Problemy niedoboru wody rozwiązane dzięki zaawansowanemu nawadnianiu w rolnictwie

W ciągu ostatniej dekady urządzenia do sterowania nawadnianiem w rolnictwie stały się coraz bardziej zaawansowane. Obecnie wielu hodowców zastąpiło tradycyjne programatory czasowe i regulatory hydrauliczne zaawansowanymi komponentami sterującymi i komponentami łączności, zaadaptowanymi z komponentów do zastosowań przemysłowych - w tym systemami wykorzystującymi programowalne sterowniki logiczne (PLC), komputery przemysłowe i coraz bardziej ekonomiczne komponenty automatyki z możliwością łączenia się z powszechnymi przemysłowymi protokołami komunikacyjnymi. Wspomniane sterowniki i komponenty mogą odbierać dane ze źródeł takich jak czujniki wilgotności gleby, stacje meteorologiczne i czujniki zamarzania, aby w czasie rzeczywistym adaptacyjnie sterować systemami cyfrowego rolnictwa.

Co więcej, te zaawansowane systemy sterowania nawadnianiem stają się obecnie bardziej przystępne cenowo, nawet mimo coraz inteligentniejszego wykorzystania danych do optymalizacji nawadniania.

Ilustracja 1: firma Toro zajmująca się sprzętem do pielęgnacji terenów zielonych i upraw rolnych sprzedaje systemy nawadniania dla rolnictwa Tempus Automation, które wykorzystują łączność 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth. Stacja bazowa pozwala hodowcom sterować zaworami i urządzeniami monitorującymi w promieniu do 1,6km. Zasięg można łatwo zwiększyć, dodając kolejne stacje bazowe, które mogą być zasilane energią słoneczną lub przewodowo. (Źródło ilustracji: The Toro Co.)

Oszczędzanie wody staje się coraz bardziej konieczne, ponieważ klimat się ociepla, niektóre regiony stają się bardziej suche, wzrasta liczba ludności, a warstwy wodonośne ulegają wyczerpaniu. W rzeczywistości woda może wkrótce stać się głównym zasobem krytycznym, który w XXI wieku nabierze większego znaczenia geopolitycznego niż ropa naftowa - być może nawet wywoła wojny przyszłości. Na Bliskim Wschodzie już od dawna występują problemy niedoboru wody. Od czasu narodzin cywilizacji region ten stawał się coraz bardziej suchy i obecnie utrzymuje 5% ludności świata, posiadając zaledwie 1% światowych zasobów słodkiej wody.

Ilustracja 2: w nawadnianiu szklarni oraz nawadnianiu zewnętrznych upraw rzędowych opartym na systemach mikrozraszania i innych metodach kropelkowych korzysta się z zaawansowanych sterowników nawadniania. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Z biznesowego punktu widzenia niedobór wody przekłada się na wyższe ceny żywności i produktów rolnych. W ciągu ostatniej dekady ceny wody rosły szybciej niż ceny energii. Mówiąc wprost - zarówno w przypadku dużych przedsięwzięć komercyjnych, jak i nowo powstających gospodarstw rolnych, kluczowe stało się zminimalizowanie zużycia wody przy jednoczesnej maksymalizacji plonów.

Sterowane mechanizmy nawadniania i uprawy

Wymagania stawiane sterownikom nawadniania zależą od zastosowania i rodzaju systemu - czy jest on oparty na zraszaczach, nawadnianiu kropelkowym, czy na obwodach nawadniania hydroponicznego.

Ilustracja 3: czujniki dwutlenku węgla z serii T3000 mają obudowy o stopniu ochrony IP67 odporne na wilgoć, zabrudzenia i kontakt z nawozami w wewnętrznych uprawach wertykalnych. Sygnały zwrotne z tych czujników mogą być wykorzystane do zautomatyzowania procesów nawadniania hydroponicznego i fertygacji. (Źródło ilustracji: Amphenol Telaire)

Nawadnianie roślin uprawianych w szklarniach można ściśle kontrolować. Dzięki odgrodzeniu się od zmienności środowiska zewnętrznego, można stale utrzymywać optymalne światło, nawodnienie, nawożenie i skład gleby w granicach tolerancji. Nawadnianie jest zawsze oparte na zbiorniku wyposażonym w pompę i tackowym obwodzie nawadniającym, co zapewnia praktycznie zerowe straty wody przez odparowanie lub odpływ. Istnieją różne programy komputerowe do konkretnych upraw, które wykorzystują wiedzę branżową na temat cykli wzrostu gatunków roślin i preferowanych parametrów uprawy.

