Технічна структура автоматизованих систем керування вологозабезпеченістю сільськогосподарських культур на осушувально-зволожувальних системах з підґрунтовим зволоженням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Технічна структура автоматизованих систем керування вологозабезпеченістю сільськогосподарських культур на осушувально-зволожувальних системах з підгрунтовим зволоженням

Пастушенко В.Й.

Матус С.К.

м. Рівне

Пропонується структура та технічна реалізація автоматизованої системи керування вологозабезпеченістю сільськогосподарських культур на осушувально-зволожувальних системах з підгрунтовим зволоженням, яка на основі аналізу випадкових збурюючих факторів оптимізує режим рівнів ґрунтових вод .

A structure and technical realization of the automated controlling system of the crop water management on the irrigation and drainage systems with the underground moistening is offered, which optimizes the mode of the ground water table level on the basis of analysis of casual revolting factors.

Оптимізація водно-повітряного режиму зони аерації при вирощуванні сільськогосподарських культур та дії стохастичних збурюючих факторів на осушувально-зволожувальних системах (ОЗС) з підгрунтовим зволоженням можлива тільки при створенні автоматизованих систем керування вологозабезпеченістю (АСК ВЗ).

Існуючі системи управління вологістю кореневого шару ґрунту , як правило, побудовані з використанням локальних засобів гідроавтоматики [1,2] і не можуть в автоматичному режимі адекватно реагувати на природні випадкові збурення.

В роботі поставлена задача розробки АСК ВЗ сільськогосподарських культур , яка б із врахуванням основних збурюючих факторів - сумарного випаровування та опадів оперативно розраховувала режим підгрунтового зволоження та реалізовувала його на керованих модулях ОЗС з використанням технічних засобів водорегулювання. Реалізація такої системи можлива з використанням сучасних засобів вимірювання технологічних параметрів, мікроконтролерів та засобів телекомунікацій.

Структура схема системи керування вологозабезпеченістю на модульній ділянці зображена на рис. 1. Завданням системи є підтримання вологості кореневмісного шару ґрунту в межах Wmin, Wmax за рахунок зміни РГВ. Збурюючими факторами є сумарне випаровування ЕТ та опади Q. Функція системи полягає у стабілізації РГВ на заданому рівні та періодичному коригуванні його для компенсації збурення від сумарного випаровування за поточний період при заданому діапазоні вологості ґрунту. Крім того, АСК повинна оперативно змінювати алгоритм роботи при опадах , припиняючи зволоження чи знижуючи РГВ.

Система складається з керуючого блоку КБ, системи регулювання напору в дренажній мережі СРН та об'єкта регулювання ОР. Об'єкт регулювання ОР представляє собою ділянку ґрунту з колекторно-дренажною системою. Він представлений на схемі у вигляді двох ланок. Перша ланка ОР1 відображає насичену зону ґрунту і перетворює напір у дренажній системі в РГВ h. Друга ланка ОР2 представляє собою ненасичену зону ґрунту і перетворює РГВ модульної ділянки у вологозапас кореневмісного шару W. Внутрішній каскад системи представлений ланкою СРН і є релейною системою автоматичного регулювання напору в ДС. Для проточної системи водорегулювання він складається з кількох пар регуляторів дренажного стоку РДС та водоподачі РВ та дренажної системи ДС. Вхідним сигналом для них є розузгодження напору в ДС ДН. Відповідно до величини ДН регулятори або подають воду в ДС (РВ відкритий, РДС закритий), або скидають її (РВ закритий, РДС відкритий).

Рис. 1. Структура схема системи керування вологозабезпеченістю на модульній ділянці

Керуючий блок КБ періодично коригує значення уставки напору в ДС за величиною сумарного випаровування. Момент часу коригування залежить від інерційності дренажної системи та об'єкта регулювання. Величина РГВ оперативно розраховується мікропроцесором КБ за методикою [3], виходячи з поточних значень сумарного випаровування і це значення перераховується в уставку СРН по напору в ДС Нз.

Зовнішній контур по вологості кореневмісного шару грунту призначений для адаптації роботи системи при можливих неточностях розрахункових схем визначення РГВ. Алгоритм роботи АСК в бездощовий період представлений на рис. 2. Відповідно до технологічних норм, на початку вегетаційного періоду для певних культур повинно бути забезпечене зниження РГВ, що реалізується за рахунок періодичного скиданням води через регулятор дренажного стоку. Після закінчення періоду технічного зниження РГВ система перевіряє відповідність рівня води в каналі необхідному значенню і при недостатньому рівні диспетчеру по GSM-каналу посилається запит на подачу води в канал. При встановленні необхідного рівня води в каналі система переходить в основний режим керування.

В режимі зволоження через певні проміжки часу АСК проводить корекцію РГВ, порівнюючи його поточне значення із необхідним РГВ, який визначається за методикою [3] по розрахованій величині сумарного випаровування. У форсованому режимі при значних відхилення РГВ від завдання зміна рівня проводиться шляхом подання на вхід системи керуючого імпульсу напору тривалістю tф, яка визначається через величину приросту РГВ та динамічні властивості об'єкта регулювання. Після цього система повертається до неперервного режиму регулювання. При випаданні за добу певної кількості опадів (більше 20% від сумарного випаровування за день) АСК переходить у режим управління за опадами (рис. 3). Спочатку система за вологістю грунту визначає його поточну акумулюючу здатність (АЗ) і порівнює її з кількістю опадів, що випали. Якщо кількість опадів перевищує АЗ, відбувається зниження РГВ із посилкою відповідного повідомлення диспетчеру. Система залишається в даному режимі, вимірюючи сумарне випаровування та розраховуючи баланс вологозапасів і при його від'ємному значенні або при зниженні вологості нижче заданої переходить в режим зволоження. Якщо кількість опадів менша за акумулюючу здатність ґрунту, але більша за КЗ*АЗ, то подача води в дренажну систему припиняється. В початковий період вегетації (рис. 4) система реагує, якщо кількість опадів перевищує АЗ, і діє аналогічно до попереднього випадку. вологозабезпеченість осушувальний ґрунтовий вода

