Pasirinkus netinkamas pneumatines sistemas žemės ūkio reikmėms, gali būti neefektyviai naudojami ištekliai, daroma žala pasėliams ir mažėja derlius. Sparčiai tobulėjant tiksliajai žemdirbystei, tinkamas komponentų parinkimas dar niekada nebuvo toks svarbus.
Efektyviausias žemės ūkio pneumatinių sistemų pasirinkimo metodas apima optimizuotos impulsinių purškalų technologijos diegimą UAV reikmėms, adaptyvių aplinkos kontrolės algoritmų taikymą šiltnamių veiklai ir biologiškai skaidžių sandarinimo sprendimų integravimą, siekiant užtikrinti tvarią ir efektyvią žemės ūkio veiklą.
Kai pernai padėjau tiksliosios žemdirbystės bendrovei atnaujinti purškimo dronais sistemas, pesticidų sunaudojimas sumažėjo 35%, o padengimo tolygumas pagerėjo 28%. Leiskite pasidalyti tuo, ką išmokau apie pneumatinių sistemų pasirinkimą pažangiajai žemdirbystei.
Turinys
- Žemės ūkio bepiločių orlaivių impulsinio purškimo optimizavimas
- Šiltnamių prisitaikymo prie aplinkos valdymo algoritmai
- Biologiškai skaidūs sandarinimo sprendimai žemės ūkio įrangai
- Išvada
- DUK apie žemės ūkio pneumatines sistemas
Žemės ūkio bepiločių orlaivių impulsinio purškimo optimizavimas
Pulso pločio moduliacijos (PWM) purškimo sistemos leidžia tiksliai kontroliuoti lašelių dydį ir pasiskirstymą1, labai svarbūs siekiant veiksmingai naudoti pesticidus ir trąšas iš žemės ūkio bepiločių orlaivių.
Norint efektyviai optimizuoti impulsinį purškimą, reikia įdiegti aukšto dažnio elektromagnetiniai vožtuvai (15-60 Hz), lašelių dydžio valdymo algoritmai, kurie reguliuoja darbo ciklą pagal skrydžio parametrus, ir dreifo kompensavimo sistemos, kurios atsižvelgia į vėjo greitį ir kryptį.2.
Visapusiška optimizavimo sistema
Pagrindiniai veiklos parametrai
| Parametras | Optimalus diapazonas | Poveikis veiklos rezultatams | Matavimo metodas | Kompromisai |
|---|---|---|---|---|
| Impulsų dažnis | 15-60 Hz | Lašelių susidarymas, padengimo modelis | Didelės spartos vaizdavimas | Didesnis dažnis = geresnė kontrolė, bet didesnis nusidėvėjimas |
| Darbo ciklo diapazonas | 10-90% | Srauto greitis, lašelio dydis | Srauto kalibravimas | Platesnis diapazonas = daugiau lankstumo, bet galimas slėgio nestabilumas |
| Reakcijos laikas | <15 ms | Purškimo tikslumas, sienų kontrolė | Oscilografo matavimas | Greitesnis atsakas = didesnės sąnaudos ir energijos poreikis |
| Lašelių dydis (VMD) | 100-350 μm | dreifo potencialas, tikslinė aprėptis | Lazerio difrakcija | Mažesni lašeliai = geresnė aprėptis, bet didesnis dreifas |
| Slėgio stabilumas | <5% variacija | Naudojimo vienodumas | Slėgio keitiklis | Didesnis stabilumas = sudėtingesnės reguliavimo sistemos |
| Apsisukimo santykis | >8:1 | Dozavimo normos lankstumas | Srauto kalibravimas | Didesnis santykis = sudėtingesnė vožtuvo konstrukcija |
Vožtuvų technologijų palyginimas
| Technologijos | Reakcijos laikas | Dažnio pajėgumas | Maitinimo reikalavimai | Patvarumas | Sąnaudų veiksnys | Geriausios programos |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Solenoidas | 5-20 ms | 15-40 Hz | Vidutinio sunkumo | Vidutinio sunkumo | 1.0× | Bendrosios paskirties |
| Pjezoelektrinis | 1-5 ms | 50-200 Hz | Žemas | Aukštas | 2.5× | Tikslūs taikymai |
| Mechaninė PWM | 10-30 ms | 5-20 Hz | Aukštas | Aukštas | 0.8× | Naudojimas didelėmis apkrovomis |
| MEMS pagrindu | <1 ms | 100-500 Hz | Labai mažas | Vidutinio sunkumo | 3.0× | Itin tikslus |
| Rotacinis | 15-40 ms | 10-30 Hz | Vidutinio sunkumo | Labai didelis | 1.2× | Atšiauri aplinka |
Įgyvendinimo strategija
Efektyviam impulsinio purškimo optimizavimui:
Paraiškų reikalavimų analizė
- Nustatykite tikslinį lašelio dydį
- Nustatyti srauto greičio reikalavimus
- Aplinkos apribojimų nustatymasSistemos konfigūracija
