Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Аналитический обзор
• 1.1 Патентный поиск
• 1.1.1 Описание предмета, области и глубины поиска
• 1.1.2 Результаты патентного поиска
• 1.1.3 Выводы
• 1.2 Обзор промышленной системы управления
• 1.3 Обзор системы управления для индивидуальной теплицы
• 2. Обоснование выбора варианта решения
• 3. Разработка автоматизированной системы управления климатом теплицы
• 3.1 Разработка структурной схемы системы управления
• 3.2 Выбор промышленного контроллера
• 3.3 Выбор датчиков и разработка принципиальных схем их подключения
• 3.4 Выбор исполнительных механизмов и разработка принципиальных схем их подключения
• 3.5 Разработка принципиальной схемы
• 3.6 Разработка алгоритма управляющей программы
• 3.7 Разработка программы управления
• 4. Разработка инструкций по эксплуатации
• 4.1 Назначение СУ
• 4.2 Состав СУ
• 4.3 Размещение элементов СУ
• 4.4 Монтаж СУ
• 4.5 Запуск и настройка СУ
• Список использованных иточников

Введение

Настоящая дипломная работа посвящена разработке системы управления температурно-влажностным режимом в малогабаритной теплице.

Температура и влажность воздуха являются основными параметрами климата в культивационном помещении. Температурный режим определяют работа системы отопления и действие солнечной радиации. Влажность воздуха теплицы обусловливается интенсивностью испарения с поверхности почвы и транспирацией (испарением воды) растениями. Влажность зависит и от температуры воздуха. С увеличением температуры абсолютная влажность воздуха повышается (и наоборот).

Меняющиеся внешние погодные условия вызывают различные отклонения параметров микроклимата защищенного грунта, как на протяжении всего эксплуатационного периода, так и в течение суток.

Система управления должна реагировать на эти отклонения, поддерживая в культивационных сооружениях оптимальный температурно-влажностный режим для соответствующих выращиваемых культур, изменяя его по фазам их развития.

Температуру воздуха регулируют, изменяя теплоотдачу системы обогрева и управляя вентиляцией. Измеряют температуру в рабочей зоне, в непосредственной близости от растений. Регулирование температуры способствует не только созданию благоприятных условий для роста растений, но и снижению стоимости обогрева защищенного грунта.

Содержание водяных паров в воздухе обычно оценивается его относительной влажностью. В теплицах и парниках относительную влажность воздуха регулируют при помощи вентиляции и орошения.

Для проветривания теплиц периодически открывают форточки. Естественная вентиляция теплиц происходит через сделанные в кровле и боковых стенах форточки, открывающиеся от ручного, механического, электрического и других приводов. Теплицы могут иметь вытяжные трубы, сквозную коньковую и торцовую вентиляцию. Принудительная вентиляция применяется главным образом в теплицах с калориферным обогревом.

Автоматическое регулирование температурно-влажностного режима в теплице -- один из важных факторов повышения урожайности и снижения себестоимости продукции.

Автоматизация теплиц - это комплекс технических и организационных мероприятий, направленных, прежде всего на снижение трудоёмкости процесса выращивания продукции, снижение расхода энергоресурсов и одновременного повышения качественных и количественных характеристик урожая.

Первые системы управления теплицами включали в себя механическое управление регуляторами температуры и орошения, а также переключатели для различных насосов и вентиляторов. На протяжении многих лет такие системы управления совершенствовались и со временем становились более технологичными. Более поздние версии системы состояли из нескольких независимых термостатов, регуляторов влажности и таймеров. Даже такая небольшая автоматизация позволила вывести выращивание овощей в тепличных условиях на новый уровень, повысила качество овощей и немного облегчила работу.

Современные системы автоматизации для теплицы представляют собой сложные системы с множеством оборудования, отслеживающего температуру воздуха и почвы, освещенность и влажность, а также выполняющие управление различными технологическим оборудованием и процессами, необходимыми для полноценного и эффективного производства.

Основные автоматизируемые операции:

* приготовление питательных растворов;

* полив растений;

* регулирование температуры воздуха и почвы;

* проветривание (механизированные фрамуги);

* контроль влажности;

* контроль освещённости, досветка или затенение;

* поддержание микроклимата в соответствии с заданной программой в режиме реального времени;

* сбор данных о работе технологического оборудования.

Для реализации автоматического управления указанными операциями необходима развёрнутая система сбора и обработки первичной информации о состоянии автоматизируемых объектов. Для этого система автоматизации комплектуется набором датчиков для измерения:

* температуры воздуха и почвы;

* влажности воздуха;

* освещённости;

* давления и температуры в подающих и обратных трубопроводах систем полива и отопления.

Для эффективного контроля и управления за ходом производственного процесса, действиями персонала возможна организация верхнего уровня системы автоматизации с развёртыванием автоматизированных рабочих мест для выполнения операций по мониторингу и управлению, например таких как:

* задание рецептов и параметров питательных растворов;

* задание времени начала полива и его продолжительности;

* задание необходимой температуры и влажности воздуха;

* доступ к информации с камер видеонаблюдения.

При необходимости возможна организация удалённого доступа к функциям мониторинга и управления системой, к документам периодической отчётности. Из любой точки мира, используя глобальную сеть, Вы будете иметь возможность проконтролировать положение дел на объектах автоматизации. Возникновение каких-либо внештатных ситуаций, которые будут зафиксированы системой автоматизации, может сопровождаться e-mail и/или sms уведомлением на выделенные номера.

Современные системы автоматизации для теплиц предназначены в основном для промышленных масштабов, а что касается индивидуальных частных хозяйств, то здесь современная промышленность выпускает лишь разрозненные компоненты, при помощи которых невозможно создать полноценную систему управления.

Цель дипломной работы-используя современную электронную базу и накопленный опыт выращивания различных агрокультур в защищенном грунте разработать автоматизированную систему управления температурно-влажностным режимом для малогабаритной теплицы.

1. Аналитический обзор

1.1 Патентный поиск

автоматизированный управление теплица температурный

1.1.1 Описание предмета, области и глубины поиска

Предмет патентного поиска температурно-влажностный режим в культивационном сооружении.

