Beck, Dipl.-Ing. (FH) Michael: Strategien zur Steuerung der Bewässerung im Gewächshaus und Konsequenzen für die Strukturierung von Leitrechnersystemen

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Kapitel 2. Leitrechnersysteme für den Anbau im Gewächshaus

2.1 Baugruppen eines Leitrechnersystems

Wesentliche Bestandteile der Prozesssteuerung sind die Informationsgewinnung, Informationsverarbeitung und eine entsprechende Reaktion (Aktion). Die Leittechnik betrachtet dabei den Informationsgehalt der beteiligten Vorgänge. Die Produkteigenschaften und Prozesszustände charakterisieren den Produktionsprozess. Sie werden durch Sensoren gemessen oder über Modellrechnungen berechnet und im Prozessleitsystem automatisch verarbeitet. Je nach Vorgabe des Menschen oder der Strategie des Leitsystems wird der Prozess durch Steuergrößen über Aktoren beeinflusst ( Abb. 0.1 ).

Abb. 0.1: Informationsgewinnung, Informationsverarbeitung und Aktion sind kennzeichnend für die Leittechnik (SCHÖN 1993) .

Grundsätzlich wird angestrebt, mit Hilfe der Prozessleittechnik auf Betriebsleiterebene auch komplexe Zielsetzungen vorgeben zu können z.B. minimierter Produktionsmitteleinsatz. Die alleinige Informationsgewinnung über Sensoren, wie sie bei der Ablaufsteuerung oder Regelung eingesetzt wird, erweitern Modellrechnungen und Optimierungsprogramme (SCHÖN 1993) .

Um die Prozessführung der Gewächshausbetriebe an die betriebsspezifischen Besonderheiten anzupassen fordert TANTAU einen modularen Aufbau der Hard- und Software (TANTAU 1995) . Dadurch können die einzelnen Klimakomponenten für sich alleine oder durch eine Vernetzung im Verbund arbeiten. Eine nachträgliche Erweiterung sollte ohne Umbau der kleinsten Einheiten jederzeit möglich sein.


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Aufgrund steigender Leistungsfähigkeit, verbesserter Graphikfähigkeit und vor allem der Multitaskingfähigkeit der Personal Computer wird die Idee, Leitsysteme auf der Basis von PC‘s aufzubauen forciert (SCHÖN 1993) . Bei Spezialentwicklungen in der Hardware wie Industrierechnern oder aufwendigen Vorortrechnern ergibt sich häufig ein Widerspruch zwischen den Entwicklungskosten und der notwendigen Entwicklungsgeschwindigkeit. Aus Kostengründen werden daher verstärkt standardisierte PC-Systeme zur Anwendung kommen (SCHMIDT 1996) .

Entsprechende I/O-Untis bzw. selbständige Steuerungen übernehmen die Verbindung zu den Aktoren und Sensoren. Sie sind über Koppler an das Bussystem, das vom Prozessrechner und dem zentralen Busverwalter koordiniert wird, angeschlossen ( Abb. 0.2 ).

Abb. 0.2: Struktur eines PC-Leitsystems (SCHÖN 1993) .

Die im Zusammenhang mit der Prozessleittechnik verwendeten Begriffe werden wie folgt definiert:

Prozessleitsystem (Leitsystem)

Das Prozessleitsystem besteht aus einem Prozessrechner, Mess- und Stellgliedern (Sensoren, Aktoren) und Peripheriegeräten zur Führung eines Prozesses. Zum Dialog mit dem Bediener werden Ein- und Ausgabegeräte angeschlossen.

Prozessrechner (Leitrechner)

Rechner, der einen Vorgang z.B. einen industriellen Prozess im Onlinebetrieb steuert. Da ein dauernder Kontakt zwischen Prozess und Rechner besteht, arbeitet er im Echtzeitverfahren. Die Prozessrechner können in herkömmlicher analoger Bauweise, Mikrocomputertechnik (Mikrokontroller, Ein- oder Mehrplatinencomputer), als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder auf PC-Basis aufgebaut sein.


