Spoločnosť Azcal Management obhospodaruje približne 3 500 hektárov pôdy v okrese Kings v Kalifornii v srdci údolia San Joaquin. Pestuje pestrú škálu plodín vrátane pistácií, viniča, lucerny a hriadkových plodín, ako je cibuľa, cesnak a paradajky. Táto spoločnosť je priekopníkom v technológiách presného poľnohospodárstva, pričom sa zameriava na zvyšovanie produkcie a efektivity a zlepšovanie kvality plodín.

Efektívne vodné hospodárstvo

V Kalifornii, ktorá je náchylná na sucho, sa farmári pri využívaní vody správajú veľmi zodpovedne. Náklady na vodu, vládne nariadenia a obavy o budúcu dostupnosť vody znamenajú, že sa musia začať oveľa viac zameriavať na zabezpečenie primeraného množstva vody pre plodiny, ani nie príliš veľa, ani príliš málo. Jedna z fariem spoločnosti Azcal má 12 čerpadiel s hlbokými studňami, pričom všetky sú osadené čerpadlami riadenými frekvenčnými meničmi, ktoré zásobujú jedinú hlavnú trať obsluhujúcu farmu s rozlohou približne 1 600 hektárov južne od Lemoore v Kalifornii.

Pre manažérov farmy Jakea Sheelyho a Martyho Rhoadsa bývalo monitorovanie a riadenie týchto čerpadiel prácou na plný úväzok. Jazda po farme a vykonanie potrebných drobných úprav a nastavení na čerpacích a zavlažovacích systémoch trvalo každý deň šesť až sedem hodín. Ich monitorovanie bolo životne dôležité, aby sa zabezpečilo, že tlak a prietok v systéme sú v rámci rozsahu a že čerpadlá fungujú efektívne. Keďže súčasne boli v chode štyri alebo päť čerpadiel, Jake a Marty museli byť mimoriadne usilovní, aby sa vyhli udalostiam, keď bol tlak nízky alebo naopak vysoký a často museli meniť studne na základe aktuálnej situácie.

Studne musia byť udržiavané v prevádzke, ale nie prečerpané. Pokles prietoku by znamenal prečerpanie studne a ak by sa do čerpadla nasal vzduch, oprava studne by mohla vyžadovať tisíce dolárov. Okrem toho, ako mnohí pestovatelia, aj oni trpeli výpadkami elektriny a čelili napäťovým špičkám v distribučnej sieti. To, že čerpadlo už nefunguje alebo zhorelo, sa pri tomto spôsobe monitoringu mohlo zistiť až po niekoľkých hodinách. Času spojeného s manuálnym monitorovaním a ovládaním bolo príliš veľa. Spoločnosť Azcal hľadala jednoduchý spôsob, ako automatizovať hospodárenie s vodou a sledovať udalosti čerpania s ohľadom na mesačné účtovanie vody.

Vedenie spoločnosti Azcal kontaktovalo niekoľko dodávateľov riešení a predstavilo im svoju víziu vzdialeného monitorovania a riadenia čerpadiel. Vyskúšali proprietárne nástroje určené na riadenie čerpadiel, ale hoci tieto nástroje fungovali pre jedno čerpadlo a plochu cca 16 hektárov, žiadne z nich nedokázalo integrovať všetko vo veľkom rozsahu. Obmedzená bola aj podpora diaľkového ovládania alebo sofistikovaného riadenia PID slučky.

IIoT v poľnohospodárstve

Po týchto skúsenostiach boli predstavitelia spoločnosti skeptickí aj pri ponuke spoločnosti Farm Data Systems (FDS) s nejakou novou technológiou. S majiteľom a prezidentom FDS Johnom Williamsonom sa však už poznali z predchádzajúcich spoločných projektov v minulosti, takže boli ochotní počúvať.

Ako poznamenáva John, poľnohospodárski zákazníci sa snažia riešiť pomerne jednoduché problémy, ale je tu toľko ťažkostí, že sa to stáva zložitým. Technické zariadenia sú rozmiestnené na veľkej ploche a sú medzi nimi veľké vzdialenosti. Pevné ethernetové vedenie tu jednoducho nefunguje, a preto musí byť riešenie bezdrôtové. Pretože farmy zvyčajne nemajú veľký rozpočet, náklady sú zvyčajne rozhodujúcim faktorom.

Technici z FDS však posledných 20 rokov strávili hľadaním vhodnej technológie, ktorá bude relevantná a nákladovo efektívna pre poľnohospodárov, použiteľnej práve v takýchto prípadoch. V prvých rokoch používali na monitorovanie vlastnú technológiu, no zákazníci začali žiadať stále viac funkcií. FDS sa teda štandardizovala na hardvéri Opto 22 a softvéri Ignition od spoločnosti Inductive Automation®, čím sa aj do poľnohospodárstva začala dostávať technológia internetu vecí.

