Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области промышленного растениеводства в сооружениях защищенного грунта. Цель изобретения - повышение эффективности и безопасности подкормки растений. Система обеспечивает изменение концентрации углекислого газа в воздухе теплицы во время подкормки в зависимости от температуры воздуха и освещенности растений с учетом их фазы роста. С помощью задатчиков 1 и 2 и элементов сравнения 10 и 11 производится включение и отключение устройства 14 подачи газа в теплицу 6 по времени, которое отсчитывает таймер 9. Желаемое значение концентрации СО<SB POS="POST">2</SB> формируется блоком 21 определения оптимальной концентрации в зависимости от сигналов датчиков температуры воздуха 20, освещенности 18 и задатчика 5, на котором выставлена фаза роста растений. Это значение ограничивается с помощью блока 22 величиной, выставленной на задатчике 3. Концентрация поддерживается на желаемом уровне блоком коррекции управления 16 с учетом сигналов датчиков скорости ветра 17, освещенности 18, положения форточек 19 теплицы 6 и задатчика 4 коэффициента листовой поверхности. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 А 01 G 9/18

I

1 ь

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Г г у

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П(НТ СССР (21) 4384297/30-15 (22) 25.02.88 (46) 15.02.90. Бюл. № 6 (71) Калмыцкий государственный университет и Всесоюзный центральный научно-исследовательский и проектный институт «Гипронисел ьп ром» (72) Г. Ф. Байдиков, В. П. Шарупич, Н. Н. Малахов, Ю. С. Бернер и О. В. Смехун (53) 63! .581.115 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1442132, кл. А 01 G 9/18, 1987. (54) АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДКОРМКИ ТЕПЛИЧНЫХ РАСТЕНИЙ УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ (57) Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области промышленного растениеводства в сооружениях защищенного грунта. Цель изобретения — - повышение эффективности и безопасности подкормки растений. Система обеспечивает изменение коп„„Я(3„„1542481 А 1 центрации углекислого газа в воздухе теплицы во время подкормки в зависимости от температуры воздуха и освещенности растений с учетом их фазы роста. С помощью задачиков и 2 и элементов сравнения 10 и 11 производится включение и отключение устройства 14 подачи газа в теплицу 6 до времени, которое отсчитывает таймер 9. Желаемое значение концентрации СО формируется блоком 21 определения оптимальной концентрации в зависимости от сигналов датчиков температуры воздуха 20, освещенности 18 и задатчика 5, на котором выставлена фаза роста растений. Это значение ограничивается с помощью блока 22 величиной, вь1ставленной на задатчике 3. Концентра ция поддержи вается на желаем ом уровне блоком коррекции управления 16 с учетом сигналов датчиков скорости ветра

17, освещенности 18, положения форточек

19 теплицы 6 и задатчика 4 коэффициента листовой поверхности. 3 ил, 1542481 з

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к промышленному растениеводству в сооружениях защищенного грунта.

Целью изобретения является повышение эффективности и безопасности подкормки растений.

На фиг. 1 представлена блок-схема автоматизированной системы подкормки тепличных растений углекислым газом; на фиг. 2— пример выполнения блока ограничения концентрации; на фиг. 3 — пример исполнения устройства подачи газа.

Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом (фиг. 1) содержит задатчик 1 (ЗД 1) времени начала и задатчик 2 (ЗД 2) времени окончания подкормки, задатчик 3 (ЗД 3) максимальной концентрации, задатчик 4 (ЗД 4) коэффициента листовой поверхности, задатчик 5 (ЗД 5) фазы роста растений, теплицу 6 (Т), газоанализатор 7 (ГА), программный блок управления 8 подкормкой (ПБУ), таймер 9 (ТМ), первый 10, второй 11, третий 12 и четвертый 13 элементы сравнения (ЭС), устройство 14 подачи газа (УПГ), блок осреднения данных 15 (БОД), блок коррекции управления 16 (БКУ), датчик скорости ветра

l7 (ДВ), датчик освещенности 18 (ДО), датчик положения форточек 19 (ДПФ), датчик температуры воздуха 20 в теплице 6 (l1T), блок 21 определения оптимальной концентрации (БООК), блок 22 ограничения концентрации (БОК), пятый элемент сравнения 23.

В состав блока 22 входят триггер 24, схемы И 25, И 26 и схема ИЛИ 27. При этом устройство 14 содержит схемы НЕ 28, ИЛИ 2 29 ИЛИ 1 30, триггер 31, цилиндроаналоговый преобразователь 32 и исполн ительн ый меха низм 33.