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I/O-Unit

Peripheriegerät, das Stellbefehle an die Aktoren weitergibt und Messwerte der Sensoren aufnimmt. In der I/O-Unit erfolgt häufig die Umwandlung der analogen Signale in digitale Daten bzw. umgekehrt (A/D-Wandler bzw. D/A-Wandler). Die I/O-Units stehen über Koppler und dem Bussystem mit dem Prozessrechner in Verbindung.

Messleitung

Verbindung zur Übertragung der elektrischen Signale des Sensors zur I/O-Unit.

Schaltleitung

Verbindung von I/O-Unit zum Aktor zur Übertragung des analogen bzw. digitalen Signals zu den Aktoren.

Vorortrechner

Selbständiger Prozessrechner mit I/O-Unit, Bedien- und Anzeigefeld. Übernimmt z.B. Klima- und Bewässerungssteuerung für ein bzw. mehrere Abteile.

Bussystem

System von Leitungen zur Übertragung von Daten einzelner Systemkomponenten. Man unterscheidet zwischen parallelen (maximal 30 m) und seriellen Bussystemen (einige Kilometer). Für die Kommunikation mit den I/O-Units werden meist serielle Bussysteme verwendet.

Ringadapter (Koppler)

Baugruppe zur Übersetzung der Signale des PC-Systems (z.B. RS 232-Schnittstelle) auf das Bussystem des Prozessleitsystems.

2.2 Struktur der Leitrechnersysteme

Die im Gartenbau eingesetzten Prozessleitsysteme sind unterschiedlich strukturiert ( Abb. 0.3 bis Abb. 0.5 ). Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist die Verteilung der Intelligenz (SCHMIDT 1996) .

Leitrechnerprinzip

Bei dem Leitrechnerprinzip ( Abb. 0.3 ) sind alle Sensoren und Stellglieder mit der zentralen Eingabe- Ausgabeeinheit (I/O-Unit) verbunden. Neben einem hohen Verkabelungsaufwand sind die zum Teil langen Messleitungen als Nachteil zu nennen. Bei Anlagen mit mehr als 10 Klimaabteilen sind die Systeme in der Regel ausgelastet.


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Abb. 0.3: Gewächshausautomatisierung nach dem Leitrechnerprinzip.

Vorteil des Leitrechnerprinzips ist die zentrale Datenverwaltung und Dateneingabe. Ein Datenaustausch zwischen den Funktionsgruppen ist ohne Aufwand auf Softwareebene möglich. Die Kontrollstrategien liegen zentral auf einem Rechner und können bei Änderung und Weiterentwicklung problemlos ausgewechselt werden. Auf dem Leitrechner können je nach Speichermedium große Datenmengen archiviert werden.

Prinzip der verteilten Intelligenz

Das System der verteilten Intelligenz ( Abb. 0.4 ) wird auch als dezentrales System bezeichnet und ist das Gegenstück zum Leitrechnerprinzip.

Abb. 0.4: Gewächshausautomatisierung nach dem Prinzip der „Verteilten Intelligenz“.

Eigenständige Prozessrechner (Vorortrechner) übernehmen die Klima- und Bewässerungssteuerung für die einzelnen Gewächshausabteile. Die einzelnen Vorortrechner haben integrierte I/O-Untis für eingehende Messdaten und die Ausgabe von Stellbefehlen an die Aktoren. Die Sollwerteingabe erfolgt dezentral an jedem Vorortrechner. Über entsprechende Displays ist eine eingeschränkte Datenvisualisierung möglich. Eine langfristige Datenarchivierung ist aufgrund mangelnder Speichermedien


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nicht möglich. Der Verkabelungsaufwand ist minimiert. Eine spätere Erweiterung ist ohne Probleme möglich. Abgesehen von den Signalen der Wetterstation findet zwischen den einzelnen Vorortrechnern in der Regel kein Datenaustausch statt. Für die Integration neuer Regelstrategien muss jeder Vorortrechner neu konfiguriert werden.