В область патентного поиска включены индексы МПК A01G9/24 и A01G9/26, которые определены в результате текстового поиска с помощью отобранных технических терминов по базам данных, содержащих полные тексты или рефераты патентных документов, с последующим статистическим анализом индексов классификации, присвоенных выявленным документам. Для текстового поиска использовались ключевые слова: система, способ, микроклимат, температура, влажность, автоматизированная, теплица, закрытый грунт.

1.1.2 Результаты патентного поиска

В результате патентного поиска были выявлены следующие изобретения:

1. Патент № 2467557, "Система для управления микроклиматом в теплице "

Предложенная система для управления микроклимата в теплице, рисунок 1.1, предназначена для:

- контроля микроклимата и отслеживания внешних метеоусловий,

- программного задания суточного цикла изменения параметров микроклимата в теплице,

- анализа получаемых данных,

- поддержания заданного микроклимата в теплицах.

Система для управления микроклиматом в теплице функционирует следующим образом.

Микроклимат в теплице 1 может поддерживаться путем управления интенсивным водяным обогревом, осуществляемым с помощью контуров 20 обогрева, положением фрамуг 17, подачей углекислого газа (CO 2), зашториванием экрана, работой подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения, осуществлением включения вентиляторов 18 и воздушного обогрева. Поддержание заданной температуры воздуха в теплице 1 производится согласованным управлением температурой теплоносителя, поступающего из трубы 14 подачи воды и уходящего в трубу 15. Вентиляция осуществляется, как правило, с помощью открытия/закрытия фрамуг 17 (тепличных форточек). Уровень CO 2 поддерживается с помощью включения специальных горелок либо с помощью управления подачей концентрированного CO2 через регулятор 19. Зашторивание экрана позволяет уменьшать потери тепла в теплице (термический экран, горизонтальный и/или вертикальный) и ограничивать поступление солнечной радиации как по величине, так и по времени (затеняющий или затемняющий экран). Наличие и тип экрана определяется конструкцией теплицы и климатической зоной расположения теплицы.

С помощью подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения можно повышать влажность воздуха в теплице 1 и проводить его охлаждение.

Циркуляционные вентиляторы 18 позволяют проводить выравнивание температуры воздуха внутри теплицы 1 и в определенной степени понижать влажность воздуха. Воздушные нагреватели (не показаны) на основе электрических нагревателей и циркуляционных вентиляторов располагаются группами соосно вдоль длинных сторон теплицы и обеспечивают, в случае необходимости, быстрый дополнительный подогрев воздуха в теплице.

Контроллер блока 3 управляет микроклиматом согласно суточному заданию, которое устанавливается для температуры воздуха внутри теплицы 1. Также устанавливаются основные характеристики используемых исполнительных устройств (ИУ).

В процессе эксплуатации для теплицы 1 в контроллере доступна корректировка множества параметров, которые позволяют производить тонкую подстройку управления и, в конечном итоге, определяют качество поддержания микроклимата.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема

2. Патент №2592101,”Способ автоматического управления свето-температурным режимом в теплице и система для его реализации ”

В изобретении предлагается разбить вегетационный период растений на равные промежутки времени, продолжительность которых выбрать на порядок меньше постоянной времени самого быстродействующего возмущения. Измерить для каждого промежутка времени влажность воздуха, температуру воздуха и освещенность в теплице. Получить возраст растений от счетчика возраста растений и получить сигнал от счетчика, отмеряющего длительность заданного фотопериода. Собранные данные направить в компьютерный задатчик, который вычислит среднее значение температуры предыдущей ночи в наступающее дневное время, а затем вычислит и установит оптимальные свето-температурные параметры воздуха внутри теплицы, такие как оптимальную по критерию продуктивности многомерную температуру и одномерную дневную температуру и поддержит одну из них постоянной в зависимости от сложившихся условий в течение всего промежутка времени, а также оптимальную по критерию продуктивности многомерную освещенность и одномерную освещенность и поддержит одну из них с помощью досвечивающей аппаратуры, включенной на заданный фотопериод.

3. Патент №2407280, “Устройство и способ для осушения воздуха в теплице и теплица”

Принцип работы устройства: охлаждение и осушение воздуха происходит непосредственно в воздушном пространстве теплицы путем подачи воды, более холодной, чем точка росы воздуха теплицы посредством разбрызгивания или другим способом. Объем воды, подаваемой в единицу времени, и температура имеют такие параметры, что по мере прохождения подаваемой воды через воздушное пространство теплицы большее количество влаги конденсируется в нем из воздуха, чем количество воды которая испаряется из него в воздух теплицы. Объем воды, подаваемой, в единицу времени, разбрызгиваемой в воздушное пространство теплицы, составляет по меньшей мере 50 литров на м2 площади теплицы в час. Некоторое количество воды, подаваемой в воздушное пространство теплицы, возвращают для повторной циркуляции в воздушное пространство теплицы.

При таком выполнении упрощается процесс и снижаются эксплуатационные затраты по контролю влажности и температуры воздуха в теплице.

Температура используемой воды составляет от 0 до 15 градусов.

Влажность воздуха теплицы может поддерживаться постоянной по желанию посредством регулировки температуры охлаждающей воды.

На схеме, рисунок 1.2, представлен вариант выполнения данного устройства. Цифрой 1 обозначены устройства распределяющее воду, при помощи которых вода 3 в виде капель поступает в воздушное пространство теплицы. Цифрой 4 обозначены лотки для сбора падающей воды. Собранная вода проводится из теплицы по выпускной трубе 5.Снаружи теплицы к выпускной трубе 5 присоединен теплообменник 6, предназначенный для охлаждения воды. Цифрой 7 обозначено устройство водоснабжения, 8 и 9 дополнительные устройства для внешнего испарительного охлаждения воды в резервуаре.

Рисунок 1.2 - Схема устройства

4. Патент №160530, “Устройство для управления микроклиматом в теплице”

Устройство содержит блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные механизмы. Подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице и датчики параметров окружающей среды. Исполнительные механизмы предполагаемого устройства представляют собой привод вентиляторов надува межпленочного пространства привод электромагнитных клапанов регулятора подачи углекислого газа и узлы системы отопления.

