«Умная теплица» на шести сотках

В публикации представлен бюджетный вариант автоматизации теплицы для индивидуального хозяйства на базе программируемого реле ОВЕН ПР200. Автор приводит построение на базе вышеуказанного программируемого реле некоторых локальных систем «умной теплицы».

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. Рис. 1. Внешний вид ПР200 с подключёнными модулями расширения ПРМ-24.1, ПРМ-24.2 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. Рис. 2. Структурная схема АСУ УТ на базе ПР200 Принципиальная схема ПР200 с модулями расширения ПРМ-24.1 для системы полива, системы обогрева и вентиляции, системы подсветки и охраны приведена на рис. 3. Рис. 3. Принципиальная схема ПР200 с модулями расширения ПРМ-24.1 для системы полива, системы обогрева и вентиляции, системы подсветки и охраны Функциональная схема АСУ УТ на базе ПР200 для системы полива приведена на рис. 4. Рис. 4. Функциональная схема АСУ УТ для системы полива на базе ПР200 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. Рис. 5. Скриншот управляющей программы для системы полива в среде OWEN Logic В табл. 1 приведено функциональное назначение дискретных и аналоговых входов реле ПР200 в системе полива. Таблица 1. Функциональное назначение дискретных и аналоговых входов реле ПР200 в системе полива В табл. 2 приведено функциональное назначение дискретных выходов реле ПР200 в устройстве. Таблица 2. 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. Рис. 6. Скриншот управляющей программы для системы обогрева и вентиляции в среде OWEN Logic Скриншот управляющей программы для системы подсветки в среде OWEN Logic приведён на рис. 7. Рис. 7. Скриншот управляющей программы для системы подсветки и охраны в среде OWEN Logic 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. Таблица 3. Функциональное назначение дискретных входов модулей расширения ПРМ-24.1 В табл. 4 приведено функциональное назначение дискретных выходов вышеуказанных модулей расширения в устройстве. Таблица 4. Функциональное назначение дискретных выходов модулей расширения ПРМ-24.1 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.