Nebezpečné jarní mrazy

Chladné jarní noci představují pro pěstitele ovoce velké nebezpečí. Platí to i pro Heinricha Thiermanna z Kirchdorfu v Dolním Sasku v Německu. Noční mrazíky často následované prvními teplými dny roku mohou být pohromou pro plantáže kanadských borůvek, které patří k jeho hospodářství. Ovšem firma je dobře připravena: s mrazem a rizikem ztráty úrody bojuje vodou.

Rodinné hospodářství Heinricha Thiermanna je typická německá zemědělská usedlost. Chovají zde prasata, pěstují pšenici a kukuřici, ale kromě toho se zaměřují také na ovocnářství a zelinářství. Usedlost má vlastní výrobu bioplynu a větrnou elektrárnu. Většina zaměstnanců, kteří se o chod hospodářství starají, při své práci využívá nejmodernější techniku, která zemědělcům umožňuje dosahovat trvale udržitelné výroby s co nejmenším negativním vlivem na životní prostředí.

Součástí hospodářství je i plantáž kanadských borůvek. Ačkoliv samotné keře jsou plně mrazuvzdorné, neplatí to pro květy a plody. Přijde-li v době květu mráz, znamená to většinou konec naděje na dobrou úrodu. Jak plody dozrávají, jsou na mráz ještě citlivější. V roce 2010 tak Thiermannovi přišli o celou polovinu úrody, která v dobrých letech činí až 2 000 tun. Proto zavedli automatický systém ochrany, využívající logické moduly LOGO! společně s PLC Simatic S7-1200.

Poškození květů a plodů mrazem lze zabránit postřikem plantáže vodou. Na plantáži o rozloze 250 ha je umístěno několik set postřikovačů, které v případě potřeby postříkají vrcholky keřů (obr. 1).

Obr. 1. Zemědělský podnik Heinricha Thiermanna z Kirchdorfu v Dolním Sasku v Německu chrání úrodu kanadských borůvek před mrazem postřikem vodou

Rainer Plenge, vedoucí borůvkové plantáže, vysvětluje: „Systém vodního postřiku je jedním ze způsobů, jak borůvky ochránit před mrazem. Načasování, kdy postřik spustit, závisí na stupni vývoje plodů. Jsou-li pupeny ještě zavřené, postačí s postřikem začít při –0,5 °C. Jakmile se květy otevřou, musí se stříkat, už když teploty klesají k nule.“

Metoda ochrany před mrazem využívá fyzikální vlastnosti vody. Když voda přechází z kapalného stavu do pevného, uvolňuje se teplo. Jsou-li tedy keře za mrazu nepřetržitě postřikovány vodou, mrznoucí voda uvolňuje teplo a ledem pokryté pupeny, květy nebo plody mají dostatečnou teplotu, aby je to uchránilo před poškozením mrazem. „Keře ovšem musí být postřikovány kontinuálně,“ doplňuje Plenge. „Kdybychom postřik přerušili, vypařující se voda by keře naopak ochlazovala a mráz by květy či plody poškodil.“ Postřik je možné přerušit, až když teplota vzroste nad nulu. Led roztaje a voda se vsákne do půdy.

Automatizace provozu čerpadel

Pro zajištění kontinuální dodávky vody do postřikovačů jsou kolem plantáže vyhloubené studny vybavené čerpadly. U každé čerpací stanice je rozváděč s veškerými potřebnými řídicími komponentami: logickým modulem LOGO! 8 s 24V zdrojem a analogovým rozšiřujícím modulem pro připojení snímačů teploty a tlaku. Dále je zde softstartér Sirius, omezující proud při sepnutí čerpadla, a komunikační router Scalance M826-2 (obr. 2).

Obr. 2. Rozváděč řídicího systému čerpací stanice na kraji plantáže

Sedmnáct z 34 čerpacích stanic je do centrální řídicí jednotky připojeno prostřednictvím routeru a dvoužilového kabelu DSL. Ostatní používají dodatečný router Scalance M874 a mobilní síť GSM. Zabezpečovací modul Scalance S615 plní funkce firewallu a vytváří tunel VPN. Chrání síť a integrovaná zařízení před neautorizovanými přístupy; navíc je připojen k platformě pro vzdálenou správu Sinema Remote Connect. Distribuované stanice tak mohou být centrálně ovládány a spravovány bezpečným a uživatelsky přívětivým vzdáleným přístupem. Server Sinema poskytuje spolehlivý základ pro pozdější rozšíření sítě a také usnadňuje konfiguraci parametrů stanic a správu IP adres.