Основное отличие от аналогичных систем - устройство позволяет использовать нагретый СО2 для регулирования температуры в теплице нагнетая его в межпленочное пространство.

Предложенное устройство для управления параметрами микроклимата в теплице поясняется чертежом, рисунок 1.3, где представлена схема предложенного устройства. Где теплица - 1, содержит 2 - блок мониторинга на базе персонального компьютера диспетчера, соединенный с блоком контролера - 3, 4 - блок управления, 5 - датчик температуры воздуха в теплице, 6 - датчик относительной влажности воздуха в теплице, 7 - датчик температуры внутренней поверхности остекления теплицы, 8 - датчик температуры почвы, 9 - датчики температуры теплоносителя в контурах обогрева, 10 - датчик температуры внешнего воздуха, 11 - датчик интенсивности радиации солнечного излучения, 12 - датчик скорости и направления ветра, 13 - датчик давления теплоносителя в общих для всей теплицы прямой и обратной трубах 14 и 15 соответственно, 16 - датчик концентрации углекислого газа CO2, 17 - датчик положения фрамуги, 18 - датчик циркуляционных вентиляторов, 19 - клапан регулировки подкормки растений CO2, 20 - система отопления, 21 - насос, 22 - клапан, 23 - вентиляторы надува межпленочного пространства, 24 - блок контроля углекислого газа, 25 - межпленочное пространство, 26 - клапан регулировки подачи углекислого газа в межпленочное пространство 25, 27 - датчик температуры углекислого газа.

5. Патент №2379881, “Погодный компенсатор для управления отоплением ”

Изобретение позволяет с необходимой точностью компенсировать тепловые потоки: от ограждения (стен и остекления), поток наружного воздуха за счет его фильтрации, нагрев помещения от солнечных лучей.

Погодный компенсатор, рисунок 1.4, содержит датчики температуры в помещении 1, температуры наружного воздуха 2, температуры ограждения 3, датчик скорости ветра 4, а также содержит первый сумматор 5, соединенный через инвертирующий усилитель 6 с датчиком освещенности 7, выход первого сумматора является выходом погодного компенсатора, второй сумматор 8, выход которого соединен с входом функционального преобразователя 9, а положительным входом - с задатчиком температуры воздуха в помещении 10, отрицательным входом - к датчику температуры наружного воздуха 2.



Рисунок 1.3 - Функциональная схема

С целью повышения точности управления, улучшения компенсации и устойчивости в компенсатор добавлены умножитель 11 и потенциометрический датчик положения форточек 12, своим входом подсоединенный к датчику скорости ветра 4, а выходом подсоединенный ко второму входу умножителя 11, который своим выходом подсоединен к входу первого сумматора 5, выход функционального преобразователя 9 соединен с первым входом умножителя 11, к остальным входам сумматора 5 через делители 13, 14, 15 подсоединены датчики температуры воздуха внутри помещения, наружного воздуха и температуры остекления.

Рисунок 1.4 - Погодный компенсатор

Принцип работы погодного компенсатора.

Сигнал с датчика освещенности 7 через инвертирующий усилитель 6 подается на первый сумматор 8 и уменьшает задание температуры теплоносителя при повышении освещенности.

Для компенсации возмущения от ограждения (форточек) и скорости ветра сигнал отопительного графика с выхода функционального преобразователя 9 перемножается на напряжение с потенциометрического датчика положения форточек 12, который запитан от датчика скорости ветра 4.

Для компенсации возмущений со стороны ограждения сигнал с датчика его температуры 3 масштабируется делителем 15 и вычитается сумматором 5 из суммы взвешенных делителями 13 и 14 сигналов с датчиков воздуха внутри помещения 1 и наружного воздуха 2. Коэффициенты делителей 13, 14 и 15 подобраны так, что при отсутствии освещения, ветра и осадков эта компенсация равна 0.

Таким образом, выходной сигнал компенсатора получается путем суммирования сигналов с выходов двух цепей аддитивной компенсации по освещенности и соотношению температур воздуха улицы, внутри помещения и ограждения (остекления), а также использования компенсации отопительного графика по скорости ветра и степени открытия форточек, причем наклон отопительного графика умножается на произведение значений скорости ветра и положения форточек.

Патент №2128425, “Способ автоматического управления температурным режимом в теплице и система для его осуществления ”

1. Отопительное устройство делиться на две группы таким образом, что мощность нагревателей первой группы определяется разностью между потерями через ограждение и мощностью потока солнечной радиации, а мощность нагревателей второй группы составляет 20-25% дот максимальной мощности первой группы.

2. Специализированное вычислительное устройство снабжается двумя цифровыми выходами, один из которых выдает оптимальную температуру, а второй - необходимую для ее поддержания мощность, причем первый выход подается на регулятор системы обогрева меньшей мощности, а второй на регулятор большей мощности через соответствующие цифроаналоговые преобразователи.

3. Для обогрева теплиц, оборудованных электронагревателями, в качестве исполнительного элемента используется тиристорный регулятор с число-импульсным управлением, вход которого подсоединен к выходу блока измерения мощности вычислительного устройства.

4. Выделяют два режима для которых определяется оптимальная температура воздуха в теплице. Для дневного режима расчет производится следующим образом:

a. Определяется температура воздуха в теплице оптимальная по критерию максимальной продуктивности;

b. Определяется коэффициент теплопередачи через внешнее ограждение теплицы:

, (1.1)

где - коэффициент теплопередачи через различные виды ограждающих конструкций теплицы;

- от расположения ограждений относительно сторон света (для сторон С-В, С-З, ,З,Ю-В, , Ю, );

- от скорости ветра;

- от инфильтрации зависит от типа ограждения 1.05..1.4.

c. Определяется естественная температура теплицы.

Для ночного режима расчет производится следующим образом.

a. Производится отключение датчиков уровня освещенности растений и плотности потока солнечной радиации, так как в этот период Тест=Тн.

b. Сравнивается полученное значение Тест со значением температуры, оптимальной по критерию максимальной продуктивности Тпропт: если Тест>Тпропт, то выдается команда перехода на летний режим работы, когда вместо обогрева работает вентиляция; если Тест <Тпропт, то производится вычисление дискриминанта.

c. Производится выбор критерия оптимизации.

