 с.
7. Целищев Е.С., Котлова А.В., Кудряшов И.С. Автоматизация проектирования технического обеспечения АСУТП: учеб. пособие. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 193 с.
8. Ротач В.Я. Теория автоматического управления: учеб. для вузов. -5-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд. дом МЭИ, 2008. - 394 с.
9. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: справ. пособие / А.С. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, А.А. Клюев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс, 2015. - 464 с.
10. Цирлин А.М. Оптимальное управление технологическими процессами: учеб. пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 399 с.
11. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. - М.: Наука, 1977. - 560 с.
12. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: учеб. пособие. - М.: Машиностроение, 1989. - 751 с.
13. Острем К., Виттенмарк Б. Системы управления с ЭВМ. - М.: Мир, 1987. - 480 с.
14. AlexGyver Technologies. - URL: https://alexgyver.ru (дата обращения: 10.03.2021).
15. РУСТ 95: сайт. - URL: https://roost.ru (дата обращения: 02.03.2021).
References
1. Prata S. Iazyk programmirovaniia C++. Lektsii i uprazhneniia [C ++ programming language. Lectures and exercises]. Williams, 2017, 1248 p.
2. Sommer U. Programmirovanie mikrokontrollernykh plat Arduino/ Freeduino [Programming microcontroller boards Arduino / Freeduino] // BHV-Peterburg, 2012. - 256 p.
3. Revich Iu. Zanimatel'naia elektronika [Entertaining electronics] // BHV-Peterburg, 2015. - 576 p.
4. Entsiklopediya ASU TP [Encyclopedia of ACS TP], available at: https://www.bookasutp.ru (accessed 10 March 2021).
5. Spravochnik inzhenera po ASUTP: Proektirovanie i razrabotka [Handbook of the engineer for the process control system: Design and development] / Yu.N. Fedorov Tom 1. Moscow, Infra-Inzheneriia, 2018, 447 p.
6. Fedorov Yu.N. Poriadok sozdaniia, modernizatsii i soprovozhdeniia ASUTP [The order of creation, modernization and maintenance of the process control system]. Moscow, Infra-Inzheneriia, 2011, 566 p.
7. Tselishchev E. S., Kotlova A. V., Kudriashov I. S. Avtomatizatsiia proektirovaniia tekhnicheskogo obespecheniia ASUTP [Automation of the design of technical support for process control systems]. Moscow, Infra-Inzheneriia, 2019, 193 p.
8. Rotach V. Ia. Teoriia avtomaticheskogo upravleniia [Theory of automatic control]. 5nd ed. Moscow, Dom Moskovskiy energeticheskiy institut, 2008, 394 p.
9. Kliuev A.S., Glazov B.V., Dubrovskii A.Kh., Kliuev A.A. Proektirovanie sistem avtomatizatsii tekhnologicheskikh protsessov [Designing automation systems for technological processes] . 2nd ed. Moscow, Al'ians, 2015, 464 p.
10. Tsirlin A.M. Optimal'noe upravlenie tekhnologicheskimi protsessami [Optimal process control]. Moscow, Energoatomizdat, 1992, 105 p.
11. Tsypkin Ia.Z. Osnovy teorii avtomaticheskikh sistem [Fundamentals of the theory of automatic systems]. Moscow, Nauka, 1977, 560 p.
12. Topcheev Iu.I. Atlas dlia proektirovaniia sistem avtomaticheskogo regulirovaniia: Ucheb. posobie dlia vuzov [Atlas for the design of automatic control systems]. Moscow, Mashinostroenie, 1989, 751 p.
13. Ostrem K., Vittenmark B. Sistemy upravleniia s EVM [Computer control systems]. Moscow, Mir, 1987, 480 p.
14. AlexGyver Technologies [AlexGyver Technologies], available at: https://alexgyver.ru (accessed 10 March 2021).
15. RUST 95 [RUST 95], available at: https://roost.ru (accessed 2 March
2021).
Получено 09.04.2021
Об авторах
Адищев Илья Владимирович (Пермь, Россия) - студент кафедры оборудования и автоматизации химических производств Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: 123-ilya-123@bk.ru).
Вялых Илья Анатольевич (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации химических производств Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: ilya.vyalyh@pstu.ru).
Таскаева Алена Андреевна (Пермь, Россия) - студент кафедры экономики и управления на предприятиях нефтяной и газовой промышленности, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: alenka.tas@yandex.ru).
About the authors
Ilya V. Adishchev (Perm, Russian Federation) - Student of the Department Equipment and Automation of Chemical Production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: 123-ilya-123@bk.ru).
Ilia A. Vialykh (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor of the Department Equipment and Automation of Chemical Production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: ilya.vyalyh@pstu.ru).
Alena A. Taskaeva (Perm, Russian Federation) - Student of the Department of Economics and Industrial Management, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: alenka.tas@yandex.ru).
