POLISH ACADEMY OF ARTS AND SCIENCES COMMISSION ON AGRICULTURAL, FORESTRY AND VETERINARY SCIENCES No. 22 2015 UTILIZATION OF AGRICULTURAL AND FOREST MACHINERYIN RESEARCH AND TEACHING MONOGRAPH VOLUME 5 KRAKÓW 2015
Editorial Board Prof. William R. Allen United Kingdom of Great Britain Prof. Zdzisław Boryczko Poland Prof. Edward Kudlač Czech republic Prof. Valéria Mesingerová Slovak republic Prof. Marian Tischner Poland Prof. Józef Walczyk Poland Prof. Stefan Wierzbowski Poland Scientifie Editor Prof. dr hab. Józef Walczyk Reviewers Prof. dr hab. Piotr Budyn Prof. dr hab. Maria Walczykova Prof. dr hab. Józef Walczyk Prof. dr hab. Piotr Zalewski Dr hab. Krzysztof Słowiński Dr hab. Paweł Tylek Abstracts proofreading in English Agnieszka Gicala Publishing House PAU, ul. Sławkowska 17 31-016 Kraków Copyright by Polish Academy of Arts and Sciences Cracow 2015 ISSN 1733-5183 Polska Akademia Umiejętności Kraków 2015 Editor sheets.printing sheets Issue 300 copies Oficyna Wydawniczo-Drukarska Secesja 31-016 Kraków, ul. Sławkowska 17
POLISH ACADEMY OF ARTS AND SCIENCES No. 22 COMMISSION ON AGRICULTURAL, FORESTRY AND VETERINARY SCIENCES 2015 1.3. AUTOMATION OF MEASUREMENT PARAMETERS ON THE HAB T-1 SPRINKLER PLATFORM PRODUCED BY BCC AB IN THE NĘDZA NURSERY FARM 1 Abstract The paper presents the possibility of modernising the plant sprinkler irrigation system based on a sprinkler platform of the type: HAB T-1 produced by BCC AB (Sweden), operating in the Nursery Farm in Nędza. In the standard solution, the measurement of water supplied to seedlings via the sprinkler platform is performed using a mechanical collective water meter, which serves several platforms. The ph level is monitored periodically in the lab, and conductance is monitored using a manual conductivity meter. Measurements made in this way are tiresome and characterised by high inaccuracy; they do not allow supervision of the parameters of water consumption and water quality in the long term. The solution proposed in the present study was to use a water consumption sensor coupled with a data transmission system, which was done by radio while the level of ph and conductance were controlled via a system of sensors and the CPC-461 recorder, manufactured by Elmetron. The system of control of sprinkler water quantity and quality parameters turned out to be a relatively cheap solution, which facilitated the monitoring of the sprinkler system in real time, as well as allowed for obtaining information about operation of the system at any time. Keywords: fertigation, container nursery, driver, seedling AUTOMATYZACJA POMIARU PARAMETRÓW CIECZY ROBOCZEJ NA RAMPIE DESZCZUJĄCEJ TYPU HAB T-1 FIRMY BCC AB W GOSPODARSTWIE SZKÓŁKARSKIM NĘDZA Streszczenie W pracy przedstawiono możliwość unowocześnienia systemu deszczującego opartego o rampę deszczującą typu HAB T-1 produkcji BCC AB (Szwecja), funkcjonującego w Gospodarstwie Szkółkarskim w Nędzy. W standardowym rozwiązaniu pomiar wody dostar- 1 Authors: Mariusz KORMANEK, Grzegorz DURŁO, Krystyna JAGIEŁŁO-LEŃCZUK, Stanisław MAŁEK, Jacek BANACH, Katarzyna DUDEK, Józef BARSZCZ; Agricultural University in Cracow rlkorm@cyf-kr.edu.pl