„Neviem si predstaviť, ako bude niekto schopný efektívne hospodáriť bez technológie internetu vecí o takých päť rokov,“ hovorí J. Williamson. Pomocou hardvéru Opto 22 a softvéru Ignition spoločnosť FDS vyvinula komplexné riešenie monitorovania polí a automatizácie na riadenie zavlažovania plodín. Riadiace systémy EPIC groov a vzdialené V/V moduly groov od spoločnosti Opto22 sa pripájajú k snímačom a zariadeniam v teréne, aby zhromažďovali údaje a automatizovali riadenie.

FDS dodala aj platformu pre vodné hospodárstvo postavenú na softvérových moduloch Ignition od spoločnosti Inductive Automation. Tá je dostupná na súkromnom cloude FDS a poskytuje riadenie a údaje, ktoré farmári potrebujú, spôsobom, ktorému rozumejú a môžu ho ľahko používať. Každý zákazník má na základe svojho prihlásenia súkromný pohľad, ktorý zobrazuje iba technické prostriedky a informácie o jeho farme.

Tým, že sa zákazník vyhne drahému vlastnému hardvéru, ktorého výstavba a údržba môže byť časovo náročná, môže FDS udržať ceny dostupné a zároveň obmedziť prestoje, ak je potrebné niečo vymeniť alebo aktualizovať. Vďaka štandardným ovládačom, snímačom, ktoré sa už bežne používajú v mnohých iných odvetviach, a ich vlastnému ľahko použiteľnému softvéru sú systémy FDS pre farmárov cenovo veľmi dostupné. Spoločnosť nielenže výrazne zlepšila riadenie zavlažovania na viac ako 500 farmách pokrývajúcich viac ako 50 plodín, ale vytvorila aj vlastné technologické laboratórium na rozlohe takmer 200 hektárov, kde testuje vylepšenia systému.

Riešenie

To, čo spoločnosť Azcal potrebovala, bol riadiaci systém na každom čerpadle studne, plne integrovaný s ich existujúcimi frekvenčnými meničmi, ktorý by im umožnil diaľkovo spúšťať a zastavovať čerpadlá, ako aj vykonávať drobné úpravy rýchlosti alebo nastavených hodnôt tlaku. Potrebovali tiež spoľahlivé monitorovanie prietokomerov a vstupného napätia. FDS splnila potreby spoločnosti Azcal s integrovanou modulárnou architektúrou, ktorú možno ľahko prispôsobiť tak, aby spĺňala jedinečné požiadavky každého zákazníka.

Hardvér

Farm Data Systems začala používať riadiace systémy Opto 22 a V/V pred niekoľkými rokmi. Na riadenie čerpadiel používala produkty Allen-Bradley®, ale systémy boli pre väčšinu fariem príliš drahé. Zistila, že nové produkty internetu vecí od Opto 22 dokážu robiť rovnaké veci efektívnejšie, čo im otvorilo dvere aj do sektora poľnohospodárstva. Spočiatku si na inštalácie v exteriéri vybrali regulátory SNAP PAC série R a V/V na báze ethernetu s montážou do rozvádzača. Keď však Opto 22 vydalo riadiaci systém groov EPIC a vzdialené V/V groov, videli príležitosť na ďalšie zníženie nákladov.

„V Kalifornii je 60 000 zavlažovacích čerpadiel a 60 – 70 % má iba štyri až šesť V/V,“ hovorí J. Williamson. „Nemá zmysel dávať tam celý riadiaci systém.“ Namiesto toho FDS používa univerzálny modul vzdialených V/V groov, malú jednotku, ktorá ponúka širokú škálu softvérovo konfigurovateľných typov signálov, zabudované zabezpečenie a komunikáciu IoT.

Na riadenie systému používa FDS odolný programovateľný priemyselný riadiaci systém EPIC edge. EPIC, navrhnutý pre priemyselnú automatizáciu a internet vecí, ponúka bezpečnostné funkcie vrátane konfigurovateľného zariadenia – bezpečnostnej steny (firewall), používateľských účtov a autentifikácie, šifrovania dát, správy bezpečnostných certifikátov, VPN klienta a dvoch nezávislých ethernetových portov. Vďaka možnosti programovania riadenia a schopnosti spúšťať softvér Ignition je EPIC o krok vpred pred ostatnými priemyselnými riadiacimi systémami na trhu.

Groov EPIC aj vzdialené V/V groov zahŕňajú komunikáciu Node-RED a MQTT, ktorú FDS čoraz viac využíva na zefektívnenie zberu dát. Vzdialené V/V groov môže napríklad posielať dáta cez MQTT priamo sprostredkovateľovi MQTT na serveri Ignition.

Softvér

Kľúčovou súčasťou inštalácií Farm Data Systems je ich projektový softvér Ignition na správu vodného hospodárstva. S knižnicou UDT všetkých funkcií, ktoré poskytuje – čerpadlá, prietokomery, sondy vlhkosti, každé fyzické zariadenie –, možno nové technické prostriedky jednoducho skopírovať a prilepiť, aby sa v priebehu niekoľkých minút vytvoril nový projekt. Po pridaní možno každú funkciu rozšíriť na ďalších zákazníkov.