1.1.3 Выводы

В результате патентного поиска были выявлены следующие тенденции развития систем управления микроклиматом:

- стремление к энергосбережению;

- улучшение точности регулирования основных параметров;

- улучшение наглядности представления информации о состоянии теплицы;

- увеличение количества датчиков и исполнительных систем.

1.2 Обзор промышленной системы управления

В качестве примера рассмотрим систему управления микроклиматом FC-403-65 от компании НПФ «ФИТО» [1]. Предпочтение отдано этой компании в связи с тем, что продукция фирмы широко используется тепличными комбинатами в различных регионах страны, в том числе и СХПК «Тепличный» города Вологды.

Рассматриваемая система предоставляет пользователю гибкие возможности по управлению микроклиматом в теплице, путем программного задания параметров микроклимата и стратегии управления исполнительными механизмами на сутки.

Разработчики системы управления в понятие микроклимата включили три параметра: температура воздуха, влажность воздуха, концентрация углекислого газа. Для управления перечисленными параметрами, теплица оборудуется исполнительными системами: отопления, вентилирования, подкормки СО2, управления экраном, управления циркуляцией воздуха, испарительного охлаждения и доувлажнения.

С помощью установленных в теплице датчиков производится постоянное измерение температуры воздуха в нескольких точках, влажности воздуха, содержания СО2 и других параметров(в зависимости от комплектности датчиков). Кроме того, измеряются внешние метеорологические параметры: температура воздуха; интенсивность солнечного излучения; скорость и направление ветра.

На основе заданных и измеренных параметров микроклимата, а также учитывая стратегию управления исполнительными системами, управляющий контроллер реализует алгоритмы управления исполнительными механизмами.

Структурная схема системы приведена на рисунке 1.5. Управление системой производится электронным блоком, который включает в себя непосредственно управляющий контроллер, интерфейсную часть и органы индикации иуправления. В интерфейсной части находятся схемы измерения для аналоговых и дискретных датчиков.

В отдельном блоке релейной коммутации расположены релейные ключи для автоматического и ручного управления ИМ: насосами, смесительными клапанами, приводами форточной вентиляции, редукторами и т.д., а также светодиодные индикаторы для отображения режимов работы ИМ.

Измерение температуры и влажности воздуха в теплицах производится соответственно как аналоговыми датчиками температуры AD592, так и с помощью 1-проводных цифровых термометров фирмы AnalogDevices DS18B20 и высокоточных датчиков относительной влажности фирмы Honeywell HIH 3610, помещенных в общую вентилируемую ячейку для повышения точности и стабильности измерений. Измерения температуры стекла, почвы, внешнего воздуха и теплоносителя в контурах обогрева производится аналогично как аналоговыми датчиками температуры AD592, так и с помощью 1-проводных цифровых термометров фирмы AnalogDevices. Концентрация СО2 в воздухе производится датчиками eSense I P50 фирмы SenseAir.

В основе алгоритма управляющего контроллера пропорционально-интегрально-дифференциальный закон, который получен из П-закона путем добавления интегральных и дифференциальных поправок. Каждый параметр микроклимата рассчитывается согласно П-закону, затем производится прогноз изменения параметра, к которому добавляются интегральные и дифференциальные поправки. Особенность алгоритма в том, что каждый параметр микроклимата рассчитывается от каждой возмущающей величины в отдельности, после чего используется принцип приоритетов распределения воздействий на исполнительные системы. Такой подход дает возможность изменить состояние исполнительной системы еще до того момента, когда начнется изменяться регулируемый параметр. Использование данного подхода в совокупности с большим количеством различных датчиков позволяет поддерживать заданные параметры микроклимата с большой точностью.

Рисунок 1.5 - Структурная схема системы (вариант 2-х теплиц)

1.3 Обзор системы управления для индивидуальной теплицы

Рассмотрим систему управления микроклиматом индивидуальной дачной теплицы, предложенной в [2].

В статье предлагается контролировать и регулировать следующие параметры:

- температуру и влажность воздуха;

- температуру и влажность почвы;

- освещенность.

Рисунок 1.6 - Структурная схема системы управления климатом теплицы

Система, структурная схема которой приведена на рисунке 1.6, построена в виде отдельных блоков, каждый блок позволяет контролировать и регулировать один параметр. В состав каждого функционального блока входит измерительный элемент (датчик), усилитель сигнала датчика и электронный ключ управления внешним исполнительным устройством.

В состав системы также входит таймер, предназначенный для отключения блока регулирования освещенности в ночное время и регулирования времени увлажнения воздуха.

Все блоки выполнены с использованием микросхем серии к176. Датчики самодельные и представляют собой делители напряжения. Блок питания выполнен с использованием понижающего трансформатора и мостового выпрямителя с конденсаторным фильтром.

2. Обоснование выбора варианта решения

Проведен анализ существующих систем управления микроклиматом теплицы. Промышленные системы управления микроклиматом рассмотрены на примере системы FC-403-65 от компании НПФ «ФИТО» [1]. Данная система обладает рядом достоинств:

- возможность выполнения до 20 программ в сутки;

- плавный переход от параметров одной программы к параметрам другой программы;

- гибкая система настроек управления различными исполнительными системами;

- большое количество контролируемых параметров;

- возможность отслеживать динамику микроклимата;

- алгоритм управляющего контроллера позволяет прогнозировать изменение параметров микроклимата и своевременно принимать определенные действия;

- индикация аварийных ситуаций.

К недостаткам системы можно отнести:

- высокую стоимость системы;

- предназначена для промышленных масштабов;

- управляющий персонал должен иметь определенную квалификацию.

Также рассмотрена система, разработанная энтузиастом, для небольших теплиц.

К ее достоинствам можно отнести:

- невысокую стоимость;

- доступность для повторения;

- легкость в управлении.

