Автоматизированные системы управления климатом в теплицах

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Автоматизированные системы управления климатом в теплицах
• 1.1 Основные требования автоматизированных систем управления теплицами
• 1.2 Особенности систем управления в ангарных и блочных теплицах
• 1.3 Принципы управления микроклиматом в ангарных теплицах
• 1.4 Требования к автоматизированной системе управления блочной стационарной теплицы
• 2. Конструкторская часть
• 2.1 Критерии выбора систем управления микроклиматом
• 2.2 Выбор средств измерения параметров технологического процесса
• 2.3 Выбор и техническая характеристика исполнительных механизмов
• 3. Специальная часть
• 3.1 Технические средства автоматизации блочной теплицы
• 3.2 Разработка структурной схемы АСУ МКТ
• 3.3 Выбор средств автоматизации
• Заключение
• Перечень ссылок
• Введение
• С каждым годом в тепличных предприятиях все большее внимание уделяется качественному поддержанию микроклимата. Правильно выбранная технология поддержания микроклимата - одна из важнейших составляющих, позволяющих повысить урожайность. А эффективное использование энергоресурсов - дополнительная возможность существенно уменьшить себестоимость производимой продукции. Современная автоматизированная система управления микроклиматом должна поддерживать не только заданный режим, но и максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем. автоматизированный теплица механизм
• В настоящее время ведется активная модернизация теплиц, связанная с повышением количества исполнительных систем: разделение контуров, модернизация форточной вентиляции, установка систем зашторивания, установка вентиляторов. И чем больше исполнительных систем имеет теплица, тем важнее для нее выбор критерия, определяющего стратегию поддержания микроклимата. Например, одним из наиболее популярных критериев управления является экономия теплоресурсов. В данном случае целесообразнее активно использовать нижние контура обогрева, т.к. они меньше всего отдают тепла внешней среде. Другой подход к выбору критерия предполагает поддержание температуры у точки роста выше, чем у корней растения и тем самым подразумевает активное использование верхних контуров обогрева. Еще один критерий управления основывается на том, что нижний контур должен поддерживать в корневой зоне постоянную температуру, так называемый оптимум, и лишь при исчерпанных ресурсах других исполнительных систем отклоняться от него.
• Опыт внедрения автоматизированных систем управления показывает, что на этапе проектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления. Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в наглядной форме отражать агрономические, экономические и технические требования, предъявляемые к системе. Таким образом, современная система управления должна позволять задать не только один из вышеперечисленных критериев управления или их комбинацию, но и любой другой возникающий в процессе производства, предоставляя агроному-технологу широкие возможности в выборе метода поддержания температурно-влажностного режима в теплице.
• Одной из основных характеристик системы управления является ее надежность. Поэтому в качестве аппаратно-технической базы системы был выбран контроллер, который содержит современные средства защиты от сбоев: копию основных параметров работы системы в энергонезависимой памяти, средство защиты от зависаний и т.д. Помимо контроллера автоматизированная система управления микроклиматом включает в себя набор датчиков для измерения параметров внутри теплицы. Для передачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы система включает в себя блок релейной коммутации с возможностью ручного управления.
• Важным элементом системы управления является диагностика неисправностей и возможностей системы управления. Иногда в процессе эксплуатации случаются непредвиденные ситуации, связанные с нестабильностью температуры подаваемой воды, повышенным износом и люфтом исполнительного механизма или связанные с другого рода ограничениями, накладываемыми на исполнительные системы. Заложенные в систему методы диагностики должны выявлять нестандартные ситуации и своевременно перестраивать алгоритмы управления, поддерживая при этом параметры микроклимата с минимально возможным отклонением. При невозможности разрешения ситуации без участия человека, система выдает соответствующее аварийное сообщение.
• 1. Автоматизированные системы управления климатом в теплицах
• 1.1 Основные требования автоматизированных систем управления теплицами
• Основные типы промышленных сооружений защищенного грунта - ангарные и блочные теплицы. Блочные теплицы - это капитальные сооружения, ангарные теплицы могут быть как сезонными (временными), так и капитальными. Сезонные теплицы оборудуются различными устройствами для поддержания температуры теплогенераторами, калориферами, фрамугами, форточками. Механизация процессов в них находится на низком уровне.
• Теплицы в капитальном исполнении в этом смысле обустроены более основательно (см. рис. 1.1).
• Рисунок 1.1 - Внешний вид блочной стационарной теплицы
• Устройства электрифицированы и практически все автоматизированы. В последние годы ведется активная работа по замене устаревших автоматических средств управления, на рынке услуг появляются разнообразные предложения по их реконструкции. Однако разработчики большинства предлагаемых проектов не имеют достаточного опыта в создании средств автоматизации тепличного производства. Перенос принципов управления, работающих в других отраслях промышленности, в тепличное овощеводство не только не корректен, но в ряде случаев бесполезен из-за особенностей объекта регулирования.
• Современные теплицы, как правило, имеют следующее оборудование для управления микроклиматом: контуры отопления (шатровый, надпочвенный, подлотковый, подпочвенный), систему «растущих» труб; теплокалориферы; циркуляционные вентиляторы; форточную вентиляцию боковую и шатровую; теплозащитные и отражающие экраны, испарительное охлаждение. Все это оборудование должно быть объединено в единую систему управления с возможностью применения различной тактики. (см. рис. 1.2).