Master/Slave Prinzip

Das Master/Slave Prinzip ( Abb. 0.5 ) ist eine Kombination des „Leitrechnerprinzips“ und des Prinzips der „Verteilten Intelligenz“. Einzelne Vorortrechner (Slaves) übernehmen die Prozesssteuerung für ein oder mehrere Abteile. Die Vorortrechner sind über eine Busleitung mit einem zentralen Leitrechner verbunden. Der Leitrechner (Master) dient in vielen Systemen lediglich zur Datenarchivierung, Prozessvisualisierung und Führungsgrößenausgabe an die Unterstationen. Er führt keine Steuer- und Regelungsvorgänge aus.

Abb. 0.5: Gewächshausautomatisierung nach dem Prinzip „Master/Slave“.

Wie bei dem System der verteilten Intelligenz muss bei einem Software-Update jeder Vorortrechner entsprechend neu konfiguriert werden.

Aufgabensplitting

Im Hinblick auf eine Verknüpfung der Klima- und Bewässerungssteuerung wird sowohl das reine Leitrechnerprinzip als auch das Prinzip der verteilten Intelligenz an Grenzen stoßen. Der Leitrechner muss durch die Verteilung der Aufgaben, ohne die Vorteile der zentralen Softwareverwaltung, der zentralen Dateneingabe und einer größtmöglichen Datenvernetzung zu verlieren, entlasten werden. Das Aufgabensplitting kann sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene stattfinden ( Abb. 0.6 ). Bei einem Hardwaresplitting übernimmt ein Messcomputer die Kommunikation mit den Stellgliedern


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und den Sensoren. Bei einer vertikalen Aufgabenverteilung ist der Messcomputer mit dem Regelcomputer und dem Modul zur Datenvisualisierung und -eingabe verbunden. Bei der horizontalen Aufgabenverteilung gibt bzw. erhält der Messcomputer Information vom Klima- und Hydrocomputer (SCHMIDT 1996) .

Abb. 0.6: Vertikales (links) und horizontales (rechts) Aufgabensplitting auf Hardware- oder Soft wareebene (SCHMIDT 1996) .

Bei einem Aufgabensplitting auf Softwareebene wird nur ein leistungsfähiger Prozessrechner (Leitrechner), der mit einem multitaskingfähigen Betriebssystem ausgerüstet ist, eingesetzt. Dadurch können mehrere Programme parallel abgearbeitet werden. Die Funktionen der einzelnen Programme können wie beim Hardwaresplitting in Abb. 0.6 dargestellt, verteilt werden.

2.3 Kontrollstrategien

Die Kontrollstrategie ist der Algorithmus bzw. die Gesetzmäßigkeit zur Beeinflussung einer Regelgröße. Sie ist das „Programm“, nach dem ein Produktionsprozess automatisch beeinflusst wird (SCHÖN 1993) und unterscheidet sich nach dem Grad der Rückwirkung auf den Prozess und der Struktur der Regelkreise.

Die klassischen Kontrollstrategien sind die Steuerung (Ablaufsteuerung) und die Regelung, die auch heute noch in vielen Prozessleitsystemen zur Anwendung kommen ( Abb. 0.7 ).


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Abb. 0.7: Steuerung und Regelung als häufig eingesetzte Kontrollstrategien.

Steuerung (Ablaufsteuerung)

Nach DIN 19226 ist das Steuern - die Steuerung - ein Vorgang, bei dem eine Eingangsgröße in gesetzmäßiger Weise eine Ausgangsgröße beeinflusst. Kennzeichnend für das Steuern in seiner einfachsten Form ist der offene Wirkungsablauf. Rückwirkungen aus dem Prozess werden nicht berücksichtigt ( Abb. 0.7 ).