Первые входы элементов сравнения 10—

13 подключены соответственно к выходам задатчика 1 времени начала подкормки, задатчика 2 времени окончания подкормки, к первому и второму выходам программного блока управления 8 подкормкой, а вторые входы всех элементов сравнения соединены с таймером 9. Выход первого элемента сравнения 10 подключен к первым входам устройства подачи газа 14 и блока осреднения данных 15, а также к третьему входу программного блока управления

8 подкормкой, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом задатчика 1 времени начала подкормки и газоанализатора 7. Выход второго элемента сравнения 11 подключен ко второму входу устройства подачи газа 14. Выход третьего элемента сравнения 12 соединен с третьим входом устройства подачи газа 14, со вторым входом блока осреднения данных

15 и с четвертым входом программного блока управления 8 подкормкой, пятый

55 механизмом, входящим в состав устроиства подачи газа, является дроссельная заслонка с электроприводом на трубопроводе подачи отходящих газов котельной (ОГК) в теплицу. Если заслонка приоткрывается, то скорость подачи ОГК увеличивается, в результате чего концентрация СО в теплице повышается.

Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом работает следующим образом.

На задатчиках 1 и 2 устанавливают соответственно время начала и время окончания подкормки, а на задатчике 3 — — максимальный уровень концентрации СО2 в воздухе теплицы, выше которого поднимать конвход которого подключен к выходу блока ограничения концентрации 22, а третий выход — к третьему входу блока коррекции управления 16, первый и второй входы которого соединены, соответственно с выходом четвертого элемента сравнения 13 и с выходом газоанализатора 7, сообщенного входом с теплицей 6. Третий, четвертый и пятый входы блока осреднения данных

15 подключены соответственно к выходу датчика освещенности 18, к выходу датчика скорости ветра 17 и к выходу датчика положения форточек 19. Пятый, шестой и девятый входы блока коррекции управления 16 соединены соответственно с выходом датчика скорости ветра 17, с выходом датчика освещенности 18 и с выходом датчика положения форточек 19. Седьмой вход блока коррекции управления 16 подключен к выходу задатчика 4 коэффициента листовой поверхности, а выход — к четвертому входу устройства подачи газа 14, выход которого сообщен с теплицей 6. Восьмой вход блока коррекции управления 16 подключен к выходу блока ограничения концентрации 22, второй вход. которого соединен с выходом задатчика 3 максимальной концентрации, а первый вход — с выходом блока определения оптимальной концентрации 21, первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу задатчика 5 фазы роста растений, к выходу датчика тем30 пературы воздуха 20 в теплице и к выходу датчика освещенности 18.

Система построена на известных элементах. Таймер, элементы сравнения и блок ограничения концентрации реализованы на цифровых микросхемах серии К155. Программный блок управления подкормкой, блок осреднения данных, блок коррекции управления и блок определения OIITHMd 1bной концентрации являются счетно-решающими блоками, выполненными на больших интегральных схемах микропроцессорного комплекта серии КР580. В качестве датчиков и газоанализатора используются приборы с цифровым выходом, для чего в состав каждого прибора входит аналого-цифровой преобразователь. Исполнительны м

1542481

5 центрацию не следует при любых условиях.

На задатчике 4 устанавливают коэффициент листовой поверхности в виде числа, равного отношению суммарной площади листьев растений в теплице к площади ее основания. На задатчике 5 устанавливают фазу роста растений в виде числа, отражающего степень зрелости растений, полагая это число равным 1 для взрослых цветущих и плодоносящих растений, а для всходов

0,3, для незрелых растений 0,7.

Сигнал на выходе таймера 9 постоянно нарастает и в момент начала подкормки становится равным сигналу задатчика 1.

При этом на выходе первого элемента сравнения 10 появляется импульс, поступающий на первый вход устройства подачи газа 14, в результате чего в теплицу 6 начинает поступать максимально возможное количество СО . В теплице начинается переходный процесс повышения концентрации углекислоты.

Импульс с выхода первого элемента сравнения 10 включает также программный блок управления 8 подкормкой, который по второму входу начинает принимать с выхода газоанализатора 7 измеренные значения концентрации СО на переходном процессе (принимает реализации переходной (разгонной) характеристики объекта). Используя эти значения разгонной характеристики, блок управления 8 определяет коэффициент передачи К и постоянные времени теплицы (параметры теплицы), а также уровень концентрации СО в воздухе теплицы до подкормки С, который будет характеризовать первое измеренное значение концентрации.

