Как устроены и работают современные системы автоматического полива растений » сайт для электриков — статьи, советы, примеры, схемы
Наступило время, когда знание электрики стало необходимо людям всем специальностей. Новые технологии, основанные на использовании электроники, микропроцессорных разработок прочно вошли в нашу жизнь и быт.
Даже обычный уход за растениями сейчас можно автоматизировать, доверить роботам и автоматическим системам, которые после настройки пользовательских параметров будут поддерживать микроклимат, обеспечивать строго дозированный полив, создавать оптимальные условия для роста и развития.
Состав и описание гидравлической схемы
Основные элементы, необходимые для работы системы автоматического полива растений, показаны на картинке, поясняющей принцип работы автоматики.
Основной задачей подобной системы является обеспечение растений строго необходимым им количеством воды с учетом реально выпавших атмосферных осадков.
С этой целью уже проведены многочисленные научные исследования, предоставляющие информацию о количестве влаги для хорошего развития растений в зависимости от сезона. Например, для роста газонной травы требуется около 120÷150 мл воды в течение летнего месяца. При пересчете на суточную норму потребность составит 4÷5 мл. Кустарникам требуется меньше.
Установленный в контрольном месте грунта дачник влажности постоянно анализирует наличие влаги в почве, выдает информацию на контроллер, который обрабатывает ее, регулируя длительность и объем подачи.
Вода для полива берется из водопровода, который может быть:
1. подключен к централизованной системе водоснабжения;
2. использоваться индивидуально.
На входе в систему автоматического полива устанавливают счетчик воды и электрический насос в зависимости от принятой гидравлической схемы. Заглубленные в землю магистрали снабжают обратными клапанами, которые исключают возможность проникновения в систему загрязнённых грунтовых вод.
Чтобы перед наступлением зимних морозов убрать воду из системы монтируют сливной кран. Фильтр удаляет возможные загрязнения, попадающие в систему автоматического полива до распределения воды по отходящим магистралям. Он обеспечивает нормальную работу электромагнитных клапанов.
В сложных, разветвленных системах на входе устанавливают главный клапан особой конструкции электромагнитного типа, снабженный защитой от гидравлического удара с возможностью управления им от контроллера. На дачных и приусадебных поливах его практически не используют.
Управляемые электромагнитные клапаны монтируют в пластиковых корпусах внутри почвы по центру магистралей. Их количество зависит от разветвленности структуры, применения ее на конкретной местности.
Внутри магистралей автоматической системы полива всегда поддерживается давление воды. Трубопроводы, переходники, арматура, методы монтажа должны его надежно выдерживать, исключать утечки. Поэтому применяют специальные конструкции полиэтиленовых труб, выдерживающих давление внутри них 10 бар.
Доставка воды в зону полива регулируется электромагнитными клапанами, размещенными в специальных коробах с конструкциями распылителей различного вида, включая систему капельного полива. Их объединяют по рабочим зонам.
Каждая зона создается для работы однотипных групп распылителей, наиболее подходящих для развития определенных видов растений и включается в работу от контроллера поочередно. Одновременный полив почвы из всех магистралей не применяется.
Внутри системы капельного полива устанавливают редуктор. Он поддерживает оптимальное допустимое давление воды в системе для образования капель.
Сливные автоматические клапаны в конце магистралей исключают образование повышенной влажности почвы, способствуют осушению ее при включении системы в работу.
Место для расположения контроллера выбирают с учетом удобства обслуживания, доступа, защищенности от воздействия окружающей среды. Также можно использовать специальный герметичный короб, созданный для размещения на открытом воздухе.
Его соединяют с электрической сетью питания и электромагнитными клапанами, датчиками дождя специальными устойчивыми к влаге кабелями и проводами. Для монтажа концов проводов в коробках системы полива используют универсальные силиконовые наполнители, исключающие проникновение влаги к металлическим частям.
Электроснабжение контроллера обычно осуществляют от бытовой сети 220 через встроенный блок питания. Для небольших систем допустимо использовать батарейки или аккумуляторы.
Управление контроллером работой датчика дождя позволяет прекращать полив при атмосферных осадках, предотвращать ее переувлажнение.
Основные части системы автоматического полива
К ним относят:
блок управления;
датчики дождя;
управляемые электромагнитные клапаны;
распылители;
фильтры;
автоматический сливной кран;
трубопроводы и фитинги;
капельные трубы;
гидравлический редуктор капельного полива;
микрораспылители.
