Автоматизация в ирригационных системах

Официальный поставщик продукции Leroy-Somer

Количество воды, выделяемой для сельскохозяйственной деятельности в мире, огромно. Он составляет 70% от общего объема, используемого человеком, за последние пятьдесят лет его объем увеличился втрое, а к 2050 году, по прогнозам, увеличится еще почти на 20%. Это в условиях усиливающейся конкуренции со стороны промышленного и бытового секторов.

Многие сейчас считают, что поиск путей сокращения потребления воды является одной из главных задач, стоящих перед фермерами двадцать первого века.

Уже сейчас, особенно в Европе, некоторые виды сельского хозяйства начинают шире использовать теплицы и даже гидропонику (выращивание растений без почвы), чтобы достичь почти полной степени контроля над условиями выращивания и таким образом экономить как воду, так и энергию.

Например, тепличные хозяйства в Нидерландах используют передовые гидропонные системы для выращивания салатных овощей и цветов в огромных количествах для европейских потребителей. Эти рынки являются высококонкурентными, и промышленный уровень эффективности имеет решающее значение для выживания таких фермеров. Современные теплицы огромны и оснащены высокоавтоматизированными системами для транспортировки, полива и опрыскивания растений, а также для борьбы с вредителями. Самые передовые автоматизированные системы выращивания контролируются интеллектуальными частотно-регулируемыми приводами, которые устраняют необходимость в дорогостоящих системах управления ПЛК.

В то же время, и для подавляющего большинства фермеров, выращивающих традиционные культуры, существует проблема орошения.

Около 40% мирового продовольствия производится на орошаемых землях. В частности, в Юго-Восточной Азии резко возросший спрос на продовольствие в двадцатом веке был частично удовлетворен за счет крупных инвестиций в ирригационные системы. Эффективность этих систем, однако, низкая: менее двух третей потребляемой воды фактически используется сельскохозяйственными культурами.

Как можно согласовать проблему устойчивого управления водными ресурсами с продолжающимся использованием ирригации для поддержки растениеводства – даже если это производство растет в соответствии с демографическими тенденциями? Как можно добиться больших урожаев при меньшем количестве воды?

Повышение эффективности и сокращение отходов, по крайней мере, в какой-то степени приведут к квадратуре круга. И в этом контексте, как и в большинстве других, автоматизация является естественным путем к достижению того и другого.

Идея автоматизации орошения не является ни новой, ни, сама по себе, зависимой от современных технологий. Например, сети для закапывания глиняных горшков использовались как древними римлянами, так и китайцами как способ максимально использовать ограниченные запасы воды. Эта практика все еще широко распространена в некоторых частях Южной и Центральной Америки.

Согласно этой идее, неглазурованные пористые горшки закапываются в землю и наполняются водой, которая затем медленно просачивается через глиняные стенки в почву, поддерживающую урожай. Емкости могут быть соединены трубами с резервуаром постоянного уровня. Несмотря на свои очевидные ограничения, заглубленные резервуарные сети обладают естественной высокой эффективностью благодаря тому, что на движение воды – через осмотическое давление и капиллярное действие – напрямую влияют потребности растения.

При всей своей мощности и масштабируемости современные автоматизированные системы с их электрическими двигателями и насосами могут показаться сравнительно простыми. В простых примерах используются таймеры или дозирующие клапаны с регулируемым объемом для ограничения расхода воды. Однако там, где такие системы являются разомкнутыми, потенциал для отходов очевиден.

Без какой-либо обратной связи с системой орошения поведение полива обречено быть приблизительным. Ничто не может быть более неэффективным, чем операция, которая, несмотря на неожиданный дождь, продолжает работать, несмотря ни на что.

Однако благодаря снижению затрат и результатам многочисленных исследований все больше ирригационных систем теперь регулируют распределение в свете данных, полученных с датчиков, будь то уровень воды, показания температуры, погодные условия или другие факторы окружающей среды.

Датчики влажности, в качестве очевидного примера, могут быть размещены в корневой зоне сельскохозяйственных культур для определения объемного содержания воды в почве. В зависимости от используемой технологии они делают это путем измерения его диэлектрической проницаемости или содержания водорода. Из первых емкостные датчики особенно недороги и просты в использовании, хотя их точность зависит от калибровки конкретного грунта (например, глина является лучшим проводником, чем песок).

Подобные датчики используются для беспроводной передачи данных в блок управления системы, так что, как только уровень воды опускается ниже или поднимается выше определенных пороговых значений, насосы и клапаны системы могут принять соответствующие ответные меры.

Альтернативная модель регулирует полив сельскохозяйственных культур в соответствии с колебаниями температуры надземных частей растений (навесов), измеряемой инфракрасными термометрами.

А в более продвинутых системах как беспилотные, так и спутниковые технологии были адаптированы для доставки научных изображений высокого разрешения в центры управления ирригацией. Эти снимки считаются особенно полезными в качестве моментальных снимков различных уровней влажности или температуры (или даже болезней) на обширных территориях.

Это не просто информация о потребностях в воде, которая подается обратно в ирригационную систему. Другие параметры, такие как расход, давление воды и уровень pH, улучшаются благодаря встроенному мониторингу, что позволяет оптимизировать производительность и выявлять и устранять такие проблемы, как утечки. Постоянное давление воды и заданный расход становятся возможными благодаря двигателям, использующим частотно-регулируемые приводы, что является еще одним примером технологии, которая становится все более доступной для современных инженеров по ирригации.

Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) в настоящее время используются для интеграции и обработки данных, необходимых для максимального повышения эффективности ирригационных систем. Уже широко используемые операторами каналов и водохранилищ, они становятся все более доступными для индивидуальных фермеров. Масса информации, которую обычно обрабатывают системы SCADA – как в историческом, так и в реальном времени, — объединяется с инструментами анализа данных, управляемыми с помощью графических пользовательских интерфейсов.

Это далеко от погребенных глиняных горшков. И все же, любопытным образом, чем более интеллектуальна автоматизация, тем больше орошение напоминает древнюю систему капельного орошения, реагирующую на растения, чем грубо прерывистые механизмы затопления более поздней эпохи.

Ирония – и вызов – заключается в цене. Требования к аппаратному и программному обеспечению полностью автоматизированной системы намного превышают бюджет большинства мелких фермеров. Только крупнейшие коммерческие организации могли бы одобрить инвестиции во все технологии, описанные выше.

Сказав это, технология автоматизации в этой области представляет собой широкий спектр. Благодаря солнечным панелям даже небольшие культиваторы, находящиеся далеко от сети, ощущают преимущества базовых версий. Принцип тот же самый. И там, где этот принцип апеллирует к деловому чутью каждого фермера, он в то же время приводит к устойчивому управлению водными ресурсами всеми.