Несколько лет назад мы автоматизировали сити-ферму в лаборатории, о чем Wiren Board рассказывали в своем блоге. Ее использовали как испытательную площадку, где проверяли технологии выращивания салатных культур и различные инженерные решения.
Позже появился второй объект — более крупная ферма «Реки» в подвальном помещении, о которой тоже подробно рассказывали. На ней Wiren Board управляет основными узлами: освещением, поливом и вентиляторами обдува.
Теперь мы сделали следующий шаг и запустили сити-ферму уже совсем другого масштаба — с посевной площадью 380 м² в самом центре города. Вместе с ростом проекта изменилась и архитектура системы управления: на новой ферме все инженерные системы работают под управлением Wiren Board.
В этой статье я не буду подробно останавливаться на технологии выращивания растений и гидропонике — об этом уже рассказано в предыдущих публикациях, ссылки на которые я привел выше. Вместо этого покажу, как устроена автоматизация новой фермы, какие решения мы приняли при проектировании и почему в некоторых местах сознательно упростили систему.
Дополнительные фото
Сколько стоит автоматизация фермы
По нашему опыту, система автоматизации составляет 10–30% стоимости сити-фермы. Конкретная доля зависит от сложности объекта и состава оборудования.
Эти вложения позволяют автоматизировать самые трудоемкие и ответственные процессы: управление поливом, приготовление питательных растворов, освещение со сложными сценариями (рассвет и закат), поддержание микроклимата и работу системы в аварийных режимах. Кроме того, оператор получает удаленный доступ к системе и журналу событий, поэтому может контролировать работу фермы из любой точки мира.
В результате трудозатраты сокращаются как минимум на 40–50%, снижается риск потери урожая из-за человеческих ошибок, а сама ферма работает стабильно и предсказуемо.
Архитектура системы управления
Для новой фермы мы собрали два шкафа автоматики.
Первый отвечает за водоподготовку, приготовление питательных растворов и управление поливом. Второй управляет освещением, вентиляцией, вытяжной вентиляцией и исполнительными механизмами.
В каждом шкафу установлен контроллер Wiren Board. Старенький Wiren Board 6 мы перенесли с предыдущей фермы, а для нового объекта добавили Wiren Board 8. Кроме контроллеров, в шкафах установлены релейные модули WB-MR6CU v.2, которые управляют контакторами исполнительных механизмов.
Изначально мы планировали регулировать скорость вытяжных вентиляторов с помощью частотных преобразователей. Однако на ферме используются вентиляторы с однофазными двигателями и пусковыми конденсаторами, которые не рассчитаны на работу с частотными преобразователями. Поэтому от регулирования оборотов пришлось отказаться, и теперь вентиляторы работают по графику на номинальной скорости.
Часть модулей ввода-вывода разместили непосредственно на технологических линиях: так удалось сократить длину кабельных трасс
На линиях установлены модули аналогового вывода WB-MAO4 для управления светильниками по интерфейсу 0–10 В, ИК-излучатели WB-MIR для управления кондиционерами, а также модуль WB-MCM8, к которому подключены аварийные кнопки отключения подачи раствора и полива. Релейные модули WB-MR6CU v.2 и WB-MR6C управляют насосами и электромагнитными клапанами. Обмен данными между контроллерами и модулями идет по Modbus RTU.
По всей ферме установлены комбинированные датчики WB-MSW v.4, которые измеряют температуру, влажность, концентрацию CO₂ и фиксируют движение. Для вертикальной фермы особенно важно контролировать концентрацию CO₂. В штатном режиме вытяжные вентиляторы работают по расписанию. Если в помещении находится персонал и концентрация CO₂ превышает заданный порог, контроллер переводит систему в аварийный режим: включает вытяжную вентиляцию и систему оповещения. Светодиодная индикация на датчиках и зуммер контроллера сигнализируют о превышении допустимой концентрации CO₂, привлекая внимание персонала. В этот момент ферма буквально «кричит» о возникшей опасности.
Датчики движения используют и в штатном режиме. Если в проходе появляется человек и уровень освещенности недостаточен, система автоматически включает дежурное освещение, а затем выключает его, когда в нем больше нет необходимости.
Дополнительные фото
Полив и приготовление питательных растворов
Полив начинается с водоподготовки. Водопроводная вода проходит через систему очистки и поступает в накопительный бак, откуда насос подает ее на три независимые магистрали: для приготовления Раствора №1, Раствора №2 и подачи чистой воды. Каждая магистраль оснащена собственным электромагнитным клапаном. В зависимости от выбранного режима клапаны определяют, какой состав и куда будет подан.
