В Садово-архитектурном колледже в Санкт-Петербурге учат озеленению, растениеводству, флористике и ландшафтному строительству. Без теплиц тут никак. И теплицы есть. Причем недавно на месте старых построили новые: они выше, со стеллажами и современным оборудованием. В колледже их называют умными: автоматика здесь управляет отоплением, проветриванием, досвечиванием, гидропоникой и поливом.

Комплекс проектировала, оборудовала и автоматизировала компания «Фито Смарт». С 2017 года она занимается теплицами и лабораториями для вузов, научных центров и частных заказчиков, в том числе для Тимирязевской академии. Таких проектов у нее уже больше сорока. Автоматику в теплицах колледжа делал инженер компании Илья Демин. Вместе с ним мы и приехали на экскурсию. Пойдемте посмотрим.

Разговор с Ильей начался с того, что мы заметили, как нам показалось, баг: солнцезащитные экраны развернуты, а светильники досвечивания при этом горят.

Баг оказался фичей, но об этом ниже.

О комплексе

Колледж работает с 1974 года, а усадьбу, где стоят теплицы, получил в 2008-м. Теплицы перестроили в рамках капитального ремонта и сдали в январе 2023 года.

Тепличный комплекс занимает 520 м² и объединяет оранжерейную и учебно-производственную зоны. Здесь проходят практику студенты специальностей «Флористика» и «Садово-парковое и ландшафтное строительство». Приходят сюда и школьники с дошкольниками на мастер-классы.

В оранжерее растут цитрусовые, кактусы и суккуленты, а в учебных теплицах выращивают огурцы, томаты и однолетние цветы. Мы приехали в августе, когда овощи уже собрали, и на стеллажах остались только цветы.

Еще в комплексе есть камера проращивания семян и холодильная камера для саженцев.

Как устроена автоматизация

Архитектура

Система автоматизации управляет:

• технологическими установками (растворные узлы, гидропонные установки, полив);

• климатическими установками (отопление, проветривание, испарительное охлаждение и увлажнение);

• приводами солнцезащитных экранов.

Четыре теплицы разделены на семь климатических зон: разным культурам нужны свои режимы полива, освещения, температуры и влажности. Это усложняет задачу.

Управляет всем этим ПО AGRO RIGHT разработки «Фито Смарт»: бэкенд на TypeScript и NestJS, база данных PostgreSQL с TypeORM. Это одновременно инструмент технолога, в котором составляют технологические карты, SCADA-система и АРМ (автоматизированное рабочее место) оператора. Работает софт под Linux на ПК с Core i5-12400, 16 ГБ памяти и RAID-массивом из двух дисков по 2 ТБ. «Никаких скрытых платежей и подписок: купили — и оно у вас крутится локально. Вы не зависите ни от нас, ни от облаков. Хотите — обновляетесь, хотите — нет», — говорит Илья. Есть и удаленный доступ к интерфейсу AGRO RIGHT.

С оборудованием ПО напрямую не работает: средний уровень — два контроллера Wiren Board 7. К ним подключены 642 периферийных устройства: датчики, исполнительные механизмы и технологическое оборудование. С AGRO RIGHT контроллеры связаны по Ethernet, данные идут через MQTT-брокеры на самих контроллерах. За обмен с устройствами отвечают «коробочные» драйверы и сервисы контроллеров, основной протокол — Modbus RTU поверх RS-485. Линий RS-485 пять: по одной в каждую теплицу и одна к метеостанции на крыше.

Есть и беспроводная связь: светильники досвечивания подключены по Zigbee через четыре шлюза JetHome JetHub H1. С контроллерами шлюзы тоже связаны по Ethernet, через MQTT.

Оборудование автоматизации смонтировано в 32 щитах управления (оцените масштаб):

Еще фото щитов

Интерфейс пользователя

Оператор работает в веб-интерфейсе AGRO RIGHT, он адаптирован и под смартфоны: «Все пользуются с личных мобильных», — говорит Илья.

Еще экраны интерфейса

Все алгоритмы определяет технологическая карта, ее привязывают к группе оборудования. Агроном делит выращивание на стадии и для каждой указывает длительность в днях, требуемые параметры микроклимата, досвечивания и расписание полива.

У «Фито Смарт» есть типовые карты для огурцов, томатов и салатов, но в колледже составляют свои — в этом и смысл обучения.

Как задаются параметры фаз

Контроль параметров микроклимата

Температуру и влажность воздуха, концентрацию CO₂ и освещенность в зонах контролируют во многих точках.

