УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
УДК 631 Общие вопросы сельского хозяйства
УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 6 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. МАТЕМАТИКА
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В статье описывается метод внедрения элементов цифровизации в управление гидромелиоративной системой. Основой метода являются два принципа: прогрессивность и гармонизация. Прогрессивность обеспечивается постепенным возрастанием финансовых затрат и технических решений. Гармонизация заключается в разделении метода на три этапа, при которых каждый предыдущий включает необходимые и достаточные средства, переходящие в следующий этап, продолжая обеспечивать работоспособность системы в целом. На первом этапе происходит внедрение программных элементов цифровизации. Второй этап предполагает установку аппаратуры, обеспечивающей мониторинг за состоянием системы. При третьем этапе вводятся устройства управления оборудованием гидромелиоративной системы.
гидромелиоративная система, цифровизация, мониторинг, SCADA
Применением средств цифровизации является создание цифровой модели природного объекта, наиболее полно имитирующей его параметры и их изменение во времени. Возможность управления реальным объектом для достижения определенных целей реализуется разработкой соответствующих математических моделей.
В условиях гидромелиоративной системы одним из таких объектов является вода, оптимальное управление которой позволяет обеспечить потребителей поливной (оросительной) нормой [1—3]. Использование водных ресурсов на оросительных системах состоит из трех основных этапов: забор из источника, транспортировка и распределение между потребителями, полив. Для выполнения необходимых работ на каждом этапе используются соответствующие гидротехнические сооружения и оборудование. Математическая модель позволяет осуществлять гибкое управление водными ресурсами за счет точного и своевременного регулирования механизмов и оборудования. Для полноценной работы моделей необходимо иметь цифровые данные о состоянии реального объекта на каждом этапе [3]. Учитывая количество регулирующего оборудования и измеряемых характеристик, а также, возможности датчиков производить измерения практически непрерывно, значительно увеличиваются объемы собираемых данных. В свою очередь, усложнение алгоритмов вычисления и работа с большими массивами данных в условиях оперативного определения состояния объекта и выработки необходимых действий накладывает на вычислительные мощности повышенные требования. Большие объемы данных, передаваемые от периферийных устройств, требуют повышенной пропускной способности каналов передачи данных и высокого уровня безопасности. Автоматизация процессов ручного труда на управляющем оборудовании позволяет оперативно исполнять необходимые действия независимо от удаленности. Современное развитие средств цифровизации в системах управления не может обойтись без внедрения элементов «искусственного интеллекта», таких как экспертные системы, а в перспективе — нейроннных сетей и машинного обучения.
Ввиду необходимости рационального использования финансовых средств и водных ресурсов, предлагается разделить цифровизацию на три этапа, которые отличаются по количеству требуемых финансовых затрат, сложности внедряемой техники и технологий. Они обеспечивают принципы прогрессивности с постепенным возрастанием финансовых затрат и технических решений, и гармонизации с разделением метода на три этапа, при которых каждый предыдущий включает необходимые и достаточные средства, переходящие в следующий этап, продолжая обеспечивать работоспособность системы в целом. В зависимости от решаемых задач метод состоит из трех этапов: программный; мониторинговый; управляющий.
Каждый этап разделен на несколько уровней, с постепенным возрастанием финансовых затрат и задействованных элементов гидромелиоративной системы.
Первый этап цифровизации заключается в использовании математических моделей в виде программного обеспечения. Целью первого этапа цифровизации является определение оптимальной поливной нормы. Это позволяет рационально использовать водные ресурсы, снизить нагрузку на все элементы оросительной системы и финансовые затраты потребителей. Таким образом, уменьшается износ сооружений и оборудования, что обеспечивает меньшие экологические нагрузки.
На первом уровне управляющая организация покупает годовое/сезонное (или на больший срок) обслуживание у сторонней компании, которая на основе моделей орошения определяет поливную норму для каждого хозяйства. Вся работа происходит удаленно. Управляющая компания вводит необходимые данные в «онлайн форму» и получает значения поливной нор мы на ближайшие поливы по каждому хозяйству. Такой подход требует минимальных затрат, т. к. нет необходимости внедрять собственные вычислительные мощности, обучать и нанимать новых специалистов, оборудовать хранилище данных.