Источник водоснабжения
Если есть индивидуальный источник воды. то можно изготовить емкость или приобрести цистерну большого размера. В нее следует собирать дождевую влагу во время атмосферных осадков или закачивать воду из рядом расположенного водоема либо колодца. При этом ее температура будет подогреваться от окружающего воздуха. Это станет положительно сказываться на росте определенных видов растений.
Для наполнения емкости потребуется насос с блоком автоматического управления, контролирующего верхний и нижний уровень заполнения воды.
Если поливать растения из централизованного водопровода, то следует учитывать наличие в воде примесей хлорной извести, которая способна оказывать неблагоприятное влияние на развитие многих видов цветов, теплолюбивых овощей.
Когда водоснабжение производится из пробуренной скважины, то следует правильно подбирать технические характеристики насоса под нужды производительности системы. Также следует устанавливать фильтры, учитывая их пропускную способность, возможности обслуживания.
До начала проектирования системы автоматического полива важно проанализировать мощность источника водоснабжения с потребностями расхода воды, сопоставить их при создании различных давлений в магистралях, обеспечить необходимый резерв.
Блок управления
Для систем автоматического полива выпускают микроконтроллеры, обладающие различным количеством функций управления и контроля. Они позволяют заранее задавать рабочий режим на определенный период эксплуатации.
Контроллеры с цифровым интерфейсом упрощают процесс программирования поливом, обладают небольшими габаритами, предназначены для работы с системами полива разных конфигураций.
К полезным функциям цифровых микроконтроллеров относятся:
наличие различных программ запуска систем полива;
применение разных графиков работы с учетом сезона;
регулирование и ограничение продолжительности полива с обеспечением задержек между включениями различных режимов;
возможность ввода и хранения параметров запрограммированного ручного режима работы в памяти контроллера;
установка и сохранение настроек программы при использовании дополнительного питания от батареек;
удобства просмотра введенных уставок;
прописанный алгоритм действий на случай пропадания электрического питания;
соответствия действующим стандартам, предъявляемых к электронным устройствам;
возможности подключения внешних датчиков популярных производителей, включая модели беспроводного управления датчиками мороза и дождя;
встроенную диагностику электрических соединений;
функции предварительных просмотров.
Для питания электромагнитных клапанов чаще всего контроллеры выдают напряжение 24 вольта.
Датчики дождя
Их создают для автоматического исключения полива во время выпадения атмосферных осадков. Они позволяют:
исключить переувлажнение растений за счет излишних поливов при сырой погоде;
экономить расход воды не менее 30% из источника водоснабжения, ресурс оборудования.
Датчики дождя могут быть проводными или работать по радиоканалу. Для климатических условий с возможностью заморозков они могут дополняться датчиками мороза. Их корпуса крепят на строительных конструкциях или специальных кронштейнах.
Проводные модели подключаются стойким к воздействию влаги и солнечного света электрическим кабелем с помощью кронштейнов или муфт.
Беспроводные устройства комплектуются:
многофункциональным приемным устройством;
LCD дисплеем;
индикаторами сигналов.
Они обеспечивают:
запланированные задержки возобновления поливов для обеспечения режимов экономии воды;
использование системы, позволяющей отключать или включать датчик для работы автоматики в любой момент;
индикацию режимов;
выбор режима чувствительности;
простоту монтажа.
Электромагнитные клапаны
Различные типы устройств электромагнитных клапанов предназначены для дистанционного управления распылением воды при поливе за счет изменения гидравлического сопротивления потока положением клапана, регулируемого соленоидом.
Для подключения к трубопроводам используется резьбовое соединение или винтовые зажимы. Предпочтение следует отдавать конструкциям, обеспечивающим быструю надежную сборку и извлечение из схемы для удобного обслуживания при эксплуатации.
Качественные корпуса клапанов выполняют из высокопрочных сортов полипропилена с добавками стеклопластиков и элементов из нержавеющей стали, которые отличаются высокой стойкостью к воздействию коррозии и ультрафиолету.
Элитные модели снабжаются:
устройством плавного закрытия, устраняющим возникновение гидроудара в системе;
жиклером, регулирующим производительность потока с учетом влияния температурного расширения среды;
мембраной повышенной прочности и системой уплотнений, обеспечивающих долговечность и герметичность;
рукояткой ручного управления;
системой измерения потока и устройством его управления.
