Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице. Система 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 устройства (ИУ) представляют собой привод фрамуги, вентилятор, привод экрана, привод регулятора подачи углекислого газа и узлы контура обогрева. Выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров. Система для управления микроклиматом обеспечивает увеличение эффективности оптимизации качества регулирования. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области растениеводства в сооружениях защищенного грунта, и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице.
Для выращивания овощей и цветов широко применяют парники, оранжереи и теплицы различной конструкции. В этом случае в процессе выращивания часто возникают трудности при поддержании требуемой температуры в сооружении. Это положение часто может усугубляться отсутствием обслуживающего персонала в течение определенного времени. При этом возможно не только замерзание растений при снижении температур в рабочих зонах таких сооружений, но и увядание их при перегреве из-за высокого уровня солнечной радиации в теплице или парнике в дневные часы.
Известен регулятор температуры для теплиц, который содержит цилиндр, заполненный рабочей жидкостью, шток, кинематически шарнирно связанный с фрамугой и подгруженный пружиной сжатия, и манжетные уплотнители, в устройство введены радиатор, две продольные секции с различной теплопроводностью и отражающей способностью, при этом полость цилиндра заполнена гранулами из материала с высоким коэффициентом теплового расширения, причем при повышении температуры шток выдвигается и открывает фрамугу, а при снижении температуры происходит обратный процесс (см. патент РФ №2028759, кл. A01G 9/24, 1995).
Известный регулятор предназначен для регулирования только одного параметра - температуры воздуха в теплице.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система для управления микроклиматом в теплице, содержащая датчики температуры воздуха в теплице и оболочки теплицы, датчики СО 2 , датчики относительной влажности, микропроцессор, входы которого связаны с указанными датчиками, а выводы - с исполнительными механизмами: вентилем системы орошения оболочки теплицы, выключателем системы образования тумана в теплице, выключателем система обогрева, вентилем системы подачи СО 2 (см. Европейский патент №0275712, кл. A01G 9/24, 1988).
Недостатком данной системы также является низкая эффективность оптимизации качества регулирования микроклимата, обусловленная небольшим количеством регулировочных параметров и средств управлении микроклиматом.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение эффективности оптимизации качества регулирования микроклимата за счет увеличения количества регулировочных параметров при управлении микроклиматом и учета внешних метеоусловий.
Данный технический результат достигается за счет того, что система для управления микроклиматом в теплице содержит блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные механизмы, подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице, по меньшей мере, один датчик температуры поверхности листа и датчики параметров окружающей среды, которые подключены к входам блока контроллера, исполнительные устройства (ИУ) представляют собой, по меньшей мере, один привод фрамуги, по меньшей мере, один вентилятор, по меньшей мере, один привод экрана, привод регулятора подачи углекислого газа и узлы, по меньшей мере, одного контура обогрева, выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров, а вход блока управления соединен с выходом блока контроллера.
Кроме того, блок контроллера соединен с блоком мониторинга параметров микроклимата в теплице, выполненный на базе персонального компьютера, обеспечивающего ввод и кодированном виде задания на поддержание заданных параметров воздуха и почвы в теплице.
Блок управления представляет собой блок релейной коммутации, включающий релейные ключи для управления ИУ.
Система может в качества ИУ включать также насос и клапаны подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения, а также, по меньшей мере, один воздушный нагреватель.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана схема предложенной системы для управления микроклиматом в теплице.
Система для управления микроклиматом в теплице 1 содержит блок 2 мониторинга на базе персонального компьютера диспетчера, соединенный с блоком 3 контроллера, блок 4 управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные устройства (ИУ). Блок 3 контроллера включает в себя непосредственно управляющий контроллер, интерфейсную часть и органы индикации и управления. В интерфейсной части находятся схемы измерения для аналоговых и дискретных датчиков. Управление работой блока 3 контроллера может осуществляться как через блок 1 мониторинга с помощью персонального компьютера, так и с собственного пульта управления. Вход блока 4 управления соединен с выходом блока 3 контроллера. Блок 4 управления представляет собой блок релейной коммутации, в котором расположены релейные ключи для ручного и автоматического управления ИУ.
Подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице, датчики параметров окружающей среды и датчики параметров теплоносителя:
Датчик 5 температуры воздуха в теплице,
Датчик 6 относительной влажности воздуха в теплице,
Датчик 7 температуры внутренней поверхности остекления теплицы,
Датчик температуры листа растения (не показан, может отсутствовать),
Датчик 8 температуры почвы,
Датчики 9 температуры теплоносителя в контурах обогрева,
Датчик 10 температуры внешнего воздуха,
Датчик 11 интенсивности радиации солнечного излучения,
Датчик 12 скорости и направления ветра,
Датчик 13 давления теплоносителя в общих для всей теплицы прямой и обратной трубах 14 и 15,
Датчик 16 концентрации углекислого газа CO 2 .
Датчики подключены к интерфейсной части блока 3 контроллера. Выходы блока 4 управления соединены с ИУ: по меньшей мере, один привод фрамуги 17, по меньшей мере, один вентилятор 18 для циркуляции воздуха в теплице 1, по меньшей мере, один привод экрана (затеняющего или термического) (не показан), привод регулятора 19 подачи углекислого газа и узлы, по меньшей мере, одного контура 20 обогрева: насос 21, смесительный клапан 22. Теплица может содержать от 1 до 5 контуров 20 обогрева, каждый из которых соединен с прямой и обратной трубами 14 и 15 и включает насос 21 и смесительный клапан 22 для смешивания нагретой воды и холодной для регулирования температуры обогрева. Теплица также может содержать в качестве ИУ один или более воздушных нагревателей (не показаны), а также подсистему испарительного охлаждения и доувлажнения (не показана), включающую клапаны и форсунки для распыления воды под давлением.
Предложенная система для управления микроклимата в теплице 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.
В основу управления микроклиматом в теплице лежит контроль и управление температурой и влажностью воздуха и концентрацией в ней углекислого газа СО 2 . Система может осуществлять управление микроклиматом в одной или двух независимых теплицах, каждая из которых имеет до 5 контуров обогрева, две группы фрамуг, подсистему подачи CO 2 , подсистему управления экраном (зашторивания) и другие подсистемы. Система может также осуществлять управление микроклиматом в одной теплице, состоящей из двух, трех или четырех отделений, каждое из которых может иметь настраиваемое количество общих или отдельных контуров обогрева, общие или отдельные группы фрамуг, общие или отдельные подсистемы подачи СО 2 , управления экраном, управления циркуляцией воздуха, воздушного обогрева и испарительного охлаждения и доувлажнения.