Температуру и влажность в каждой зоне измеряют восемь датчиков ОВЕН ПВТ-100, причем хитро: они стоят в вентилируемых ячейках.

В ячейке датчик защищен от солнечных лучей, а сильный поток воздуха повышает точность измерений.

Еще в теплицах стоят комбинированные датчики WB-MSW v.4 с сенсорами освещенности и CO₂. А температуру и влажность наружного воздуха, инсоляцию, скорость и направление ветра и осадки измеряет уличная метеостанция MISOL.

Солнцезащитные экраны

С этим сталкивается любой садовод: в солнечный день и теплица перегревается, и растения «горят». Чтобы этого избежать, в теплицах смонтированы солнцезащитные экраны с электроприводами.

Если в технологической карте предусмотрена защита от солнца, экраны разворачиваются при определенной освещенности. Если нет — ими управляют вручную. «Чаще экран перед самой жарой вручную разворачивают и забывают о нем на несколько месяцев», — говорит Илья.

Электроприводами экранов управляют релейные модули WB-MRPS6/S.

Так зачем закрываться от солнца и при этом включать светильники досвечивания? В чем фича, о которой мы обещали рассказать в начале статьи? На стеллажах верхние ярусы затеняют нижние, и растениям внизу не хватает солнца. Поэтому даже в солнечный день часть светильников горит.

Дестратификация

Дестратификация — это просто перемешивание воздуха, чтобы выровнять его температуру и влажность. Для этого и нужен вентилятор на фото выше. Такие вентиляторы включаются периодически: например, 5 минут работают, 10 стоят. Режим выбирает агроном: работу вентиляторов можно привязать к технологической карте, а можно — к конкретной линии или установке.

Проветривание

Проветривание охлаждает теплицы и снижает влажность воздуха.

Теплицы проветривают через фрамуги с реверсивными мотор-редукторами. В каждой зоне три группы фрамуг — верхние левые, верхние правые и нижние.

Моторы подключены к релейным модулям WB-MR6C v.2. Крайние положения фрамуг отслеживают концевые выключатели на входах тех же модулей.

Отопление

Отопление теплиц центральное. Это, наверное, самая важная система, и к ее бесперебойной работе особые требования.

Отопительные приборы здесь — гладкие регистры, стальные панельные радиаторы и тепловентиляторы.

Радиаторы греют административные помещения. Их регулируют термостатические головки, с автоматикой они никак не связаны.

Регистры подогревают светопрозрачные конструкции, чтобы на них не оседал конденсат. Влажность в теплицах высокая, и даже у самых качественных стеклопакетов внутренняя поверхность оказывается холоднее точки росы.

Один регистр расположен в коньке теплиц: «Зайдите в любую частную теплицу без верхнего отопления — там обязательно будет капель», — говорит Илья.

А температуру в климатической зоне поддерживают тепловентиляторы.

Теплоотдачу регистров регулируют количественно: на их трубопроводах стоят вентили с пропорциональным управлением 0–10 В и обратной связью (ОС) токовым сигналом. Цепи управления подключены к модулю WB-MAO4, обратная связь — к WB-MAI2-mini/CC. По ОС видно, в каком состоянии система отопления. Если вентиль открыт полностью, а температура не растет, значит, проблема с теплоносителем. А если сигнал на открытие подан, но обратная связь не меняется, то неисправен привод.

У тепловентиляторов регулируются и обороты EC-двигателя сигналом 0–10 В, и расход теплоносителя через калорифер: на нем стоит вентиль с электроприводом, но уже трехточечным. Вентиляторы тоже подключены к WB-MAO4, а приводы вентилей — к релейным модулям WB-MRPS6/S.

Охлаждение и увлажнение воздуха

Обе задачи решает одна система: испаряясь, вода всегда охлаждает воздух. Здесь стоит форсуночная система среднего давления: туманообразователи «Вихрь-4» (В-4) и настенные увлажнители ГТ-1.6. В больших промышленных теплицах обычно ставят системы высокого давления с более мелким распылом, но они очень дорогие. Разница со средним давлением, по словам Ильи, «как между жигулями и феррари». Чтобы ее сгладить, форсунки выбрали одни из самых мелких среди моделей среднего давления.

Давление повышают два насосных узла. Семь электромагнитных клапанов подключены через реле WB-MRPS6/S и открывают подачу воды к форсункам климатических зон. Водоподготовка у этих узлов общая с остальным технологическим оборудованием.