Недостатками системы являются:

- каждый параметр микроклимата регулируется отдельно без учета взаимного влияния параметров друг на друга;

- отсутствует возможность плавной смены режима "день-ночь";

- система выполнена по одноконтурной схеме, в связи, с чем присутствуют большие колебания параметров микроклимата.

Разрабатываемая система должна отвечать следующим требованиям:

- иметь приемлемую стоимость;

- иметь простой интерфейс;

- обеспечивать плавный переход между дневными и ночными режимами;

- обеспечивать точность регулирования параметров микроклимата согласно техническому заданию.

Исходя из выдвинутых требований к разрабатываемой системе, наиболее подходящим прототипом является система разработанная сотрудниками НПФ «ФИТО».

3. Разработка автоматизированной системы управления климатом теплицы

3.1 Разработка структурной схемы системы управления

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы управления

Основным элементом управления является программируемый логический контроллер. Для контроля и ввода параметров микроклимата используется панель оператора. Исполнительные механизмы подключены к блоку контроллера через блок силовых реле.

На схеме показаны датчики, которые используются в системе управления. В системе использовано четыре типа датчиков: температуры, влажности, освещенности и датчик положения форточки. Хотя регулирование осуществляется по температуре и влажности, необходимость измерять освещенность возникает в результате непосредственной взаимосвязи между этими тремя параметрами. Датчик освещенности размещен внутри теплицы, с целью минимизировать ошибку при определении проникающей солнечной радиации внутрь теплицы. В теплице также размещен один датчик температуры и один датчик влажности. Количество этих датчиков выбрано согласно результатам, приведенным в работе [3], где указано, что для определения температуры в любой точке теплицы необходимо и достаточно иметь значение температуры в геометрическом центре теплицы, а влажность, предполагается, равномерна по всему объему. Датчик положения форточки используется для определения степени ее открытия.

Снаружи теплицы размещены датчик температуры и датчик влажности. Данные датчики измеряют температуру и влажность наружного воздуха для расчета параметров регулирования.

В теплице используется четыре типа исполнительных систем: обогрева, форточной вентиляции, принудительной вентиляции, испарительного охлаждения и доувлажнения воздуха (СИОД).

Обогрев производится не только по степени рассогласования заданной и измеренной температуры внутри теплицы, но и с учетом влияния быстроизменяющихся факторов, таких как солнце, внешняя температура, внешняя влажность, что позволяет предсказывать изменение температуры в теплице и вовремя противодействовать этим изменениям.

Вентилирование используется для удаления теплого воздуха из теплицы и замены его на более холодный воздух внешней среды, а также для снижения относительной влажности внутри теплицы.

СИОД обеспечивает снижение температуры воздуха на 5-10 градусов и создает необходимую влажность в теплице.

Логику работы системы можно описать следующим образом: контроллер получает информацию с датчиков температуры и влажности, находящихся внутри теплицы, сравнивает полученные значения с заданными, если есть расхождение параметров, то производит распределение воздействий на исполнительные механизмы, с целью минимизировать полученное расхождение. Внешние температура и влажность, а также освещенность, используются для расчета скоростей изменения параметров внутри теплицы, на основе которых производится выбор тех или иных исполнительных механизмов.

3.2 Выбор промышленного контроллера

Анализируя структурную схему системы управления можно сделать вывод, что для управления микроклиматом в условиях закрытого грунта необходим микроконтроллер, имеющий 6 входов, клеммы для питания и 4 выхода к которым возможно присоединение исполнительных механизмов, осуществляющих регулирующие воздействия на микроклимат.

Система управления разрабатывается для небольшой дачной теплицы, схематично показанной на рисунке 3.2. Рассматриваемая теплица имеет полезную площадь 18 мІ, при объеме 32 мі. Учитывая небольшие размеры теплицы плата контроллера, объединенная с панелью оператора, имеет существенные преимущества, как в плане монтажа системы, так и в плане ее стоимости.

Рисунок 3.2 - Макет теплицы

Огромное количество промышленных контроллеров предлагается как отечественными, так и зарубежными фирмами. Практически любой современный промышленный контроллер, предназначенный для широкого спектра задач, имеет в своем составе более 10 входов/выходов и достаточное количество памяти для программ пользователя. В результате, решающим фактором выбора того или иного контроллера является его стоимость и наличие бесплатного программного обеспечения для его программирования.

Наиболее подходящим контроллером с точки зрения функциональности и стоимости является контроллер SMH2010С, разработанный инженерами ООО «Сегнетикс». На рисунке 3.3 показан общий вид контроллера.

SMH 2010 С - это компактный, быстродействующий программируемый контроллер (ПК), предназначенный для операций управления в системах, требующих до 832 входов/выходов. Панельное исполнения контроллера позволяет использовать его одновременно и, как операторскую панель, устанавливаемую снаружи электротехнических шкафов, в соответствующие отверстия. Программное ядро, установленное на контроллере, позволяет при помощи специального инструментального пакета SMLogix, работающего под ОС семейства MS Windows, создавать пользовательские программы управления для контроллера на языке функциональных блоков (FBD) [6].

Рисунок 3.3 - Общий вид контроллера

Технические характеристики контроллера приведены в таблице 3.2.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики ПЛК SMH 2010 С