На втором уровне создается вычислительный центр при диспетчерской, который оборудуется вычислительными машинами с моделью орошения и хранилищем данных. Наполнение моделей значениями статических характеристик происходит по данным территориальных органов (нормы забора воды), гидромелиоративной системы (типы почв и др., схема системы, размеры и размещение элементов, и т. п.) и предоставленные потребителями (выращиваемые сельскохозяйственные культуры, способы полива и т. п.). Данные динамических характеристик, такие, как температура воздуха, влажность почвы, осадки и др., вводятся в модель при снятии показаний обслуживающим персоналом. Определение поливной нормы для каждого потребителя становится более рациональным, чем по нормативным документам. Данные о состоянии воздуха, почвы и растений, полученные на момент измерений, позволяют определить оптимальную поливную норму, обеспечивая растениям наиболее комфортный водный режим.
На третьем уровне модель орошения может быть дополнена другими моделями (роста и др.), а также, могут быть внедрены отдельные элементы (собственные метеостанции и т. п.) для непрерывного сбора данных о состоянии воздуха, почвы, растений непосредственно в пределах используемого агроландшафта.
Первый этап цифровизации является наименее затратным в отношении первоначальных финансовых средств, с постепенным нарастанием затрат, начиная от первого уровня к третьему. С другой стороны, определение оптимальной поливной нормы, при условии своевременного и качественного обеспечения данными позволяет уменьшить экологическую нагрузку за счет более точного определения объемов забора воды из источника, уменьшения фильтрации из каналов и т. д. Внедрение первого этапа не требует последовательного введения описанных уровней, а может быть ограничено первым уровнем (удаленные услуги), или внедряться сразу на третьем (включая первый и второй).
Второй этап цифровизации заключается в дополнении первого этапа внедрением автоматизированной системы мониторинга за динамическими характеристиками. Система мониторинга состоит из датчиков измерения требуемых характеристик, оборудования для накопления и передачи данных в вычислительный центр, и энергообеспечения. Этот этап разделен на несколько уровней. Уровни формируются на основе определения приоритетных элементов системы и выделения характерных точек установки средств мониторинга. Приоритетность определяется исходя из последовательного перемещения воды по элементам оросительной сети: головное водозаборное сооружение, транспортирующая сеть (магистральный канал и ветви), распределительная сеть и другие элементы. С другой стороны, внедрение системы мониторинга по разным уровням предполагает обеспечение измерений наиболее необходимых характеристик. К тому же, каждый предыдущий уровень не создает сложности для внедрения последующего.
Уровни внедрения второго этапа цифровизации на основе приоритетности элементов оросительной сети:
• головное водозаборное сооружение;
• транспортирующая сеть;
• распределительная сеть;
• водосборно-сбросная сеть;
• дренажная сеть;
В свою очередь, каждый уровень разделен на подуровни внедрения измерительных датчиков, в зависимости от приоритетности измеряемых характеристик водного объекта:
• уровни воды;
• расходы воды;
• дополнительные характеристики (температура, мутность и т. п.);
Эти подуровни могут вводиться по мере необходимости.
Таким образом, на первом уровне мониторинговой системой оснащается головное водозаборное сооружение. Данная задача облегчается относительно компактной формой сооружения (в отличие от каналов) и обеспеченностью электрической энергией, необходимой для работы насосного оборудования. Характеристики, за которыми необходимо вести мониторинг, распределены по приоритетности и могут вводиться постепенно — уровень воды в водоисточнике, забранный объем/расход, мутность, температура и т. п. В качестве каналов передачи данных могут использоваться:
• проводные (медные, оптические), при относительной близости диспетчерской и вычислительного центра от водозаборного сооружения;
• беспроводные (например, по возрастающей дальности действия Bluetooth, wi-fi, WiMAX, GPRS).
Учитывая, что на втором этапе вводится система мониторинга (с перспективой на третьем этапе внедрения управления) за состоянием элементов оросительной системы и транспортируемой среды (воды), требуется введение на всех уровнях второго этапа аппаратных элементов системы SCADA — Supervisory Control And Data Acquisition (Диспетчерское управление и сбор данных) [4]. На втором этапе такими средствами являются PLC (programmable logic controller) программируемые логические контроллеры. Это по существу износоустойчивый миникомпьютер с наличием входов для приема сигналов от приборов, и выходов для оперативного управления другими устройствами.
Если имеется точное понимание, что третьего этапа цифровизации проводиться не будет, то нет необходимости внедрять PLC, следует ограничиться измерительными датчиками и средствами передачи данных.
