Greenhouse Control System: Vorversuch Ballonblume

Versuchsplanung

Für den Optimierungsversuch wurde sich für eine Ballonblume (Lat. Platycodon) entschieden. Diese Pflanze braucht nach Aussage des Verkäufers sehr viel Wasser, somit wird im Versuch auch mit vielen Bewässerungszyklen zur Auswertung gerechnet. Es wurden zwei Exemplare gekauft und ins Gewächshaus eingebracht.

Die Bewässerung wird ausschließlich mit Regenwasser durchgeführt. Die Dauer des Versuches ist auf zwei Wochen in den Schulferien festgelegt, damit das Laborgewächshaus mit seiner Automatisierung aus sicherheitstechnischen Gründen unter Beobachtung steht.

Energieverbräuche der Steuerung, Sensoren und Aktoren

Die unterschiedlichen Leistungsaufnahmen der einzelnen Aktoren und der Gesamtsteuerung wurden mit einem Verbrauchsmessgerät ermittelt und als Grundalge für die Kostenanalyse verwendet.

Geräte 230V AC
Lüfter1           7W
Heizung   1630W
UV-Lamoe   16W
IR-Lamoe 87W

Geräte 12V DC
Fenstermotor    16W
Lüfter2 2W
Lüfter3 3W
Pumpe    33W

Geräte 24V DC
Kleinsteuerung 13W

Erfassung von Vergleichswerten bei Bewässerung

Um die Messwerte zu erfassen, wurde das Standardprogramm um eine Betriebsdatenerfassung erweitert und folgende Register programmiert. Ebenso kommen neue Funktionen zum Ablesen der Messwerte hinzu. Die Einstellung für Tag 13h und Nacht 11h angenommen und eingestellt:

Register für Tag	Register für Nacht
Zeitzähler Ring-Tropf-Bewässerung	Zeitzähler Ring-Tropf-Bewässerung
Zeitzähler Topfschalen-Bewässerung	Zeitzähler Topfschalen-Bewässerung
Zeitzähler Heizung	Zeitzähler Heizung
Zeitzähler UV-Licht	Zeitzähler UV-Licht
Zeitzähler IR-Licht	Zeitzähler IR-Licht

Die Kennzahlen werden täglich aufsummiert und in einen internen Speicher abgelegt. Diese wurden dann jeweils am nächsten Tag abgelesen und in eine Excel-Tabelle eingetragen und ausgewertet. In der Nacht um 24:00 Uhr werden die aktuellen Betriebsdaten in den Speicher gelegt und wieder den aktuellen Wert auf null gesetzt. Die Daten von vorgestern werden von den Daten von gestern überschrieben.

Datenauswertung der Energieverbräuche

Folgende Auswertungen wurden über den zweiwöchigen Optimierungsversuch ermittelt. Die einzelnen Verbräuche der Aktoren werden mit einem Wert von 0,25€/kWh multipliziert. Somit können auch die Stromkosten ermittelt werden. Die Kosten für den Versuchszeitraum betragen somit gerade mal 1,05€. Da der Versuch in den Sommerferien stand fand, sind entsprechend keine Kosten für Heizung angefallen. Diese würden natürlich in der Heizperiode deutlich höhere Kosten verursachen. Hier soll das Prinzip der Datenanalyse durch die Betriebsdatenerfassung verdeutlicht werden.

Datenauswertung der Wasserverbräuche für den Versuchszeitraum

Da die Fördermengen pro Sekunde der Pumpe durch Versuche ermittelt wurden, wird in der Berechnung nun das Spendevolumen mit der Zeit des Spendezykluses multipliziert und in die Tabelle eingetragen und in einem Diagramm zusammen mit dem Wetter dargestellt.

Auswertung Bodenschalenbewässerung

Der Versuch hat zum einem gezeigt, das an wärmeren Tagen die Pflanze deutlich mehr Wasser verbraucht. Die Temperaturen lagen im Durchschnitt bei 21°C bis 23°C und entsprechend ein Verbrauch von 6ml am Tag und zusätzlich 6ml in der Nacht bei gleicher Temperatur. Somit kommen wir auf 380ml in 13 Tagen und einem Durchschnitt von ca.29ml pro Tag. Die Verdunstung in der Schale war überwiegend konstant anzusehen. Warum die Pflanze bei einigen Tagen nachts kein Wasser angefordert hat, ist noch nicht plausibel erklärbar. Die Temperatur sowie die unterschiedliche Sonneneinstrahlung (Wetterabhängig) sowie der festgelegte Zählrhythmus für Tag und Nacht haben einen Einfluss auf die Fördermenge und somit auf die Aufteilung in der Auswertung.

Die Pflanze wurde nach dem Versuch aus dem Gewächshaus entnommen und herkömmlich mit einer Gießkanne nach „Gutdünken“ durch eine andere Person gegossen und ebenfalls die Mengen notiert. Diese Gießkannenmethode verbrauchte für den gleichen Zeitraum bei ähnlichen Licht- und Temperaturenverhältnissen 430 ml.

Auswertung Ringtropfbewässerung

In diesem Versuch wurden die Sensorelektroden (einfache Kupferdrähte 1,5mm Durchmesser) jeweils gegenüber in das Wurzelwerk gesteckt. Die Auswertung in Bezug auf die Regelbarkeit lieferten leider nicht so gute Ergebnisse. Nach 10 Tagen ist die Pflanze innerhalb von einem Tag total abgestorben. Die Elektroden waren in kürzester Zeit oxiediert, ebenso wie zu vor die original gelieferten Zinn-Kupfer-Elektroden (siehe Link). Im Blumentopf befand sich im Wurzelbereich Düngergranulat.

Durch die Feuchtigkeit und den sich auflösenden Salzen im Dünger veränderte sich der Widerstand der Pflanzerde. Durch den sich ständig veränderlichen Widerstand der Erde konnte nun mit einem fest eingestellten Schwellwert in der Platinenschaltung nicht mehr eine stabile Regelung sichergestellt werden. Weiter wird durch den ständigen Stromfluss der elektrochemische Prozess der Pflanze selbst beeinflusst und ggf. gestört. Auch wird angenommen, dass Kupferelektroden selbst zwischen den Polen durch den Wurzelbund wandern und die Pflanze somit vergiften. Die Pflanze wurde dann durch eine neue ersetzt. Die Kupfer-Elektroden wurden gegen Federstahl-Elektroden (Nicht rostende Legierung) ausgetauscht. Auch diese zeigten keine befriedigenden Regelergebnisse, da nun der Übergangswiderstand der Elektrode selbst für die Auswertungselektronik zu groß war.