Regelung

Nach DIN 19226 ist das Regeln - die Regelung - ein Vorgang bei dem die zu regelnde Größe fortlaufend erfasst und mit einer anderen vorgegebenen Größe gleicher Art (Führungsgröße) verglichen wird. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs erfolgt eine Angleichung der zu regelnden Größe an den vorgegebenen Wert. Regelungen können aufgrund der Rückmeldung aus dem Prozess ( Abb. 0.7 ) Störungen und Abweichungen erkennen und automatisch ausregeln. Neben einfachen Regelkreisen, die häufig einen PI(D) Regler integriert haben, werden bei großen Regelbereichen Mehrfachregelungen bzw. Kaskadenregelungen eingesetzt. SCHMIDT bezeichnet die Regelung auch als „trial and error“ Prinzip. Stellt der Regler eine Abweichung (error) fest, wird durch eine Veränderung des Stellgliedes (trial) versucht diese Abweichung auszuregeln (SCHMIDT 1996) .

Optimierung und modellgeführte Mehrgrößenregelung

Erst durch den Einsatz von Mikroprozessoren können die konventionellen Kontrollstrategien durch modellgeführte Regelstrategien (Optimierung), die physikalische und mathematische Zusammenhänge berücksichtigen, ersetzt werden. Bei der Optimierung werden nicht nur Abweichungen einzelner Messgrößen ausgeregelt, sondern ein gesamter Prozess auf das entsprechende Ziel ausgerichtet. Zur Optimierung bedarf es interner Modelle über den Prozess. Im Gartenbau kann durch den Einsatz von Modellen die bisher vorzufindende, strenge Abgrenzung der einzelnen technischen Systeme, wie Klima- und Bewässerungssteuerung durchbrochen werden. In die Modellrechnung können mehrere Messgrößen integriert und kombiniert werden. Neben Online erfassten Messgrößen müssen die Modelle unter anderem Ergebnisse aus Laboranalysen, wissenschaftlichen Untersuchungen, gärtnerischer Erfahrung und ökonomische Aspekte, wie z.B. die Marktsituation, berücksichtigen können.


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2.4 Teilbereiche der Prozessautomatisierung

Im Gewächshausanbau werden durch entsprechende technische Einrichtungen und Regelgruppen die Wachstumsfaktoren beeinflusst ( Tab. 0.1 ).

Tab. 0.1: Regelgruppen und hauptsächlich verwendete Führungsgrößen zur Optimierung der Wachstumsfaktoren im Gewächshausanbau.

Regelgruppen

Führungsgröße

Heizung

Temperatur, Luftfeuchte, Wind, Einstrahlung, CO2-Gehalt

Lüftung

Temperatur, Luftfeuchte, Wind, Niederschlag, Einstrahlung, CO2-Gehalt

Schattierung/Energieschirm

Einstrahlung, Temperatur, Luftfeuchte

Belichtung

Einstrahlung, Zeit

Düngung

Leitfähigkeit, Nährstoffgehalt (Laboranalyse), Pflanzenwachstum

Bewässerung

Bodenfeuchte, Einstrahlung, Zeit, Modelle

Wenngleich viele Gewächshauscomputer die einzelnen Regelgruppen in einem Prozessleitsystem integriert haben, so laufen die Teilprozesse oft parallel ohne gegenseitigen Datenaustausch ab. Biologische und physikalische Zusammenhänge und Wechselwirkungen werden nicht berücksichtigt. Die Abstimmung der einzelnen „Regler“ muss vom Anwender vorgenommen werden ( Abb. 0.8 ).

Abb. 0.8: Prozessleitsystem ohne logische Verknüpfung der Klima- und Bewässerungssteuerung.


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2.4.1 Klimasteuerung

Im Vergleich zur Bewässerungssteuerung ist die Automatisierung der Klimasteuerung auf einem höheren Entwicklungsstand. Ursache dafür ist unter anderem der hohe Anteil der Energiekosten an den Gesamtproduktionskosten.