• Например, в межсезонье, когда теплицы пусты и идет подготовка к новому обороту, целесообразным будет режим энергосбережения, то есть максимальная экономия энергоресурсов при условии продолжения работы систем теплоснабжения. В начальный период вегетации, когда закладывается будущий урожай, необходимо поддержание режимов микроклимата с максимально возможной точностью. В весенний и летний периоды при высокой инсоляции важно защитить растения от солнца, а теплицу от поступления излишков тепловой энергии извне, но в то же время обеспечить необходимый градиент температур в объеме теплицы. В период вегетации растений требуется соблюдение влажностного режима, что достигается путем увлажнения, а также манипуляциями устройствами форточной вентиляции и рециркуляционными вентиляторами. Рост растений сопровождается воздействием системы «растущих труб», обеспечивающей необходимые условия для перемещения ассимилятов в растении.
• По технологическим показаниям может потребоваться обеспечение заданного температурно-влажностного режима у точки роста главного побега растений. В грунтовых теплицах иногда требуется устанавливать режим сушки грунта с помощью активной циркуляции воздуха для борьбы с заболачиванием и образованием мхов. Применения только вентиляторов зачастую недостаточно, используется также надпочвенный контур обогрева и форточная вентиляция.
• Рисунок 1.2 - Структура автоматизированной системы управления микроклиматом теплицы (АСУ МКТ)
• Совсем недавно разработана методика так называемого режима суточной интегрированной температуры, применение которой, кроме всего прочего, дает возможность экономии энергоресурсов. Особенностью этого метода является задание в теплице пониженных ночных температур при естественном повышении дневной температуры за счет солнечной радиации, но с соблюдением допустимой разницы между дневной и ночной температурой. В результате этого растение развивается под влиянием некоторой среднесуточной температуры. Температурная интеграция основывается на способности растения за счет саморегуляции компенсировать влияние слишком высоких или относительно низких температур, так что в итоге его рост и развитие зависит от средней температуры.
• Таким образом, основное качество системы управления - ее гибкость, необходимая для реализации указанных режимов работы или их комбинации.
• 1.2 Особенности систем управления в ангарных и блочных теплицах
• Разработкой систем управления микроклиматом теплиц занимаются несколько фирм: это НПФ «Паблис», имеющая наибольший опыт в разработке систем для ангарных теплиц, НПФ «Фито», НПО «Системотехника» и НПО «Автоматика», специализирующиеся в основном на системах для блочных теплиц. Конструктивные различия блочных и ангарных теплиц вызывают необходимость создавать индивидуальные системы для их автоматизации. Теплицы различны по инерционности, количеству отделений регулирования, количеству контуров управления, схемам теплоснабжения. Ангарные теплицы дополнительно оборудованы теплокалориферами.
• При разработке систем управления часто требуется переделка схем теплоснабжения, но это дорогостоящая процедура, поэтому системы управления приходится адаптировать под существующие схемы. Теплоснабжение блочных теплиц изначально проектировалось по многоконтурной схеме (3-4 и более контура на теплицу), ангарные теплицы спроектированы по одноконтурной схеме. Многоконтурность блочных теплиц позволяет создавать более эффективные системы АСУ. В некоторых хозяйствах с ангарными теплицами были проведены работы по разделению контуров отопления теплиц на два типа - шатровый и надпочвенный, поскольку это является условием успешной автоматизации. Кроме этого ангарные теплицы оснащены трубопроводами подпочвенного отопления. При массовом переходе тепличного производства на малообъемные технологии существующее подпочвенное отопление было ликвидировано, и как впоследствии оказалась, напрасно. В настоящее время идет его восстановление в виде подконтейнерного отопления с небольшим заглублением (до 50 мм), или в другом случае труба отопления ПВХ 25 мм укладывается непосредственно на защитную пленку под контейнером с растением.
• В процессе внедрения программного обеспечения оказалось, что регуляторы блочных теплиц не работают в ангарных теплицах и наоборот. Разница в инерционности теплиц нарушает нормальную работу автоматики, регуляторы не справляются с возмущающим воздействием внешних факторов. Это частично вызвано недостатками проектирования ангарных теплиц, где технологические зазоры в конструкциях недопустимо велики. Без дополнительных работ по уплотнению зазоров автоматику применять нецелесообразно, ожидаемые результаты от ее работы не будут достигнуты.
• Невозможность использования систем АСУ блочных теплиц для ангарных обусловлена и тем, что на площади одной блочной теплицы могут разместиться 4-6 ангарных. Расчеты показывают, что в случае простого заимствования автоматикиблочных теплиц для ангарных теплиц система автоматики для одного блока в них будет в 5 раз дороже.
• В автоматике блочных теплиц часто используется контроль состояния исполнительных устройств через датчики положения, в ангарных теплицах такая цель не ставится из-за большого количества исполнительных устройств. Вывод один - нужна доработка автоматических средств управления для ангарных теплиц с учетом их особенностей.
• Разработчики АСУ для ангарных теплиц в большинстве случаев применяют так называемый способ обегания, а также групповое регулирование исполнительными механизмами, для чего создается комплекс программных средств, измерительных и управляющих приборов, которые посредством специальных коммутаторов контролируют все оборудование блока теплиц. Преимуществом этого приема является еще и экономия кабеля: один кабельный шлейф передает необходимые управляющие сигналы на все отделения регулирования.
• Для качественной работы автоматики необходимо провести некоторую доработку систем теплоснабжения. В теплице на каждый контур отопления устанавливаются трехходовой регулирующий клапан и циркуляционный насос. Регулирующие клапаны старой конструкции - трехходовые - применять нельзя. Примерами подходящей качественной запорной аппаратуры могут служить клапаны HFE производства Danfoss (Дания) и 3F производства ESBE (Швеция).
• Практический опыт применения систем управления в блочных и ангарных теплицах выявил проблему зависимости качества работы систем управления микроклиматом от перепада давления между подающей и обратной теплосетью. Особенно это проявляется на блоках ангарных теплиц с двухходовыми клапанами в качестве регулирующих. Для устранения этой проблемы желательно предусмотреть регулятор перепада давления на входе тепличного блока. Там, где существует еще и естественный перепад высот на местности по расположению тепличных блоков, особенно важно учесть эту рекомендацию. Проблема перепада высот отсутствует, когда используют встроенные котельные.