Технология

Ну и главное — управление самим выращиванием: приготовление питательного раствора и его подача растениям.

Приготовление питательного раствора

Исходную воду готовят в установках обратного осмоса. В систему автоматизации они не интегрированы, учитывается только расход сырой и подготовленной воды — водосчетчиками с импульсным выходом.

Питательный раствор смешивают в четырех одинаковых узлах дозирования.

Перистальтические насосы добавляют в подготовленную воду концентрированные компоненты. Чем больше насосов, тем больше компонентов можно смешать.

Промышленные теплицы обычно работают не с отдельными компонентами, а с готовыми смесями концентратов. Даже для одной культуры одной смесью не обойтись: некоторые вещества в концентрированном виде химически несовместимы. Поэтому чаще всего работают по схемам A/B (две смеси) или A/B/C (три смеси), а кислотный и щелочной реагенты для регулирования pH дозируют отдельно. Состав питательных веществ в таких системах агроном задает заранее, когда составляет смеси концентратов.

Но в колледже выращивают самые разные растения и постоянно экспериментируют с рецептурой. Поэтому узлы дозирования здесь — высший пилотаж: в каждом по 15 перистальтических насосов. Узел работает с монокомпонентами (калий отдельно, азот отдельно и т. д.), дозирует в раствор регуляторы роста и меняет рецептуру автоматически, на ходу. И, конечно, может работать по схемам A/B и A/B/C.

Как готовят раствор? Узел набирает воду в свой бак, измеряет pH и электропроводность (EC), вносит компоненты по рецепту и корректирует pH. Готовый раствор уходит в бак гидропонной установки.

Со временем состав раствора меняется: растения потребляют воду и питательные вещества с разной скоростью, и соотношение веществ сбивается. Тогда раствор заменяют.

Делают это автоматически, по датчику уровня в баке или просто по времени. Узел откачивает остатки раствора из бака гидропонной установки к себе, измеряет его pH и EC (эти данные нужны агроному) и сливает в канализацию. Затем промывает установку и готовит новую порцию.

Растворным узлом управляет щит ЩРУ.

Два 16-канальных релейных модуля WBIO-DO-R1G-16 включают перистальтические насосы. На два модуля дискретных входов WBIO-DI-WD-14 заведены датчики уровня, импульсный счетчик воды и датчик протечки. Насосы узла включает релейный модуль WB-MRPS6/S. Токовые сигналы с датчиков pH и EC принимает WB-MAI2-mini/CC, а температуру раствора измеряют датчики с интерфейсом 1-Wire, подключенные через преобразователь интерфейсов WB-M1W2.

Гидропоника

На стеллажи раствор подает свой насос, он же отвечает за циркуляцию раствора между баком и стеллажом.

Циркуляция запускается по датчику влажности субстрата.

В баке гидропонной установки стоят три бесконтактных датчика уровня: нижний, рабочий и верхний. Нижний и верхний нужны, чтобы наполнять и опустошать бак, а рабочий защищает насосы от сухого хода.

Всем этим управляет щит ЩГ. Релейный модуль WB-MR3LV/I в нем отвечает за приводы слива и залива раствора и циркуляционный насос. Датчики уровня подключены к его дискретным входам. Модуль WB-MAI2-mini/CC принимает сигнал 4–20 мА датчика влажности субстрата ComWinTop.

Капельный полив

Капельный полив кадочных растений устроен проще. Насос поддерживает давление в общем трубопроводе, а клапан нужной зоны открывается и пропускает воду к капельницам. Программа знает число капельниц в зоне и производительность одной капельницы и пересчитывает объем из технологической карты в длительность полива.

В щитах капельного полива ЩУК четыре зональных клапана открывает WB-MR6CU v.2, еще два его канала в резерве. Показания четырех датчиков влажности субстрата поступают на WB-MAI6.

Еще о поливе

Мобильные фитостены

В каждой мобильной фитостене установлен насос, который подает воду на все ярусы, и датчик защиты от сухого хода. Шестью насосами управляет WB-MR6C v.2 в щите ЩУМФ, датчики подключены к его дискретным входам.

Еще фото полива и растворного узла

Что дальше

«Фито Смарт» делает следующий шаг: компания разрабатывает самоходную платформу с камерой, которая будет перемещаться между стеллажами. Актуатор будет наводить камеру на растения и снимать их со всех сторон, чтобы построить 3D-модель растущего растения. Такие модели нужны селекционерам при выведении новых сортов. Когда платформа будет готова, мы обязательно к ним приедем и обо всем расскажем.