Параметр	Значение
Количество дискретных выходов	8
Тип дискретных выходов	Транзистор с открытым стоком
Максимальный ток нагрузки выходов	1 А, (продолжительная работа ) 5 А, (импульс 300 мкс, скважность 50)
Напряжение выходной нагрузки	50 В постоянный ток (макс.)
Количество дискретных входов (max)	12
Уровень напряжения сигнала дискретных входов	Логический «0» - от 0 в до 3.4 в, пост. напряжение Логическая «1 » - от 4.0 в до 50 в, пост. напряжение
Максимальная частота по входам	100 Гц
Количество аналоговых входов	Для термометров сопротивления (max) - 4 канала Или для сигнала 0 - 10 в - 6 каналов Или для сигнала 4 - 20 mA - 6 каналов
Разрешение аналоговых входов	10 бит
Количество аналоговых выходов (max)	4 ( 0 - 10 в)
Разрешение аналоговых выходов	10 бит
Нагрузочная способность аналогового выхода	3 mA
Последовательные порты	1 - RS 485 1 - RS 232 с оптоизоляцией 1 - RS 485 с оптоизоляцией
Встроенный протокол	Modbus RTU SB - 2
Расширение	До 832 каналов ввода/вывода
Шина расширения	Modbus RTU
Память программ управления	128 Кбайт
ОЗУ	32 Кбайт
EEPROM	8/36/68 Кбайт
Цикл опроса, минимум	5 мс
Часовой таймер (WDT)	Встроен
Клавиатура	Пленочная, 22 кнопки, 6 функциональных
Дисплей	Монохромный LCD (подсветка), либо монохромный VFD, 4 строки х 20 символов.
Корпус	ABS пластик
Напряжение питания	24 В постоянное/переменное напряжение
Рабочее напряжение пост. напряжение	18 … 36в
Рабочее напряжение перем. напряжение	15 … 30в
Энергопотребление	макс . 4.5 Вт
Тип клемм	Combicom
Макс. сечение подключаемого проводника	2.5 мм2
Изоляция	Не менее 20 МOм между каждым входом и корпусом
Время сброса программы	2 сек (Прерывание по питанию случается при снижении питания менее 80% номинала на время, большее времени прерывания питания).
Вес устройства	макс 500 г
Защита памяти	При отключении питания полностью сохраняется содержимое памяти. Без использования батареи сохраняется содержимое только EEPROM, FLASH
Ресурс батареи	20 000 часов
Функции самодиагностики	Неисправности ЦПУ (сторожевой таймер), сбой шины входов /выходов, сбой памяти.
Степень защиты IEC	IP65 (по лицевой панели)

Согласно таблице 3.1 можно сделать вывод, что контроллер выпускается в трех модификациях, которые отличаются аналоговыми входами. В разрабатываемой системе используем аналоговые датчики с потенциальным выходом. Такие датчики имеют приемлемую стоимость, не нагружают входы контроллера, легко согласуются по уровням напряжения.

Все исполнительные механизмы в разрабатываемой системе находятся в одном из двух состояний: включено или выключено, поэтому для их работы потребуются дискретные выходы контроллера, к которым подключаются исполнительные реле.

Инженеры фирмы предлагают для контроллера специальный блок RPS 2014 B, в котором содержатся 8 реле и блок питания контроллера. На рисунке 3.4 показан общий вид релейного блока.

Рисунок 3.4 - Релейный блок

С учетом вышесказанного для СУ подходит контроллер C2010C-7121-01-5. Эта модификация контроллера содержит 6 аналоговых входов для сигнала 0 - 10 В, и по степени электрической защиты подходит для использования во влажной среде.

3.3 Выбор датчиков и разработка принципиальных схем их подключения

Для измерения температуры внутри и снаружи теплицы выберем датчики AD22100S фирмы Analog Devices.

Выходным сигналом датчика является напряжение пропорциональное измеряемой температуре:

, В, (3.1)

где - выходное напряжение, В;

- опорное напряжение, В;

- температура, К.

Диапазон измеряемой температуры -50?С до +150?С с погрешностью ±2?С. Диапазон выходных напряжений лежит в пределах от 0,25 до 4,75 В.

Схема подключения датчика приведена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Схема подключения датчика температуры

На элементах DA1, R1, R2 выполнен усилитель сигнала для согласования выхода датчика с входом контроллера. В качестве DA1 использован операционный усилитель К140УД8. Сопротивления R1 и R2 определим из условия:

, В, (3.2)

где - выходное напряжение, В;

- входное напряжение, В.

Выразим отношение сопротивлений: . Подставив значения напряжений, получим: . Приняв , получим . согласно техническому описанию на микросхему К140УД8.

Для измерения влажности используем емкостные датчики влажности серии HIH-4000-003 фирмы Honeywell. Эти датчики построены на основе термореактивного полимера и отличаются высокой надежностью.

На рисунке 3.6 представлен график зависимости выходного напряжения от относительной влажности воздуха. Как видно из рисунка выходной сигнал датчика находится в линейной зависимости от измеряемой влажности. Значение выходного напряжения, соответствующее текущей относительной влажности определяется по следующей формуле:

, В, (3.3)

где - напряжение на выходе датчика, В;

- опорное напряжение, В;

- относительная влажность воздуха, %.

Данная формула справедлива при температуре окружающей среды 25?С. Значение относительной влажности с учетом температуры окружающей среды может быть найдено по следующей формуле:

, %, (3.4)

где - истинное значение влажности, %;

- измеренное значение относительной влажности, %;

t - температура, ?С.



Рисунок 3.6 - Зависимость выходного напряжения от влажности воздуха

Датчик измеряет относительную влажность воздуха в диапазоне 0…100 % с точностью не ниже ±2 %, при этом размах выходного напряжения во всем диапазоне составляет 1.0…4.0В.

Схема подключения датчика HIH-4000-003 приведена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - Схема подключения датчика влажности

Схема, приведенная на рисунке 3.7 идентична схеме для подключения датчика температуры (см. рис. 3.5). Отличие состоит в другом номинале резистора R1. Подставив значения напряжений, получим: . Приняв , получим .

Для измерения естественной освещенности теплицы используем датчик ФС-3 фирмы "Микроникс".

Датчик освещенности ФС-3 предназначен для преобразования уровня освещенности поверхности в напряжение постоянного тока. Выходной сигнал датчика пропорционален освещенности и соответствует стандарту (напряжение 0...10 В). Номинальное значение чувствительности 100 мВ/лк. В диапазоне от 100 до 100000 лк выходное напряжение от освещенности имеет прямо пропорциональную зависимость. Схема включения датчика приведена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Типовая схема включения датчика ФС-3

Датчик положения форточки выполнен на основе потенциометра сопротивлением 1300 Ом. Схема подключения датчика представлена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Схема подключения датчика положения форточки

3.4 Выбор исполнительных механизмов и разработка принципиальных схем их подключения

Для повышения температуры воздуха в теплице используем инфракрасные обогреватели фирмы Ресанта. Данный тип нагревательных приборов обладает высоким КПД, малой инертностью, компактными размерами, легкостью монтажа и невысокой стоимостью, что делает их привлекательными для использования в теплице.