В процессе эксплуатации системы агрономы и инженеры в табличной форме формируют стратегию управления микроклиматом. С помощью установленных в теплице 1 датчиков 5-8 производится постоянное измерение температуры воздуха в теплице 1 в нескольких точках, влажности воздуха, содержания углекислого газа и других параметров воздуха в теплице.
Кроме того, в системе с помощью датчиков 10-12 измеряются внешние метеорологические параметры: температура воздуха, интенсивность солнечного излучения, скорость и направление ветра. Для каждого измеряемого внутри теплицы 1 параметра можно установить две контрольные и две аварийные границы, что позволит автоматически отслеживать состояние микроклимата в теплице 1 и своевременно сигнализировать об отклонениях от оптимального состояния.
Все данные о состоянии и динамике микроклимата в теплице 1 периодически передаются в программу, которая в текущий момент времени используется контроллером блока 3 контроллера. Заданный в программе режим микроклимата может автоматически корректироваться в зависимости от значения параметров, например от интенсивности солнечного излучения. В процессе работы контроллер блока 3, согласно заданной программе с учетом внешних условий (солнечного излучения, внешней температуры, скорости и направления ветра), производит согласованное регулирование температуры теплоносителя, используемого при обогреве, управляет состоянием форточной вентиляции - положением фрамуг 17 в теплице 1, положением защитного экрана, режимами работы вентиляторов 18. Микроклимат в теплице 1 программируется, как правило, на сутки (можно и на любое другое время) с помощью блока 2 мониторинга, включающего персональный компьютер диспетчера (на чертежах не показан).
Управление исполнительными механизмами в теплице 1 производится через блок 4 управления - блок релейной коммутации ИУ.
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 CO 2 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.
Для анализа работы системы контроллер блока 3 с заданным диспетчером периодом в диапазоне от 20 секунд до 2 минут посылает в персональный компьютер (ПК) диспетчера (блок 2 мониторинга) информацию, получаемую с измерительных датчиков 5-8 регистрации параметров микроклимата в теплице, а также промежуточные данные, которые необходимы для управления микроклимата.
Управление микроклиматом в теплице 1 в течение суток производится путем установки набора параметров, далее называемых заданием, состоящим из набора программ, каждая из которых действует в течение установленного времени. Для смены программы управления микроклиматом в теплице 1 устанавливается другое задание. Контроллер автоматически обеспечивает путем линейного интерполирования плавность изменения параметров микроклимата между временами действия соседних по времени программ. Параметры задания и само задание можно корректировать в любое время с ПК диспетчера.
Стратегией управления в блоке 3 задается ряд параметров, определяющих выбранную на основе экспертных оценок общую для теплицы 1 или для нескольких зон в теплице 1 стратегию управления микроклиматом в зависимости от агротехнических, экономических и теплотехнических требований. Стратегия управления микроклиматом задается в виде двумерной таблицы, левая колонка которой содержит определяющие действия, производимые исполнительными механизмами (ИМ) соответствующих подсистем управления.
В ячейках таблицы задаются величины в баллах в диапазоне от 0 до 100 баллов с учетом заложенных дополнительных ограничений на их диапазон в зависимости от вида действия, отражающие экспертную оценку влияния каждого действия ИУ на определяющие характеристики стратегии управления по отношению друг к другу. Все задаваемые величины рассматриваются только относительно друг друга.
Управление контурами 20 обогрева теплицы осуществляется следующим образом. Блок 3 контроллера анализирует данные с датчиков и вычисляет температуру теплоносителя по степени рассогласования расчетных и измеренных данных с учетом последующего влияния быстроизменяющихся факторов, таких как солнце, внешняя температура, ветер, осадки, что позволяет предсказывать изменение температуры в теплице и вовремя противодействовать этим изменениям.
Первый контур 20 обогрева - это, как правило, контур надпочвенного обогрева. Второй контур 20 обогрева - это, как правило, контур верхнего обогрева теплицы (шатровый) (может отсутствовать). Третий и четвертый контуры 20 могут использоваться как контуры подпочвенного или подсубстратного обогрева или как контуры, работающие синхронно с первым контуром 20 и выравнивающие тепловое поле теплицы (могут отсутствовать). Пятый контур 20 обогрева - это контур подлоткового обогрева для обеспечения снеготаяния (может отсутствовать).
Управление работой контуров 20 обогрева осуществляется путем управления смесительными клапанами 22.
Согласно заданной программе с заданным диспетчером периодом в диапазоне от 20 секунд до 2 минут блок 3 контроллера определяет требуемую рабочую температуру теплоносителя - прямой воды (воды в прямой трубе 14). Температура теплоносителя сравнивается с заданными минимальными и максимальными значениями и при выходе за допуски ограничивается. Далее она используется для управления смесительным клапаном 22 соответствующего контура 20 обогрева.
Смесительный клапан 22 контура обогрева управляется по требуемой рабочей температуре прямой воды. По заданной и измеренной температуре воды контроллер блока 3 с заданным периодом изменяет положение смесительного клапана 22 так, чтобы измеренная температура прямой воды в контуре 20 обогрева сравнялось с заданным значением. Настройка качества управления контура производится с учетом времени работы смесительного клапана 22 в зависимости от рассогласования заданной и измеренной температуры теплоносителя.
Процент открытия смесительного клапана 22 пересчитывается в длительность его открытия или закрытия с помощью заданных времен их полного открытия/закрытия.
Для увеличения устойчивости регулирования смесительными клапанами 22 и уменьшения динамических нагрузок на них введена временная задержка между изменениями положения смесительных клапанов 22 для каждого контура 20 обогрева.
Управление вентиляцией в системе производится следующим образом.
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. Скорость теплообмена зависит от разницы температур внутри и снаружи теплицы, наличия осадков и скорости ветра.
В программе введено понятие «температура вентиляции» - заданная температура воздуха в теплице 1, выше которой следует осуществлять открытие вентиляционных фрамуг 17. При этом программа при работающих фрамугах 17 начинает поддерживать температуру воздуха в теплице 1, равной именно температуре вентиляции. Так как, как правило, температура вентиляции выше заданной температуры воздуха, а контур обогрева 20 включается лишь тогда, когда температура воздуха опустится до этой заданной величины, то поддержание температуры воздуха в теплице 1, равной температуре вентиляции, в солнечный день может в основном осуществляться фрамугами 17 без использования контуров 20 обогрева. Тем самым неизбежные флуктуации температуры воздуха в теплице 1 при управлении только фрамугами 17 не будут приводить к периодическим включением контуров обогрева и, соответственно, к ненужным энергозатратам.
В суточной программе для разного времени суток можно задать 3 режима работы форточной вентиляции. В режиме «0» - фрамуги 17 полностью закрыты; в режиме «1» - фрамуги 17 с подветренной стороны принудительно устанавливаются в заданное в суточной программе минимальное положение, а с наветренной стороны закрыты; в режиме «2» фрамуги 17 работают в автоматическом режиме. В автоматическом режиме, как уже ранее упоминалось, управление вентиляцией осуществляется с помощью изменения положения фрамуг 17 в зависимости от климата в теплице и внешних метеоусловий.
