Автоматическое модульное устройство вертикальных теплиц на гидропонике
AUTOMATIC MODULAR VERTICAL GREENHOUSES FOR HYDROPONICS

Область техники
Изобретение относится к области сельскохозяйственной техники, а именно, к модульным устройствам вертикальных теплиц для выращивания быстрорастущих зеленых растений, таких как листовые салаты, кресс салат, пекинская капуста, пак-чой, манголь, базилик, петрушка, укроп, мята и пр.
Уровень техники
Известен модульный шкаф управления многопролетными теплицами, который содержит основание шкафа управления, переднюю панель, боковые перегородки, поясные пластины, переднюю поворотную плиту, верхнюю плиту, заднюю плиту, прозрачную панели и контакторный модуль, основание шкафа управления соединено с передней панелью и боковыми перегородками через соединительные элементы (см. [1] патент CN210137660U, опубл. 13.03.2020).
Причины, по которым нельзя достичь технического результата являются функциональные возможности, вызванные отсутствием автоматического управления режимами выращивания для различных растений.
Известна автоматическая модульная система для управления вертикальными фермами, используемыми для вмещения растений, предназначенных для роста посредством гидропонного, аэропонного или аквапонного выращивания, причем указанная система содержит первый модуль с четырехугольным сечением и вертикальным расположением, ограниченный соответствующими вертикальными поддерживающими элементами (см. [2] патент RU 2762415 C2, опубл. 21.12.2021).
Причины, по которым нельзя достичь технический результат является то, что указанный аналог имеет конструктивные ограничения для расширения площади посадки.
Известна автоматизированная многоярусная установка конвейерного типа для выращивания растений в защищенном объеме с регулируемой средой, включающая расположенный на фундаментном основании вертикальный каркас, покрытый светопропускающим материалом, расположенный внутри каркаса не менее чем один конвейер замкнутого типа с приводом непрерывного вращения относительно вертикальной рамы и установленными на нем емкостями для выращивания растений, и систему регулирования освещенности, температуры, влажности и подачи питательного раствора, при этом установка снабжена расположенным на фундаментном основании опорно-поворотным механизмом с приводом горизонтального вращения (см. [3] патент RU2504950C1, опубл. 27.01.2014).
Причины, по которым нельзя достичь технический результат является то, что данная система является стационарной системой - не мобильной, а также технически сложной с большим количеством механики.
Наиболее близким к заявляемому устройству решением является модульный многоярусный стеллаж для выращивания кустов салата (https://growergood.ru/stellazh-dlya-vyraschivaniya-salata-na-gidroponike, опубл. 18.08.2022), который включает корпус алюминиевого профиля, редуктор, лотки нужной ячеистости для выращивания растений методом периодического затопления, насос для циркуляции питательного раствора и бак для его хранения, светодиодные фитосветильники, гидропонную систему и автоматику для управления подачей раствора.
Причины, по которым нельзя достичь технического результата являются ограниченные возможности применения устройства исключительно для выращивания салата и в количестве не более 112 кустов.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача направлена на реализацию автоматического модульного устройства вертикальных теплиц на гидропонике, с возможностью развертывания растительного пространства.
Технический результат заявленного изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства вертикальных теплиц на гидропонике за счет автоматического управления режимами выращивания культур быстрорастущих зеленых растений и быстрого, и простого наращивания пространства для саженцев за счет сателлитов.
Сателлиты - это модули без каких-то либо автоматических систем, которые содержат: стеллаж, лампы, поддоны и трубы залива и слива питательного раствора. Это делает систему быстро наращиваемой при минимальных затратах.
2
Технический задача решается, а технический результат достигается тем, что автоматическое модульное устройство вертикальных теплиц на гидропонике включает корпус из металлического каркаса, блок автоматического управления, установленные в каркасе и соединенные между собой трубами и шлангом от нижнего к верхнему по меньшей мере два растительных модуля с установленными в них лотками с ячейками, бак для питательного раствора, насос для циркуляции питательного раствора, светодиодные фитосветильники, модуль подачи углекислого газа и клапаны подачи воды, циркуляции питательного раствора и слива отработанного раствора, при этом блок автоматического управления закреплен на корпусе и выполнен в виде шкафа управления на базе программируемого логического контроллера (ПЛК) с панелью оператора с жидкокристаллическим сенсорно-управляемым экраном, с функциональной возможностью управления режимами выращивания, освещения и вентиляцией растительных модулей, причем в блок автоматического управления выращиванием культуры зеленых растений дополнительно введены модули измерения параметров питательного раствора и измерения параметров воздуха, при этом модуль измерения параметров питательного раствора содержит pH-метр для измерения уровня кислотности раствора, который состоит из чувствительного элемента и платы преобразователя в сигнал 0-5 В, TDS-метр для измерения общего содержания солей в растворе, который состоит из датчика и преобразователя сигнала в напряжение 0-2,5 В, и датчик температуры воды, а модуль измерения параметров воздуха содержит датчик концентрации CO, на базе датчика MH-Z19C, и датчик температуры воздуха, причем оба модуля подключены к преобразователю интерфейса в RS485 протокол ModBusRTU, что позволяет подключить модули напрямую к ПЛК, при этом устройство содержит по меньшей мере пять перистальтических насосов, каждый из которых подсоединен одним концом к своей емкости с маточным раствором, а вторым концом к баку для питательного раствора.