Рис. 2. Блок-схема алгоритму роботи АСК ВЗ

Структура АСК (рис.5) визначається просторовою розподіленістю об'єкта управління, а також методами вимірювання технологічних параметрів . Для розрахунку сумарного випаровування в системі використовується метод Пенмана-Монтейта [3]. Згідно цього методу, для визначення поточного значення сумарного випаровування спеціальною вимірювальною станцією здіснюється вимірювання метеопараметрів на зразковій ділянці. На цій же станції розміщується і обчислювально-керуюча система, яка управляє роботою регуляторів, проводить вимірювання сумарного випаровування, вираховує завдання регуляторів, а також підтримує зв'язок із диспетчером. Крім того, на полі встановлений опадомір і датчик вологості, які підключені до одного із мікропроцесорних блоків управління гідрорегулятором, який також забезпечує обмін інформацією з вимірювальною станцією. Для обміну інформацією між вимірювальною станцією і блоками управління регуляторів використовується радіозв'язок в діапазоні ISM (433 МГц) по протоколу RC-232. В якості каналу передачі даних між диспетчерською і АСК використовується GSM-зв'язок.

Рис. 3. Блок-схема алгоритму роботи АСК ВЗ (продовження)

В ролі регулюючого органу в АСК виступає модифікований гідрорегулятор, який встановлюється у водозабірних колодязях і керує рівнем води в колодязі. Конструкція та принцип дії регулятора детально описані в [2].

Модифікація гідрорегулятора полягає у заміні поплавкового давача рівня води на електромагнітний запірний клапан Buschjost 8240250, який керується мікропроцесорною схемою управління. Електромагнітний клапан являє собою бістабільний запірний орган, який споживає енергію лише при переключенні. Також у колодязях встановлюються датчики рівня. Датчик в регуляторі водоподачі вимірює рівень води в колодязі, а датчик в регуляторі дренажного стоку - рівень води на масиві (РГВ).

Рис. 4. Блок-схема алгоритму роботи АСК ВЗ ( продовження)

Вимірювальна станція (рис. 7) та блоки управління гідрорегуляторами (рис.8) базуються на 8-бітних RISC мікроконтролерах ATmega164P. Для зв'язку по радіоканалу в ISM-діапазоні використовуються радіомодулі Radiocrafts RC1244. Також на вимірювальній станції та блоках управління гідрорегуляторами встановлено термінали керування для налагодження та діагностики системи. Вони складається з символьного LCD-дисплею та матричної клавіатури.

До вимірювальної станції підключаються наступні датчики: цифровий термометр DS18S20, датчик вологості повітря HIH-3610 і датчик швидкості вітру Fischer 451231. Також для зв'язку з диспетчерською у вимірювальній станції використовується GSM-модем з інтерфейсом RS-232.

До блоку керування гідрорегулятором підключається гідростатичний рівнемір на основі датчика тиску Freescale MPX2010GP.Сигнал з датчика підсилюється диференційним підсилювачем і подається на вхід АЦП мікроконтролера. Крім того, блок керування гідрорегулятором відкриває та закриває запірний орган гідрорегулятора за допомогою електромагнітного запірного клапану. Для розв'язки між силовим колом соленоїда клапана та колом керування використовується твердотільне реле.

Рис. 5. Структура АСК вологозабезпеченістю модульної ділянки

Рис. 6. Будова гідро регуляторів водоподачі (а) та дренажного стоку (б):

1 - запірний орган; 2 - електромагнітний клапан; 3 - рівнемір; 4 - опадомір; 5 - датчик вологості ґрунту; 6 - фільтр; 7 - мікропроцесорний модуль

Також до одного з блоків керування гідрорегуляторами на модульній ділянці підключаються дощомір Fischer 441301 та датчик вологості ґрунту, описаний в [4]. Цей прилад базується на електронному датчику розрідження Honeywell ST015PV2SPCF. Аналоговий сигнал з цього датчика перетворюється у цифрову форму за допомогою АЦП DS2450 і передається до мікроконтролера.

Рис. 7. Структурна схема вимірювальної станції

Рис. 8. Структурна схема блоку управління гідрорегулятором

Література

1. Модернізація та реконструкція осушувальних систем в умовах реформування власності у сільському господарстві. - Інститут гідротехніки і меліорації УААН - К:2003, - 31с.

2. В.Й.Пастушенко, О.М.Наумчук. Використання автоматичних гідрорегуляторів на закритій та відкритій регулюючих мережах осушувально-зволожувальних систем. - Меліорація і водне господарство, вип.. 93-94, 2006, с.170-177.

3. В.Й.Пастушенко, С.К.Матус, С.О.Терновцов. Інформаційне забезпечення систем управління вологозабезпеченістю на осушувально-зволожувальних системах з підгрунтовим зволоженням. - Вісник НУВГП. Вип. 2 (38), Рівне, 2007.

4. В.Й.Пастушенко, С.К.Матус. Вимірювач потенціалу ґрунтової вологи меліорованих земель.- Вісник НУВГП. Вип. 1 (33), Рівне, 2006. - с. 63 - 68.

Размещено на Allbest.ru