Neue Regelstrategien (z.B. Diff-, Cool Morning), die das Pflanzenwachstum beeinflussen, zwingen zur Modernisierung der Prozesssteuerung. Analoge Einzelregler können auf diese Strategien nicht ohne großen Aufwand abgestimmt werden (BAKKER et al. 1995) .

Im Bereich der Klimasteuerung finden die derzeitigen Entwicklungen in der Beschreibung neuer Zielfunktionen sowie in der Verbesserung der Bedien- und Benutzeroberfläche statt (SCHMIDT 1996) . Die meisten Systeme haben die klassischen Schemata wie z.B. eine Ablaufsteuerung oder eine Regelung (PID-Regler) integriert ( Abb. 0.7 ). Adaptierende Regelungen bzw. Steuerungen und Modellrechnungen werden meist nur zu Versuchszwecken eingesetzt.

Entwicklungen wie das Plantputer Prozessleitsystem (SCHMIDT 1996) integrieren pflanzliche Signale um das physiologische Verhalten, wie z.B. die Transpiration der Pflanze und die Blatttemperatur zu optimieren. Die bisher getrennten Regelkreise für Heizung, Lüftung, Schattierung und Bewässerung werden zu einer Mehrgrößenregelung ausgebaut. Als zentrale Regelgröße wird die Bestandtemperatur angesehen. Da die Bestandtemperatur messtechnisch schwierig zu erfassen ist, werden thermodynamische Modelle benutzt (SCHMIDT 1992) . Modellgeführte Regelstrategien, die Störgrößen wie z.B. die Einstrahlung direkt verarbeiten und durch entsprechende Optimierungsprogramme an die entsprechenden Bedingungen automatisch adaptiert werden führen zu einer sehr ruhigen, schwingungsfreien und energiesparenden Regelung (SCHMIDT 1997) . Durch die Integration der Blatttemperatur kann Heizenergie eingespart, der Wasser- und Nährstoffverbrauch optimiert und der Ertrag in Quantität und Qualität verbessert werden (SCHMIDT 1992) .

Durch modellgeführte Regelstrategien können die vorzugebenden Regelparameter (bis zu 200 pro Klimaabteil) reduziert werden (TANTAU 1990) .

Die Messwerte der eingesetzten Sensoren sind häufig mit einem hohen Messfehler behaftet. STRAUCH unterscheidet grobe Messfehler, die durch einen Gerätedefekt auftreten können, ungeeignete Messgeräte, falschen Einsatz(ort) der Messfühler und Bedienungsfehler (STRAUCH 1992) . Eine notwendige Wartung der Sensoren wird häufig vernachlässigt (SCHMIDT 1997) .

Hinzu kommt, dass bedingt durch die Anordnung der Heizsysteme, Gradienten bei der Wärmeverteilung in den Gewächshäusern auftreten (TANTAU 1995b) .


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2.4.2 Bewässerungssteuerung

Bei der Analyse der Bewässerungssteuerung ist die Vielfalt der Anbaumethoden zu berücksichtigen ( Abb. 0.9 ).

Abb. 0.9: Einteilung der Anbaumethoden (STORCK 1994) .


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Aus regelungstechnischer Sicht sind Systeme mit und ohne Überschusswasser zu unterschieden ( Tab. 0.2 ).

Tab. 0.2: Regelungstechnische Besonderheiten der Anbauverfahren mit und ohne Drainwasser.

 

Systeme mit Drainwasser

Systeme ohne Drainwasser

Drainwasser

- Auffangen

- Analyse und Aufbereitung

- Steuerung der Drainwassermenge

- Überschusswasser muss verhindert werden

Führungsgrößen zur Bewässerungssteuerung

- Einstrahlung

- Zeit

- Modelle

- Überschussmenge

- Bodenfeuchte im Wurzelbereich

- Einstrahlung

- Bodenfeuchte unterhalb der Wurzelzone

Düngekonzept

- Konzentrationskonzept

- EC- und pH-abhängige Regelung

- Einzelnährstoffdünger

- A/B-Bag-System

- Mengenkonzept

- Konzentrationskonzept

- Mehrnährstoffdünger

- Einzelnährstoffdünger

Die in den verschiedenen Kulturverfahren eingesetzten Wasserverteilsysteme unterscheiden sich in der Benetzung der Bodenoberfläche. Die Algorithmen zur Automatisierung der Bewässerung sind entsprechend anzupassen ( Tab. 0.3 ).