• В настоящее время внедряются также системы АСУ с использованием двухходовых клапанов, в этом случае особенно важно доработать систему теплоснабжения. Целесообразна также доработка калориферов с целью увеличения пропускной способности теплоносителя и включение их на входе шатрового контура отопления. Назначение калориферов в ангарных теплицах - снизить до 50% тепловую мощность с теплоносителя, поступающего в трубное отопление. Трубное отопление в данном случае выполняет функции поддержания достигнутого значения температуры в теплице. При этом охлажденный теплоноситель будет иметь достаточно энергии и не превысит температурную норму в теплице. В системах с двухходовыми клапанами есть положительный опыт применения одного смесительного клапана диаметром 150 мм с насосом мощностью 10 кВт, рассчитанных на весь блок ангарных теплиц для надпочвенного контура отопления. При его использовании сокращают 10 узлов смешивания внутри теплиц.
• 1.3 Принципы управления микроклиматом в ангарных теплицах
• Рассмотрим основные принципы реализации системы АСУ для блока ангарных теплиц.
• На первом этапе проводится измерение параметров микроклимата, тепловых сетей, наружного воздуха, выполняются необходимые расчеты параметров для программных регуляторов. Полученные коэффициенты передаются в контроллеры управления. Управление замкнутыми контурами регулирования, примером которых служит регулирование температуры теплоносителя, не представляет сложности. Здесь применяют классический ПИД-регулятор. Под управлением ПИД-регуляторов находятся общеблочные магистрали и контуры надпочвенного отопления внутри теплиц.
• Основная функция надпочвенного контура - поддержание температуры в нижней зоне растений в ограниченном диапазоне, его работа находится под контролем оперативных ограничений технологов. Управление фрамугами и калориферами осуществляют П-регуляторы. Практика применения ПИД-регуляторов для этой цели не оправдала себя по причине излишнего расходования электроэнергии, повышенной выработки ресурса электродвигателей и высокого уровня шума, поэтому впоследствии они были преобразованы в П-регуляторы. С целью оценки качества изготовления и реального состояния кинематики форточек, экономии электроэнергии применяются рассчитанные экспериментальным путем коэффициенты, оптимизирующие время и количество срабатываний форточных устройств. В ангарной теплице наиболее сложен шатровый контур регулирования. Его управление осуществляется исходя из показателей температуры наружного воздуха, солнечной радиации, наличия осадков и микроклимата теплицы. Алгоритм управления всех контуров в качестве одного из компонентов содержит переменные параметры - температуру и влажность воздуха. В процессе работы регулятора этот компонент может стать приоритетным в случае существенного отклонения основного параметра от нормы.
• Кроме этого, контуры регулирования могут быть ведомыми или ведущими. Подчиненные контуры обязаны выполнять требования ведущего, естественно, в разумных пределах и при условии выполнения своей основной задачи. Математическое обеспечение системы управления производит упреждающее воздействие на контуры регулирования при изменениях метеообстановки (изменения поступления солнечной радиации, выпадения осадков). В случае потери контроля за микроклиматом в летний период автоматика отключает питание циркуляционных насосов с целью экономии электроэнергии. Исчерпав свои возможности, автоматика управления должна подать сигнал оперативному персоналу. Для этой цели все чаще используются GSM-модемы для дистанционного оповещения об авариях.
• 1.4 Требования к автоматизированной системе управления блочной стационарной теплицы
• Перечень задач, который должна обеспечивать автоматика климатического контроля блочной теплицы:
• 1. Разработка пространственно распределенной системы автоматического управления технологическим процессом климатического контроля на базе технологий Simatic и Simelt.
• 2. Повышение точности измерения параметров внутренней среды (воздух) и влажности почвы, путем замены датчиков температуры и влажности на интеллектуальные или с возможностью подключения к шине PROFIBUS
• 3. Управление всеми, без исключения, исполнительными механизмами блочной теплицы.
• 4. Применение частотного регулирования скорости вращения проточного и вытяжного вентилятора.
• 5. Применение широтно-импульсного регулирования температуры ТЭНов.
• 6. Проведение поддержания микроклиматических параметров от начала до конца без вмешательства оператора, при этом обеспечивается возможность дистанционного изменения режимов копчения (при необходимости) без остановки процесса.
• 7. Учет "физики" процессов, которые происходят в теплице, например, для изменения влажности воздуха иногда лучшим вариантом является изменение температуры и наоборот. Это особенно актуально при переходе из одной фазы режима климатического режима на другую. Алгоритмы управления исключают некорректные операции, например, нельзя проводить увлажнение при открытых шторах вытяжной и приточной вентиляции, проводить увлажнение "холодной" водой, и тому подобное.
• 8. Работа с библиотекой режимов микроклимата в зависимости от фаз роста и вегетации растений, что позволяет работать с автоматикой лицам, которые не имеют достаточной подготовки в аграрной отрасли.
• 9. Обеспечение возможности изменения и добавления новых режимов и поправочных коэффициентов на с учетом особенностей роста сельскохозяйственной культуры. Опытный технолог всегда может что-то изменить в режимах (даже дистанционно), создать режимы для отдельных ситуаций.
• 10. Обеспечение на программном уровне защиты исполнительных механизмов.
• 9. Регулярное проведение самодиагностики и, в случае появления неисправности, выдачу информации о том, где ее искать с одновременным сообщением оператора на пульт оператора.
• 10. При возникновении неисправности и невозможности продолжения процесса поддержания микроклимата, обеспечивается остановка исполнительных механизмов в положении, при котором растения могут находится продолжительное время без ухудшения своих свойств, также отправляется сообщения всем ответственным лицам.