На первый вход блока управления 8 поступает сигнал в виде цифрового кода, равного моменту времени начала подкормки tI. На пятый вход блока управления 8 с выхода блока 22 поступает сигнал в виде цифрового кода, равного заданному значению концентрации СО в воздухе теплицы Сз. Заданное значение формируется следую цим образом.

На три входа блока 21 определения оптимальной концентрации поступают сигналы в виде цифровых кодов: фаза роста растений Ф, температура воздуха в теплице

Т. и освещенность растений Е с выходов соответственно задатчика 5 и датчиков 20 и 18. Используя эти сигналы, блок 21 вычисляет оптима )ьное значение концентрации

С ., при котором обеспечиваются наиболее благоприятные условия жизнедеятельности растений в конкретный момент времени (при конкретных Ф, Т„и Е). Практика показывает, что величина С» уменьшается при увеличении температуры воздуха Т. выше некоторого значения Т., имеющего для различных культур разные значения. Величина

С уменьшается также с ростом освещен5

45 ности, если последняя достигает таких значений, при которых в листьях растений начинает накапливаться крахмал. Кроме того, величина С» увеличивается с течением равного времени жизни растений. Таким образом, оптимальное значение (уровень) концентрации при повышенных значениях Т и E можно выразить в виде

С. =24 Ф(. Т /Т Е (1) здесь размерности: С . (об. »I); Т. (С); F (Вт/

/ м - ), Для вычисления оптимальной концентрации блок 21 исяользует формулх (1). Однако подкормку растений углекислым газом нередко начинают в предрассветное время, когда освещенность очень мала, например, Е = 0,4 Вт/м - . В этом случае величина, вычисленная блоком 21 по формуле (1), не будет оптимальной для растений, поскольку такая концентрация СО гибельная для них. Ограничение концентрации осуществляется блоком 22 следующим образом. На первый вход блока 22 поступает величина

С . в виде цифрового кода, а на его второй вход — максимальное значение (уровень концентрации С с выхода задатчика 3.

Блоком 22 осуществ IHpTcH выбор меньшего значения из С,. и С и передача этого значения на выход.

Таким образом, на пятый вход блока управления 8 поступает в виде цифрового кода заданный уровень CI, выбранный блоком 22 как меньшее значение из С и С .

Блок управления 8, используя величину

Сз, время начала подкормки i I, а также вычисленные им же параметры теплицы, вычисляет момент времени („, в который следует прекратить подачу СО в теплицу с тем, чтобы концентрация углекислоты в ее воздухе достигла уровня С» с нулевой скоростью ее изменения, и, кроме того, вычисляет момент времени t»,, в который концентрация достигнет уровня Сз. Моменты времени /„и t< (в виде цифровых кодов) поступают соответственно с первого и второго выходов блока управления 8 на первые входы третьего 12 и четвертого 13 элементов сравнения. С третьего выхода блока управления 8 на третий вход блока коррекции управления 16 поступают величина С и параметры теплицы.

Импульс с выхода первого элемента сравнения 10 включает также блок осреднения данных 15 по первому входу, который начинает вычислять по рекуррентным формулам средние значения освещенности. скорости ветра и положения форточек, используя данные, поступающие на его третий, четвертый и пятый входы с выходов, соответственно датчиков 18, 17 и 19. Таким образом, на выходе блока 15 будут осредненные значения перечисленных величин за время, прошедшее после начала подкормки.

1542481

При достижении текущим временем момента t, ñèãíàë таймера 9 станет равным сигналу с первого выхода блока управления

8, в результате чего на выходе третьего элемента сравнения 12 появляется импульс, который поступает на четвертый вход блока управления 8 и на второй вход блока осреднения данных 15, запрещая их дальнейшую работу. При этом выходные сигналы блоков 8 и 15 (величины t„, t(„Ко, С„и осредненные значения данных) сохраняются. Сиг- 10 нал с выхода третьего элемента сравнения

12 поступает также на третий вход устройства 14 и отключает подачу СОз в теплицу.

В момент времени 4 концентрация СО> в воздухе теплицы достигнет уровня Сз с нулевой скоростью изменения, а сигналы на входах четвертого элемента сравнения 13 станут равными друг другу, в результате чего на его выходе появится импульс, который включает блок коррекции управления 16. 20

В блоке коррекции управления 16 производится вычисление уточненного значения коэффициента передачи теплицы К и величины сигнала управления У по формулам:

К = Ко + К) ° (Bo — В). Po + Кз ° (Po — Р)Х

XBo + Кз. (Eo — E) К() (2)