Keďže architektúra je hosťovaná, FDS potrebuje iba zapnúť prístup zákazníka k jeho jednotlivým stránkam. Pridanie nového klienta je „super rýchle“, ako poznamenáva J. Wiliamson. „Softvérovú časť možno dokončiť za niekoľko dní. Inštalácia hardvéru predstavuje väčšinu práce.“

Pomocou štandardného riadiaceho hardvéru a softvéru SCADA ponúka FDS takmer 30 rôznych modulov umiestnených na zabezpečenom webovom serveri, od monitorovania pôdnej vlhkosti až po plnú automatizáciu zavlažovania. A neustále pridávajú nové moduly na základe potrieb zákazníkov.

Pre Azcal začala FDS inštaláciou V/V jednotiek riadiaceho systému Opto 22 SNAP PAC na piatich studňových čerpadlách. Hneď ako boli na trhu dostupné vzdialené V/V groov, nainštalovali ich na ďalších sedem čerpadiel. Tieto V/V hlásia údaje o napäťových prevodníkoch, virtuálnych potenciometroch rýchlosti, žiadaných hodnotách, prúdových prepínačoch, frekvenčných meničoch a prietokomeroch na každom mieste, pričom tieto údaje odosielajú prostredníctvom WiFi cez ethernetový prepínač a most Ubiquiti do hlavnej komunikačnej veže. Na komunikačnej veži je inštalovaný centrálny riadiaci systém groov EPIC bežiaci na princípe riadenia Opto 22 PAC Control. Z dedikovanej siete na mieste veže sa dáta zdieľajú prostredníctvom VPN z riadiaceho systému groov EPIC cez internet. Údaje o zákazníkoch sú uložené v softvéri Ignition SCADA spoločnosti Inductive Automation na cloudovom serveri Microsoft Azure.

Softvér na správu vodného hospodárstva umožňuje spoločnosti Azcal pristupovať k ich systému prostredníctvom mobilných zariadení. Zo svojich telefónov alebo iných zariadení s webovým prehliadačom môže Azcal:

  • diaľkovo spúšťať a zastavovať čerpadlá,
  • ovládať frekvenciu meničov na štyroch čerpadlách pomocou virtuálneho nastavenia rýchlosti,
  • virtuálne ovládať požadovanú hodnotu tlaku na zostávajúcich ôsmich frekvenčných meničoch,
  • neustále monitorovať tlak a prietok čerpadla,
  • sledovať frekvenciu, napätie, prúd a výkon frekvenčných meničov,
  • monitorovať napätie v sieti a stav studne,
  • dostávať upozornenia na kritické prevádzkové problémy a všeobecnú činnosť čerpadla,
  • prijímať správy o činnosti čerpadla a spotrebe vody.

Prínosy

Manuálne monitorovanie a úpravy, ktoré predtým trvali Azcalu šesť alebo sedem hodín denne, teraz zaberú len niekoľko minút denne. „Sme nadšení z riešenia, ktoré prinieslo FDS. Prvú vec, čo ráno po príchode do kancelárie spravím, je, že skontrolujem stav čerpadiel. Jednoducho to funguje!” hovorí J. Sheely.

Od prvého dňa mohli Jake a Marty používať klientsku aplikáciu FDS Ignition na správu vodného hospodárstva na svojich telefónoch na kontrolu ktoréhokoľvek zo svojich čerpadiel v priebehu niekoľkých sekúnd. Okrem toho vidia, ako sa tlak a prietok neustále menia, a môžu vykonávať úpravy bez toho, aby museli naskočiť do auta a navštíviť niektorú z lokalít. Prvýkrát majú tiež prehľad o napájaní čerpadiel a dostávajú textové upozornenia vždy, keď systém stratí napájanie a čerpadlo sa vypne. „Každej časti platformy od Opto 22 I/O cez komunikáciu Ubiquiti až po systém SCADA od Inductive Automation teraz úplne dôverujeme a sme presvedčení, že je bezpečná a spoľahlivá,“ dodáva J. Williamson.

Budúcnosť

Kombinácia riešení od Opto22 a Ignition Automation sa ukázala ako veľmi flexibilná. Každé zlepšenie, ktoré FDS a Azcal spoločne zrealizovali, pomohlo nielen im, ale aj ostatným existujúcim a novým zákazníkom.

Azcal má presne také riešenie, aké potreboval za dostupnú cenu. Najnovšie technológie priemyselného riadenia sa dobre prispôsobili poľnohospodárskemu prostrediu a okamžite začali prinášať návratnosť investícií. Výsledkom je, že Azcal už zavádza rovnakú technológiu na ďalších farmách s ďalšími funkciami vrátane riadenia ventilov a plánovania zavlažovania.

Zdroj: IIoT and automation saves time and enhances control. Opto22. Prípadová štúdia. [online]. Publikované 18. 1. 2023. 

-tog-