32 M. Kormanek, G. Durło, K. Jagiełło-Leńczuk, S. Małek, J. Banach, K. Dudek, J. Barszcz czanej sadzonkom przy użyciu rampy deszczującej odbywa się przy pomocy mechanicznego wodomierza zbiorczego obsługującego kilka ramp. Poziom ph monitorowany jest natomiast okresowo w laboratorium, a konduktancja za pomocą ręcznego konduktometru. Pomiary wykonywane w ten sposób są uciążliwe i obarczone dużą niedokładnością, nie umożliwiają również prowadzenia kontroli parametrów zużycia i jakości wody w dłuższym okresie czasu. Rozwiązanie zaproponowane w pracy polegało na zastosowaniu czujnika zużycia wody sprzężonego z układem transmisji danych, która odbywała się drogą radiową, zaś poziom ph i konduktancja były kontrolowane zespołem czujników i rejestratorem CPC-461, produkowanym przez firmę Elmetron. Zastosowany system kontroli parametrów ilości i jakości wody deszczującej okazał się stosunkowo tanim rozwiązaniem, które ułatwiło monitorowanie systemu deszczującego w czasie rzeczywistym, jak również pozwalało uzyskać informacje o pracy urządzenia w dowolnym momencie. Słowa kluczowe: fertygacja, szkółka kontenerowa, sterownik, sadzonka Wstęp Sukces produkcji w szkółkarstwie kontenerowym zależy od jakości i pochodzenia materiału nasiennego, parametrów substratu, warunków wilgotnościowych oraz składu i dawkowania nawozów. Dostarczanie wody odbywa się zwykle przez deszczownie od góry systemem ruchomych ramp deszczujących [Mathers i in. 2005]. Kontrola ilości zużytej wody przez system deszczujący odbywa się z reguły wodomierzem zainstalowanym w zbiorczym systemie pompującym. W tym przypadku wodomierz rejestruje globalne zużycie wody na wszystkich polach produkcyjnych, bez możliwości przypisania jej zużycia dla poszczególnych pól (ramp deszczujących). Ilość wody dostarczanej przez rampy wyliczana jest na podstawie czasu pracy poszczególnych segmentów, ciśnienia w instalacji oraz liczby i typu głowic zraszających. Wyliczane w ten sposób wartości mogą się różnić od rzeczywistej ilości zużytej wody ze względu na możliwe wahania ciśnienia w instalacji zasilającej, zużycie lub niedrożność końcówek zraszających oraz nieszczelności na poszczególnych odcinkach systemu transportującego wodę. Stosowanie systemów pomiarowych z indywidualnymi wodomierzami analogowymi jest z kolei kłopotliwe, ze względu na konieczność notowania zużycia wody po zakończeniu cyklu deszczowania. Inne parametry, które w przypadku wody używanej do zraszania sadzonek są kontrolowane wyrywkowo. Pierwszy to konduktancja określająca przewodność eklektyczną wody. Ten parametr służy do monitorowania stężenia roztworu, składającego się z nawozu i wody. Drugi parametr to ph wody dostarczanej roślinom. Monitoring konduktancji odbywa się zazwyczaj przy rozpoczęciu cyklu nawożenia i regulacji zespołu dozującego nawóz. Pomiar wykonuje się konduktometrem ręcznym w wodzie pobranej do pojemnika z ostatniej dyszy na rampie (ryc. 1). Pomiar ph wody odbywa się z kolei w próbkach wody gromadzonych w plastikowych zbiornikach, przekazywanych następnie do laboratorium.
Automation of measurement parameters on the Hab T-1 sprinkler platform produced by... 33 Ryc. 1. Sposób pomiaru konduktancji wody z nawozem pobranej z rampy deszczującej (fot. M. Kormanek) Trudności związane z oznaczaniem tych parametrów zasugerowały potrzebę unowocześnienia pomiaru parametrów ilości oraz jakości wody w wielosekcyjnych systemach nawadniania, w oparciu o takie rozwiązania techniczne, które ułatwiłyby pracę osobom nadzorującym system nawadniania sadzonek na polach produkcyjnych. Celem pracy był pomiar parametrów oraz ilości wody dostarczanej sadzonkom na jedno pole produkcyjne przy użyciu rampy deszczującej HAB T-1 firmy BCC AB (Szwecja), stosownej w Gospodarstwie Szkółkarskim Nędza w Nadleśnictwie Rudy Raciborskie. W trakcie badań założono, że określanie oraz rejestracja zużycia wody będzie odbywało się zdalnie, zaś wyniki pomiaru jakości wody deszczującej (konduktancja i ph) będą monitorowane na bieżąco, jak również zapisywane w pamięci urządzenia rejestrującego. Materiały i metody Rampa deszczująca pracująca na szkółce kontenerowej w Nędzy, na której zamontowano układ pozwalający na kontrolę parametrów cieczy roboczej to dwuramienna sekcja typu HAB T-1 szwedzkiej firmy BCC AB, stabilizowana stalowymi odciągami oraz pylonem. Długość pojedynczego ramienia wynosi 12,5 metra, a na