) = С,!К вЂ” С„ С, + К„.(Bo — B) + ljo

X(Po —, P) Bo + Ко.(Сз — C) (3) здесь K) — Ко — коэффициенты, характерные для каждой конкретной теплицы и характеризуют соответственно K), К„и Кз изменения величины коэффициента К() при изменении скорости ветра, положения форточек и освещенности растений, а коэффициенты К4, К;, Ко — каким образом следует управлять подачей СО) в теплицу в зависимости соответственно от изменений скорости ветра положения форточек и концентрации углекислоты относительно ее заданного значения, К)) — коэффициент листовой поверхности, Во, Ро и Ео — средние, а В, P и Е— текущие значения соответственно скорости ветра, положения форточек теплицы и освещенности, C) — концентрация СО) в газовой смеси, с помощью которой производится подкормка растений, например в ОГК, С вЂ” текущее значение концентрации углекислоты в воздухе теплицы.

Переменные, необходимые для этих вычислений: В, P и Е, Во, Ро, Ео, С, Сз, Ко, К, С поступают на входы блока коррекции управления 16 с.выходов соответственно датчиков 17, 19 и 18, блока осреднения данных 15, газоанализатора 7, блока 22, блока управления 8, задатчика 4, а постоянные

К) — KG и С„ предусмотрены в блоке коррекции управления 16.

Сигнал, пропорциональный У, в виде цифрового кода поступает с выхода блока коррекции управления 16 на четвертый вход устройства 14, в результате чего в теплицу будет подаваться такое количество газа, которое необходимо для поддержа ния концентрации углекислоты во время подкормки растений на заданном уровне Сз.

При изменении заданного уровня от температуры воздуха в теплице или при изменении коэффициента передачи К из-за открытия форточек теплицы или при отклонении текущего значения концентрации от ее заданного значения в результате изменения неучитываемых факторов сигнал уп— равления Y будет корректироваться блоком коррекции управления 16 так, чтобы поддеркать концентрацию СОо в воздухе теплицы на заданном уровне, обеспечивая тем самым высокую эффективность и безопасность подкормки растений.

В момент времени окончания подкормки на выходе второго элемента сравнения !! появляется сигнал, поступающий на второй вход устройства 14, который прекращает подачу газа в теплицу. Подкормка заканчивается.

Блок 22 ограничения концентрации может быть выполнен, например, как это показано на фиг. 2.

Сигнал с первого входа блока 22 (фиг. 2) поступает на первый вход пятого элемента сравнения 23 и на первый вход первой схемы И 26. Сигнал со второго входа блока

22 поступает на второй вход пятого элемента сравнения 23 и на первый вход второй схемы И 25. Если сигнал ка первом входе

З0 блока 22 больше, чем на втором, то ка инверсном выходе элемента сравнения 23 наблюдается сигнал, соответствующий «1», который поступает на 1х-вход триггера 24, который поступает «!» по инверсному выходу на второй вход схемы И 25. В результате

З5 сигнал со второго входа блока 22 проходит через вторую схему И 25 и схему И.1И 27 на выход. Если сигнал выше на втором входе блока 22 чем на первом, то «1» будет на прямых выходах элемента сравнения 23 и триггера 24, что обесгечит прохождение сиг40 нала (меньшего) с первого входа блока 22 через вторую схему И 26 и схему И.1И 27 на выход. В случае равенства сигналов на первом и втором входах блока 22, ка выходе элемента сравнения 23 сигнала не будет, однако триггер 24 будет занимать одно из устойчивых состояний, обеспечивая проход сигнала или с первого, или со второго входа блока 22 на выход. Таким образом, блок

22 осуществляет выбор меньшего из двух сигналов, поступающих ка его входы.

Устройство 14 может быть выполнено, например, как показано на фиг. 3. Схемы

HE 28, ИЛИ 2 29 и ИЛИ 1 30 (фиг. 3) содержат определенное число элементарных ячеек НЕ и ИЛИ, соответственно, например, по 8 ячеек. Столько же триггерных

55 ячеек содержит и триггер 31. Сигнал (импульс) с первого входа устройства 14 поступает одним проводом ка вторые входы всех восьми ячеек ИЛИ 2 29 схемы ИЛИ 1 30, 1542481

Формула изобретения в результате чего на входы S всех восьми ячеек триггера 31 поступит сигнал и перебросит их в состояние «1». Этотвосьмиразрядный код с «1» во всех разрядах поступает на цифроаналоговый преобразователь

32, на выходе которого образуется аналоговый сигнал наибольшей величины. Аналоговый сигнал поступает на исполнительный механизм 33, который откроет подачу

СО пропорционально этому сигналу. Второй и третий входы устройства 14 соединены соответственно с первыми и вторыми входами всех восьми ячеек ИЛИ 1 ЗО схемы

ИЛИ 2 29. По приходу импульса по второму или по третьему входу устройства 14 он проходит на R-входы всех восьми ячеек триггера 31, в результате чего на его выходе будут «О» во всех восьми разрядах При этом на выходе преобразователя 32 будет нулевой сигнал, что приведет к закрытию исполнительного механизма 33 (прекрашается полача СО).