Популярные технические характеристики:
давление рабочее в Bar;
производительность в л/мин;
типы резьбы для наружного и внутреннего присоединения;
электрическое питание катушки соленоида в вольтах с током удержания и пуска в амперах.
Распылители
При выдавливании потока воды через отверстия форсунки, расположенной в окончании распылителя (дождевателя) создается облако мелких капель или струя, которая разбрызгивается на определённое расстояние.
Корпус распылителя может быть монолитным или с раздвижной подвижной частью для увеличения дальности распыла струи, а количество форсунок от одной до десяти или чуть больше.
Конструктивно распылители создаются по двум типам подачи воды:
1. секторному, когда поток направляется под простым давлением;
2. роторному, использующему закручивание, завихрение струи по центробежному принципу.
В первом случае дальность облака достигает до пяти метров, а угол разброса струи через форсунку зависит от ее конструкции и может лежать в пределах от 40 до 360 угловых градусов. Существуют конструкции с регулируемым углом рассеивания и даже дальностью, позволяющие эффективно поливать территории прямоугольной формы.
Роторные распылители создаются с:
1. выдвижением механизма форсунок из корпуса — модификация «pop up»;
2. без выдвижения — «shrub».
Выдвижной механизм позволяет управлять дальностью распыла, эффективнее обрабатывать территории усложненной конфигурации.
Многоструйное вращение распыляемого потока позволяет лучше проникать влаге внутрь почвы даже твердых составов благодаря чему исключается стекание влаги на склонах. Для создания равномерного облака строго подбираются форсунки и обеспечивается вращение потока секторными дисками.
Фильтры
Внутренние полости гидравлических магистралей должны быть чистыми. Любые механические частицы, попавшие внутрь, могут нарушить работу электромагнитных клапанов или форсунок. Использование качественных фильтров позволяет убирать загрязнения, очищать воду, обеспечивать длительный ресурс работы оборудования.
Для очистки системы от мелкого песка применяются специальные конструкции фильтров.
Сливной клапан
Используется для удаления влаги из магистрали в нерабочем состоянии — осушения системы.
При создании давления в гидравлической схеме мембрана клапана закрывает сливное отверстие, полностью перекрывая его, обеспечивая герметичность конца магистрали. Когда насос перестает работать, то возвратная пружина своим усилием вернет клапан, открывая слив для удаления воды из системы.
Одновременная работа нескольких сливных клапанов может создать гидроудар, который скажется на работе электромагнитов. Такие случаи избегаю на этапе проектирования системы, устанавливая один клапан для действующей зоны.
Трубопроводы и фитинги
Системы автоматического полива лучше работают на полиэтиленовых трубах, предназначенных для выдерживания давления от 6 до 10 бар с наружными диаметрами от 25 до 110 мм, которые подбирают по производительности системы.
Их соединение выполняют компрессионными фитингами либо сваркой. Также допускается подключение металлических и пластмассовых корпусов и фитингов с уплотнением резьбовых стыков тефлоновой лентой.
Капельные трубы
Применяют для обеспечения капельного полива овощей, кустарников, садовых деревьев, располагая капельные системы на расстояниях 20÷50 см в виде лабиринта мелких труб, располагаемых по поверхности почвы без закапывания в грунт.
Капельная труба позволяет увлажнять поверхность со скоростью порядка 1÷4 литра в час при давлении в системе 1,5 бар.
Существуют конструкции капельной трубы, обработанные специальными химикатами. Они предохраняют магистрали от проникновения корней в отверстия и могут помещаться внутрь почвы.
Гидравлический редуктор капельного полива
Предназначен для снижения давления от рабочей величины насоса до 1,5 бар. Для систем, использующих только капельный полив без распылителей гидроредуктор не применяется.
Микрораспылители
Используют в местах с ограниченной площадью территории диаметром от 0,5 до 5 м. Эффективно работают на клумбах, цветниках, кустарниках, твердой почве.
Система автоматического полива позволяет создать благоприятные условия развития растениям, избавляет от продолжительной рутинной ежедневной работы по уходу за садом, газоном, огородом, дачей.
Ее применение позволяет:
выращивать здоровые, ухоженные растения на даче;
создавать красивый газон;
обеспечивать равномерный полив без прямого участия человека;
экономить потребление воды.