В системе введены ограничения при ее функционировании.
К примеру, если задана защита от мороза, то при понижении внешней температуры фрамуги 17 закроются, независимо от расчетов и установленного минимального положения фрамуг 17.
При полностью закрытых фрамугах 17 процесс открытия всегда начинается с подветренной стороны, при полностью открытых фрамугах процесс закрытия начинается с наветренной стороны. Для простоты расчетов принято, что полностью открытая подветренная сторона соответствует 100% открытия фрамуг 17, полностью открытые подветренная и наветренные стороны соответствуют 200% открытия фрамуг 17.
Управление относительной влажностью воздуха система осуществляет следующим образом.
Для поддержания расчетной влажности воздуха требуется согласованное управление системой обогрева и вентиляции. Следует учитывать, что на влажность воздуха в теплице уже будут влиять задания в программе микроклимата, т.е. следует адекватно задавать в программе минимальную температуру теплоносителя в первом контуре 20 обогрева и минимальное положение фрамуг 17. Если в суточной программе микроклимата есть ненулевое задание для поддержания относительной влажности воздуха в теплице, то в процессе работы контроллер анализирует измеренные значения температуры воздуха и относительной влажности и их заданной стратегии управления. Если измеренная относительная влажность воздуха ниже заданной, а температура воздуха в норме или ниже заданной, то фрамуги 17 открываются на меньшую величину и, соответственно, уменьшается количество удаляемого водяного пара. При меньшем открытии фрамуг 17 автоматически снижается температура теплоносителя для того, чтобы не возрастала температура воздуха в теплице.
При высокой относительной влажности воздуха фрамуги 17 открываются на больший угол. Происходит более интенсивное удаление влаги. При этом с учетом значения температуры внешнего воздуха и скорости ветра (датчики 10, 12) автоматически возрастает температура теплоносителя для поддержания заданной температуры воздуха в теплице 1.
Так как изменение положения фрамуг 17 влияет на температуру и относительную влажность гораздо быстрее, чем изменение температуры теплоносителя, применяется ограничение частоты включения фрамуг 17 для предотвращения автоколебаний.
Подсистема испарительного охлаждения и доувлажнения может использоваться при необходимости для дополнительного увлажнения воздуха в теплице и для его охлаждения. При распылении воды происходят охлаждение воздуха за счет испарения воды и частичное повышение его влажности.
Система может обеспечивать управление, по меньшей мере, одним из следующих экранов: 1) термический (энергосберегающий) горизонтальный экран - для снижения потери тепла через верхнее остекление теплицы; 2) термический (энергосберегающий) вертикальный экран - для снижения потери тепла через боковое остекление теплицы; 3) затеняющий горизонтальный экран - для затенения от избыточной солнечной радиации. В последнем случае затеняющий экран можно использовать в качестве затемняющего экрана для регулирования фотопериода растений.
В данной системе экранами можно управлять как по времени суток, так и по погодным условиям. В соответствии с заданной программой микроклимата в любое время суток экран может находиться в 3-х положениях: а) полностью открытым; б) полностью закрытым; и в) в автоматическом режиме, когда его положение определяется заданными установками. Один и тот же экран может выполнять функции затеняющего и термического экрана.
Вводится переменное ограничение максимального закрытия термического экрана в зависимости от температуры стекла. Для исключения образования области холодного воздуха между экраном остеклением теплицы 1 при снижении температуры стекла величина максимального закрытия уменьшается до рассчитываемой величины в зависимости от заданных параметров.
Для экрана также используется программа микроклимата, где задается время суток, в течение которого допускается автоматическое закрытие экрана, и установка уровня освещенности, при которой закрывается экран. В случае, если интенсивность солнечного излучения превышает заданную установку и в задании микроклимата установлен автоматический режим работы экрана, произойдет закрытие экрана.
Как и для термического экрана, для затеняющего введено пороговое значение температуры внешнего воздуха, при котором он должен закрываться, что позволяет его использовать в качестве термического экрана в случае отсутствия последнего.
Также как для термического экрана, так и для затеняющего экрана можно использовать установки постепенного открытия и закрытия экрана.
Термические экраны (вертикальные) управляются с учетом влияния внешней температуры и солнечной радиации. Для вертикальных экранов важен учет влияния ветра. Поэтому вводится дополнительное промежуточное пороговое значение интенсивности солнечной радиации, разрешающее открытие всех сторон, кроме наветренной. Увеличение скорости ветра также приводит к повышению значения температуры внешнего воздуха, при которой вертикальный экран закрывается.
Управление подачей углекислого газа СО 2 в системе производится следующим образом.
Управление CO 2 может осуществляться с помощью регулятора 19 двух видов: 1) пропорциональной заслонки, степень открытия которой может меняться от 0 до 100%, - так называемая задвижка; 2) закрывающегося клапана с двумя состояниями - открыто и закрыто. В последнем случае регулирование подачи СО 2 осуществляется путем регулирования изменения скважности чередования периодов закрытия и открытия клапана.
С заданным периодом контроллер блока 3 вычисляет относительное положение задвижки, выраженное в процентах, в зависимости от рассогласования между заданной и измеренной концентрацией СО 2 в теплице.
Включение циркуляционных вентиляторов 18 в теплице 1 применяется для выравнивания теплового поля внутри теплицы 1, т.е. для уравнивания температуры воздуха во всех точках теплицы 1. Режим работы вентиляторов 18 задается в суточном задании. В суточном задании для любого периода в течение суток можно задать три режима работы вентиляторов: включен, выключен и автоматический. В 1-ом режиме работы вентилятор 18 постоянно выключен. Во 2-ом режиме вентиляторы 18 работают либо постоянно, либо импульсно. Частота включения вентиляторов 18 задается с помощью установок. При этом можно указать время работы вентилятора 18 и время паузы. При работе в 3-ем режиме для включения вентиляторов 18 необходимо, чтобы разность между показаниями контрольными датчиков 5 температуры воздуха в теплице 1 превысила определенную величину, которая задается. Если условие включения выполняется, то вентиляторы 18 включаются на установленное время с последующей паузой.
После включения система функционирует следующим образом.