Суммарную мощность нагревателей рассчитаем по следующей формуле:

, Вт, (3.5)

где - суммарная мощность нагревателей, Вт;

- площадь покрытия теплицы, м2;

- разность температур внутри и снаружи теплицы, ?С;

k - коэффициент теплопередачи (для поликарбоната толщиной 4 мм равен 3,9 Вт/мІ.

Для стандартной арочной теплицы площадью 18 мІ 36 мІ. Минимальная температура воздуха в конце апреля составляет -10?С, минимальная температура в теплице +18?С, тогда . Подставляя значения в формулу (3.4.1) получаем:

. (3.6)

Фирма Ресанта выпускает три типа нагревателей различной мощности: 800, 1500, 2000 Вт. Исходя из полученного значения требуемой мощности, нам необходимы два нагревателя мощностью 2000 Вт.

Схема подключения нагревателей, рекомендованная предприятием-изготовителем, приведена на рисунке 3.10.



Рисунок 3.10 - Схема подключения нагревателей

На схеме KM1 обозначен магнитный пускатель, рассчитанный на номинальную нагрузку 4кВт. В качестве KM1 выберем ES 220 фирмы Hager.

Вентиляция в теплице осуществляется двумя способами: фрамугами и вентиляторами. Управление фрамугами производится при помощи линейных актюаторов. Степень открытия фрамуг определяется потенциометрами установленными на линейных актюаторах.

Для разрабатываемого проекта выберем линейные актюаторы серии САНВ-10 фирмы SKF. Данная серия обладает широкой номенклатурой актюаторов с различными параметрами, что позволяет выбрать подходящий вариант практически для любой теплицы.

На рисунке 3.11 приведена типовая схема включения актюатора.

Рисунок 3.11 - Типовая схема включения актюаторов

Актюаторы данной серии работают от сети постоянного тока напряжением 12/24 вольт. Направление вращения электродвигателя определяется направлением электрического тока, что легко реализуется схемой из двух реле. В устройстве актюаторов имеются концевые выключатели, которые предохраняют электродвигатель от перегрузок.

Для принудительной вентиляции выберем недорогой вытяжной вентилятор Electrolux EAF-100. Данный вентилятор предназначен для установки во влажных помещениях, что позволяет его использовать для вентиляции теплицы. Производительность вентилятора 100 мі/ч, что гарантирует смену воздуха в теплице объемом 32 мі за 19 минут. Вентилятор работает от сети 220 В и потребляет мощность 15 ВА. Схема включения вентилятора показана на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Принципиальная схема включения вентилятора

Система СИОД состоит из насоса повышающего давление в системе, емкости и фильтры для воды, спринклеров и системы трубопроводов. На рисунке 3.13 приведена функциональная схема СИОД для малогабаритной теплицы.

Из схемы, легко видеть, что в СИОД исполнительным механизмом является насос повышающий давление в системе. Когда насос включен, вода через спринклеры поступает в воздушное пространство теплицы в виде мельчайших капель, которые превращаются в пар. В процессе парообразования повышается относительная влажность и уменьшается температура воздуха.



Рисунок 3.13 - Функциональная схема СИОД

На рынке представлено большое количество готовых комплектов систем туманообразования как низкого, так и высокого давления. В индивидуальной частной теплице наиболее приемлемыми по стоимости являются комплекты низкого давления. Для теплицы площадью 18 мІ подойдет комплект ND-15 фирмы Tuman-PRO. В комплекте применен насос XTL-3210 фирмы Shysky Tech Co. Насос работает от сети постоянного тока напряжением 12 В и потребляет мощность 80 Вт. Схема включения насоса показана на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14 - Принципиальная схема включения насоса СИОД

3.5 Разработка принципиальной схемы

Ядром системы управления является ПЛК SMH 2010 C2010C-7121-01-5. ПЛК имеет клеммные колодки для подключения внешних устройств (блока питания, датчиков, исполнительных механизмов и т. д.). Для подключения датчиков используем шесть аналоговых входов контроллера AIN0-AIN5. Аналоговые входы, предназначены для подключения датчиков с потенциальным сигналом 0-10 В. Для СУ выбраны аналоговые датчики температуры AD22100S фирмы Analog Devices с выходным напряжением от 0,25 до 4,75 В и аналоговые датчики относительной влажности воздуха HIH-4000-003 фирмы Honeywell с выходным напряжением от 1 до 4 В. Выходной сигнал с датчиков не соответствует стандарту выбранного ПЛК. Для согласования выхода датчика с входом контроллера используем неинвертирующий усилитель на ОУ. Схемы включения датчиков приведены на рисунках 3.5 и 3.7. В приложении 1 приведена принципиальная схема платы согласования датчиков. В схеме использованы четыре микросхемы к140уд8, на которых собраны усилители сигналов датчиков. Также показаны клеммные колодки для подключения питания, датчиков и входов контроллера.

Датчик освещенности и потенциометр форточки имеют выходные сигналы стандарта 0-10 В и подключаются к входам ПЛК без каких-либо дополнительных устройств.

В системе применено четыре вида исполнительных систем, для их управления использован релейный блок RPS 2014 B. В релейном блоке содержаться восемь исполнительных реле, пять из которых использовано в СУ.

В приложении 2 приведена принципиальная схема СУ климатом теплицы. На схеме показаны клеммные блоки: ПЛК, релейного блока, платы согласования датчиков, а также исполнительные механизмы.

Подключение блока ПЛК и релейного блока производится при помощи специального кабеля CB2014-DB9-8. Датчики, исполнительные механизмы, плата согласования датчиков подключаются при помощи гибкого провода, для этого провод зачищают на длину 8 мм и обжимают специальным наконечником, который вставляют в отверстие клеммника и зажимают винтом.

