Автоматизация технологических процессов в защищенном грунте

Автоматизация микроклимата парников и теплиц

Виды сооружений защищенного грунта. Согласно научно обоснованным нормам питания человек должен равномерно в течение всего года потреблять 130... 150 кг овощей и 120 кг картофеля. Однако суровые климатические условия не позволяют выращивать овощи в открытом грунте круглый год, поэтому около 25 % их общего количества приходится выращивать в сооружениях защищенного грунта (утепленном грунте, парниках, теплицах и т.п.).

Утепленный грунт — это необогреваемые и обогреваемые земельные участки, предназначенные для выращивания рассады и ранних овощей [33].

Парники — это полностью или частично заглубленные в почву каркасные сооружения со съемным светопрозрачным покрытием, с небольшой земельной площадью, обслуживаемой снаружи.

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. По виду профиля поперечного сечения теплицы делят на ангарные и блочные.

Ангарные теплицы представляют собой сооружения площадью 600...3000 м² с двухскатной арочной светопроницаемой кровлей без внутренних опорных стоек.

Блочные теплицы — объединение нескольких ангарных теплиц с заменой примыкающих одна к другой боковых стен опорными стойками. Стыки крыши смежных секций шириной 6,4 м соединяются желобами, которые являются опорой для элементов кровли и служат для отвода дождевой воды. Оптимальная площадь блочной теплицы — 1 га, а тепличного комплекса, состоящего из 3-10 отдельных блоков, — 18...60 га. К достоинствам ангарных и блочных теплиц относятся лучшая освещенность, возможность применения почвообрабатывающих и транспортных машин. Но из-за

259

большой высоты и ширины у ангарной теплицы площадь светопроницаемых ограждений завышена, что увеличивает теплопотери.

Автоматизация парников. В парниках выращивают рассаду для открытого грунта и раннеспелые овощи в весенний период. Парники обогревают биотопливом, горячей водой, кроме того, в них используют электрообогрев или сочетают водяной обогрев с эле- крическим, который включают в период резких похолоданий и заморозков.

Автоматизация парников сводится к автоматическому управлению температурой почвы и воздуха в зависимости от погодных условий, вида и возраста растений. Самый распространенный способ автоматического управления температурой в парниках основан на принципе периодического включения и отключения нагревательных элементов при помощи магнитных пускателей в зависимости от температуры внутри парника. Например, рассмотрим схему управления режимом работы нагревателей для одной группы, состоящей из четырех парников (рис. 7.14). Нагревательные элементы переводят с одного напряжения питания на другое (220 или 380 В) переключателями SA1 и SA2. Ручной и автоматический режимы работы задают переключателем SA3. Для автоматического управления тепловым режимом в воздушном пространстве одного из четырех последовательно соединенных парников устанавливают датчик температуры ТЕ (SK).

В парниках только с почвенным обогревом на группу парников ставят один датчик температуры почвы. Его помещают в почву парника на глубину около 0,1 м. Переключателем SA1 включают нагревательные элементы для обогрева воздуха, a SA2 — элементы обогрева почвы (пунктирные линии на рис. 7.14).

При низкой температуре термодатчик SK включает пускатель КМ1 одновременно с подачей напряжения 380/220 В. По мере повышения температуры до заданной контакты SK размыкаются и пускатель КМ1 отключает нагревательные элементы.

Автоматизация микроклимата теплиц. Важнейшими параметрами микроклимата, которые играют значительную роль в росте растений, являются следующие: освещенность, температура и влажность воздуха, концентрация углекислого газа и скорость движения воздуха. Управление микроклиматом теплицы означает управление этими параметрами с учетом их взаимосвязи.

Рис. 7.14. Схема автоматического управления температурой в парниках с почвенно-воздушным электрообогревом

Оптимальное значение температуры воздуха зависит от многих факторов и в первую очередь от выращиваемой культуры, стадии ее развития и уровня освещенности растений. Достаточное количество света при высокой температуре ускоряет фотосинтез и накопление углеводов, необходимых для дыхания и роста растений. Низкая освещенность и высокая температура приводят к дефициту углеводов и истощению растений, а низкая температура даже при достаточной освещенности замедляет или приостанавливает их рост. Максимум интенсивности фотосинтеза соответствует температуре 25...30 °С, но с учетом дыхания, интенсивность которого также зависит от температуры, этот оптимум снижается до 20...25 °С [33]. 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 и т.п.) — 16 ± 4 °С. При прорастании семян культур температуру 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.