34 M. Kormanek, G. Durło, K. Jagiełło-Leńczuk, S. Małek, J. Banach, K. Dudek, J. Barszcz każdym zainstalowanych jest 30 trójdyszowych głowic zraszających oraz 2 skrajne głowice podające dodatkową ilość wody sadzonkom zlokalizowanym na brzegu pola produkcyjnego (ryc. 2). Ryc. 2. Rampa deszczująca BCC w Gospodarstwie Szkółkarskim Nędza, nadleśnictwo Rudy Raciborskie (fot. M. Kormanek) Do kontroli ilości wody przepływającej przez rampę deszczującą wykorzystano czujnik obrotowy typu GS4 WFS model SEN02142B firmy Seedstudio z przetwornikiem hallotronowym (ryc. 3a), który zainstalowano w rurze głównej o średnicy 2 cale (ryc. 3b), zasilającej w wodę system nawadniania pola. Informacje z czujnika przesyłane były do układu przetwornika zliczającego obroty czujnika obrotowego, a następnie mikroprocesorowego rejestratora Neptun, zaopatrzonego w łącze radiowe oraz modem z kartą telemetryczną, który przesyłał dane na stronę internetową (interfejs użytkownika). Dane z czujnika były zapisywane w pamięci i były również dostępne on-line. Zastosowanie takiego systemu pomiarowego wymusiła potrzeba bieżącego monitorowania ilości zużytej wody, jak również kontroli i porównania z zaplanowanym harmonogramem deszczowania. Czujnik przepływu wody wraz z rejestratorem zamontowano na złączu zasilającym, połączonym z rampą deszczującą elastycznym wężem. Trudności z zainstalowaniem układu pomiarowego bezpośrednio na wózku rampy główni związane były z brakiem dostępu do źródła zasilania prądem elektrycznym, jak również możliwością występowania zakłóceń w transmisji danych przy przemieszczaniu się rampy deszczującej. Zastosowany sposób montażu urządzenia pomiarowego uwzględniał także do-
Automation of measurement parameters on the Hab T-1 sprinkler platform produced by... 35 datkowy aspekt, tj. łatwy dostęp, niezależnie od aktualnego położenia rampy na polu produkcyjnym, umożliwiający szybki demontaż w przypadku awarii czujnika. Dla zapewnienia sprawnego demontażu, czujnik zamocowano w układzie za pomocą złączy typu GEKA. a b Ryc. 3. Czujnik pomiaru wody w rampie deszczującej a oraz sposób montażu czujnika b (fot. M. Kormanek) System pomiaru ph oraz konduktancji oparto o urządzenie pomiarowe CPC-461 firmy Elmetron z Zabrza, wyposażone w sondę ph oraz konduktometr, jak również zintegrowany czujnik temperatury cieczy, na podstawie którego korygowano bieżące wskazania układu pomiarowego (ryc. 4). Podobnie jak w przypadku pomiaru zużycia wody nie ingerowano w układ rozprowadzania cieczy na rampie deszczującej. Czujniki pomiarowe wraz z armaturą włączono w istniejący system za pomocą złączy GEKA i układu typu bajpas. Takie rozwiązanie pozwalało na odłączenie systemu pomiarowego w dowolnym momencie bez konieczności przerywania pracy rampy deszczującej. Rejestrator CPC-461 na wyświetlaczu alfanumerycznym przedstawiał bieżące wartości odczynu, konduktancji oraz temperatury, jak również zapisywał je w pamięci urządzenia o pojemności 2000 rekordów dla każdego kanału. Cały układ pomiarowy wraz z armaturą zamontowany został na tablicy z płyty OSB, która przytwierdzono do wózka rampy deszczującej. Takie rozwiązanie wymusiło konieczność kontroli przewodności wody za urządzeniem DOSATRON D8R dozującym nawóz, które było zamontowane na wózku rampy deszczującej.