Блок 3 контроллера в непрерывном режиме производит сбор данных с датчиков 10-12, характеризующий метеорологическую обстановку. К этим данным относятся температура внешнего воздуха, интенсивность радиации солнечного излучения, скорость и направление ветра. В это же время с датчиков 5-8 регистрации параметров микроклимата в теплице в блок 3 контроллера поступают данные о температуре воздуха в теплице, относительной влажности воздуха в теплице, температуре внутренней поверхности остекления теплицы, температуре поверхности листа растения, температуре почвы, температуре теплоносителя в отопительных трубопроводах и концентрации углекислого газа в теплице. В блоке 3 контроллера в определенные моменты времени включаются в действие с помощью ПК диспетчера определенные программы управления микроклиматом в теплице 1. При этом данные программы в конкретные моменты времени могут иметь свои определенные алгоритмы, которые варьируются в зависимости от параметров окружающей среды, а также от условий внутри таблицы 1. В зависимости от программы, реализуемой блоком 3, последний выдает на своем выходе сигналы, которые поступают на вход блока 4 управления - блока релейной коммутации исполнительных устройств. Блок 4 под воздействием поступающих на его вход сигналов переходит в один из своих режимов, который предусматривает подключение в работу насосов 21 и смесительных клапанов 22 контуров обогрева 20, регулятора 19 подачи углекислого газа и/или приводов перемещения фрамуг 17, экранов, и/или вентиляторов 18. При этом блок 4 управления генерирует сигналы, которые поступают на соответствующие ИУ. Включение и выключение соответствующих ИУ дает возможность управлять микроклиматом в теплице. Следует особо подчеркнуть, что ввод в действующую в блоке 3 программу информации о необходимом положении фрамуг 17, экранов, задвижек, а также о необходимых режимах работы отопительных циркуляционных насосов 21 и смесительных клапанов 22, вентиляторов 18, регулятора 19 подачи углекислого газа, приводов перемещения фрамуг 17, экранов позволяет оперативно изменять микроклимат в теплице 1 и позволяет наиболее эффективно выращивать растения в теплице.
1. Система для управления микроклиматом в теплице, содержащая блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные устройства (ИУ), подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице, по меньшей мере, один датчик температуры поверхности листа и датчики параметров окружающей среды, которые подключены к входам блока контроллера, в качестве ИУ система включает, по меньшей мере, один привод фрамуги, по меньшей мере, один вентилятор, по меньшей мере, один привод экрана, регулятор подачи углекислого газа и узлы, по меньшей мере, одного контура обогрева, выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров, а вход блока управления соединен с выходом блока управляющего контроллера.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок контроллера соединен с блоком мониторинга параметров микроклимата в теплице, выполненным на базе персонального компьютера, обеспечивающего ввод в кодированном виде задания на поддержание заданных параметров воздуха и почвы в теплице, всех дополнительных служебных параметров для настройки процесса поддержания параметров воздуха, стратегии управления микроклиматом в теплице и режимов работы ИУ.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок управления представляет собой блок релейной коммутации, включающий релейные ключи для управления ИУ.
4. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ИУ она включает также насос и клапаны подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения.
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ИУ она включает также, по меньшей мере, один воздушный нагреватель.
Похожие патенты:
Изобретение относится к растениеводству, в частности для укоренения зеленых черенков и выращивания рассады стевии (Stevia rebaudiana (Bertoni) Hemsley) без использования стимуляторов роста гетероуксиновой природы за счет создания оптимальных микроусловий (постоянная влажность воздуха - эффект "влажной камеры") для укоренения зеленых черенков, и может быть использовано как в условиях теплицы, так и вне защищенного грунта.
Изобретение относится к сельскому хозяйству в части энергоснабжения и орошения теплиц с целью оптимизации энергозатрат на отопление и освещение тепличного помещения, а также внутрипочвенного терморегулируемого орошения корнеобитаемой области выращиваемых культур
Группа изобретений относится к области сельского хозяйства и электричества. Модульная система включает корпус, который содержит: ряд светоизлучающих диодов (СИД), по меньшей мере, двух различных цветов для генерации света в пределах цветового спектра, при этом СИД смонтированы, предпочтительно с фиксацией при защелкивании, на пластине, предпочтительно теплопроводящей, или рядом с ней, которая оборудована средствами охлаждения СИД с помощью охладителя; процессор для регулирования величины тока, подаваемого на ряд СИД, так, чтобы величина подаваемого на них тока определяла цвет освещения, генерируемого рядом СИД, и плоский светопроницаемый элемент, содержащий связанные с СИД светопроницаемые линзы, для управления углом рассеяния света, излучаемого каждым СИД, для равномерного освещения поверхности; при этом корпус снабжен каналом для приема трубки для подачи питания и, как вариант, охладителя для системы СИД. Система включает закрытый фотобиореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1. В способе экранирования для оптимального освещения растительный материал помещают в биореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1, и измеряют скорость образования СО2 в растительном материале под действием света различной интенсивности. Система управления включает фотобиореактор, со средствами экранирования фотосинтетической активности, который освещается модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету; компьютер для обработки данных, полученных от средств экранирования фотосинтетической активности, который позволяет экранировать фотосинтетическую активность растительного материала фотобиореактора, освещенного светом различных длин волн и интенсивности; измерять поступающий солнечный свет и, если его интенсивность уменьшается, увеличивать интенсивность СИД; и управлять освещением растений в парнике путем освещения растений светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обеспечивают наивысшую фотосинтетическую активность в фотобиореакторе. В способе управления с помощью фотобиореактора экранируют фотосинтетическую активность растительного материала, помещенного в реактор, который освещают модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету; с помощью компьютера обрабатывают данные, полученные от средств экранирования фотосинтетической активности; причем фотобиореактор экранирует фотосинтетическую активность материала, освещенного светом различных длин волн и интенсивности, а компьютер управляет освещением растений в парнике, освещая растения светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обеспечивают наивысшую фотосинтетическую активность. Парниковая система включает: модульную систему СИД по любому из пп.1-11 внутри парника для роста растений; средства измерения для измерения одной или нескольких переменных величин, которые прямо или косвенно связаны с ростом, развитием растений; средства управления, выполненные с возможностью управления освещением в зависимости от выходных сигналов средств измерения. Реактор включает один или несколько отсеков для хранения жидкости, содержащей культуру фототрофных микроорганизмов; впускной патрубок для подачи потока газа, содержащего CO2, в один или несколько отсеков; выпускной патрубок для удаления газа из одного или нескольких отсеков; средства регулирования температуры культуры фототрофных микроорганизмов, и модульную систему СИД по любому из пп.1-11. Группа изобретений позволяет обеспечить равномерное освещение поверхности. 7 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.
