بخشی از مقاله
هوشمند سازي و جایگاه اتوماسیون صنعتی در کشاورزي
چکیده
این مقاله به تشریح یک سیستم اتوماسیون هوشمند براي آبیاري و کوددهی در پنج مرحله میپردازد.در مرحله اول به اقداماتی که براي افزایش راندمان آبیاري و کارائی مصرف آب پیشنهاد میشود،در مرحله دوم به جایگاه اتوماسیون صنعتی در سیستم هوشمند آبیاري قطرهاي، در مرحله سوم به مفهوم کنترلرهاي قابل برنامهریزي 1در کنار سیستم هوشمند آبیاري و در مرحلهي چهارم به کنترل هوشمند سیستم آبیاري قطرهاي باغ و همچنین سیستم کوددهی به درختان میپردازیم.و در مرحلهي آخر بطور خلاصه اهداف اجراي اتوماسیون در سیستمهاي مکانیزه مورد بررسی قرار میگیرد.
کلمات کلیدي: اتوماسیون صنعتی، سیستم هوشمند،شبکههاي حسگر بیسیم، کنترلرهاي قابل برنامهریزي.
مقدمه
با توجه به بحران آب در کشور و همچنین با برداشت بیرویه آب از سفرههاي زیرزمینی و سنتی بودن سیستم آبیاري در حوزه کشاورزي و با توجه به این که 92 درصد آب استحصال در بخش کشاورزي به مصرف میرسد، بر اهمیت این موضوع میافزایدکه باید توجه ویژهاي به این بخش از حوزه کشاورزي شود. همچنین میتوان گفت یکی از مهمترین دغدغهها خالی بودن جاي فناوري در بخش کشاورزي است و با بحران آب در اغلب نقاط کشور بیم آن میرود که اگر اقدام موثري در حوزه کنترل آب و اتوماسیون کشاورزي انجام نشود، این بخش از حیث انتفاع خارج شود.با توجه به این مسئله باید به سمت وسوي کشاورزي (اورگانیک و فناوري اطلاعات) چه در بخش آبیاري و چه در بخش زراعت و باغداري رفت. مدیریت و کنترل هوشمند سیستمهاي کشاورزي از طریق اتوماسیون صنعتی انجام میشود. این اتوماسیون در محل پروژه اجرا میشود و عملکرد تمامی تجهیزات از اتاق کنترل مرکزي نظارت میشود. در این جا نیز به تشریح آبیاري و کوددهی از طریق همین سیستم هوشمند که مسلئهاي مهم در حوزهي کشاورزي است خواهیم پرداخت که از جمله جدیدترین راهکارهایی است که کشاورزان را در استفاده بهینه از منابع آبی و همچنین کیفیت و بهره وري بیشتر مرکبات در بخش باغداري و دیگر محصولات کشاورزي کمک میکند. به طور کلی میتوان گفت به کارگیري روشهاي مناسب با هدف بهبود بهرهبرداري و افزایش
بهره وري، لازم به نظر میرسد زیرا منابع، از جمله آبهاي شیرین، زمینهاي کشاورزي و خاكهاي حاصلخیز ناکافی و محدود هستند و نهادهها هر روز گرانتر میشوند.[1]
1. براي افزایش راندمان آبیاري و کارائی مصرف آب اقدامات زیر پیشنهاد میگردد:
• بررسی الگوي کشت در مناطق مختلف کشور و در صورت نیاز تغییر آن به منظور افزایش کارائی مصرف آب و تعریف و اعمال آن به نرمافزار کنترلکننده.
• توسعه و اصلاح شبکههاي مدرن انتقال و توزیع آب.
• بهکارگیري متدهاي جدید آبیاري با توجه به درجه اتوماسیون هر واحد آبیاري.
• اعمال برنامه آبیاري علمی (انجام آبیاري به اندازه موردنیاز) بر اساس نیاز آبی گیاه که در سیستمهاي اتوماتیک به صورت نرمافزاري محاسبه میشود.
• توسعه، ترویج و آموزش آبیاري و افزایش آگاهی کشاورزان از نحوه کنترل سیستمها.