2. Конструкторская часть

2.1 Критерии выбора систем управления микроклиматом

Основой качества поддержания микроклимата является точность измерения физических параметров и в первую очередь температуры воздуха. Если с измерением температуры теплоносителя

проблем не возникает, то к измерению температуры воздуха надо подойти с особой требовательностью.

Широко распространенные термосопротивления не годятся для этого из-за их конструкции. Датчики типа ТСМ и ТСП представляют собой толстостенную гильзу из нержавеющей стали с заключенной внутри катушкой медной проволоки и заполненной кварцевым песком. Вся конструкция имеет значительную тепловую инерционность. Транспортное запаздывание управляющего воздействия за счет датчика варьирует от нескольких минут до десятков минут.

Для измерения температуры следует применять специальные датчики. Кроме этого, следует обратить внимание на оформление конструктива датчика. Корпус должен защищать датчик от прямого воздействия солнечных лучей и в то же время не должен создавать вокруг него застойной зоны.

Для этих целей, как правило, применяется цилиндрический контейнер, оснащенный циркуляционным вентилятором. В составе автоматики управления микроклиматом в теплицах можно использовать особый датчик температуры кровли, представляющий собой медное термосопротивление, залитое жидким стеклом и крепящееся с внутренней стороны кровельного стекла. Назначение датчика - контроль за температурой кровли под влиянием солнечного излучения и осадков (как известно, через кровлю проходит основная масса тепловой энергии теплицы).

Следующее требование относится к измерительному прибору и схеме соединения с ним датчика. В настоящее время четырех проводная схема соединения является обязательной. Следует применять приборы промышленного производства с соответствую щей сертификацией и классом точности не менее 0,25. Прибор калибруется совместно с датчиком температуры. Следует иметь в виду, что ошибка в измерении температуры в 2,5 °С ведет к изменению теплопотребления до 10%, а ошибка измерения наружного воздуха такой же результат дает при изменении температуры на 1 °С.

Измерение влажности воздуха в теплице имеет свои нюансы. За недолгую историю автоматизации тепличного производства было опробовано множество способов измерения влажности. Самыми дешевыми и распространенными были кондуктометрические датчики, но они же имели и самую низкую точность. Пьезоэлектрические датчики, показания которых зависят от чистоты окружающего воздуха, имеют особые требования к обслуживанию, поэтому не получили массового применения. Хорошие результаты дают инфракрасные датчики, но они дороги. Лучшее соотношение цена/качество остается за ультразвуковыми датчиками. Наиболее популярны гигрометры с двумя термосопротивлениями - сухим и влажным. Там, где есть возможность организовать регулярную заправку датчика дистиллированной водой, целесообразно применять именно их.

Конструктив с датчиками температуры необходимо размещать в верхней трети растения (зоне роста), по одному на секцию. Следует уделять внимание формированию температурного поля. Желательно, чтобы разница температур по горизонтали на площади теплицы была не более 1 °С, здесь помогут тихоходные рециркуляционные вентиляторы (мощностью до 400 Вт с рабочим колесом 500 мм).

На площади теплицы 0,5 га достаточно установить восемь таких вентиляторов, но не менее четырех на одно отделение регулирования. Не стоит устанавливать мощные вентиляторы, поскольку при их работе значительно повышается скорость движения воздуха в теплице, и, соответственно, возрастают потери тепла из-за интенсивности теплообмена через стеклянное покрытие теплицы. При скорости воздуха около кровли более 1 м/с расход тепла увеличивается на 1%, а расход электроэнергии на 7%.

Для защиты растений от солнечной радиации и в целом теплицы от потери тепла применяют защитные экраны. Для перемещения экранов чаще используется реечная передача с приводом от мотор-редуктора, например, производства фирмы Ridder, RW605 110/400-450 со скоростью перемещения около 0,5-1,0 м/мин. С функциональным назначением экранов необходимо определиться на этапе проектирования. Экраны изготавливаются с различными коэффициентами теплоизоляции и светоотражения. Необходимо решить, какой из способов применения экрана более предпочтителен - для экономии тепла или защиты от солнца. Один из способов применения экрана - неполное открытие, то есть когда его прозрачность недостаточна велика. Солнце в процессе движения по небосводу перемещает полосу затенения. Используя экран, надо иметь в виду, что наиболее оптимальная внешняя радиация составляет около 200 Вт/м2. Этим показателем необходимо руководствоваться при подборе прозрачности экрана.

Задачу поддержания концентрации углекислого газа в воздухе теплицы можно решить независимо от управления микроклиматом, если это не связано с выработкой дополнительного тепла. Для измерения содержания углекислого газа используется два способа: с помощью установленного датчика в теплице или путем взятия пробы и доставки ее из теплицы к прибору. Первый способ можно реализовать с помощью ГИАМ-15 («Аналитприбор», г. Смоленск), второй способ - с помощью приборов фирмы Siemens (Германия) или Гамма-100 (ОАО «Практик-НЦ», г. Москва).