- Pasirinkite tinkamą vožtuvo technologiją
- Įgyvendinti slėgio reguliavimą
- Dizaino purkštuko konfigūracijaValdymo algoritmų kūrimas
- Sukurti greičio kompensuojamą srauto valdymą
- Įgyvendinti vėjo dreifo reguliavimą
- Sukurti sienų atpažinimo protokolus
Neseniai dirbau su vynuogynų valdymo įmone, kuri susidūrė su problema dėl nenuoseklaus purškimo iš savo bepiločių orlaivių parko. Įdiegus pjezoelektrinę impulsinio purškimo sistemą su integruotu vėjo dreifo kompensavimu, buvo pasiektas 92% padengimo tolygumas (nuo 65%), o cheminių medžiagų sunaudojimas sumažėjo 28%. Sistema dinamiškai reguliavo lašelių dydį pagal medžių lajos tankio duomenis, užtikrindama optimalų skverbimąsi skirtingais augimo etapais.
Šiltnamių prisitaikymo prie aplinkos valdymo algoritmai
Šiuolaikinėms šiltnamių operacijoms reikalingos sudėtingos pneumatinio valdymo sistemos, kurios gali prisitaikyti prie kintančių aplinkos sąlygų ir kartu optimizuoti pasėlių augimo parametrus.
Veiksmingi prisitaikymo prie aplinkos algoritmai sujungia kelių zonų klimato modeliavimą su 5 minučių reakcijos ciklais, prognozavimo valdymo strategijas, pagrįstas orų prognozėmis, ir konkrečių pasėlių optimizavimo modelius, kurie koreguoja parametrus pagal augimo stadiją ir fiziologinius rodiklius.
Išsami algoritmų sistema
Valdymo strategijos palyginimas
| Strategija | Reakcijos laikas | Energijos vartojimo efektyvumas | Įgyvendinimo sudėtingumas | Geriausios programos |
|---|---|---|---|---|
| PID valdymas | Greitai (sekundės) | Vidutinio sunkumo | Žemas | Paprasta aplinka |
| Modelio numatomasis valdymas | Vidutinė trukmė (minutės) | Aukštas | Aukštas | Sudėtingos daug kintamųjų turinčios sistemos |
| Neraiškiosios logikos valdymas | Vidutinė trukmė (minutės) | Aukštas | Vidutinio sunkumo | Netiesinės sistemos |
| Neuroninio tinklo valdymas | Kintamasis | Labai didelis | Labai didelis | Duomenų turtinga aplinka |
| Hibridinis adaptyvusis valdymas | Pritaikomas | Aukščiausias | Aukštas | Profesionalios operacijos |
Pagrindiniai aplinkos parametrai
| Parametras | Optimalus valdymo diapazonas | Reikalavimai jutikliams | Įjungimo metodas | Poveikis pasėliams |
|---|---|---|---|---|
| Temperatūra | ±0,5 °C tikslumas | RTD matricos, IR jutikliai | Proporcinės orlaidės, šildymas | Augimo tempas, vystymosi laikas |
| Drėgmė | ±3% RH tikslumas | Talpiniai jutikliai | Miglos sistemos, ventiliacijos angos | Ligų spaudimas, transpiracija |
| CO₂ koncentracija | ±25 ppm tikslumas | NDIR jutikliai | Įpurškimo sistemos, ventiliacinės angos | Fotosintezės greitis, išeiga |
| Oro srautas | 0,3-0,7 m/s | Ultragarsiniai anemometrai | Kintamo greičio ventiliatoriai | Apdulkinimas, stiebo stiprumas |
| Šviesos intensyvumas | Priklausoma nuo augimo etapo | PAR jutikliai, spektroradiometrai | Šešėlių sistemos, papildomas apšvietimas | Fotosintezė, morfologija |
Įgyvendinimo strategija
Veiksmingai aplinkos kontrolei:
Šiltnamio apibūdinimas
- Temperatūros gradientų žemėlapis
- Nustatyti oro srauto modelius
- Dokumentų atsako dinamikaAlgoritmų kūrimas
- Įgyvendinti kelių kintamųjų valdymą
- Sukurti konkrečioms kultūroms skirtus modelius
- Prisitaikymo mechanizmų kūrimasSistemos integracija
- Jutiklių tinklų sujungimas
- Pneumatinių pavarų konfigūravimas
- Nustatykite bendravimo protokolus
Neseniai vykdydami pomidorų šiltnamio projektą, įdiegėme adaptyvią valdymo sistemą, kurioje pneumatinis ventiliacijos valdymas buvo integruotas su migdymo sistemomis. Algoritmas buvo nuolat koreguojamas pagal augalų transpiracijos duomenis ir orų prognozes, palaikyti optimalų garų slėgio deficitą (VPD).3 įvairiais augimo etapais. Tai leido 23% sumažinti energijos sąnaudas ir 11% padidinti derlių, palyginti su tradicinėmis valdymo sistemomis.