آنچه از سیستم مکانیزه آبیاري نسبت به روشهاي سنتی آبیاري انتظار میرود، کاهش مصرف آب به شرط عدم تنزل راندمان محصول میباشد. اما یک سیستم مکانیزه بدون کنترل مداوم (شبانهروزي) کاربر و نظارت دقیق و به موقع در طول فصل کشت، قادر نخواهد بود این کار را انجام دهد . از طرفی حضور دائمی کشاورز در مزرعه براي کنترل دستگاهها و سیستمهاي آبیاري به هیچ وجه مقدور و مقرون به صرفه نیست بنابراین بهبود یافتن نقش کشاورز به عنوان یک ناظر در محیطی خارج از مزرعهمخصوصاً، با توسعه و گسترش تعداد سیستمهاي آبیاري بسیار ضروري است.[1,2]
.2 جایگاه اتوماسیون صنعتی در سیستم هوشمند آبیاري قطرهاي
بطور خلاصه اتوماسیون در بخش آبیاري در واقع ارتقاء جایگاه سیستمهاي آبیاري تحت فشار و شبکههاي انتقال و توزیع آب از سطح مکانیزاسیون به سطح اتوماسیون در جهت دستیابی به اهداف زیر میباشد.
.1مدیریت بهبود مصرف انرژي و کاهش تلفات آن.
.2ایجاد بانک اطلاعاتی از رفتار سیستمهاي آبیاري و پیشبینی رفتار آنها در آینده. .3عدم نیاز به حضور دائمی کشاورز در مزرعه.
.4حذف خطاهاي انسانی در تعلل و تاخیر برخی اقدامات.
.5 بهکارگیري روشهاي نوین آبیاري انعطافپذیر بر اساس نیازآبی گیاه. .6کاهش هزینههاي نیروي انسانی.
.7آموزش، فرهنگسازي و افزایش آگاهی کشاورزان از نحوه عملکرد سیستمهاي اتوماسیون و بهبود روشهاي مدیریت بهرهبرداري و افزایش دقت و صحت مدیریت آبیاري، کاهش استهلاك تجهیزات و تاسیسات و هزینههاي تعمیر و نگهداري. .8افزایش بهره وري آب و خاك و سطح زیر کشت از نظر آبیاري به موقع و به اندازه و ثبت کلیه وقایع و خطاهاي اتفاق افتاده براي تجهیزات و تاسیسات همراه با ثبت زمان وقوع و علل آنها.
در تعریفی دیگر اتوماسیون در واقع یک مدیریت نرمافزاري و متمرکز بر کلیه فرایندهاي یک سیستم به طور دائمی (شبانه-روزي) میباشد که تحت نظارت و کنترل یک واحد مرکزي پردازشگر پیادهسازي میشود. با این هدفگذاري باید انتظار داشته
باشیم شبکههاي انتقال و توزیع آب و سیستمهاي آبیاري تحت فشار بدون حضور دائمی و دخالت انسان و تحت نظارت و کنترلهاي غیرانسانی1توسط سیستم راهبري گردند، که البته مستلزم فراهم نمودن موارد زیر میباشد:
.1افزایش روحیه ترویجپذیري کشاورزان.
.2بوم سازگار نمودن تجهیزات سختافزاري و نرمافزاري سیستمهاي اتوماسیون.
.3تجهیز شبکههاي انتقال و توزیع آب وسیستمهاي آبیاري تحت فشار به دستگاههاي خودکار.
بنابراین آنچه را که از سیستمهاي اتوماسیون آبیاري تحت فشار به عنوان یک ناظر قدرتمند میتوان انتظار داشت مانیتورینگ لحظهاي2کلیه پارامترهاي موردنیاز کشاورز میباشد که به شرح زیر است.
.1پارامترهاي مربوط به موارد (حالت) دستی و اتوماتیک.
.2پارامترهاي حدي و حفاظتی الکتروپمپهاي چاهها و ایستگاههاي پمپاژ.
.3پارامترهاي هواشناسی (نم نسبی ، درجه حرارت، سرعت، شدت و جهت باد، ساعات آفتابی، میزان بارندگی، تبخیر). .4پارامترهاي هیدرولیکی دبی و فشار شبکه.
.5پارامترهاي کیفی آب.
.6کارکرد متوالی، موازي و همزمان واحدهاي آبیاري.
.7روشن و خاموش کردن پمپها و سیستمهاي آبیاري.
.8سطح استاتیک و دینامیک چاهها.
.9سهم آب مصرفی (تجمعی) هر یک از واحدهاي آبیاري. .10مدت زمان کارکرد سیستمهاي آبیاري به روز، ماه و سال.