Tab. 0.3: Regelungstechnische Anforderungen der Wasserverteilsysteme.

Verteilsystem

Bei der Automatisierung zu berücksichtigen

Sprühdüsen

Aufgrund des hohen Wasserbedarfs können nicht mehrere Stränge parallel eingeschaltet werden (Folgeschaltung).

Durch die Befeuchtung der Blätter entsteht ein erhöhtes Risiko für Pilzkrankheiten (Bewässerung nur wenn das Laub bis Sonnenuntergang wieder abtrocknen kann).

Werden auch zur Luftbefeuchtung eingesetzt.

Tropfbewässerung

Lange Bewässerungsdauer, da Ausbringmenge pro Zeiteinheit gering ist.

Hohe Niederschlagsdichte pro Flächeneinheit in den befeuchteten Bereichen.

Pflanzen werden durch das Tropfsystem nicht nass.

Über die Tropfbewässerung kann auch die Düngung ausgebracht werden.

Gießwagen

Der Gießwagen muss wieder in Ausgangsposition zurückgeführt werden.

Die Düngung ist nur bei kompletten Überfahrten möglich.

Die Pflanzen werden je nach Verteilsystem (Düsen, Schleppschläuche) nass.

Ebbe-Flut

Vor einem Bewässerungsvorgang müssen die Nährlösungsbecken befüllt werden.

Das Überschusswasser muss in das entsprechende Becken zurückgeführt wer den.

Aufgrund der geringeren Spezialisierung sind in vielen deutschen Gewächshausbetrieben häufig in einem Betrieb mehrere Anbau- und Bewässerungsverfahren vorzufinden.


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Als mögliche Führungsgrößen für die Bewässerungssteuerung können der Wasserzustand der Pflanze, die Bodenfeuchte, Klimafaktoren, die Zeit sowie die Sinnesempfindungen des Kultivateurs und andere ( Tab. 0.4 ) eingesetzt werden.

Tab. 0.4: Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung der Bewässerung (PASCHOLD 1994) .

Wasserzustand der Pflanze

Bodenfeuchte

Klimafaktoren

Sonstige

Turgor

Spaltöffnungen

Saftstrom

Transpiration

Stammdurchmesser

Wassergehalt

- Gravimetrie

- Kapazitätsmessung

- Neutronensonde

- TDR Sonde

- Peltier Element

- Leitfähigkeit

Wasserverfügbarkeit

- Tensiometrie 1)

- Gipsblock 1)

Einstrahlung 1)

Lysimeter (Verdunstung)

Feuchtedefizit

Feuchtedifferenz

Modellrechnungen

Sinnesempfindung u. Erfahrung (Grüner Daumen) 1)

Zeitsteuerung 1)

Spatenprobe

1) In der Praxis häufig eingesetzt

Im Bereich der Bodenfeuchtemessung werden laufend neue Sensoren vorgestellt. Inwieweit sich diese bei den verschiedenen Bodenarten und Kulturmethoden eignen ist im Einzelnen zu prüfen. Pflanzliche Signale wie z.B. Transpiration, Saftstrommessung, Stammdicke u.a. werden bisher nur in wissenschaftlichen Untersuchungen eingesetzt (ROSE and ROSE 1995) .

Modellrechnungen zur Bewässerungssteuerung werden von STANGHELLINI in BAKKER et al. HEIßNER und SCHMIDT beschrieben (Kap 4.5.3) und sind teilweise nur für bestimmte Kulturen und Kulturmethoden untersucht (BAKKER et al. 1995) ; (HEIßNER 1997) ; (SCHMIDT 1999) . Bei der sog. „Geisenheimer Methode“ wird für die Bewässerung von Freilandkulturen die klimatische Wasserbilanz und die Pflanzenentwicklung berücksichtigt (PASCHOLD 1994) .