Ilustracja 4: dzięki obudowie o stopniu ochrony IP67 oświetlenie przemysłowe WIL w szczególności nadaje się do zastosowań wewnętrznych w rolnictwie cyfrowym. (Źródło ilustracji: Weidmüller)

W tradycyjnym rolnictwie zewnętrznym najczęściej stosowanym sprzętem nawadniającym są zraszacze, które występują zarówno w postaci małych zraszaczy trawnikowych (podobnych do tych stosowanych na trawnikach przydomowych), jak i wysokociśnieniowych zraszaczy przemysłowych zasilanych przez pompy z silnikiem elektrycznym lub wysokoprężnym. Do tych ostatnich należą potężne deszczownie liniowe zdolne do nawadniania otwartych pól o powierzchni wielu hektarów za pomocą dużych układów zraszaczy.

Inną powszechnie stosowaną w zautomatyzowanych systemach nawadniania konstrukcją do zastosowań wielkoskalowych są zraszacze pulsacyjne. Uproszczone ich warianty są również sprzedawane jako konsumenckie produkty do nawadniania trawników. W skrócie, zraszacze pulsacyjne posiadają zespół głowicy, z którego przez mechaniczne ramię wydobywa się strumień wody. Strumień ten jest wielokrotnie przecinany przez ramię i w ten sposób woda jest rozprowadzana po uprawianych roślinach. Powstałe ciśnienie i ruch mechanicznego ramienia powodują obrót głowicy, co z kolei powoduje, że zraszacz wykonuje ruch po pełnym lub częściowym łuku.

Ostatnią opcją zautomatyzowanego nawadniania upraw rolnych jest nawadnianie kropelkowe. Nawadnianie kropelkowe, niezależnie od tego, czy jest oparte na tzw. układach przeciekających rur, czy na układach głowic mikrozraszających, zmniejsza zużycie wody (zwłaszcza tej traconej na skutek parowania) poprzez dostarczanie wody bardziej bezpośrednio do stref korzeniowych roślin.

Więcej na temat rolniczych deszczowni centrycznych obrotowych oraz deszczowni liniowych

Deszczownie centryczne obrotowe stanowią zaawansowaną adaptację systemów nawadniania upraw wykorzystujących zraszacze. Są jednym z najbardziej efektywnych sposobów nawadniania dużych, otwartych pól, biorąc pod uwagę, że typowe systemy przemysłowe tego typu są w stanie objąć zasięgiem obszar o promieniu 400m o powierzchni do 50ha (125 akrów) lub więcej. Działanie deszczowni centrycznych obrotowych polega na obrocie rury systemu nawadniania (z zainstalowanymi wieloma głowicami zraszającymi) po pełnym lub częściowym łuku wokół stałego punktu obrotu. Rura jest przenoszona przez liczne wieże poruszające się na kołach po gruncie.

Ilustracja 5: do sterowania podstawowymi harmonogramami nawadniania w deszczowniach centrycznych obrotowych używane są sterowniki czasowe. Ponadto w wieżach deszczowni centrycznych obrotowych instalowane są monitory zbyt niskiego prądu nadzorujące jedną odnogę układów trójfazowych. Takie monitory zbyt niskiego prądu wykrywają zatrzymanie lub zakleszczenie wieży, zapobiegając nadmiernemu nawadnianiu w jednym miejscu. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Pomiędzy wieżami rurę nawadniającą podtrzymuje kratownica, w której rolę cięgien pełnią liny - tak jak w moście wiszącym. Opracowane w latach 40. ubiegłego wieku deszczownie centryczne obrotowe do napędzania kół pierwotnie wykorzystywały przepływ wody. Dziś znacznie częściej zdarza się, że napęd kół w takich maszynach opiera się na silnikach elektrycznych. Prędkość tych kół może być dość mała, ponieważ jeden pełny obrót deszczowni może zająć nawet kilka dni, zależnie od poleceń przesyłanych przez sterownik.