V rozváděči centrální řídicí stanice jsou čtyři PLC Simatic S7-1200, která plní různé dohledové a řídicí úlohy. Jestliže okolní teplota klesne na +0,7 °C, je do PLC odeslána výstraha. K dispozici je dvanáctipalcový barevný ovládací panel Simatic HMI TP2100 Comfort, který umožňuje jednotky ručně vypínat a zapínat, sledovat teplotu a regulovat tlak v každé jednotlivé čerpací stanici. Prostřednictvím volitelné aplikace Smart Server to lze dělat dokonce i z chytrého telefonu (obr. 3).

Obr. 3. Aplikace Smart Server umožňuje spínat jednotky, sledovat teploty a regulovat tlak v každé čerpací stanici i z chytrého telefonu

Úspěch zaručily řídicí systémy Simatic S7-1200

Tak vysoký stupeň automatizace tu dosud nikdy nebyl použit. Když byl postřikový systém v roce 2010 poprvé instalován, byla činnost řízena mechanickými tlakovými spínači a časovými relé. Tlakové spínače však bylo velmi obtížné nastavit, takže počátkem roku 2013 se přešlo na elektronické řízení.

Snímače tlaku určují, kdy mají čerpadla přejít do režimu trvalého sepnutí (self-locking) a modul LOGO! řídí náběhovou fázi prostřednictvím funkce časového relé, dokud čerpadlo nevytvoří potřebný tlak. Jakmile snímač detekuje příliš nízký nebo příliš vysoký tlak v potrubí, logický modul čerpadlo vypne. Kromě tlaku LOGO! rovněž sleduje teplotu, a to odporovým teploměrem: jakmile teplota dosáhne předem zadané hodnoty, je odeslána notifikace do PLC S7-1200 v centrální řídicí stanici a pracovník může postřikovací systém aktivovat z dotykového panelu. Povel je odeslán modulu LOGO! na odpovídající čerpací stanici, která monitoruje všechna data spojená s čerpadlem a čerpadla zapíná.

Řídicí systém byl implementován dodavatelem, firmou Wilhelm Schwenker Elektro, za asistence konstrukčního inženýra Helmuta Kiehlinga a s podporou velkoobchodu s elektromateriálem, firmou Frommeyer + Ziegemeyer K. Beine GmbH & Co. KG.

Rychlé a přesné nastavení výkonu

Logické moduly umožňují přesně a velmi rychle nastavit specifické výkonnostní parametry. Aktuální hodnoty měřené snímači teploty a tlaku jsou zobrazeny na displeji modulu LOGO! a jejich přednastavení je možné změnit z klávesnice. Program také bere v úvahu bezpečnostní faktory jako nutnost odstavení čerpadla při nulovém nebo minimálním průtoku v potrubí. Informace o řízení a stavu jsou mezi moduly LOGO! a jednotkami S7-1200 neustále sdíleny. Celý řídicí systém byl nakonfigurován v inženýrském prostředí TIA Portal, programy logických modulů byly vytvořeny v aplikaci LOGO! Soft Comfort.

Výhody nového systému ocenilo Thiermannovo hospodářství na jaře 2017. Od počátku dubna do půlky května se vyskytlo několik vpádů chladného vzduchu. Během čtrnácti nocí v tomto období klesla teplota tak nízko, že bylo nutné aktivovat postřik. „V některých dnech byly malé bobulky pokryty ledem ještě krátce po obědě. Bez postřikovačů bychom utrpěli ztráty v milionech eur,“ dodává Plenge.

Další informace a doprovodný videozáznam zájemci najdou na https://new.siemens.com/global/en/company/stories/industry/factory-automation/defying-the-frost.html.

[Defying the frost. GO! 2/2017. Publikace Siemens AG.]

(Siemens AG. Foto: W. Geyer, Siemens AG)

Použitá technika

Logické moduly LOGO! jsou kompaktní inteligentní a flexibilní logické moduly. Plní funkci malého jednoduchého programovatelného automatu. Novinkou je možnost připojit moduly LOGO! do cloudu.

Simatic S7-1200 jsou programovatelné automaty pro menší úlohy s širokými možnostmi komunikace a integrovanými technologickými funkcemi. Jsou dostupné ve standardní verzi i ve verzi odolné proti poruše (fail-safe).

Simatic HMI Basic jsou cenově výhodné dotykové operátorské panely druhé generace, ideální pro jednodušší úlohy. Dodávány jsou ve velikostech 4", 7", 9" a 12", rozlišení je 64 000 barev. Lze je instalovat na délku i na výšku. Možnost stmívání šetří energii. K dispozici je rozhraní USB pro připojení klávesnice, myši či čtečky optických kódů nebo k archivaci dat na USB disk.