Температура почвы, как правило, незначительно отличается от температуры воздуха, по при ее снижении замедляется поглощение растением питательных веществ и воды, а при повышении — корневая система становится слишком большой. Особую опасность представляет смена солнечной погоды па пасмурную, когда возникает дефицит углеводов и происходит задержка роста растений из-за того, что почва сильно активна, а фотосинтез слаб.

Урожайность в культивационных сооружениях в значительной степени зависит от влажности почвы. Ее необходимо поддерживать на уровне 75...90 % полной полевой влажности (ППВ). Относительная влажность воздуха для рассады огурцов и баклажанов - 65...75 %, томата и перца — 55...65 %, салата и капусты — 60...70 %.

Влажность воздуха мало влияет на продуктивность растений, но все-таки при снижении температуры воздуха следует увеличивать ее.

Температура воды для полива должна быть на уровне температуры почвы и воздуха в теплице (около 20...25 °С).

Воздушно-газовый режим в значительной мере определяет продуктивность фотосинтеза. В ночные часы содержание СО2 в теплице за счет дыхания растений увеличивается до 0,05 %, а днем за счет фотосинтеза падает до 0,01 %, что и вызывает необходимость принудительной подачи С0₂ в теплицу в количествах, зависящих от уровня освещенности. Оптимальное значение С0₂ в воздухе для огурцов должно составлять 0,25 и 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 повышения содержания С0₂ до 0,3 % в теплице площадью 1 га требуется сжигать примерно 50 м³/ч. Углекислый газ также доставляют в баллонах высокого давления и через редукторы выпускают в теплицы.

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 %.

Световой режим определяется степенью использования солнечной энергии, которая характеризуется потоком Ф_п. Для искусственного досвечивания растений применяют электрические лампы накаливания и люминесцентные лампы с установочной мощностью для огурцов до 700 Вт и для томатов до 900 Вт па 1 м², стремясь создать облученность растений не менее 5...8 тыс. лк.

С учетом сложности взаимосвязи параметров микроклимата в теплице и их изменения во времени разработаны принципы и программы управления климатом теплиц в течение суток у вегетационного периода культур. На рис. 7.15 представлен график изменения температуры и влажности воздуха в теплице в течение суток. В ночное время суток температура 0 поддерживается постоянной на уровне 0_1в. В переходном режиме массивные части растения прогреваются медленно — отсюда опасность конденсации па них влаги и заболевания растения. Поэтому за час до восхода солнца температура в теплице повышается до величины 0_2в, воздух подсушивается, и с восходом солнца вода не конденсируется па растениях и плодах, а начинается нормальный процесс фотосинтеза. При этом скорость изменения температуры не должна превышать б °С/ч.

Если погода пасмурная, то в течение всего светового дня поддерживается температура 0_3в, равная температуре 0_2в ± Ас. В солнечную погоду, начиная с освещенности 2000 лк, повышают температуру в соответствии с величиной освещенности до температуры 0_4в. После этого открывают вентиляционные фрамуги и избыток тепла уходит благодаря вентиляции. Переход от дневной температуры к ночной осуществляется после захода солнца.

Рис. 7.15. График поддержания температуры воздуха @_в в теплице в течение суток с учетом освещенности Е и времени суток Т

263

Угол наклона линии превышения дневных температур в солнечные дни над температурой в пасмурный день зависит от времени года, географической широты расположения тепличного хозяйства. В соответствии с увеличением освещенности и температуры температуру труб системы отопления в теплицах снижают, по снижение производят до определенного минимального уровня, обеспечивающего стимулирование в них движения воздуха. При превышении температуры на установленную величину Ас приоткрываются вентиляционные фрамуги, чтобы убрать излишки тепла.

Нормы технологического проектирования ОНТП-СХ для зимних теплиц предусматривают [44] автоматическое регулирование температуры воздуха в теплице (днем — с учетом освещенности); автоматическое регулирование температуры теплоносителя для обогрева почвы и поливной воды. Автоматизируется управление системами полива почвы и увлажнения воздуха, подкормки растений углекислым газом, управление установками досвечивания. Предусматривается также программное и дистанционное управление скоростью температурных переходов «день — ночь», положением теплозащитных экранов (при их наличии) и т.д.

Проектный объем автоматизации технологических процессов в зимних теплицах па примере блока мпогопролетпых теплиц площадью б га показан на рис. 7.16. Допустимые отклонения температуры воздуха в теплице от уровня, заданного агротехническими требованиями, составляет ± 1 °С, относительной влажности воздуха в системе подпочвенного обогрева — ±2 °С и т.д.