Группа изобретений относится к области сельского хозяйства. Способ включает выращивание растений в движущихся емкостях, расположенных в оранжерее со светопропускающими стенами на вертикально установленном замкнутом конвейере с возможностью его непрерывного вертикального перемещения относительно рамы, и уход за растениями, включающий регулирование освещенности, температуры, влажности помещения и подачи питательного раствора. При этом выравнивают равномерность освещенности растений по всему объему помещения посредством дополнительного непрерывного горизонтального перемещения емкостей с растениями за счет вращения рамы конвейера в горизонтальной плоскости. Установка включает расположенный на фундаментном основании вертикальный каркас, покрытый светопропускающим материалом. Внутри каркаса расположен не менее чем один конвейер замкнутого типа с приводом непрерывного вращения относительно вертикальной рамы и установленными на нем емкостями для выращивания растений. При этом установка включает систему регулирования освещенности, температуры, влажности и подачи питательного раствора. Установка снабжена расположенным на фундаментном основании опорно-поворотным механизмом с приводом горизонтального вращения. Группа изобретений способствует повышению однородности среды внутри установки и равномерности освещения растений, улучшению условий выращивания сельскохозяйственных культур. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 44 ил.
Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения и может быть использовано для сооружений, обогреваемых за счет солнечной энергии. Теплица содержит светопрозрачный корпус. В подстилающей поверхности под корпусом теплицы заглублен воздуховод-теплообменник. Воздуховод-теплообменник с одной стороны соединен с установленным внутри теплицы патрубком, а с другой стороны соединен с выходящей наружу у противоположного торца теплицы вытяжной шахтой. Для обеспечения тяги вытяжная шахта снабжена дополнительным светопрозрачным корпусом, установленным с зазором относительно вытяжной шахты. Для сбора сконденсированной влаги имеется емкость. Емкость соединена с воздуховодом-теплообменником в нижней точке его поверхности. Такое конструктивное решение направлено на повышение интенсивности нагрева почвы, а также на расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Предложена теплица, включающая фундамент, каркас и крышу. Фундамент выполнен с образованием воздушной прослойки между, как минимум, двумя горизонтами. Стены и крыша теплицы выполнены двойными. Между стенами и крышами создано герметичное или почти герметичное пространство для принудительного воздухообмена во время сильных холодов. Такое конструктивное выполнение теплицы позволит снизить теплопотери, а также предотвратить обрушение крыши под тяжестью снега. 3 ил.
Теплица с коньковой фрамугой может быть использована для выращивания сельскохозяйственных овощных, фруктовых, лекарственных и цветочных культур в условиях естественной вентиляции замкнутого объема со светопрозрачным покрытием. Теплица с коньковой фрамугой содержит каркас, который образует боковые и торцевые стенки, двускатную крышу с коньковой балкой, светопрозрачный материал, ограждающий каркас снаружи и имеющий фрамугу. В коньке крыши и по обе стороны от него выполнен вентиляционный проем, перекрытый коньковой фрамугой, которая имеет тот же профиль, что и крыша, и опирается на крышу по периметру фрамуги и вентиляционного проема. Фрамуга связана с устройством ее перемещения наружу от конька крыши. Использование данного изобретения позволит повысить эффективность системы вентиляции теплицы. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к к области лабораторного оборудования и может быть использовано для выращивания растений. Шкаф содержит остекленную рабочую камеру с остекленной передней дверью для наблюдения за растениями, блок управления и блок подготовки воздуха. Шкаф оснащен также источниками света, расположенными с внешней стороны рабочей камеры. Блок подготовки воздуха сообщен с рабочей камерой посредством отверстий в общей стенке, являющейся его потолком и дном рабочей камеры. Задняя остекленная стенка рабочей камеры выполнена двойной таким образом, что образуется полость для нагнетания в нее воздуха из блока подготовки воздуха, а ее внутреннее стекло имеет щель в верхней части для выхода циркулирующего воздуха в рабочую камеру и далее в блок подготовки воздуха через отверстия в дне рабочей камеры. Такое конструктивное выполнение позволит обеспечить равномерное распределение температуры воздуха по объему рабочей камеры. 1 ил.
Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице
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/
ВВЕДЕНИЕ
Темой курсового проекта является: «Разработка системы управления микроклиматом в теплице».
На значительной территории нашей страны в связи с продолжительной, нередко суровой зимой и коротким, не всегда теплым летом складываются неблагоприятные условия для выращивания теплолюбивых растений в открытом грунте.
Для расширения возможности выращивания растений и снабжения населения свежими продуктами питания, особенно овощами, в неблагоприятные периоды года применяют различные сооружения защищенного грунта, в которых искусственно создаются необходимые условия для роста и развития растений. По степени удовлетворения потребностей растений в комплексе факторов жизнеобеспечения или по технологической сложности сооружения защищенного грунта подразделяют на парники, утепленный грунт и теплицы.
В сооружениях защищенного грунта необходимо стремиться к созданию оптимальных параметров среды выращивания. К сожалению, в простейших теплицах на приусадебных участках в основном на солнечном обогреве не всегда этому уделяется должное внимание. В результате растения в таких теплицах постоянно находятся в стрессовых условиях. Ночью, как правило, растения переохлаждаются, днем в солнечную погоду перегреваются. Особенно усугубляются неблагоприятные воздействия в теплицах, расположенных на садово-огородных участках, значительно удаленных от мест постоянного проживания владельцев. В таких теплицах, посещаемых, как правило, лишь в выходные дни, нет возможности оперативно вмешаться в формирование климата, в результате чего он нередко далек от оптимального. Правильный тепловой режим в теплицах позволяет повысить урожайность в 2-3 раза.
Существуют многочисленные системы автоматизированного управления микроклиматом теплиц. Как правило, такого рода системы, поставляемые многочисленными фирмами (НПО «Схемотехник», НПФ «Фито», система «Агротем») содержат полный комплекс управления микроклиматом.
Такие системы, конечно, хороши и эффективны, но обладают вполне ощутимым недостатком - высокой стоимостью. Использование такого рода систем в промышленной агротехнике оправдана: территория теплиц огромна, а такая система позволяет экономить на персонале, получать большой урожай, что позволяет увеличить прибыль, а, следовательно, окупить систему.
Особенностью агротехники нашей страны является то, что 70% населения сами обеспечивают себя овощами в летний и осенний период за счет выращивания культур на приусадебных участках. Естественно, что в таких условиях выращивания человек не может постоянно контролировать микроклимат в теплице, но и покупать дорогостоящую систему тоже нет возможности. Поэтому необходимо создать простую систему управления основными параметрами микроклимата: температура и влажность.
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
1.1 Общие сведения
1.1.1 Наименование системы
Система управления микроклиматом в теплице.
1.2 Назначение системы
1. Контроль температуры в теплице;
2. Контроль влажности в теплице;
3. Обеспечение удобного управления микроклиматом в теплице;
1.3 Цель создания системы
1. Точное соблюдение условий выращивания культур для повышения урожайности;
2. Автоматизация операций полива и проветривания, не требующих непосредственного участия в выращивании культур;
3. Слежение за изменением микроклимата для защиты культур от неблагоприятных факторов (резкое изменение температур, засуха).