.3 مفهوم کنترلرهاي قابل برنامهریزي در کنار سیستم هوشمند آبیاري
در سیستمهاي اتوماسیون وظیفه اصلی کنترل بر عهده کنترلرهاي قابل برنامهریزي است که با گرفتن اطلاعات از طریق ورودي کارتهاي محلی، وضعیت ماشین را حس کرده و نسبت به آن پاسخ مناسبی براي ماشین فراهم میکند. امکان تعریف مدلهاي مختلف براي ترمینالهاي ورودي/خروجی یک کنترلر، این امکان را فراهم کرده تا بتوان کنترلر را مستقیماً به تجهیزات دیگر وصل کرد. علاوه بر این کنترلر شامل یک واحد پردازشگر مرکزي3که در اتاق کنترل مرکزي4میباشد نیز هست، که برنامه کنترلی موردنظر را اجرا میکند . این کنترلر آنقدر قدرتمند است که میتواند بالغ بر چندین هزار سیگنال ورودي و خروجی را در مدلهاي مختلف آنالوگ یا دیجیتال و همچنین چندین هزار تایمر/کانتر را کنترل نماید. همین امر باعث شده بتوان هر سیستمی، از سیستم کنترل ماشینهایی با چند ورودي/خروجی که کار ساده-اي مثل تکرار یک سیکل کاري کوچک انجام میدهند، گرفته تا سیستمهاي بسیار پیچیده تعیین موقعیت و مکانیابی را کنترل نمود. این سیستم میتواند بدون نیاز به سیمبندي و قطعات جانبی و فقط از طریق نوشتن چند خط برنامه تا صدها تایمر را در آن واحد کنترل و استفاده نماید.[1,5]
شکل :1 شماي از یک واحدPLC
در مزارع بزرگ که با محدودیت منابع آبی مواجه هستیم، برنامهریزي جهت کارکرد متوالی یا موازي واحدهاي آبیاري با توجه به نیاز آبی هریک از گیاهان زیر کشت و توالی شبانهروزي آنها، ضرورت دارد.برنامه کنترلی سیستم اتوماسیون آبیاري میبایست، بر مبناي پایگاه داده متشکل از اطلاعات لازم براي هر گیاه در طول فصل آبیاري که با دقت روزانه میباشد ، قادر به ایجاد تعادل در توالی آبیاري باشد. بنابراین محاسبه دقیق و روزانه نیاز آبی هر یک از گیاهان، شناسایی دقیق منابع تامین آب کشاورزي و ظرفیت آنها و... پارامترهاي کنترلی نرمافزار جهت به حداقل رساندن میزان آب مصرفی در عین حال برآورده شدن کامل نیاز آبی گیاه میباشند. نرمافزار اتاق کنترل مرکزي قابلیت مرور1براي کل فضاي فیزیکی تحت آبیاري و مشاهده محل تمام کنترلرهاي محلی، ایستگاه پمپاژ، چاهها و واحدهاي آبیاري در صفحه نمایش، همچنین براي هر پمپ، فشار و مقدار فلو و جریان الکتروپمپ و... ، مقدار حجم2آب مصرف شده توسط هر یک از واحدهاي آبیاري به صورت لحظهاي و تجمعی در نمودارهاي روزانه، ماهیانه و سالیانه و به صورت گراف و نمودار وجدول قابل مشاهده، ذخیرهسازي و چاپ میباشد.این نرمافزار قادر است توان برق مصرفی هر واحد آبیاري را در قسمت حالت3هر واحد در صفحه گرافیکال نمایش داده و در صورت اضافه جریان، آن واحد را به صورت اتوماتیک خاموش کند. تعداد دقایق روشن/خاموش بودن سیستم در هر روز/ماه/سال نیز قابل نمایش است. همچنین درقسمت رویدادهاي4نرمافزار، رویدادهاي هر یک از واحدهاي آبیاري و کنترلرهاي محلی و نرمافزار اتاق کنترل مرکزي نیز به صورت لیست نمایش داده میشود.با استفاده از امکان مانیتورینگ و کنترل از راه دور سیستمهاي آبیاري، اینترلاكهاي لازم فیمابین تجیهیزات مختلف واحدهاي آبیاري اعم از چاهها، حوضچهها، ایستگاههاي پمپاژ و سیستمهاي آبیاري تحت فشار فراهم شده و مثلاً بوسیله اندازهگیري تبخیر و تعرق هوا((ETOو با توجه به نوع گیاه (KC) و اندازهگیري میزان بارندگی، برنامه آبیاري گیاه و در نتیجه واحد آبیاري مشخص میشود، الکتروپمپهاي چاهها و شیرهاي برقی مربوط به هرواحد آبیاري متناسباً فعال یا غیرفعال میگردند. به این منظور با نصب تجهیزات کنترل اتوماتیک و کنترل از راه دور و سیگنالهاي فرمان، پارامترهاي زراعی مختلفی همراه با اطلاعات هیدرولیکی شبکه و پارامترهاي هواشناسی به صورت لحظهاي مانیتور (پایش) و بوسیله اینترلاكهایی که توسط سیستم فراهم میشود، کنترل میگردند. کنترل مقدار آب لازم براي گیاه با توجه به نوع گیاه و پارامترهاي هواشناسی مانند نم نسبی، سرعت و جهت باد، درجه حرارت، ساعات آفتابی و میزان بارندگی انجام میگیرد و همزمان از طریق کنترل دور الکتروپمپها، دبی و فشار موردنیاز شبکه درحد مطلوب کنترل میشود.