На четвертый вход устройства 14 поступает восьмиразрядный код по восьми проводам (один провод на разряд кода). Каждый такой провод соелинен с первым входом своей ячейки ИЛИ 2 29 схемы ИЛИ 1 30.

Каждый из разрядов кода, поступающего на четвертый вход устройства 14, инвертируется схемой HE 28 и поступает на третий вход своей ячейки ИЛИ 1 30 схемы ИЛИ

2 29. При поступлении на четвертый вход кода 01001100 он пройдет через схему ИЛ И

1 30 на S входы ячеек триггера 31, а инверсный код 10110011 пройдет через схему

ИЛИ 2 29 на R-входы ячеек триггера 31.

В результате этого на выходе триггера 31 будет код 01001100, т. е. такой же, как и на четвертом выходе устройства 14. При этом на выходе преобразователя 32 будет сигнал, пропорциональный коду (числу): 01001100, который поступит на исполнительный механизм ЗЗ и откроет подачу СО2 в теплицу пропорционально этому числу.

Автоматизированная система подкормки тепличных растений за счет изменения концентрации СО9 в воздухе теплицы во время подкормки в соответствии с изменениями условий обитания растений (температуры, освещенности) позволяет повысить интенсивность фотосинтеза тепличных растений на 2О

Увеличение продукции фотосинтеза на

1О4 дает годовой эффект не менее 25 тыс. руб. с 1 га. Система обеспечивает подкормку СО2 на площади 6 га зимних блочных теплиц. Эффект от использования одной системы составит 300 тыс. руб. в год. Каждый год предполагается внедрение не менее четырех систем подкормки.

Автоматизированная система подкормки тепличных растений углекислым газом, содержащая задатчик максимальной концентрации, программный блок управления подкормкой, первый вход которого объединен с первым входом первого элемента

5 сравнения и подключен к выходу задатчика времени начала подкормки, задатчик времени окончания подкормки, выход которого соединен с первым входом второго элемента сравнения, третий и четвертый элементы

10 сравнения, первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами программного блока управления подкормкой, а второй вход последнего связан с выходом газоанализатора, вход которого сообщен с теплицей, таймер, выход кото15 рого соединен с вторыми входами всех элементов сравнения, при этом выход первого элемента сравнения связан с третьим входом программного блока управления подкормкой и первыми входами устройства подачи газа и блока осрелнения данных, а выход второго элемента сравнения подключен к второму входу устройства подачи газа, третий вход которого объединен с вторым входом блока осреднения ланных и четвертым Входом программного блока управления под25 кормкой и связан с выходом третьего элемента сравнения, причем третий и четвертый вход блока осрелнения данных подключены соответственно к выходам датчика освещенности и латчика скорости ветра, а выход четвертого элемента сравнения свяЗО зан с первым входом блока коррекции управления, второй вход которого соединен с выходом газоанализатора, третий вход — с третьим выходом программного блока управления подкормкой, четвертый вход — с выходом блока осрелнения данных, пятый

З5 вход — с выходом датчика скорости ветра, шестой вход — с выходом датчика освещенности и седьмой вход — с выходом задатчика коэффициента листовой поверхности, при этом выход блока коррекции уп4р равления подключен к четвертому входу устройства подачи газа, выход которого сообшен с теплицей, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности и безопасности подкормки растений, она снабжена блоком определения оптимальной кон45 центрации, блоком ограничения концентрации, датчиком температуры воздуха в теплице, датчиком положения форточек и задатчиком фазы роста растений, выход которого соединен с первым входом блока определения оптимальной концентрации, второй и третий входы которого связаны соответственно с выходами датчика температуры воздуха в теплице и датчика освещенности, а выход блока определения оптимальной концентрации подключен к перво55 му входу блока ограничения концентрации, второй вход которого соединен с выходом задатчика максимальной концентрации, а выход — с пятым входом программного бло1542481

Составитель Л. Пантелеева

Редактор H. Горват Техред И. Верес Корректор Н. Король

Заказ 355 Тираж 468 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР ! 13035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 10! ка управления подкормкой и восьмым входом блока коррекции управления, при этом девятый вход последнего объединен с пятым входом блока осреднения данных и подключен к выходу датчика положения форточек.