Для приготовления растворов вода последовательно проходит через дозаторы Dosatron, которые подмешивают концентрированные компоненты А и Б. Сами компоненты сотрудники фермы готовят вручную. Их состав является коммерческой тайной — у каждой фермы он свой.
Готовый питательный раствор поступает в один из пяти накопительных баков объемом 400 литров, на входе которых установлены соленоидные клапаны. Каждый бак обслуживает две линии выращивания, поэтому для каждой пары линий можно использовать собственный состав. В зависимости от культуры или стадии роста оператор через интерфейс системы управления выбирает, какой раствор приготовить и в какой бак его подать. Переключение потоков выполняют электромагнитные клапаны, расположенные на линиях.
Из накопительных баков насос подает раствор на линии выращивания. На каждой линии установлено несколько клапанов: один обеспечивает перемешивание раствора в баке, второй и третий подают его на первую и вторую линии с растениями. После открытия клапана подачи давление в системе падает, включается насос и начинается заполнение. Перед каждым циклом полива насос некоторое время перемешивает раствор, затем переключается на внешний контур и подает его в лотки с растениями.
Сценарии работы достаточно простые. Оператор задает время начала дневного и ночного режимов, а также продолжительность перемешивания, полива и паузы между циклами. После этого контроллер автоматически повторяет заданную последовательность.
На каждой линии также установлена кнопка аварийной остановки. При ее нажатии контроллер на один час отключает все автоматические режимы, связанные с подачей раствора, а также поливом растений. Такой режим позволяет быстро остановить систему при неисправности или создать окно для обслуживания баков и лотков без изменения настроек сценариев.
Несмотря на высокий уровень автоматизации, часть операций мы сознательно оставили ручными. В каждом баке ежедневно измеряют EC и pH с помощью электронных приборов. При необходимости раствор разбавляют водой или изменяют его состав. В трубопроводах уже предусмотрены места для установки автоматических датчиков EC и pH, однако пока в них нет необходимости. По моему опыту, чем проще производственная система, тем она надежнее. Дополнительные датчики, импульсные расходомеры и более сложные алгоритмы можно добавить позже, если этого потребует технология выращивания и затраты на такую модернизацию будут оправданы.
Управление микроклиматом и эксплуатация фермы
Освещение каждой линии выращивания управляется независимо. Оператор задает время начала рассвета, его продолжительность, время начала заката, продолжительность заката и требуемую мощность освещения. Контроллер автоматически рассчитывает, на сколько нужно изменять мощность светильников каждую секунду, чтобы за заданное время выйти на заданный уровень освещенности, а затем так же плавно снизить его. Все параметры можно изменить через интерфейс системы управления.
От сити-фермы к промышленной теплице
Алгоритм плавного управления освещением, разработанный для этой фермы, позже лег в основу системы искусственного досвечивания в тепличном проекте. Там он работает совместно с датчиками естественной освещенности и регулирует мощность светильников с учетом текущей инсоляции.
В помещении поддерживаются необходимые параметры микроклимата. Система управляет вентиляцией, кондиционерами и подачей углекислого газа. Кондиционеры подключены через ИК-излучатели WB-MIR.
Контроллеры объединены в локальную сеть и подключены к облачному сервису. Через него можно контролировать состояние оборудования, просматривать текущие значения параметров и историю их изменения в виде графиков, а также при необходимости удаленно управлять системой без подключения к локальной сети фермы.
Дополнительные фото
Что дальше?
Система продолжает развиваться. Сейчас мы работаем сразу над несколькими направлениями:
-
мониторингом ресурса оборудования: наработки насосов, количества срабатываний клапанов и стабильности параметров на линиях;
-
интеграцией с Telegram для оперативных уведомлений и автоматической рассылкой сводок;
-
SVG-мнемосхемой фермы с отображением состояния всех узлов и потоков в реальном времени;
-
интеграция датчиков EC и pH в трубопроводы с автоматической корректировкой состава растворов (довнесением компонентов А и Б или разбавлением водой) без участия оператора;
-
ИИ-агентом, который будет анализировать накопленные данные и помогать подбирать оптимальные параметры выращивания.
О результатах внедрения этих решений я расскажу в следующих статьях.
Заключение
За несколько лет проект вырос из экспериментальной фермы в транспортном контейнере в полноценную производственную площадку. Вместе с ним развивалась и система автоматизации: появились новые подходы к управлению, отдельные подсистемы, новые функции управления микроклиматом и облачный мониторинг.
При этом нашей задачей было не автоматизировать все процессы любой ценой, а найти рациональный баланс между функциональностью, стоимостью и сложностью системы. Там, где человек выполняет работу быстрее и проще, ручное управление остается наиболее рациональным решением. Если со временем технология выращивания изменится, архитектура системы уже готова к дальнейшему масштабированию и развитию.
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1067190/