Biologiškai skaidūs sandarinimo sprendimai žemės ūkio įrangai
Aplinkos tvarumas žemės ūkyje reikalauja vis daugiau biologiškai skaidžių komponentų, kurie išlaiko našumą ir kartu mažina poveikį aplinkai.
Veiksmingi biologiškai skaidūs sandarinimo sprendimai PLA/PHA biopolimerų mišiniai4 su natūralaus pluošto armatūra, suderinamumu su biologinio pagrindo tepalais ir eksploatacinių savybių patvirtinimu atliekant pagreitintus atmosferos poveikio bandymus (daugiau kaip 1000 valandų), kad būtų užtikrintas ilgaamžiškumas ir išsaugota nauda aplinkai.
Visapusiška medžiagų sistema
Biopolimerų palyginimas žemės ūkio sandarikliams
| Medžiaga | Biologinio skaidymosi greitis | Temperatūros diapazonas | Atsparumas cheminėms medžiagoms | Mechaninės savybės | Sąnaudų veiksnys | Geriausios programos |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PLA | 2-3 metai | Nuo -20 °C iki +60 °C | Vidutinio sunkumo | Geras tempimas, silpnas smūgis | 1.2× | Bendras sandarinimas |
| PHA | 1-2 metai | nuo -10 °C iki +80 °C | Geras | Puikus lankstumas, vidutinis stiprumas | 2.0× | Dinaminiai sandarikliai |
| PBS | 1-5 metai | nuo -40 °C iki +100 °C | Geras | Geras smūginis poveikis, vidutinis tempimas | 1.8× | Ekstremalios temperatūros |
| Krakmolo mišiniai | 6 mėnesiai - 2 metai | Nuo 0 °C iki +50 °C | Prastas arba vidutinis | Vidutinio sunkumo, jautrus drėgmei | 0.8× | Trumpalaikės paraiškos |
| Celiuliozės dariniai | 1-3 metai | Nuo -20 °C iki +70 °C | Vidutinio sunkumo | Geras tempimas, prastas elastingumas | 1.5× | Statiniai sandarikliai |
Veiklos gerinimo strategijos
| Strategija | Įgyvendinimo metodas | Poveikis našumui | Biologinio skaidumo poveikis | Poveikis išlaidoms |
|---|---|---|---|---|
| Natūralaus pluošto armatūra | 10-30% pluošto pakrovimas | +40-80% stiprumas | Minimalus pokytis | +10-20% |
| Plastifikatorių optimizavimas | Biologiniai plastifikatoriai, 5-15% | +100-200% lankstumas | Nedidelis pagreitis | +15-30% |
| Tinklo susiejimas | Fermentais valdomas, spinduliavimas | +50-150% ilgaamžiškumas | Nuosaikus sumažinimas | +20-40% |
| Paviršiaus apdorojimas | Plazma, biologinės dangos | +30-80% atsparumas dilimui | Minimalus pokytis | +5-15% |
| Nanokompozitų formavimas | Nanokaliai, celiuliozės nanokristalai | +40-100% barjerinės savybės | Skiriasi priklausomai nuo priedo | +25-50% |
Įgyvendinimo strategija
Efektyviam biologiškai skaidžiam sandarinimui:
Paraiškų reikalavimų analizė
- Apibrėžti aplinkos sąlygas
- Nustatyti veiklos kriterijus
- Nustatykite degradacijos terminąMedžiagų parinkimas
- Pasirinkite tinkamą biopolimerų bazę
- Pasirinkite pastiprinimo strategiją
- Nustatyti būtinus priedusPatvirtinimo bandymas
- Atlikti pagreitintą senėjimą
- Atlikti lauko bandymus
- Patikrinti biologinio skaidymo greitį
Konsultuodami ekologinės žemės ūkio įrangos gamintoją, sukūrėme specialią PHA ir linų pluošto kompozitinę sandarinimo sistemą jų drėkinimo įrangai. Sandarikliai išlaikė vientisumą visą 2 metų eksploatavimo laikotarpį, o visiškai biologiškai suyra per 3 metus po šalinimo.5. Tai pašalino mikroplastiko taršą laukuose, o našumu prilygo įprastinėms EPDM sandarikliams, todėl įrangai buvo suteiktas ekologinis sertifikatas, kuris padidino rinkos vertę 15%.