از جمله سیستمهاي مکانیزه که به علت مزیتهاي فراوانش به سرعت در تمام کشورها گسترش یافته است دستگاه آبفشان دوار5است که با توجه به اهمیت آن در صنعت آبیاري و بالا بودن درجه اتوماسیون آن،ذیلاً به بررسی اتوماسیون این دستگاه خواهیم پرداخت.به طور کلی یک دستگاه آب فشان دوار را میتوان شامل دو مجموعه عمده درنظر گرفت. مجموعه اول که اجزاي مکانیکی دستگاه نامیده میشود شامل قسمتهاي مختلف دستگاه ازنظر سازهاي میباشد که وظیفه انتقال و توزیع آب را بر عهده داشته و همچنین شامل قسمتهاي مختلف به منظور حرکت دستگاه روي زمین میباشد.مجموعه دوم نیز سیستم
الکتریکی دستگاه است که شامل مدارهاي الکتریکی جهت ارسال فرمانهاي حرکت و توقف به موتورهاي الکتریکی دستگاه میباشد و شامل تابلوي مرکزي و تابلوهاي کنترل دهانه و کابلکشی است.
شکل:2 آب فشان دوار
جهت تبدیل مدار الکتریکال آب فشانهاي موجود به آب فشانی که قابلیت اتوماسیون داشته باشد، باید کنترلري متناسب با نیازهاي ما، به سیستم الکتریکی آن اضافه نمود.بسته به نوع کنترلر اصلاحاتی در مدار فرمان لازم و ضروري است اما با اجراي اتوماسیون، تغییري در سیستم مکانیکی، موتورهاي الکتریکی محرك و مدارات قدرت صورت نمی گیرد.[3]
کنترلر آب فشان، کنترل محلی و بلادرنگ آن را انجام میدهد و وضعیت فعلی و اطلاعات آماري، روي صفحه نمایش کنترلر قابل مشاهده است و با صفحه کلید کنترلر میتوان برنامه آبیاري را تنظیم نموده و آب فشان را برنامهریزي کرد. برنامه آبیاري براساس اطلاعاتی که از پکیج کلیماتولوژي بدست میآید، تنظیم میگردد.
در سایتهاي بزرگ که متشکل از تعدادي آب فشان میباشد، براي هر دستگاه موجود در سایت، نیازي نیست که یک پکیج کلیماتولوژي مجزا نصب کرد بلکه با نصب یک پکیج در سایت می توان اطلاعات هواشناسی را به ایستگاه کنترل مرکزي منتقل کرده و سپس به هر یک از واحدهاي آبیاري ارسال شود. حضور کنترلر محلی آب فشان از نظر دریافت اطلاعات از سنسور موضعیت زاویهاي و سنسور تشخیص اختلاف زاویه اسپنها و دستهبندي اطلاعات و ارسال آن به ایستگاه کنترل مرکزي و همچنین گرفتن دستورات لازم جهت روشن/خاموش کردن دستگاه، سرعت حرکت، برنامه آبیاري و... ضروري میباشد. انتقال اطلاعات از کنترلر محلی آب فشان به ایستگاه کنترل مرکزي بسته به موقعیت و فاصله میتواند به صورت کابلی یا رادیویی انجام شود.[2]