Программы управления климатом теплицы сводятся к управлению отоплением и вентиляцией. В теплицах используется в основном комбинированный обогрев: водяной обогрев почвы и воздуха и воздушно-калориферный обогрев воздуха от водяных калориферов. Основной обогрев осуществляется греющими регистрами (нижний контур циркуляции па рис. 7.16, осуществляемый насосом ЦН), дополнительный — водокалориферами (контур рециркуляции с подмешивающим насосом ПД). При этом в соответствии с измеренной температурой воздуха в теплице (датчиком ТЕ (166)) и температурой воды в трубопроводе (датчиком ТЕ (16а)) регулятор ТС (16в) будет подавать управляющий сигнал на трехходовой смесительный клапан, устанавливающий степень смешивания прямой и обратной воды. Программное устройство KS (16в) обеспечит

Рис. 7.16. Схема автоматизации многопролетных теплиц:

0.7 — раствор минеральных удобрений; остальные обозначения см. в табл. 6.1

Глава 7. Автоматизация типовых ТП сельскохозяйственного производства

изменение заданной температуры в соответствии с графиком (см. рис. 7.15).

Согласно с ОНТП-СХ 10-81 должно обеспечиваться автоматическое регулирование температуры теплоносителя в регистрах для обогрева почвы. В многопролетных теплицах, оборудованных автоматикой КТ-1, регулирование температуры почвы осуществляется регулирующим клапаном с двухпозициоппым режимом, подающим в систему подпочвенного обогрева обратную воду. Однако из-за крайне неудовлетворительных динамических характеристик объекта регулирования, его большой инерционности вместо автоматического поддержания температуры почвы обычно предусматривают автоматическое регулирование температуры воды в системе подпочвенного обогрева за счет смешивания прямой и обратной воды или за счет изменения подачи греющего теплоносителя к водонагревателю, обеспечивающему нагрев воды, направляемой в подпочвенный обогрев, до 40...45 °С.

При реализации первого метода (см. рис. 7.16) используют датчик ТЕ (17а) и регулятор прямого действия ТС (17б), устанавливающий положение клапана смешивания воды. Для контроля текущего значения температуры воды и сигнализации о ее аварийном повышении до 50 °С применяют обычный манометрический термометр.

В многолетних теплицах температура воды в системе подпочвенного обогрева поддерживается импульсным регулятором, управляющим (последовательно) двумя трехходовыми смесительными клапанами, включенными параллельно один другому. При предельных отклонениях регулируемой температуры прерывается регулирующее воздействие и выдается светозвуковой сигнал. После возвращения температуры в допустимые пределы блокировка снимается.

В ангарных теплицах может использоваться многоканальный принцип управления, который реализуется поочередным подключением к регулятору датчиков и исполнительных механизмов, управляющих мощностью систем обогрева в каждой из теплиц блока.

Теплицы имеют устройства естественной и принудительной вентиляции, предназначенные для снижения внутренней температуры, удаления от растений воздуха с избыточным влагосодср- жанием и замены его воздухом с необходимым количеством углекислого газа и кислорода. Для этого в стеклянной крыше теплиц устанавливают форточки (фрамуги), которые открываются электрическими исполнительными механизмами Ml и М2 (см. рис. 7.16). В ангарных теплицах используют и степную систему фрамуг. Фрамуги открывают с подветренной стороны. Направление ветра фиксируют с помощью флюгера и датчика его положения GS (1).

Процесс управления снижением температуры можно разделить па два временных периода: переходный процесс вентиляции в период открытия форточек и процесс установившейся вентиляции при постоянной кратности воздухообмена в теплице после открытия форточек. Для управления процессом открытия-закрытия фрамуг многопролстных теплиц используются регулирующие приборы (например, TCS (26) в одном блоке теплицы), реализующие П- или ПИ-законы регулирования, а для ангарных теплиц — многопози- циоппый закон регулирования. Каждый регулятор температуры с помощью четырех исполнительных механизмов управляет положением левых и правых форточек системы естественной вентиляции; вместе или порознь — выбирается оператором. Кроме того, оператор может ограничить степень открытия форточек на 40, 60, 80 и 100 % с помощью конечных выключателей GS (3...10).

Контуры автоматического управления поливом, увлажнением и подкормкой растений в теплице рассмотрены в подразделе ниже.