PLC-устройство расположено в непосредственной близости к измерительным приборам. PLC может контролировать исходные данные (например, расход воды) и, в зависимости от внутренней программы, производить управление полевыми устройствами (например, перекрыть затвор), в том числе, без вмешатель ства диспетчера. К сожалению SCADA управляет системами со сложными процессами и составляющими их элементами с множественными взаимодействиями, которые не всегда возможно формализовать в виде исполняемого кода или скриптов. Поэтому полностью заменить SCADA на набор PLC не представляется возможным. PLC в структуре ГМС может получать данные от измерителя расхода воды (например, суммарного объема поданной воды), и при достижении максимального значения, установленного в памяти PLC, он подает сигнал на соответствующий сервопривод, перекрывающий затвор и прекращающий подачу воды в соответствующую ветку распределительной сети.
На втором уровне, мониторинговой системой оборудуется транспортирующая сеть, которая также может быть разделена на приоритетные участки и вводится постепенно. Первым будет оборудоваться магистральный канал, на определенных точках которого (например, регулирующие и водомерные устройства) устанавливаются измерители уровня в нижнем или верхнем бьефе в зависимости от принятой схемы управления водораспределением. В качестве коммуникационной системы используется беспроводной способ передачи данных из-за большой протяженности магистрального канала, что может потребовать установки центральной станции, на которую будут передавать данные измерительных устройств. Центральная станция будет ретранслировать данные в вычислительный центр ввиду большей дальности передачи данных (до нескольких км). Другой способ беспроводной коммуникации — GSM-модем, использующий сети мобильной связи для передачи/приема информации. Для непосредственной передачи данных от датчиков на передающие приборы, устанавливается микроконтроллер (программируемый процессор), который способен совмещать и другие функции. Обеспечение электрической энергией датчиков измерения и коммуникационного оборудования может быть осуществлено проводным или автономным способом. При расположении указанных элементов мониторинговой системы на значительных расстояниях целесообразно использовать автономный способ питания. В свою очередь, автономный способ может быть реализован с использованием аккумуляторов или солнечных панелей. Аккумуляторы требуют постоянной подзарядки, что увеличивает временные затраты на их обслуживание. Наилучшим способом будет совместное использование: аккумуляторов для питания оборудования и солнечных панелей для их подзарядки. Развитие второго уровня также может осуществляться постепенным внедрением дополнительных измерительных датчиков (расхода и др.) [5].
По таким же принципам, как на первом и втором уровнях, на третьем уровне будет происходить дальнейшее введение мониторинговой системы на распределительной, водосборно-сбросной и дренажной сетях. Дополнительные измерительные датчики и средства сбора данных будут вводиться по тем же принципам, что и на предыдущих уровнях. Аналогичными способами обеспечивается питание электрической энергией и передачи данных.
На третьем этапе цифровизации происходит оснащение управляющим оборудованием устройств водозабора, сетей транспортировки и распределения. Данный этап является наиболее затратным по всем ресурсам, в том числе, и по затратам на обслуживание, т. к. предполагает внедрение различных приборов (переключатели, сервоприводы и др.). Оборудование энергообеспечения и управления из вычислительного центра используется то же, что было внедрено на втором этапе цифровизации. Принцип приоритетности соответствует второму этапу, т. е. третий этап разделяется на уровни последовательного внедрения на элементах оросительной системы.
На первом уровне автоматизированная система управления (АСУ) внедряется в головном водозаборном сооружении. По приоритетности оборудования первыми являются основные насосы, непосредственно подающие воду в систему. В заданное время вычислительный центр посылает команды на их включение и отключение. Определение объема забранной воды происходит по данным датчиков расхода. Следующим типом оборудования могут быть дополнительные насосы, задвижки и затворы.
На втором уровне, АСУ внедряется в транспортирующей сети, в которой приоритетным будет магистральный канал. Щитовые затворы, как основное регулирующее оборудование, оснащается сервоприводами для поднятия или опускания. Сервопривод является прибором, для работы которого необходима электроэнергия, поэтому возрастет нагрузка на систему электропитания. При недостаточности объема вырабатываемой энергии солнечными панелями, установленными на втором этапе цифровизации, может потребоваться увеличение их площади и емкости аккумуляторов или необходимо рассмотреть возможность подведения централизованного энергообеспечения. Команды на включение и выключение сервопривода будут передаваться из вычислительного центра беспроводным способом коммуникации, установленным для системы мониторинга на втором этапе цифровизации. Таким образом, средства коммуникации становятся приемо-передающими. В данном случае, PLC передает оборудованию команды на исполнение, а обратно собирает данные о состоянии оборудования и передает сигнал об исполнении этих команд в вычислительный центр. Внедрение удаленного управления на распределительной, водосборно-сбросной и дренажной сетях будет осуществляться по таким же принципам. Дополнительное оборудование для управления, обеспечение электрической энергией и передача данных проводится аналогичными способами. Общая схема показана на рис. 1.