3.6 Разработка алгоритма управляющей программы

В основу алгоритма управляющей программы положим результаты экспериментальных исследований приведенных в работе [3]. Исследования проводились в течение двух лет на разных объектах защищенного грунта с одинаковыми условиями эксплуатации. Изучались четыре основных параметра микроклимата: освещенность, температура, влажность, концентрация CO2 и их взаимное влияние друг на друга. Результаты исследований приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Взаимное влияние параметров микроклимата

Параметры	Внутренние параметры микроклимата
	Освещенность	Температура	Влажность	CO2
Освещенность (^/v)	(^/v)	(^/v)	(v/^)	(v/^)
Температура (^/v)	-	(^/v)	(v/^)	(v/^)
Влажность (^/v)	-	(v/^)	(^/v)	-
Концентрация CO2 (^/v)	-	-	-	(^/v)

Легко видеть, что естественная освещенность является доминирующим фактором в формировании микроклимата теплицы. Увеличение уровня освещенности приводит к увеличению температуры, что в свою очередь приводит к уменьшению относительной влажности воздуха. Увеличение влажности воздуха приводит к уменьшению температуры. На естественную освещенность температура и влажность воздуха влияния не оказывают. Концентрация CO2 в нашей системе не учитывается.

Все параметры, приведенные в таблице, измерялись внутри теплицы, но нельзя отрицать существенное влияние температуры и влажности наружного воздуха на микроклимат теплицы. Согласно математической модели описанной в [4] скорости изменения температуры и влажности в теплице определяются следующими выражениями:



, (3.7)

, (3.8)

где , - температура воздуха внутри и снаружи теплицы соответственно, ?С;

, - относительная влажность воздуха внутри и снаружи теплицы соответственно, %;

- коэффициент теплопередачи материала ограждения теплицы, Вт/м2;

, - обогреваемый и увлажняемый объемы теплицы соответственно, м3;

- плотность воздуха, кг/м3;

- удельная теплоемкость воздуха, кДж•кг-1•K-1;

- мощность обогревателей воздуха теплицы, Вт;

- производительность системы туманообразования, г/с;

- поглощенное теплицей солнечное излучение, Вт;

- удельная теплота парообразования, кДж/кг;

- воздухообмен, обеспечиваемый системой вентиляции теплицы, м3/с;

- масштабный коэффициент, принимаемый постоянным.

Приведенная математическая модель, объясняет изменение температуры и влажности в теплице путем алгебраического сложения потоков теплоты (энергий) от различных источников. Основываясь на данном подходе, разработан алгоритм управления температурно-влажностным режимом теплицы. На рисунке 3.15 приведена блок-схема алгоритма для поддержания заданных температуры и влажности. На рисунках 3.16-3.21 приведены блок-схемы алгоритмов подпрограмм.

Алгоритм реализован в виде бесконечного цикла. На начальном этапе считываются значения с датчиков, установленных в системе. На основе полученных результатов, вычисляются скорости изменения температуры и влажности, находятся разности между заданными значениями и измеренными. Следующий этап: сравнение величин получившихся в результате математических расчетов. По результатам сравнения выбираются пути воздействия на исполнительные механизмы.

Принцип работы программы рассмотрим на следующем примере. Пусть заданная температура больше измеренной, а заданная влажность меньше измеренной. Допустим, что по результатам расчетов производная температуры больше нуля, производная влажности меньше нуля, разность температур больше нуля, разность влажностей меньше нуля. Отношение разности температур к скорости изменения температуры больше нуля, и по абсолютному значению более 10 и менее 60 минут. По температуре система стабилизируется с достаточной скоростью, ничего предпринимать не нужно. Отношение разности влажностей к скорости изменения влажности больше нуля и по абсолютному значению более 60 минут. По влажности необходимо увеличить скорость ее изменения, переходим на подпрограмму увеличения влажности. Влажность регулируется тремя системами. Допустим, принудительная вентиляция не работает, а форточки открыты, значит, прикрываем форточки и переходим к началу программы регулирования.



Рисунок 3.15 - Алгоритм основной программы

Рисунок 3.16 - Алгоритм подпрограммы смены знака производной температуры



Рисунок 3.17 - Алгоритм подпрограммы смены знака производной влажности

Рисунок 3.18 - Алгоритм подпрограммы увеличения температуры



Рисунок 3.19 - Алгоритм подпрограммы уменьшения температуры

Рисунок 3.20 - Алгоритм подпрограммы увеличения влажности

Рисунок 3.21 - Алгоритм подпрограммы уменьшение влажности

3.7 Разработка программы управления

Для программирования логических контроллеров компания Сегнетикс предлагает пакет S рMLogix, при помощи которого создаются пользовательские программы на языке функциональных блоков - FBD.

FBD (англ. Function Block Diagram) -- графический язык программирования стандарта МЭК 61131-3. Предназначен для программирования программируемых логических контроллеров (ПЛК). Программа образуется из списка цепей, выполняемых последовательно сверху вниз. Цепи могут иметь метки. Инструкция перехода на метку позволяет изменять последовательность выполнения цепей для программирования условий и циклов.

При программировании используются наборы библиотечных блоков и собственные блоки, также написанные на FBD или других языках МЭК 61131-3. Блок (элемент) -- это подпрограмма, функция или функциональный блок (И, ИЛИ, НЕ, триггеры, таймеры, счётчики, блоки обработки аналогового сигнала, математические операции и др.).

Каждая отдельная цепь представляет собой выражение, составленное графически из отдельных элементов. К выходу блока подключается следующий блок, образуя цепь. Внутри цепи блоки выполняются строго в порядке их соединения. Результат вычисления цепи записывается во внутреннюю переменную либо подается на выход ПЛК [5].

Алгоритм, приведенный на рисунках 3.15, состоит из трех частей: опрос датчиков, расчет производных, разностей параметров и нахождение соответствующих отношений, и воздействие на исполнительные механизмы.

В алгоритме не указаны блоки, отвечающие за ввод пользователем параметров регулирования и вывод текущих значений на экран.

Используя принципы структурного программирования, ввод данных с датчиков и расчет тепловых потоков выполнено в виде отдельного макроблока, что существенно увеличит наглядность программы.

Для подключения датчиков в программе SMLogix необходимо блок аналогового входа подключить к макроблоку Sensor_v1.9, который настроить на измерение сигнала 0-10 В, указав 7-й тип датчика.