Ilustracja 6: oprogramowanie AgSense (dostępne jako aplikacja na urządzeniach mobilnych i laptopach) wykorzystuje technologie GPS i informacji zwrotnych, aby pomóc rolnikom w monitorowaniu pracy pomp nawadniających i elementów pomocniczych, statusu przepływu i ciśnienia, poziomu wilgotności gleby, warunków atmosferycznych, poziomu wody w zbiornikach (w niektórych przypadkach) oraz rejestrowaniu dowodów kradzieży. To jedno z najlepszych rozwiązań dla zautomatyzowanych deszczowni centrycznych obrotowych (ale kompatybilne również z deszczowniami liniowymi) zapewnia informacje i alarmy w czasie rzeczywistym, a nawet umożliwia zarządzanie mieszaną flotą systemów hydraulicznych i elektrycznych. Zasadniczo oprogramowanie zapewnia funkcje paneli cyfrowych przy zachowaniu kompatybilności z panelami mechanicznymi dowolnej marki o dowolnym roku produkcji. (Źródło ilustracji: Valmont Industries Inc.)

Deszczownie obrotowe są dużymi i zaskakująco złożonymi maszynami charakteryzującymi się pewnymi wyzwaniami związanymi ze sterowaniem poszczególnymi sekcjami. Wieże nie poruszają się jednakowo, ale raczej każda z nich porusza się i zatrzymuje niezależnie, aby utrzymać rurę w odpowiedniej pozycji. Duża elastyczność rury oraz elastyczność podtrzymujących ją kratownic kompensuje nierównomierny ruch wież oraz efekt naturalnych nierówności terenu.

Poszczególne sekcje wież w deszczowniach obrotowych są sterowane indywidualnie. Tradycyjnie jest to realizowane za pomocą prostych mechanizmów i łączników krańcowych. Każda sekcja może łatwo wykryć swój kąt położenia względem następnej sekcji poprzez monitorowanie pozycji dźwigni przymocowanej do następnej sekcji. Proste łączniki krańcowe mogą wtedy uruchamiać, zatrzymywać i cofać koła w zależności od względnej pozycji kątowej następnej sekcji wieży. Takie podejście jest odpowiednie do prostego hydraulicznego układu sterowania z hydraulicznie napędzanymi kołami.

Zastosowanie pistoletu rozpylającego na końcu skrajnej wieży deszczowni centrycznej obrotowej zwiększa nawadniany obszar poza fizyczną konstrukcję systemu. Przy eksploatacji ciągłej, nawadniany obszar nadal będzie mieć powierzchnię koła. Jednak przy odpowiednim sterowaniu pistoletem w deszczowni centrycznej obrotowej istnieje możliwość nawadniania obszaru w przybliżeniu kwadratowego.

(Źródło wideo: UNL Biological Systems Engineering)

Podobne do deszczowni centrycznych obrotowych są deszczownie liniowe, które również wykorzystują zraszacze. Sekcje wieży nie są w nich jednak napędzane po łuku wokół stałego punktu obrotu. Zamiast tego poruszają się w linii prostej w przód i tył. Oznacza to, że pole zasięgu deszczowni liniowych jest prostokątne, a nie kołowe. Taki obszar pokrycia może być lepiej dostosowany do istniejących układów pól i zapewniać pełniejsze pokrycie terenu. Jednak w tym przypadku sterowanie wieżami napędzanymi oraz podawaniem wody jest trudniejsze.

Ilustracja 7: system nawadniający o ruchu liniowym. Zautomatyzowane systemy wykorzystujące tego typu maszyny mechaniczne pozwalają poradzić sobie z trudnymi wyzwaniami wiążącymi się z nawadnianiem pól. (Źródło ilustracji: Getty Images)

W niektórych konstrukcjach woda jest dostarczana przez otwarty kanał wzdłuż jednej krawędzi nawadnianego obszaru lub (w alternatywnych rozwiązaniach) przez elastyczny wąż. Zastrzeżenia są takie, że wieże takich deszczowni liniowych muszą być skoordynowane pod względem prędkości, aby utrzymać rurę w miarę prosto, oraz muszą być sterowane razem, tak aby deszczownia stale poruszała się do przodu i do tyłu po polu, nie zbaczając z trasy. Aby spełnić te wymagania, niektóre wieże są zaprogramowane tak, aby podążały za umieszczonymi pod ziemią kablami.

Sterowniki do nawadniania w rolnictwie

Najprostsze sterowniki nawadniania to po prostu programatory czasowe, które umożliwiają swobodny przepływ wody o zadanych godzinach. Takie programatory czasowe znajdują się również w zraszaczach do trawników klasy konsumenckiej.

