Разработка системы управления климатом в теплице

Обзор системы управления микроклиматом FC-403-65. Разработка структурной схемы системы управления температурным режимом теплицы. Выбор датчиков и исполнительных механизмов, принципиальная схема их подключения. Разработка инструкций по эксплуатации.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	дипломная работа
Язык	русский
Дата добавления	10.04.2017
Размер файла	1,8 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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;

* регулирование температуры воздуха и почвы;

* проветривание (механизированные фрамуги);

* 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;

* 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:

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

© 2000 — 2020, ООО «Олбест» Все права защищены

Источник статьи: http://knowledge.allbest.ru/radio/2c0b65635a3bd79a4c53b88521316c36_0.html