Технический результат достигается тем, что количество емкостей с маточным раствором соответствует количеству перистальтических насосов.
Технический результат достигается тем, что корпус выполнен из перфорированного профиля, окрашенного порошковой эмалью.
Технический результат достигается тем, что дополнительно содержит чехол из тепло-влагосберегающего материала с прозрачной открывающейся вставкой, который расположен поверх корпуса.
Технический результат достигается тем, что фитосветильники выполнены по два на один растительный модуль общей мощностью не менее 80 Вт.
2
Технический результат достигается тем, что ПЛК управляет концентрацией CO посредством электромагнитного клапана, подключенного к баллону с редуктором, установленного в нижней части корпуса.
2
Технический результат достигается тем, что баллон с CO имеет емкость не менее 10 литров.
Технический результат достигается тем, что бак для питательного раствора выполнен объемом не менее 120 литров.
Технический результат достигается тем, что количество растительных модулей равно не менее трем.
Технический результат достигается тем, что количество ячеек на один растительный модуль равно не более 41.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 и фиг. 2 представлен общий вид автоматического модульного устройства вертикальных теплиц на гидропонике.
На фиг. 3 представлен шкаф управления с модулями ввода и контроллером ПЛК.
На фиг. 4 представлена панель оператора с жидкокристаллическим сенсорно-управляемым экраном, интегрированная в шкаф управления.
На фиг. 5 представлены емкости для маточных растворов с перестальтическими насосами для подачи маточных растворов в бак питательного раствора и узла коррекции pH.
На фигурах обозначены следующие позиции: 1 - корпус; 2 -растительный модуль; 3 - блок автоматического управления; 4 - панели СП307; 5 -соединительные кабели; 6 - светодиодные фитосветильники; 7 - трубы подачи питательного раствора; 8 - труба забора питательного раствора; 9 - бак для питательного раствора; 10 - шланг для соединительный для слива раствора; 11 - лотки для ячеек; 12 - чехол; 13 -циркуляционный насос; 14 - емкость с маточным раствором; 15 - перистальтический насос; 16 - ячейка; 17 - труба слива питательного раствора.
Осуществление изобретения
Заявляемое автоматическое модульное устройство вертикальных теплиц на гидропонике (фиг. 1 - 5) включает корпус (1) из металлического каркаса, блок автоматического управления (3), установленные в каркасе и соединенные между собой трубами (7) и шлангом от нижнего к верхнему по меньшей мере два растительных модуля (2) с установленными в них лотками (11) с ячейками (16), бак для питательного раствора (9), насос (13) для циркуляции питательного раствора, светодиодные фитосветильники (6), модуль подачи углекислого газа и клапаны подачи воды, циркуляции питательного раствора и слива отработанного раствора.
Блок автоматического управления (3) закреплен на корпусе (1) и выполнен в виде шкафа управления. Корпус выполнен из перфорированного профиля, окрашенного порошковой эмалью. Электронной начинкой данного шкафа управления является программируемый логический контроллер, ПЛК ОВЕН 110-32. Для взаимодействия системы с оператором применена панель оператора (4) ОВЕН СП307 с жидкокристаллическим сенсорно-управляемым экраном на 7 дюймов подключенная к вышеобозначенному контроллеру, далее ПЛК, с функциональной возможностью управления режимами выращивания, освещения и вентиляцией растительных модулей. Алгоритм работы всей установки описан в виде программного кода и загружен в ПЛК. В панели СП307 загружена программа управления интерфейсом и макросы взаимодействия с ПЛК.
2
В блок автоматического управления (3) выращиванием культуры зеленых растений дополнительно введены модули измерения параметров питательного раствора и измерения параметров воздуха, для измерения параметров среды выращивания, параметров питательного раствора и воздуха. Модуль измерения параметров питательного раствора содержит pH-метр для измерения уровня кислотности раствора (водородный показатель, определяющий кислотность раствора), который состоит из чувствительного элемента и платы преобразователя в сигнал 0-5 В, TDS-метр для измерения общего содержания солей в растворе, который состоит из датчика и преобразователя сигнала в напряжение 0-2,5 В, и датчик температуры воды. Модуль измерения параметров воздуха содержит датчик концентрации CO, на базе датчика MH-Z19C, и датчик температуры воздуха. Оба модуля подключены к преобразователю интерфейса в RS485 протокол ModBusRTU, что позволяет подключить модули напрямую к ПЛК и передавать измеренные значения выше указанных параметров. Для измерения уровня питательного раствора в баке (9) установлены герконовые датчики уровня, подключенные к ПЛК, на основании их показаний ПЛК принимает решение о доливе воды и защищает циркуляционный насос (13) от сухого хода.