Недостаток первого способа заключается в необходимости прокладки кабельных линий, регулярного обслуживания датчика, периодической поверки, очистки его от пыльцы растений. Для использования второго способа необходимо изготовление клапанной станции для забора углекислого газа из теплицы и прокладки полиэтиленовых 4_миллиметровых трубок. Второй способ, на наш взгляд, более удобен для последующей эксплуатации. Все приборы имеют нормированный токовый выход для включения в систему автоматики. Для забора и транспортировки газа из теплицы возможно применение микрокомпрессоров МКМ-7 производства ОАО «Практик-НЦ». Трубка в теплице обязательно должна быть непрозрачной и защищенной фильтром, например, таким, как широко распространенный фильтр очистки топлива для легковых автомобилей.

Наиболее удобен и эффективен способ подачи газа к растениям через полиэтиленовые рукава, разложенные на полу теплицы. Производительность установки для подачи газа в настоящее время должна быть не менее 120-140 м3/га, чтобы обеспечивать содержание углекислого газа в невентилируемой теплице 0,1% (1000 ррм).

Для учета метеорологических данных при управлении микроклиматом необходима метеостанция. Полноценные метеостанции для технологических применений в настоящее время приобрести сложно. Отечественная промышленность выпускает приборы с неполным набором датчиков для контроля среды, и, как правило, в них отсутствуют указатель направления ветра, датчик осадков и соляриметр (люксметр). К импортным станциям доступ ограничен, они изготавливаются по специальным заказам.

Основой системы управления является центральное процессорное устройство (компьютер, контроллер). В настоящее время сложились три подхода к созданию системы для управления микроклиматом.

- Двухуровневая система. Автоматика первого уровня в автономном режиме управляет отделением регулирования, предоставляет возможность ввода заданий, параметров настройки регуляторов, вывода информации на дисплей контроллера. Автоматика второго уровня управляет технологическими системами блока теплиц, получает информацию о состоянии климата за пределами теплиц и осуществляет корректирующее воздействие на локальные контроллеры автоматики первого уровня. На основании сведений, передаваемых от локальных контроллеров, предоставляет оперативному персоналу информацию о состоянии объекта в удобном для восприятия и анализа виде.

- Распределенная система. Процесс управления разделен на систему принятия решения и исполнительную систему. Каждое отделение регулирования имеет собственный локальный регулятор, выполняющий полученную от центрального контроллера инструкцию. Центральный контроллер получает информацию о состоянии объекта, принимает управляющее решение на основании имеющихся установок актуальной математической модели управления, архивирует необходимую информацию в базе данных.

Предоставляет оператору возможность мониторинга процессов регулирования.

- Моноконтроллерная система. Центральный контроллер собственными средствами выполняет весь комплекс мероприятий по обработке информации, принятию решений, управляющих воздействий. К контроллеру подключают персональный компьютер (РС) для визуализации информации и предоставления интерфейса связи оператора с аппаратурой управления. В 90-х годах было популярно использовать РС для непосредственного управления микроклиматом. В то время он был самым удобным средством для создания систем АСУ. Опыт работы с РС показал, что персональный компьютер не совсем подходит для технологического применения. Персональные компьютеры не приспособлены для длительной, бесперебойной работы. Файловая система организации хранения информации является причиной подавляющего большинства сбоев в работе системы управления. Попытка применения Windows для непосредственного управления технологическим процессом не оправдалась из-за ее неустойчивой работы. Единственное преимущество персонального компьютера - простота сопряжения с периферийным оборудованием, оперативность доработки программного обеспечения и широкая доступность средств отработки программного обеспечения. В промышленных системах применение персонального компьютера вполне оправдано.

2.2 Выбор средств измерения параметров технологического процесса

На основании проведенного анализа и разработанной схемы автоматизации основными контролируемыми параметрами, от которых зависит рост и вегетация растений являются:

- влажность внутри теплицы;

- влажность почвы;

- температура внутри теплицы и грунта.

Замер влажности сушильного агента, может быть основан на измерении равновесной влажности воздуха. Принцип работы датчика измерения равновесной влажности воздуха в теплице основан на измерении электропроводности целлюлозы, которая зависит от степени насыщенности сушильного агента влагой.

Контрольный кусочек целлюлозы крепится при помощи специального зажима из нержавеющей стали между двумя датчиками и вставляется в коробку измерения, которая крепится внутри теплицы. Данная современная конструкция отличается простотой и надёжностью, позволяя обойтись без измерения психрометрической разности в сушильной камере.

Измерительный блок крепится в подсобном помещении и служит для преобразования аналоговых сигналов, приходящих от датчиков в цифровые. Полученные цифровые сигналы поступают в контроллер системы управления.

Мокрые и сухие датчики для измерения психрометрической разности применяется до сих пор многими производителями промышленно изготовленных теплиц. Данный тип датчиков требует использования капризной при эксплуатации системы смачивания (для мокрого датчика) с ванночкой для воды, уровень которой постоянно нужно поддерживать. Это снижает надёжность и усложняет конструкцию сушильной камеры за счёт большего количества узлов в системе. Выход из строя любого из узлов приводит к искажению показаний психрометра, а в случаях халатного отношения обсуживающего персонала возникают нарушения техпроцесса и в конечном итоге это сказывается на качестве роста растений. Кроме этого использование данного типа датчиков (на основе психрометрической разницы) приводит к удорожанию обслуживания, и усложняет саму конструкцию. Эта технология, как правило, характерна для тепличных хозяйств для выращивания неприхотливых растений.