Nieco bardziej zaawansowane są przemysłowe sterowniki nawadniania. Tradycyjnie przybierają one formę hydraulicznych układów sterowania i często są elementem wyposażenia deszczowni centrycznych obrotowych.

Obecnie w wielu bardziej zaawansowanych przemysłowych sterownikach nawadniania wykorzystuje się standardowe sterowniki PLC. Omawiane układy elektroniczne oparte na sterownikach PLC można skonfigurować nie tylko do sterowania ruchem dużych deszczowni, takich jak te oparte na urządzeniach nawadniających z napędem liniowym, ale także do odbioru danych wejściowych z czujników wilgotności gleby, czujników przepływu, stacji pogodowych i czujników zamarzania. Niektóre z takich systemów są obecnie łatwo dostępne dla bardzo małych gospodarstw rolnych (w branży owocowej, a także w branży inteligentnego rolnictwa wewnętrznego) dzięki wykorzystaniu kontrolerów takich jak Arduino do automatyzacji podlewania roślin i szklarni.

Ilustracja 8: sterownik NetMCU z oprogramowaniem NETBEAT to przykład zintegrowanego sterownika nawadniania klasy komercyjnej - ten wytrzymały produkt stanowi kompletne rozwiązanie cyfrowego rolnictwa realizujący szereg zadań związanych z nawożeniem, fertygacją, modelowaniem upraw i prognozowaniem. (Źródło ilustracji: Netafim)

Zautomatyzowane sterowniki nawadniania mogą mierzyć natężenie przepływu, aby zapewnić podawanie w określonym czasie odmierzonej, a nie arbitralnie ustalonej ilości wody. Podając znaną ilość wody na daną powierzchnię pola, można osiągnąć idealne warunki uprawy bez marnowania wody. Sterowanie przepływem pozwala również na wykrywanie zatorów i wycieków, ostrzegając operatorów o problemach zanim dojdzie do znacznych zniszczeń upraw lub utraty wody. Dzięki wykorzystaniu protokołów Internetu rzeczy (IoT) nowoczesne sterowniki mogą nawet wysyłać alerty na telefon komórkowy operatora w przypadku wystąpienia takich zdarzeń.

Ilustracja 9: zautomatyzowane komponenty sterujące i komponenty wejścia-wyjście RevPi zostały wdrożone na bazie jednopłytkowego minikomputera Raspberry Pi SoM/CPU/GPU w wersji z modułem obliczeniowym. Najnowsze wersje RevPi obsługują sygnały analogowe przydatne w niektórych metodach sterowania nawadnianiem upraw. (Źródło ilustracji: KUNBUS)

Kolejną nowatorską opcją dla niektórych rolników są sterowniki ewapotranspiracyjne lub sterowniki ET. Szacują one zapotrzebowanie na wodę w oparciu o zasady bilansu gleby i wody.

Bilansem wodnym jako obszarem badawczym zajmuje się hydrologia rolnicza, ale jego najbardziej podstawowa zasada jest taka, że dopływ wody musi być równy odpływowi powiększonemu o zmiany w magazynowanej ilości. Na odpływy składają się przepływ strumieniowy (spływ) oraz ewapotranspiracja - czyli przemieszczanie się wody do atmosfery w drodze parowania i transpiracji przez roślinność.

Sterowniki ET wymagają danych w czasie rzeczywistym o dopływach (natężeniu przepływu nawadniania i opadach), a także o parametrach otoczenia, które wpływają na ewapotranspirację, takich jak temperatura, wilgotność i natężenie promieniowania słonecznego. Kluczowymi parametrami wymagającymi ścisłej kontroli za pomocą sterownika ET (często będącego przystosowanym do tego celu sterownikiem automatyki) są współczynnik uprawy i zdolność zatrzymywania wody przez glebę. Współczynnik uprawy rolniczej określa tempo transpiracji w funkcji warunków atmosferycznych i dostępności wody. Sterowniki ET mogą redukować zużycie wody nawet o 63% - co stanowi oszałamiający wynik na tle wielu innych rozwiązań.

Podsumowanie

Istnieje wiele wyrafinowanych rozwiązań w zakresie nawadniania dla współczesnych dużych przemysłowych gospodarstw rolnych. W rzeczywistości technologie automatyki sprawiły, że zaawansowane metody nawadniania stały się wystarczająco przystępne dla mniejszych rolników, a także producentów żywności specjalizujących się w warzywach i delikatnych uprawach o mniejszych marżach zysku.