1.4 Значение показателей
1.4.1 Режимы работы
1) Режим включение системы: При включении системы производится анализ текущих климатических показателей;
2) Режим установки параметров работы: выбирается тип выращиваемой культуры: томат, огурец, перец, розы, баклажаны;
3) Режим проветривания теплицы в случае, когда температура в теплице выше рабочей;
4) Режим нагрева теплицы, когда температура в теплице ниже рекомендуемой.
5) Режим полива, если влажность воздуха ниже рекомендуемой.
6) Режим индикации температуры и номера установленного режима в теплице.
1.4.2 Входные данные
1. Значения фактической температуры в теплице
2. Значение фактической влажности в теплице
3. Установленные значения температуры для выбранного продукта выращивания.
4. Установленные значения влажности для выбранного режима работы.
5. Сигналы нажатия кнопок управления.
1.4.3 Выходные данные
1. Сигналы для индикации температуры в теплице.
2. Сигнал индикации влажности.
3. Сигналы на исполнительные устройства для проветривания, нагрева и полива.
1.5 Требования к системе
1.5.1 Требования по электропитанию
1. Питание системы должно осуществляться от сети 220 В.
2. Не должна потреблять более 100 Вт электроэнергии.
1.5.2 Требования к метрологическому обеспечению
1. Диапазон измеряемых температур: от 0°С до +50°С.
2. Точность индикации: ±1°C .
3. Погрешность измерений температуры: ±1°C.
4. Погрешность измерений влажности: ±1%.
5. Измерение производить не реже, чем 1 раз в час.
2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
2.1 Описание функций, которые выполняет система
Для разработки структурной схемы системы контроля микроклимата теплицы, кратко опишем функции, которые должна выполнять разрабатываемая система:
1. Начальный запуск системы
2. Выбор необходимого для поддержания типа микроклимата.
3. Прием данных с датчиков и обработка этих данных в соответствии с алгоритмом.
4. Вывод текущих параметров микроклимата среды.
5. Формирование выходных сигналов для запуска исполнительных устройств проветривания/нагрева, полива.
2.2 Основные модули
Исходя из требований технического задания и функций, которые должна выполнять разрабатываемая система, можно выделить основные модули, из которых должна состоять вычислительная система.
2.2.1 Датчики
Датчики - являются неотъемлемой частью системы, они используются для того, чтобы система могла в реальном времени реагировать на изменения внешних параметров по заранее разработанному алгоритму.
Так как мы проектируем систему, которая будет использоваться в небольших теплицах, поэтому ограничимся одним датчиком температуры и одним - влажности. Однако при выборе устройства управления следует учесть возможность подключения дополнительных датчиков с целью уточнения данных или с целью увеличения функциональных возможностей.
температурный датчик микроклимат теплица
2.2.2 Устройство управления
Устройство управления является главной частью системы, оно необходимо для сбора и обработки информации поступающей с системы датчиков, выработки управляющих сигналов для исполнительных устройств, а также вывода информации на устройство индикации.
2.2.3 Пульт управления и устройство визуальной индикации
Пульт управления и устройство визуальной индикации необходимы для выбора типа микроклимата, для визуального вывода текущей температуры и влажности в теплице.
2.3 Выбор варианта структуры
В соответствии с определенными выше функциями можно определить общую структуру системы. Структурная схема системы представлена на первом листе графической части. Устройство управления получает от датчиков температуры, влажности и кнопок управления данные, преобразует их в соответствии с алгоритмом работы и выдает данные на индикаторы для отображения температуры и влажности, а также при необходимости сигналы на ключевые элементы. Ключевые элементы позволяют включать/выключать исполнительные устройства в том порядке, в который установлен в алгоритме.
3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
3.1 Выбор микроконтроллера
Микроконтроллер решено взять из семейства AVR фирмы Atmel, поскольку данное семейство контроллеров имеет высокое быстродействие, обладает хорошим показателем функциональность/цена и имеет множество моделей различной функциональности. Эти микроконтроллеры широко распространены, для них существуют удобные среды разработки, и они имеют массу документации на различных языках, в том числе и на русском.
Корпорация Atmel (США) хорошо известна как на мировом, так и на российском рынках электронных компонентов и является одним из признанных мировых лидеров в разработке и производстве сложных изделий микроэлектроники - устройств энергонезависимой памяти высокого быстродействия и минимального удельного энергопотребления, микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики.
Одним из самых активно развиваемых Atmel Corp. направлений современной микроэлектроники является линия 8-разраядных высокопроизводительных RISC (Reduced Instruction Set Computers) микроконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR.
Они представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных контроллеров многоцелевого назначения, в том числе и встраиваемых. На настоящий момент соотношение «цена - производительность - энергопотребление» для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-ми разрядных микроконтроллеров.
В настоящее время в производстве у Atmel Corp. находятся три семейства AVR - «tiny», «classic», «mega».
Области применения AVR многогранны. Для «tiny» AVR это интеллектуальные автомобильные датчики различного назначения, игрушки, игровые приставки, материнские платы персональных компьютеров, контроллеры защиты доступа в мобильных телефонах, зарядные устройства, детекторы дыма и пламени, бытовая техника, разнообразные инфракрасные пульты дистанционного направления. Для «classic» AVR это модемы различных типов, современные зарядные устройства, изделия класса Smart Cards и устройства чтения для них, спутниковые навигационные системы для определения местоположения автомобилей на трассе, сложная бытовая техника, пульты дистанционного управления, сетевые карты, материнские платы компьютеров, сотовые телефоны нового поколения, а также разнообразные промышленные системы контроля и управления. Для «mega» AVR это аналоговые (NMT, ETACS, AMPS) и цифровые (GSM, CDMA) мобильные телефоны, принтеры и ключевые контроллеры для них, контроллеры аппаратов факсимильной связи и ксероксов, контроллеры современных дисковых накопителей и CD-ROM и т.д.
Российские специалисты уже по достоинству оценили высокую скорость работы и мощную систему команд AVR, наличие двух типов энергонезависимой памяти на одном кристалле и активно развивающуюся периферию. Немаловажную роль в этом играет Atmel Corp. в процессе развития и распространения разнообразных, доступных средств поддержки разработок. Это позволяет разработчикам и производителям электронной техники надеяться на сохранение полноценной поддержки для перспективного семейства микроконтроллеров, закладывая AVR в свои новые изделия.
Микроконтроллер семейства AVR фирмы Atmel представляет собой восьмиразрядную однокристальную микро-ЭВМ с упрощенной (сокращенной) системой команд - RISC.