Исходя из проведенного анализа измерительных преобразователей влажности наиболее целесообразно использование датчиков основанных на измерении равновесной влажности воздуха по электропроводности целлюлозы, так как они обладают наиболее высокой надежностью и точностью измерения. При выборе датчика данного типа необходимо учитывать требования к диапазону и точности измерения влажности сушильного агента, тип выходного сигнала, а именно:

- диапазон измерения влажности: 0-100%;

- точность измерения: 1%;

- аналоговый выход: 0-10 В или 4-20 мА.

В качестве датчиков для измерения влажности почвы используются емкостные или резистивные. Датчики основание на принципе измерения электрического сопротивления, которые представляют собой два штыря, вставленных в грунт на расстоянии 30-35 мм друг от друга. Влажность почвы определяется измерением электрического сопротивления между ними (вдоль волокон). Количество датчиков для измерения влажности зависит от площади теплицы. Основное удобство заключается в том, что «стыри» обеспечивают надёжный контакт с грунтом.

Применение некоторыми производителями емкостных датчиков требует использования специальных фильтров, которые забиваются пылью и искажают показания. Кроме того, через 1-2 года эксплуатации датчик подвержен изменению своих физических свойств, что требует его замены или тарирования.

Исходя из проведенного анализа измерительных преобразователей влажности наиболее целесообразно использование датчиков основанных на измерении электрического сопротивления вдоль слоев грунта. При выборе датчика данного типа необходимо учитывать требования к диапазону и точности измерения влажности сушильного агента, тип выходного сигнала, а именно:

- диапазон измерения влажности: 0-100%;

- точность измерения: 1%;

- аналоговый выход: 0-10 В или 4-20 мА.

Исходя из требований, надежности и стоимости выбираем специализированные датчики влажности для теплиц типа КVС 2/5 фирмы MELA (см. рис. 2.1), со следующими техническими характеристиками:

Рисунок 2.1 - Схема подключения датчика влажности и температуры типа КVR 3/5 фирмы MELA

Диапазон измерений: 0-100% относительно влажности;

Диапазон измерений температуры среды: -30- 120 оС;

Точность (в диапазоне 0-100% относительной влажности) - 0,1% от измеренной относительной влажности;

Точность измеренной температуры при 100оС - 0,1%;

Время отклика: <20 сек

Информационный выход: 4…20 мА.

2.3 Выбор и техническая характеристика исполнительных механизмов

Клапан системы орошения должен отвечать следующим требованиям:

1. Компактный, надежный в эксплуатации;

2. Точностью регулирования объема пара;

3. Электрический или электромагнитный.

С соответствии требованиям выбираем электромагнитный клапан нагревательного трубопровода типа FG-250 фирмы FIESTO (Германия) (см. рис. 2.2). Клапан имеет следующие технические характеристики:

Рисунок 2.2 - Клапан системы увлажнения FG-250

- питающее напряжение - 220 В 10%, 50 Гц;

- номинальное время полного поворота выходном вала - 2 с;

- номинальный полный угол поворота выходном вала - 900;

- потребляемая мощность - не больше 120 Вт;

- тип клапана электромагнитный;

- класс защиты - IP54;

- допустимая температура окружающей среды - 0-1500С.

Для управления заслонками и притока холодного воздуха поступающего в теплицу целесообразно применить исполнительные механизмы МЭО-40/10-0,25-99. Схема внешних подключений исполнительного механизма МЭО-40/10-0,25-99 приведена на рис. 2.3.

Рисунок 2.3 - Схема внешних подключений исполнительного механизма МЭО-40/10-0,25-99

Исполнительный механизм МЭО-40/10-0,25-99 имеет следующие технические характеристики:

- питающее напряжение - от сети однофазного напряжения 220 В частотой 50 Гц;

- допустимые отклонения: напряжения питания - от -15% к +10%, частоты питания ±2%;

- номинальный крутящий момент на выходном вале - 40 Нм;

- номинальное время полного поворота выходном вала - 10 с;

- номинальный полный угол поворота выходном вала - 900;

- потребляемая мощность - не больше 240 Вт;

- тип электродвигателя - 3 ДСОР 135-1,6-150;

- класс защиты - IP54;

- допустимая температура окружающей среды - 30-500С.

3. Специальная часть

3.1 Технические средства автоматизации блочной теплицы

Основное оборудование блочной теплицы:

- микропроцессорная система управления;

- психрометрическое измерение влажности;

- система обогрева в диапазоне 10-40°C;

- система мойки;

- система увлажнения;

- система проветривания и циркуляции воздуха.

- система подачи свежего воздуха;

Требуют модернизации морально и физически устаревшие теплицы. Теплицы укомплектованы системой автоматического управления (САУ), трубопроводами. Существующая САУ позволяет контролировать температуру внутри теплицы, влажность и время продолжительности обработки продукта на каждой стадии процесса. Управление закрытием и открытием регулирующих клапанов (шиберов) подачи воды и воздуха в камеру производится в ручном режиме. Параметры обработки перед началом каждой стадии процесса вводятся на пульт САУ. Поддержание влажности на заданном уровне основано на отборе излишка влаги путем ее конденсации на холодной батареи в конденсаторе. Холод система получает от индивидуального компрессорно-конденсаторного агрегата. Недостаток тепла в компенсируется за счет электрического нагревания воздуха ТЭНами. Все остальные узлы и агрегаты способствуют технологическому процессу сушки (продувка теплицы свежим воздухом, создание орошения). Поддержание параметров в заданных допусках осуществляется программно - микропроцессорной системой АТМЕL в соответствии с показаниями замеров датчиков температуры и влажности.