Логика и силовая часть. разделение
Уже на первых порах, при работе с шаровыми клапанами, иногда случались проблемы в виде зависаний контроллера. С внедрением мембранного насоса стало наглядным влияние наводок от мощных нагрузок на работу логики. Тогда у меня ещё не было осциллографа, чтобы увидеть это воочию. Но частота зависаний и сбоев стала невыносимой. То о чём я только читал, подозревал и предполагал, стало закономерным.
Итак, было решено сделать отдельно контроллер, где будет работать логика устройства вкупе с частью измерительных приборов и, отдельно, систему управления силовой частью – насосами, дозаторами удобрений, клапанами. Силовую систему предполагалось сделать модульной, расширяемой.
Чтобы если понадобится изменить количество исполнительных компонентов в аппарате, можно было бы их добавлять/убавлять без переделки схемотехники. Дабы исключить проникновение электрических помех из силовой части в логику, была задумана гальваническая изоляция.
Покумекав над требованиями, набросал первую версию силового модуля и новый контроллер.В первой версии силового модуля для управления нагрузками была неудачно выбрана микросхема L293. Неудачной она оказалась потому, что в её составе использованы биполярные ключи.
Это даёт немалое собственное потребление (и, соответственно, тепловыделение) микросхемы в моменты работы нагрузок. Радиаторы, установленные на микросхемах работали на пределе. В следующем варианте схемы были выбраны драйверы L6205PD. Они выполнены на полевых транзисторах и грелись уже существенно меньше.
При этом, позволяли нагружать на каждый канал значительно больше тока. Кроме того, корпус микросхем с окончанием PD в названии микросхемы имеет хорошее теплоотводящее основание, которое позволяет отводить тепло прямо в плату. В результате, в дизайн платы были заложены приличные площади меди как раз для этой функции.
Испытания показали удовлетворительные результаты, без использования дополнительных радиаторов, в условиях пассивного охлаждения. Следует заметить, что крепилась плата управления нагрузками внутри пластикового короба, вместе с основным контроллером и Raspberry Pi.
Поскольку разделение силовой и логической частей делалось ради снижения влияния помех от мощных нагрузок на логику, то здесь была применена гальваническая развязка. Выполнена она была на ADUM1250. Соответственно, на плате силового драйвера был поставлен I2C-декодер (экспандер) – MCP23017.
Рядом с ADUM разместилась сдвоенная оптопара, которая одним каналом делала декодеру сброс и вторым каналом включала/выключала питание на микросхемы драйверов через мощный полевой транзистор. Для питания MCP23017 изначально использовался MINI360, который впоследствии был заменен на LM317.
Схема драйвера может работать начиная с около 10 вольт и выше. Потолок не проверял, но оценочно можно смело утверждать 24В, может 36В (теоретически, это разумный предел для LM317). Для L6205 заявлены вообще 50В. На практике вся система проверялась в работе на 12В.
На 4 микросхемы L6205, установленных на одной плате, получается 16 каналов управления для исполнительны устройств. Модульность позволяет подключать несколько плат. Для этого необходимо задать разные I2C адреса для MCP23017 при помощи трёх резисторов, предусмотренных на плате.
Одиночные L6205 каналы можно сдваивать (согласно аппноту), чтобы получить больше пропускной способности. Именно так и были запитаны чёрные клапаны (наиболее прожорливые), на минимальной конфигурации системы полива, где одной платы управления нагрузками хватает в самый раз.
Что касается основного контроллера, то его крепежные отверстия были расположены так, чтобы можно было механически и электрически соединить его сразу с силовым драйвером, расположив один над другим, с расстоянием между плат в пару сантиметров. Были сомнения, относительно электромагнитных наводок с одной платы на другую, по воздуху.
На основной, системный насос, поскольку он имеет приличную инерцию и мощность, в паре-другой сантиметров от мотора был поставлен ультрабыстрый диод в обратной полярности, чтобы гасить обратное напряжение (fly back diode). Насос, ввиду хорошего потребляемого тока, был запитан не напрямую в силовой драйвер, а через полевой транзистор, затвор которого уже подключен к силовому драйверу.
На клапанах и дозаторах, подключенных напрямую к L6205PD силового драйвера проводились эксперименты с быстрым (десятки раз в секунду) включением и выключением, без обратных диодов. Ничего не погорело, несмотря на опасения (особенно по части соленоидов клапанов).