Alle Verfahren sind mit Vor- und Nachteilen verbunden und müssen teilweise durch manuelle Eingriffe in Form von Sollwertvorgaben und -änderungen dem Kulturabschnitt angepasst werden ( Tab. 0.5 ). Der Kultivateur ist gezwungen, vorsichtshalber immer reichlich zu bewässern und am Steuergerät den Schwellenwert nachzustellen. Teilweise sind tägliche Korrekturen notwendig (MACKROTH et al. 1990) .


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Tab. 0.5: In der Praxis häufig eingesetzte Methoden zur Bewässerungssteuerung und die Notwendigkeit manueller Eingriffe.

Führungsgröße

Beschreibung und notwendige manuelle Eingriffe

Gärtnerische Erfahrung

Der Kultivateur bestimmt aufgrund seiner Erfahrung ob ein Bewässerungsvorgang durchgeführt werden soll. In der lichtarmen Jahreszeit (Herbst, Winter, Frühjahr) wird dieses Verfahren einer automatischen Steuerung vorgezogen. Im Sommer wird die Handsteuerung aufgrund von Arbeitsspitzen häufig zu spät ausgelöst.

 

Manuelle Eingriffe:

Täglich (mehrmalige) Kontrolle der Pflanzen um Bewässerungszeitpunkt und Bewässerungsdauer vorzugeben.

Zeit

Die Gießabstände werden aufgrund vorhandener Erfahrungswerte je nach Kulturfortschritt und Jahreszeit eingestellt.

 

Manuelle Eingriffe:

Gießabstände sind der Witterung, der Pflanzenart und -größe anzupassen.

Einstrahlungs-summe

Die Einstrahlung wird über einen außerhalb des Gewächshauses an der Wetterstation angebrachten Einstrahlungssensor gemessen und über die Zeit integriert. Bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes wird ein Bewässerungsimpuls ausgelöst. Der Einstrahlungsgrenzwert wird je nach Kulturfortschritt und Jahreszeit vom Kultivateur angepasst.

 

Manuelle Eingriffe:

Einstrahlungssummen sind der Witterung, der Klimaführung und der Pflanzenart und -größe anzupassen.

Bodenfeuchte

(Tensiometer)

Die Wasserverfügbarkeit im Boden wird über ein Tensiometer oder einen Tensioschalter mit fest eingestelltem Schaltpunkt, der zu Kulturbeginn festgelegt wird, gemessen. Bei Erreichen eines Sollwertes (60, 90, 120 - 800 hPa) wird ein Bewässerungsimpuls ausgelöst.

 

Manuelle Eingriffe:

Während der Kultur meist keine Eingriffe notwendig

Die Anforderungen an die Bewässerungssteuerung sind heute nicht nur auf eine optimale Wasserversorgung der Pflanzen ausgerichtet. Bei einem Anbau im gewachsenem Boden ist eine Sickerwasserbildung und damit evt. verbundener Stoffaustrag in das Grundwasser zu verhindern (BECK et al. 1995) . Gesetzliche Auflagen, z.B. in Wasserschutzgebieten in Baden-Württemberg (SCHALVO 1991) , die Düngemittelverordnung oder selbst auferlegte Verbands- und Produktionsrichtlinien (z.B. integrierte Produktion) fordern einen umweltschonenden Einsatz der Produktionsmittel. Die zunehmende Wasserknappheit, die durchaus auch in manchen Gebieten Deutschlands z.B. hessisches Ried, von Bedeutung ist, fordert einen effizienten Wassereinsatz.