Основными измерительными преобразователями камеры служат:

1) «сухой» термометр, является основным датчиком, по которому поддерживается температуры внутри теплицы;

2) «мокрый» термометр, позволяет по психометрической разнице между показаниями «сухого» термометра производить расчет относительной влажности внутри теплицы;

3) термопара температуры охладителя, используется для регулирования влагоотбора и понижения температуры в теплицы;

4) термопара температуры «ТЭНов», служит для регулирования от перегрева ТЭНов.

Недостатком существующей измерительной системы параметров сушки мясопродуктов является:

- способ контроля относительной влажности по психометрической разнице, т.к. такой способ требует постоянного поддержание «мокрого» конца влажного термометра;

- частые отказы блоков АЦП датчиков температуры из-за «физического» старения.

Для поддержания параметров на заданном уровне установлены исполнительные механизмы:

1) ТЭНы не регулируемы, служащие для повешения температуры внутренней среды;

2) система проветривания, используется для регулирования температуры путем изменения объема подводимого воздуха извне;

3) форсунки увлажнения, применяются для дополнительного повышения относительной влажности в теплице;

4) заслонка для подачи свежего воздуха;

5) электропривод вентилятора вытяжного;

6) заслонка вытяжной вентиляции для проветривания камеры.

Технологически применяемые исполнительные механизмы позволяют создать минимальные требования для поддержания заданного микроклимата в внутри теплицы. Однако, следует отметить следующие недостатки.

Отклонения от технологического процесса поддержания микроклимата вызванные недостатками в функционировании исполнительных механизмов.

1) применение нерегулируемых ТЭНов приводит к нестабильности поддержания температурного режима и его отклонению более, чем на 10єС, при допустимой погрешности 3єС;

2) отсутствие проточного и вытяжного вентиляторов с регулируемой частотой вращения, приводит к затруднению регулированию процесса влагообмена и температурного режима.

Следует также отметить, что у существующей системы управления отсутствует возможность ее интеграции в единую пространственно распределенную систему управления с другими стационарными блочными теплицами, что не позволяет осуществлять централизованный контроль за технологическим процессом с дальнейшим его документированием.

3.2 Разработка структурной схемы АСУ МКТ

В соответствии с требованиями к функционированию тепличного хозяйства с конвекционным теплообменом и системой орошения схему автоматизации технологического процесса выращивания сельхозпродукции в блочных стационарных теплицах можно представить в виде функциональной схемы автоматизации представленной на рис. 3.1.

На схеме автоматизации (см. рис. 3.1) приняты следующие обозначения:

1 - Воздушная заслонка приточной вентиляции с электроприводом;

2 - Циркуляционный вентилятор;

3 - ТЭН;

4 - Воздушная заслонка вытяжной вентиляции с электроприводом;

5 - Электромагнитный клапан контура орошения;

6 - Форсунки системы орошения (полива);

7 - Датчик открывания дверей (или окон);

8, 9 - Датчик влажности почвы;

10 - Измеритель влажности и температуры воздуха.

На основании разработанной схемы автоматизации архитектуру системы управления целесообразно проектировать по трехуровневой схеме. На первом (нижнем) уровне обеспечивается сбор технологической информации с измерительных преобразователей и управление установленными по месту исполнительными механизмами и релейной автоматикой. Сигналы с измерительных преобразователей температуры и влажности обрабатываются программируемым логическим контроллером (ПЛК).

На основании разработанной схемы автоматизации архитектуру системы управления целесообразно проектировать по трехуровневой схеме. На первом (нижнем) уровне обеспечивается сбор технологической информации с измерительных преобразователей и управление установленными по месту исполнительными механизмами и релейной автоматикой. Сигналы с измерительных преобразователей температуры и влажности обрабатываются ПЛК. По заданному алгоритму управления режимом микроклимата формирует управляющие сигналы на исполнительные механизмы контуров управления. Второй уровень обеспечивает программное управление по заданному технологическому процессу выращивания сельскохозяйственной культуры с поста оператора. Программная система автоматически проверяет и контролирует температуру, уровень влажности в камере и на поверхности грунта при помощи сенсоров и клапана нагревательного трубопровода, а также системы увлажнения. К оборудованию данного уровня относится пульт управления и ПЛК, установленные в пультовой. Промышленный компьютер объединен сетью Profibus DP с распределенным оборудованием и подключен к локальному сегменту тепличного хозяйства по сети Ethernet на третьием уровне.

На третьем (верхнем) уровне осуществляется централизованная обработка информации о технологическом процессе на предприятия по сети Ethernet. Обработка информации включает контроль за ходом технологического процесса, расходом теплоносителя, протоколирование, архивирование и оперативный контроль.

Структурная схема автоматизированной системы управления технологическим процессом регулирования климатом внутри тепличной среды изображена на рис. 3.2.