В этих системах разделение функций управления распределено между несколькими операционными системами (OS), связанными друг с другом через локальную сеть (LAN) [6]. Дальнейшим развитием цифровизации может быть внедрение системы визуального наблюдения за состоянием измерительных приборов и управляемых элементов для контроля за работой и предотвращения аварийных случаев. На рис. 2 показана схема этапов цифровизации.
Дальнейшее развитие подобных систем предполагает внедрение в их работу «искусственного интеллекта», «машинного обучения», «нейронных сетей» [7]. Мониторинг может быть дополнен средствами обеспечения безопасности и датчиками контроля за состоянием механизмов. Использование технологий «точного земледелия», таких как технологии переменного нормирования (Variable Rate Technology) и оценки урожайности (Yield Monitor Technologies) позволит получать дополнительные данные для анализа, выработки решений и повышения эффективности сельхозпроиз-водства [8, 9].
Более точное определение поливной нормы для конкретных потребителей на основе данных о состоянии растений, почвы и окружающей среды, позволяет экономно использовать водные ресурсы без снижения урожайности. Предлагаемые средства цифровизации стационарны и не нуждаются в способах передвижения по полям, при этом не оказывают дополнительную нагрузку на почву, значительно снижают долю ручного труда и влияние «человеческого фактора». Основной еческого фактора». Основной функцией диспетчеров становится контроль, принятие решений и включение ручного управления в случае чрезвычайных ситуаций.
Выбывшие из оборота мелиорированные земли по причине отсутствия необходимых сельскохозяйственных мероприятий требуют проведения обследования для определения их текущего состояния и постепенного приведения его к приемлемому уровню. Из средств цифровизации могут использоваться системы мониторинга за соответствующими характеристиками. Это позволит наблюдать за влиянием проводимых сельскохозяйственных мероприятий на состояние земель в текущий момент, а также за его изменениями во времени.
1. Совершенствование эксплуатации гидромелиоративных систем на основе современных средств автоматизации / А.О. Щербаков, В.Б. Жезм е р , А . А . Т а л ы з о в , М.Р. Барамыков // Научно-методическое обеспечение развития мелиоративно-водохозяйственного комплекса: сборник научных трудов. М.: Издво ВНИИГиМ, 2020.С. 429-435.
2. Принципы создания информационно-аналитической управляющей системы каскада Волжско-Камских гидроузлов / А.О. Щербаков, А.А. Талызов, И.С. Румянцев, Ф. Нестманн, Р. Кромер, Г.Х. Исмайылов, Г.Г. Ермаков // Мелиорация и водное хозяйство. 2006. № 5. С. 15-19.
3. Щербаков А.О., Талызов А.А. Численное моделирование гидромелиоративных систем на примере Лиманской оросительно-обводнительной сис темы // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2017. № 1(25). С. 190-206.
4. Барамыков М.Р. Применение методов цифровизации в работе гидромелиоративных систем в условиях снижения эксплуатационной эффективности // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2020. № 2(78). С. 118-122.
5. Yadav Geeta & Paul Kolin (2020). Architecture and Security of SCADA Systems: A Review. URL: https://www.researchgate.net/ publication/338500163_Architecture_and_Security_of_SCADA_ Systems_A_Review
6. Abumeteir Hasan (2007). SCADA-Irrigation-System. DOI:https://doi.org/10.13140/RG.2.1.5153.9923 URL: https://www.researchgate.net/ publication/283487730_SCADA-Irrigation-System
7. Sekuliж Siniљa & Vrdoljak Kreљimir (2016). The SCADA System at the Generation Center of Hydro North. DOI: 10.22618/ TP.EI.20163.389001. URL: https://www.researchgate.net/ publication/312427535_The_SCADA_System_at_the_Generation_ Center_of_Hydro_North
8. Gaddipathi Bharathi, Chippada Gnana Prasunamba. Automatic Irrigation System for Smart City Using PLC and SCADA // International Journal of Scientific Research in Computer Science, Engineering and Information Technology. 2017. Volume 2, Issue 4. P. 309-314.
9. Shcherbakov A., Baramykov M. (2022). Magnetic resonance sounding for water-saturated earth dam zone monitoring, AIP Conference Proceedings 2432, 040033. DOI:https://doi.org/10.1063/5.0090779
10. Барамыков М.Р. Перспективы использования магнитно-резонансного зондирования в гидромелиорации // Вестник мелиоративной науки. 2020. № 1(77). С. 23-27.