Большинство команд, входящих в систему команд, выбираются из памяти за один такт и выполняются за один такт работы микроконтроллера. При выполнении последовательности таких команд выборка из памяти очередной команды совмещается во времени с исполнением ранее выбранной команды(2-х ступенчатый конвейер). При этом число команд, выполняемых за 1с, совпадает с тактовой частотой работы микроконтроллера.
Микроконтроллеры изготовляются по высококачественной КМОП (CMOS) технологии, содержат энергонезависимые запоминающие устройства для хранения программы и данных, выполненные по Flash и EEPROM технологиям, и отличаются низким энергопотреблением при высокой тактовой частоте. Запись программы и исходных данных в память может выполняться после установки микроконтроллера в аппаратуре, где ему предстоит работать (ISP, In-System Programmable).
В состав семейства AVR входят микроконтроллеры трех серий - AT90(«classic»), ATtiny(«tiny»), ATmega(«mega»). В каждую серию входят микроконтроллеры нескольких типов. Микроконтроллеры серии AT90 по своим структурным характеристикам (объем памяти, состав периферийных устройств) близки к микроконтроллерам семейств AT89 фирмы Atmel и MCS-51 фирмы Intel. По своим вычислительным возможностям они занимают среднее положение между микроконтроллерами серий ATtiny и ATmega. Микроконтроллеры серии ATtiny имеют наименьшие, а микроконтроллеры серии ATmega - наибольшие вычислительные возможности в семействе AVR.
Микроконтроллеры одного типа выпускаются в нескольких вариантах, различающихся диапазоном допустимых значений напряжения питания, максимальным допустимым значением тактовой частоты, типом корпуса и диапазоном допустимых значений температуры окружающей среды.
Фирма Atmel выпускает программные и аппаратные средства поддержки разработок на базе микроконтроллеров семейства AVR.
На данный момент микроконтроллеры серии «classic» семейства AVR снимаются с производства, т.к. в наличии имеются сопоставимые с ними по вычислительной мощности микроконтроллеры серии «tiny», но последние имеют меньшую стоимость. Поэтому выбор микроконтроллера будет производиться из серий «tiny» и «mega» семейства AVR.
В литературе приведены наиболее характерные и подходящие к выполняемой задаче представители серий «tiny» и «mega». Как видно, серия «tiny» не сможет справиться с поставленной задачей, т.к. количество выводов у этих микроконтроллеров невелико (максимальное количество выводов у ATtiny2313 - 20), а для выполнения данной работы требуется большее количество.
Ориентировочно требуется 25 выводов: 12 для организации матрицы индикации на основе двух 7-ми сегментных индикаторов (двухразрядный и трехразрядный), 3 для подключения датчиков, 5 для подключения кнопок управления, 5 для управления исполнительных устройств.
Таким образом, выбор микроконтроллера будет осуществляться из серии «mega». Согласно литературы, оптимальным решением будет микроконтроллер ATmega16, т.к. он обладает достаточным объемом памяти, необходимым количеством выводов, высоким быстродействием и хорошим набором периферии (АЦП, таймеры, внутренний RC-генератор TWI-интерфейс.).
Рисунок 1- Микроконтроллер ATMega16.
Рисунок 2- Архитектура микроконтроллера ATMega16.
3.2 Выбор температурного датчика
В качестве датчика температуры был выбран датчик DS1621 фирмы Dallas, представленный на рисунке 3.
Рисунок 3 - Температурный датчик DS1621.
Основные его свойства:
· Прямое преобразование температуры в цифровой код, без дополнительных АЦП
· Возможность передачи данных через одно-, двух- проводной интерфейс
· Возможность адресации нескольких датчиков на одной шине
· Заводская калибровка и встроенная коррекция нелинейности, не нужно дополнительной подстройки
· Широкий диапазон измерения температуры (-55 … +125°С)
· Высокое быстродействие (время преобразования от 0.5 до 2 с)
· защита от агрессивной среды
Технические характеристики датчика приведены в таблице 1:
Таблица 1
|
Точность |
||
|
Время преобразования |
||
|
Разрешение |
||
|
Интерфейс |
||
|
Тип корпуса |
Температурный датчик необходимо установить таким образом, чтобы на него не попадали прямые солнечные лучи, а также вода при поливе, стремясь при этом максимально уменьшить удаленность от шкафа с микроконтроллером.
3.3 Выбор датчика влажности
В качестве датчика влажности был выбран HIH 4000-003. Он обеспечивает широкий диапазон измерений, высокую надежность и низкую стоимость при использовании микроэлектронной технологии. Это позволяет производить емкости планарного типа тонкопленочным методом. Благодаря этому мы имеем миниатюрные габариты чувствительного элемента, возможность имплементации на кристалле специализированной интегральной схемы обработки сигнала. Технологичность и высокий выход годных кристаллов обеспечивают малую стоимость продукции данного типа. Параметры датчика влажности приведены в таблице 5. Возможно прямое подключение к АЦП микроконтроллера благодаря стандартному размаху выходного сигнала (от 1.0 до 4.0 В). Установить датчик необходимо таким образом, чтобы капли воды при поливе не попадали не него, а также защитить от воздействия прямых солнечных лучей, во избежание снижения точности измерения.
Рисунок 4 - Датчик влажности HIH 4000-003.
Таблица 2
3.4 Выбор средств индикации
В системе нам необходимо визуально отображать текущую температуру в теплице и выбранный режим работы. Для этого будем использовать семисегментные индикаторы. Можно предположить, что возникнет такая ситуация, когда в теплице будет отрицательная температура, поэтому для визуализации текущей температуры возьмем трехразрядный семисегментный индикатор. Основных рабочих режимов у нас пять, поэтому для отображения рабочего режима используем одноразрядный семисегментный индикатор.
Будем использовать индикаторы BA56-12 фирмы KingBrigth и LDD3051 фирмы LIGI. Технические характеристики приведены в таблице 3.
Таблица 3
Устройства индикации и схемы их включения представлены на рисунке 4(а,б).
Рисунок 4а - Трехразрядный семисегментный индикатор
Рисунок 4б- Двухразрядный семисегментный индикатор и схема подключения
3.5 Выбор ключевых элементов
В качестве ключевых элементов выберем симистор, который как раз и предназначен для коммутации нагрузки на переменном токе. Так как коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт, а контроллер у нас низковольтный, работает на пять вольт. Поэтому во избежание эксцессов нужно произвести потенциальную развязку. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения. Например, сделать оптическое разделение. Для этого существует специальная сборка -- симисторный оптодрайвер MOC3041 (рисунок 5). Можно не бояться помех по питанию при включении и выключении симистора. В самом оптодрайвере сигнал подается светодиодом, а значит можно смело зажигать его от ножки микроконтроллера без всяких дополнительных ухищрений. Характеристики симисторного оптодрайвера приведены в таблице 4.