Рисунок 3.1 -Автоматизированная система управления микроклиматом теплицы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.2 - Структурная схема АСУ МКТ

Размещено на http://www.allbest.ru/

3.3 Выбор средств автоматизации

Структурно автоматизированная системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) спроектирована по распределенному в пространстве модульному принципу. Такой принцип построения, что дает возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода. В практической реализации при построении модульных систем автоматизации на Украине наиболее широкое распространение получили средства автоматизации фирмы Siemens (Германия). Исходя из этого, в качестве управляющего устройства проектируемой систем автоматизации применим программируемый логический контроллер SIMATIC S7-300. Коммуникационные возможности SIMATIC S7-300 поддерживают требуемые функций управления на уровне операционной системы и обеспечат удобство эксплуатации и обслуживания, а также рентабельность решений для построения систем автоматического управления. Кроме этого, промышленные программируемые контроллеры данной серии, обеспечивают требуемые характеристики функционирования проектируемой системы автоматизации, а именно: работу в режиме реального времени; сохранение информации при отключении питания; опрос измерительных преобразователей.

Основываясь на требования к проектируемой системе управления и количестве входных и выходных сигналов, возможностей обеспечения блокировки и защиты микропроцессорный модуль SIMATIC S7-300 может быть сформирован: процессором CPU 313, модулями ввода, вывода дискретных и аналоговых сигналов. Процессор CPU 313 - это дешевый центральный процессор с расширенным объемом памяти программ, способный выполнять скоростную обработку информации.

Процессор имеет следующие характеристики:

- микропроцессор со временем выполнения двоичной команды 600 нс;

- расширенный объем памяти загружаемой памяти объемом 12 Кбайт;

- гибкие возможности расширения: подключение до 8 модулей;

- диагностический буфер (для диагностических целей в буфере сохраняется 100 последних сообщений об отказах и прерываниях);

- необслуживаемое сохранение данных: центральный процессор способен сохранять данные без использования буферной батареи (NVRAM);

- сохранение программы в карте памяти: программа контроллера может сохраняться в сменной карте памяти (Flash EEPROM) емкостью до 4 Мбайт;

- часы реального времени;

- встроенные коммуникационные функции:

- связи с панелью оператора;

- стандартные функции S7 связи;

Данная серия ПЛК имеет модульную конструкцию. C целью определения конструктивного размещения интерфейсных, функциональных и коммуникационных модулей осуществим конфигурирование в среде Step 7. Для этого на начальном этапе проектирования распределим устройства по стойкам с учетом их функциональных и коммуникационных возможностей (см. рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Конфигурация ПЛК в среде Step 7

Основной набор модулей контроллера показан по левую сторону, дополнительный - по правую сторону. Два набора модулей соединенные в единую систему с помощью интерфейсного модуля IM 360.

Центральная стойка состоит из следующих модулей:

- блок питания PS 307, который обеспечивает возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В и распределенных устройств ввода/вывода информации напряжением в 24 В;

- центральный процессор CPU 315-2 DP со встроенным интерфейсом ведущего/ведомого устройства PROFIBUS DP [11];

- модуля дискретных выходов SM 322 (DO8xAC120/230V/1A).

Стойка расширения состоит из следующих модулей:

- модуля аналоговых входов SM 331 (A12x12Bit) в количестве 2 штук. Модули предназначены для обработки сигналов о положении вала исполнительных механизмов заслонок, скоростях вращения проточных вентиляторов, а также обработки сигналов от измерительных преобразователей температуры и влажности. Модуль ввода аналоговых сигналов состоит из программируемого модуля диапазона измерений, на который подается сигнал управления с датчиков. Если блокировка не срабатывает, то сигнал поступает на мультиплексор, где он мультиплексируется и затем поступает на аналого-цифровой преобразователь для преобразования в дискретную форму. Затем сигнал через интерфейс системной шины поступает на микроконтроллер. Питание микросхем внутри модуля производится с помощью внутреннего блока питания.

- аналоговых выходов SM 332 (A12x12Bit). Модуль предназначен для задания угловой скорости вращения проточных вентиляторов.

Распределение аналоговых модулей на стойке расширения вызвано необходимость подключения к каждому модулю дополнительного источника питания PS 307 с целью компенсации токовых сигналов с датчиков влажности KVR 3/5/. На рис 3.4 показаны таблицы конфигурации и распределения адресов входов (I) и выходов (Q) для системы S7-300 (CPU 313-2 DP), который состоит из центральной стойки (0UR) и стойки расширения (1UR).

Рисунок 3.4 - Таблицы конфигурации и распределения адресов входов (I) и выходов (Q) для системы S7-300

Заключение

Опыт внедрения автоматизированных систем управления показывает, что на этапе проектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления. Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в наглядной форме отражать агрономические, экономические и технические требования, предъявляемые к системе. Таким образом, современная система управления должна позволять задать не только один из вышеперечисленных критериев управления или их комбинацию, но и любой другой возникающий в процессе производства, предоставляя агроному-технологу широкие возможности в выборе метода поддержания температурно-влажностного режима в теплице.

Перечень ссылок

1. Токмаков Н. М. Устройство управления микроклиматом в теплицах. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://climcam.ru/Stati.htm

2. Siemens. Автоматизация и приводы. Каталог СА01 [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.siemens.ua/as.

3. Арендарчук А.В. Электротермическое оборудование направленного излучения/ А.В. Арендарчук, А.П. Слоботской.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-80с.

4. Громов В.С., Вишнепольский Р.Л., Тимофеев В.Н. Промышленная шина PROFIBUS, способы реализации в АСУ ТП // Средства и системы компьютерной автоматизации. [Цит. 2004, 5 февраля]. - Доступен с <http://www.asutp.ru/?p=600465>

5. Гудвин Г.К. Проектирование систем управления: Пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 911 с.

Размещено на Allbest.ru