Мой капельный полив-2 или ремонтируем китайский таймер — дачный участок — медиаплатформа миртесен
В прошлом году уже писал о системе капельного полива и сказал, что для большей эффективности желательна установка не менее 2-х таймеров, с подключением не более 6-ти узлов с 3-мя ветвей полива каждый на один таймер. Так и сделал, правда таймеры купил несколько другого типа, дисплейных не нашёл, взял то, что было.
Сразу оговорюсь, что подобные таймеры есть шаровые и с прижимным клапаном и если шаровые могут быть использованы, как в самотечных системах, т.е. от бочки, то с прижимным клапаном в самотечных работают не важно, им нужен ощутимый напор.
Дело в том, что таймеры эти китайского производства, инструкций к ним или нет совсем, или написаны очень невнятно, или они англоязычные. И самое смешное, что бывает нет ни какой маркировки, ни на корпусе, ни на упаковке, а продавцы сами часто мало понимают, что на прилавке лежит, мол разбирайся сам, как знаешь.
Одним словом купил (не на рынке в ларьке, в магазине садово-дачных принадлежностей за 1200 р.), вставил батареи и понял, что прибор не работает. Индикатор мигает, в корпусе что-то коротко жужжит, а срабатывания не происходит, клапан не открывается. Замену произвести возможности нет, т.к. и чека уже нет, и успел запачкать. Решил попробовать сам как-то привести аппарат в чувство и вот делюсь полученным опытом, может кому-то это пригодится.
..
Имеем вот такой таймер, питающийся от двух батарей ААА R03 1,5V. Справа продолжительность полива — от 1 мин. до 2-х часов, слева периодичность включений от 1 до 72-х часов, т.е. 3-х суток, впрочем можно и неделю (Week), есть такое положение. Кстати, при первом включении и установке левого регулятора на 1, отключение происходит через 1 мин. (видимо для проверки, история об этом умалчивает), в дальнейшем 1 означает один час, 2 — два часа и т.д. И так начинаем курочить китайскую «технику». Первым делом вывинчиваем крепёж. Два винта на виду, а третий заклеен. Вырезаем окошко и вывинчиваем его.
После чего снимаем верхнюю панельку с ручками и часовым чипом. И что же мы видим…!
Микроэлектродвигатель, тот самый, который приводит в движение шестерёнку, на которой установлен эксцентрик, открывающий и закрывающий водяной клапан (покажу ниже), стоит сикось-накось…
ВСЁ! Устанавливаем панельку с чипом на место и крепим винтами.
Теперь можно проверить работоспособность этой китайской «машинерии». Соблюдая полярность ставим два элемента ААА R03, выставляем обе ручки сначала в положение: — правая — OFF (выкл.), левая — Reset (сброс), затем обе ручки переводим в положение 1 (Min./Hour), при этом индикатор начинает мигать (при установке элементов — один раз, при выставлении программы полива — три раз и в корпусе слышен щелчок. Это двигатель провернул шестерёнку, эксцентрик и отпустил водяной клапан. Через минуту опять слышен щелчок, клапан закрылся. Следующее срабатывание будет уже через 1 час или тогда, когда вам это надо, через сутки, если установите 24, через двое суток — 48, ну и т.д.
Однако вполне возможна и другая неисправность. Видел на You Tube, как один дачник-неудачник учил составлять претензию продавцу на неработающий китайский таймер.
Вот эта пружинка, прижимающая водяной клапан, была вставлена кое-как и клапан при повороте эксцентрика не прижимался, вот и вся неисправность. Что надо было сделать… Разумеется сначала проделать все операции см. выше. Затем отпустит два вот этих винта
и снять узел с шестерёнкой, освободив доступ к водяному клапану.
Клапан я уже показал. Поправить пружинку, поставить на место узел и собрать всё в обратном порядке.
Как видите, устройство просто, как мычание. Весь ремонт у меня занял минут 20 — 30. Можно конечно сказать, что не надо покупать китайское (сами понимаете что), тогда и морочится не придётся, но другого-то нет. Можно бегать с лейкой или со шлангом, можно ставить бутыли на градках, можно и в ручную открывать и закрывать вентели… Много чего можно. Можно и претензии писать, а можно и починить. Теперь всё работает, как надо. Если кому-то пригодились мои советы, то я этому очень рад. Успехов…