36 M. Kormanek, G. Durło, K. Jagiełło-Leńczuk, S. Małek, J. Banach, K. Dudek, J. Barszcz Ryc. 4. System monitorowania ph oraz konduktancji zamontowany na wózku jezdnym rampy deszczującej na szkółce w Nędzy (Nadleśnictwo Rudy Raciborskie) (fot. G. Durło) Wyniki i podsumowanie Zastosowanie układu pomiarowego zużycia wody pozwala osobie nadzorującej deszczowanie sadzonek na polach produkcyjnych na śledzenie na ekranie interfejsu użytkownika bieżącego zużycia wody (ryc. 5). Ryc. 5. Interfejs użytkownika kontroli pracy urządzenia deszczującego (strona www)
Automation of measurement parameters on the Hab T-1 sprinkler platform produced by... 37 Stwarza również możliwość uzyskania informacji o przebiegu deszczowania w określonym czasie, np. dzień, tydzień, miesiąc, itp. Poza kontrolą bieżącej pracy rampy istnieje również możliwość kontroli pracy osób obsługujących system deszczujący (ryc. 6). Na podstawie wskazań systemu monitorującego można także na bieżąco kontrolować i regulować dozowanie nawozu podawanego wraz z wodą na pole produkcyjne, bez konieczności pobierania próbek roztworu i ich weryfikacji w laboratorium (ryc. 7). Dane z urządzenia rejestrującego po przekopiowaniu do komputera (możliwe formaty: txt, dbf lub xml ) dają możliwość przeglądania danych w blokach serii (ryc. 8), a po zintegrowaniu w dowolnym kroku czasowym pozwalają na kontrolę parametrów jakości wody deszczującej w dowolnym momencie pracy układu. Ryc. 6. Przykładowy raport miesięczny (sierpień 2015 r.) uwzględniający objętość wody przepływającej przez rampę deszczującą według wskazań przepływomierza oraz opad deszczu zmierzony deszczomierzem Ryc. 7. Widok na ekran rejestratora CPC-461 firmy Elmetron w trakcie kontroli wskazań oraz interfejs graficzny z monitora komputera przenośnego w trakcie analizy serii danych pomiarowych
38 M. Kormanek, G. Durło, K. Jagiełło-Leńczuk, S. Małek, J. Banach, K. Dudek, J. Barszcz Ryc. 8. Zapis serii danych w pamięci rejestratora CPC-461 firmy ELMETRON Przy zastosowaniu podstawowej analizy statystycznej można łatwo ocenić stabilność parametrów cieczy roboczej (odchylenie, wariancja) w dłuższym okresie czasu np. w tygodniu lub miesiącu, jak również stwierdzić, czy system dozujący nawóz działał poprawnie (ryc. 9). Ryc. 9. Przebieg zmian ph oraz konduktancji w trakcie nawadniania w sierpniu 2015 r. na polu produkcyjnym nr 3, gatunki iglaste (sosna, świerk) na szkółce Nędza
Automation of measurement parameters on the Hab T-1 sprinkler platform produced by... 39 Wnioski Produkcja dużej liczby sadzonek drzew leśnych w szkółkach kontenerowych implikuje konieczność stosowania automatyzacji programów kontroli jakości cieczy roboczej, dostarczanej na pola produkcyjne. Dotyczy to zarówno optymalizacji gospodarowania wodą, jak również kontroli nawożenia i utrzymania stabilnych parametrów cieczy roboczej w trakcie całego okresu wegetacyjnego [Bilderback 2002, Lea-Cox 2012]. Zastosowane w sezonie wegetacyjnym 2015 rozwiązanie techniczne w zakresie monitorowania parametrów wody deszczującej w gospodarstwie szkółkarskim Nędza w Nadleśnictwie Rudy Raciborskie okazało się stosunkowo proste w realizacji. Koszt urządzeń nie było wysoki zważywszy, że możliwe jest rozbudowanie systemu do monitorowania innych ramp deszczujących w oparciu o zaproponowany sterownik. System działa w oparciu o łatwo dostępne na rynku elementy składowe (czujniki, rejestratory, interfejsy), daje możliwość kontroli pracy pojedynczej rampy deszczującej w dowolnym kroku czasowym. Dodatkowe zalety automatycznego systemu kontroli przepływu oraz jakości cieczy roboczej to monitorowanie jakości wody deszczującej, regulacja dawkowania nawozu, szybkie wykrycie awarii lub nieprawidłowości w działaniu rampy deszczującej, jak również systemu dozującego nawóz do wody deszczującej. Źródło finansowania Badania zostały wykonane w ramach tematu Optymalizacja produkcji sadzonek z zakrytym systemem korzeniowym w wybranych szkółkach kontenerowych (temat nr ER 2717 4/14) finansowanego przez Państwowe Gospodarstwo Leśne Lasy Państwowe. Literatura Bilderback T., E. 2002. Water management is key in reducing nutrient runoff from container nurseries. HortTechnology. 12(4), 541-544 Feliksik E., Durło G. 2004. Climatological characterisation of the area of the Carpathian Regional Gene Bank in the Wisła Forest District. Dendrobiology, 51, 43-51. Lea-Cox J.,D. 2012. Using Wireless Sensor Networks for Precision Irrigation Scheduling. [W:] M. Kumar (red.) Problems, Perspectives and Challenges of Agricultural Water Management. InTech, 233 258. Matherst H., M., Yeager T., H., Case L., T. 2005 Improving irrigation water use in container nurseries. HortTechnology. 15(1).812.