Išvada
Norint pasirinkti tinkamas pneumatines sistemas išmaniajai žemdirbystei, reikia diegti optimizuotą impulsinio purškimo technologiją, skirtą bepiločių orlaivių naudojimui, adaptyvius aplinkos valdymo algoritmus šiltnamiuose ir integruoti biologiškai skaidžius sandarinimo sprendimus, kad būtų užtikrinta tvari ir veiksminga žemės ūkio veikla.
DUK apie žemės ūkio pneumatines sistemas
Kaip oro sąlygos veikia dronų impulsinio purškimo efektyvumą?
Oro sąlygos daro didelę įtaką dronų impulsinių purkštuvų veikimui dėl kelių mechanizmų. Didesnis nei 3-5 m/s vėjo greitis padidina dreifą iki 300%, todėl reikia dinamiškai koreguoti lašelių dydį (didesni lašeliai vėjuotomis sąlygomis). Temperatūra turi įtakos klampumui ir garavimo greičiui, o karštos sąlygos (> 30 °C) dėl garavimo gali sumažinti nusėdimą 25-40%. Drėgmė, mažesnė nei 50%, taip pat didina garavimą ir dreifą. Pažangiose sistemose yra realiuoju laiku stebimos oro sąlygos, kad būtų galima automatiškai reguliuoti impulsų dažnį, darbo ciklą ir skrydžio parametrus.
Kokie energijos šaltiniai yra efektyviausi šiltnamių pneumatinėms sistemoms?
Efektyviausi energijos šaltiniai šiltnamių pneumatinėms sistemoms priklauso nuo jų masto ir vietos. Saulės ir pneumatinės hibridinės sistemos pasižymi puikiu efektyvumu dienos metu, kai tiesioginiam oro šildymui naudojama saulės šiluminė energija, o kompresoriai varomi fotovoltiniais šaltiniais. Iš biomasės gaminamo suslėgto oro sistemos yra labai tvarios veikloje, kurioje naudojami organinių atliekų srautai. Didelėse komercinėse operacijose šilumos atgavimo sistemos, kurios surenka kompresorių atliekinę šilumą, gali padidinti bendrą sistemos efektyvumą 30-45% ir gerokai sumažinti eksploatavimo sąnaudas.
Kiek laiko paprastai tarnauja biologiškai skaidžios plombos, palyginti su įprastomis plombomis?
Daugelyje žemės ūkio sričių biologiškai skaidžių sandariklių tarnavimo laikas dabar yra 70-90% ilgesnis už įprastinių sandariklių tarnavimo laiką. Standartinės PLA pagrindu pagamintos statinės plombos paprastai tarnauja 1-2 metus, palyginti su 2-3 metų trukmės įprastinėmis medžiagomis. Pažangūs PHA ir pluošto kompozitai, skirti dinamiškam naudojimui, pasiekia 2-3 metų tarnavimo laiką, palyginti su 3-5 metų sintetinių elastomerų tarnavimo laiku. Naujos formulės ir toliau mažina eksploatacinių savybių skirtumus, o kai kurios specializuotos PBS pagrindu pagamintos medžiagos prilygsta įprastinio EPDM eksploatacinėms savybėms, išlaikydamos biologinį skaidumą. Šiek tiek trumpesnis tarnavimo laikas dažnai pripažįstamas kaip vertas dėmesio, atsižvelgiant į naudą aplinkai.