Для приготовления питательного раствора и коррекции значений pH раствора и его значения TDS система имеет по меньшей мере пять перистальтических насосов (15), каждый из которых подсоединен одним концом к своей емкости (14) с маточным раствором, а вторым к баку (9) питательного раствора. При этом три перистальтических насоса предназначены для приготовления питательного раствора, а два - для управления уровнем их кислотности. Управляя этими насосами ПЛК по описанному в программе алгоритму готовит питательный раствор с требуемыми оператору значениями PH и TDS. Количество емкостей с маточным раствором соответствует количеству перистальтических насосов.
Нижний растительный модуль связан с верхними модулем трубой (7) подачи питательного раствора и трубой (17) для слива раствора в бак (9). При этом в одном растительном модуле (2) выполнена 41 ячейка (16). Оптимальное количество растительных модулей равно не менее трем.
2
2
ПЛК управляет концентрацией CO посредством электромагнитного клапана, подключенного к баллону с редуктором, установленного в нижней части корпуса. Баллон с CO имеет емкость не менее 10 литров.
Залив воды в бак (9) для приготовления питательного раствора и слив его после его отработки происходит чрез систему клапанов, управляемых также от ПЛК, цикличность этих действий определяется оператором, который через панель оператора задает «рецепт». Бак для питательного раствора выполнен объемом не менее 120 литров.
Освещением, его длительностью, управляет ПЛК по настроенным оператором значениям времени рассвета и заката. Фитосветильники выполнены по два на один растительный модуль общей мощностью не менее 80 Вт.
Для создания оптимального локального температурно-влажностного режима на корпус устройства надет чехол (12) из тепло-влаго сберегающего материала с прозрачной открывающейся вставкой.
При управлении устройством предусмотрена возможность задавать цикличность смены раствора программно или в ручном режиме. При подаче углекислого газа вентиляция принудительно включается на 30 минут для его равномерного распределения.
2
Все вышеописанные настройки и регулировки доступны оператору через экран панели оператора СП307, есть возможность видеть значения измеренных значений температуры, pH, TDS, CO и для удобства анализа, панель СП 307 выводит графики этих значений.
Устройство работает следующим образом.
Оператором управление автоматизированным модульным устройством вертикальных теплиц на гидропонике при посадке рассады в меню “настройка” задается: время «рассвета» и «заката» длительность подачи и паузы в процессе подачи питательного раствора, длительность и паузы работы вентиляции, требуемый уровень концентрации углекислого газа 0-3000ppm и его гистерезис, уровень pH 6.0-7.0 и TDS примерно 1000ppm, а также выбирается номер, из пяти возможных емкостей, для забора маточного раствора, это может быть полезно если культуре для разных фаз жизни требуется разный питательный раствор.
После того, как будут произведены необходимые настройки, оператором откроется кран подачи воды и краны циркуляции раствора, ему необходимо будет выбрать номер емкости маточного раствора на панели оператора, одну из пяти.
При этом, если бак пуст, это определяется контроллером по датчиками уровня, активируется режим создания питательного раствора: откроется клапан подачи воды, закроется клапан циркуляции раствора, наполнится бак до максимального уровня по датчику, далее произойдет коррекция pH раствора с помощью перистальтических насосов из емкостей коррекции pH и активируется подмес маточного раствора до уровня минерализации заданного значения TDS заданного оператором в меню “настройка”, согласно требований на культуру подлежащую выращиванию в данный момент.
После того, как заданные значения pH и TDS будут достигнуты, откроется клапан циркуляции раствора и закроются клапаны слива и залива раствора. Насос начнет прокачивать раствор через растительные модули. Так будет продолжаться заданное в меню “настройка” оператором количество суток, определенное технологической картой на выращиваемую культуру, после чего будет произведен сброс раствора и его замена на новый.
Управление процессом осуществляется при непосредственном программировании через автоматический шкаф управления с ПЛК, а также имеет возможность поддерживать режим управления устройством через «облако».
Заявляемое изобретение выращивает продукцию полностью в автономном и автоматическом режиме, позволяет адаптировать климат-контроль и состав раствора под благоприятные условия, необходимые для выращивания конкретной культуры среди быстрорастущих зеленых растений.