Aufgrund der beim Einsatz von Pflanzenschutzmitteln auftretenden Resistenzen sowie fehlenden Zulassungen für Pestizide gewinnt die Steuerungs- und Regelungstechnik zur Schaffung optimaler Wachstumsbedingungen zunehmend an Bedeutung (HENDRICKS 1997) ; (SCHRAGE 1997) . Durch eine suboptimale Wasserversorgung kann das Längenwachstum bei gleichbleibender Qualität reduziert werden (HALLUARD et al. 1997) . Auch die unterschiedlichen Produktionsziele in den einzelnen Sparten des Gartenbaus stellen unterschiedliche Anforderungen an die Bewässerungssteuerung. Im Zierpflanzenbau ist z.B. die Qualität, der optische Eindruck einer Pflanze, ein kompakter Wuchs bei einer kurzen Kulturzeit, gefordert. Im Gemüsebau wird auf hohe Erträge, hohe Zuwachsraten und auf die innere Qualität, wie z.B. ein geringer Nitratgehalt, großer Wert gelegt.


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Die Bewässerungssteuerung beschränkt sich bisher hauptsächlich auf eine ausreichende Wasserversorgung im Wurzelbereich. Ein aktiver Eingriff in die Klimaregelung zur Schaffung günstiger Transpirations- und Photosynthesebedingungen wird bisher nicht vorgenommen. In die Bewässerungssteuerung und damit in die Prozessleitsysteme sind neben pflanzenbaulichen, ökologische, ökonomische und betriebsspezifischen Überlegungen zu integrieren ( Tab. 0.6 ).

Tab. 0.6: Anforderungen an die Bewässerungssteuerung.

Pflanzenbaulich

Flexible Führungsstrategien

Ausreichende Wasserversorgung im Wurzelbereich

Optimale Transpirationsbedingungen

Ökonomisch

Hoher Ertrag bei minimierten Aufwand

Kosten-Nutzenverhältnis von Investitionen

Ökologisch

Keine Wasserversickerung und damit auch keine Nährstoffauswaschung

Einsparung von knappen Recourcen

Pestizideinsparende Wachstumsbedingungen schaffen

Betriebsspezifisch

Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an:

- technische Einrichtungen

- Produktionsziele

- Erweiterbarkeit

2.5 EDV-geführte Betriebssteuerung

HASHIMOTO überträgt den, in der chemischen Industrie verwendeten, Begriff CIM (computer integrated manufacture) in den Gartenbau (HASHIMOTO 1993) . Der Prozessrechner (CPC computer for process control) steht über ein Netzwerk mit einem zentralen Computer in Verbindung. Dieser ist für die Optimierung des Prozesses u.a. mit Experten-, Diagnose- und Informationssystemen ausgestattet und liefert Daten an den Prozessrechner.

VAN STRATEN fordert eine neue Generation von Klimacomputern (KRUSCHE 1995) . Diese sollen nicht nur die vorgegebenen Sollwerte optimal ausregeln sondern auch den Gewinn des Produzenten maximieren.

SCHÖN beschreibt die EDV-geführte Betriebsführung als vernetztes Informationssystem (SCHÖN 1993) . Dazu gehören Wetterstation, Bordcomputer und Prozessrechner, innerbetriebliche (Buchführung) und überbetriebliche Datenbanken und Informationsquellen (Pflanzenschutz- und Düngemittelverzeichnis). Die Prozesssteuerung muss die für das Erreichen des Produktionszieles notwendigen Maßnahmen einleiten und ausführen.


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TANTAU gliedert die Klimaregelung in ein hierarchisches System ein ( Abb. 0.10 ) (TANTAU 1990) . Die oberste Ebene ist die Kulturplanung, für die bereits umfangreiche Software zur Verfügung steht. Die unterste Ebene ist die Prozesssteuerung, die durch die Klimacomputer abgedeckt wird. Die mittlere Ebene (Optimierungsebene) stellt anhand der Vorgaben der oberen Ebene und Informationen aus der unteren Ebene die Sollwerte für die Prozesssteuerung zur Verfügung.

Abb. 0.10: Die Klimaregelung als hierarchisches System mit drei Ebenen (TANTAU 1990) .


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