Ar žemės ūkyje naudojamos pneumatinės sistemos gali efektyviai veikti atokiose vietovėse?
Pneumatinės sistemos gali veiksmingai veikti atokiose žemės ūkio vietovėse, nes yra keletas pritaikymų. Saulės energija varomi kompaktiški kompresoriai užtikrina tvarų oro tiekimą kasdienėms operacijoms. Tvirtos filtravimo sistemos apsaugo nuo užteršimo dulkėmis ir aplinkos veiksniais. Supaprastintos konstrukcijos su mažesniais techninės priežiūros reikalavimais ir modulinėmis sudedamosiomis dalimis leidžia atlikti remontą lauke naudojant minimalų kiekį specializuotų įrankių. Itin nutolusiose vietovėse mechaninės energijos kaupimo sistemos (suslėgto oro talpyklos) gali užtikrinti darbinį pajėgumą riboto elektros energijos tiekimo laikotarpiais.
Kokie techninės priežiūros intervalai būdingi žemės ūkio pneumatinėms sistemoms?
Žemės ūkio pneumatinių sistemų techninės priežiūros intervalai priklauso nuo naudojimo intensyvumo. Dronų pulsinio purškimo sistemoms paprastai purkštukus reikia tikrinti kas 50-100 skrydžio valandų, o vožtuvus rekomenduojama atstatyti kas 300-500 valandų. Šiltnamių aplinkos kontrolės sistemose paprastai laikomasi 1000 valandų pneumatinių pavarų patikros intervalų, o kapitalinis remontas atliekamas po 5000-8000 valandų. Biologiškai skaidomų sandariklių būklę iš pradžių reikia stebėti 500 valandų intervalais, o vėliau koreguoti atsižvelgiant į eksploatacinius duomenis. Prevencinė techninė priežiūra ne sezono metu gerokai pailgina sistemos tarnavimo laiką ir sumažina gedimų skaičių kritiniais auginimo laikotarpiais.
-
“Impulsų pločio moduliacija”,
https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation. Aprašomas aukšto dažnio darbo ciklų naudojimo mechanizmas, siekiant reguliuoti skysčio kiekį žemės ūkio purškimo sistemose. Įrodomoji reikšmė: mechanizmas; Šaltinio tipas: mokslinis tyrimas. Palaiko: Patvirtina, kad PWM technologija leidžia tiksliai reguliuoti purškimo lašelių dydį ir pasiskirstymą. ↩ -
“Pesticidų dreifo mažinimas”,
https://www.epa.gov/reducing-pesticide-drift. Paaiškina reguliavimo gaires ir mechanizmus, skirtus vėjo poveikiui neutralizuoti pesticidų naudojimo metu. Evidence role: general_support; Source type: government. Palaiko: Patvirtina, kad būtina taikyti dreifo kompensavimo mechanizmus, kad būtų atsižvelgta į aplinkos vėjo veiksnius. ↩ -
“Garų slėgio deficitas”,
https://en.wikipedia.org/wiki/Vapour-pressure_deficit. Išsamiai aprašoma termodinaminė metrika, naudojama šiltnamio klimato sąlygoms įvertinti ir augalų transpiracijos greičiui prognozuoti. Įrodomoji reikšmė: mechanizmas; Šaltinio tipas: mokslinis tyrimas. Palaiko: Apibūdina mokslinį pagrindą, kaip palaikyti optimalų VPD, kad pagerėtų augalų fiziologinis vystymasis. ↩ -
“Polihidroksilalkanoatai ir polimiltų rūgšties mišiniai”,
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7914840/. Apžvelgiamos mechaninės savybės ir ekologiniai PHA ir PLA biopolimerų derinimo privalumai. Evidence role: general_support; Source type: research. Palaiko: Patvirtina biopolimerų mišinių, kaip tvarių medžiagų alternatyvų žemės ūkio komponentams, perspektyvumą. ↩ -
“ASTM D5338 - Standartinis bandymo metodas aerobiniam biologiniam skaidymui nustatyti”,
https://www.astm.org/d5338-15.html. Aprašyti standartizuoti bandymų parametrai, skirti plastikinių medžiagų irimo laikui kompostavimo sąlygomis nustatyti. Įrodomasis vaidmuo: mechanizmas; Šaltinio tipas: standartas. Palaiko: Pateikiama nustatyta bandymų sistema, naudojama visiškam biopolimerų suirimui per nustatytą laiką patikrinti. ↩