Таблица 4
Рисунок 5 - Cимисторный оптодрайвер MOC3041
В качестве симистора взят ВТ 139 (рисунок 6)
Рисунок 6 - Симистор ВТ 139
Параметры симистора приведены в таблице 5.
Таблица 5
3.6 Выбор исполнительных устройств
В системе микропроцессор должен управлять открытием двери/фрамуг, поливом и обогреванием теплицы.
Для полива будем использовать капельную систему. Она состоит из труб, капельниц и электроклапана для воды. Электромагнитный клапан предназначен для включения или выключения подачи жидкости или газа в трубопроводе при подаче на него соответствующего электрического сигнала. Будем использовать клапан 2W21(рисунок 7).
Рисунок 7 - Клапан 2W21
Размеры клапана приведены в таблице 6
Таблица 6
|
Размер, мм |
||
Этот же электроклапан будем использовать для подачи горячей воды в трубы при отоплении теплицы.
Для проветривания теплицы необходимо на дверь, боковую фрамугу и фрамугу в крыше поставить 3 мотор-редуктора, для открытия или закрытия фрамуг. Будем использовать IG32p-02. Параметры мотор-редуктора приведены в таблице 7.
Таблица 7
3.7 Выбор дополнительных элементов
Для питания микропроцессора от сети 220 В необходима схема согласования, так как процессор питается от постоянного напряжения в 5В. Будем использовать импульсный источник питания TP220-12.Параметры приведены в таблице 8.
Таблица 8
В качестве стабилизатора напряжения будем использовать LM340K-5 (рисунок 9). Параметры приведены в таблице 9
Таблица 9
Рисунок 9 - Стабилизатор напряжения LM340K-5
В схеме необходимо использовать 5 транзисторов в ключевом режиме для управления семисегментными индикаторами.
Схема работы: при наличии высокого уровня на базе транзистора, транзистор открывается и на выходе ключа будет низкий уровень. При низком уровне напряжения на базе транзистора транзистор будет закрыт и на выходе ключа будет высокий уровень, определяемый уровнем напряжения, подключенного к коллектору транзистора. Таким образом, транзистор все время либо разомкнут, либо замкнут, его потребляемая мощность практически нулевая, поэтому нам подходит практически любой транзистор. Выберем транзистор КТ315, поскольку он удовлетворяет нужным параметрам, распространен и недорого стоит. Его характеристики приведены в таблице 10.
Таблица 10
Для установки и выбора режима нам необходимы пять кнопочных переключателя. Для этой цели будем использовать переключатели MPS-5802 (рисунок 10), параметры переключателя приведены в таблице 12.
Рисунок 10 - Переключатель кнопочный MPS-5802.
Таблица 11
|
Параметры: |
30В пост. 0,1A |
|
|
Сопротивление контактов: |
||
|
Сопротивление изоляции: |
>100MOм пост. 125В |
|
|
Электрический ресурс: |
10000 циклов |
|
|
Сила нажатия: |
||
|
Сопротивление изоляции: |
>100Moм пост. 125В |
|
|
Температура пайки: 250°C макс. |
||
|
Выдерживаемое напряжение: |
125В oolea. 1 мин. |
|
|
Механический ресурс: |
100000 циклов |
|
|
Выдерживаемое напряжение: |
||
|
Рабочая температура: |
от _25°C до +65°C |
4. ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
Электрическая принципиальная схема приведена на третьем листе графической части работы.
Питание нашей системы будет от стандартной сети 220В, 50 Гц. Для питания микропроцессора и других элементов схемы необходимо постоянное напряжение 5 В.
Импульсный источник питания подключен к сети 220В. В качестве стабилизатора напряжения включена микросхема интегрального стабилизатора U1 -- LM340K-5, схема включения -- стандартная, рекомендованная производителем.
Данные с датчика температуры считывается микропроцессором по интерфейсу I2C, а данные с датчика влажности - через АЦП. Переключение каналов АЦП, обработка данных с датчиков температуры, выработка сигналов на исполнительные устройства, вывод информации на устройство индикации осуществляется программно с помощью соответствующих средств микроконтроллера.
Для вывода визуальной информации об установленной влажности и температуре в теплице используем трехразрядный и двухразрядный семисегментные светодиодные индикаторы.
Принцип индикации следующий. Каждую 16 мс загорается одна цифра индикаторов. Для определения номера цифры в программе микроконтроллера есть счетчик (указатель индикатора), который считает от 0 до 2. Восьмиразрядный таймер счетчик запрограммирован так, что через каждые 16 миллисекунд возникает прерывание. Таким образом, каждые 16 миллисекунд горит одна цифра. В следующую миллисекунду загорается следующая цифра, а эта гаснет. Глаз же человека воспринимает это так, как будто горят одновременно все цифры.
При включении питания микроконтроллер принимает сигнал RESET, который определяет начальную синхронизацию встроенного калибруемого генератора. Узел программирования получает сигналы синхронизации от синхронизатора и управляет работой счетчика команд и FLASH-памятью программ.
Регистр команд содержит команду, которая выбирается из FLASH-памяти программ для выполнения. Дешифратор команд по коду операции определяет, какая команда должна выполняться. Далее происходит последовательная выборка и исполнение команд в соответствии с алгоритмом работы.
При нажатии на кнопки управления происходит прерывание и управление предается соответствующему обработчику прерывания, где по алгоритму происходит установка нужного режима. Заданные значения температур и влажности сохраняются в соответствующих РОН при выборе режима работы.
5. ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМОВ ПРОГРАММЫ
В данном разделе будет приведено описание алгоритма программы микропроцессорной системы управления микроклиматом в теплице.
Алгоритм разрабатываемой программы предназначен для реализации следующих функциональных возможностей:
1.Контроль температуры в теплице.
2. Контроль влажности в теплице.
3. Обеспечение удобного управления микроклиматом в теплице
4. Возможность устанавливать различные типы микроклимата в теплице для выращивания разных видов культур.
Для организации этих возможностей необходимо реализовать следующий алгоритм.
Изначально необходимо инициализировать, используемые в МК порты.
Затем, производится опрос нажатия кнопки 1 и, если было нажатие, то выбирается режим 1. Если нажатия не было, опрашивается кнопка 2. Если снова нажатие не произошло, МК опрашивает следующую кнопку. Так происходит до тех пор, пока одна из кнопок выбора режима работы системы не будет нажата. Переменная Rezim получает соответствующее значение.
Затем, в соответствии со значением переменной, производится выбор соответствующего режима работы с соответствующими параметрами: Tm-температура максимальная, Tn-Температура номинальная, Vm-влажность максимальная, Vn-влажность номинальная. Далее производится считывание температуры в переменную T,а также считывание влажности в V.
Далее происходит индикация старшей цифры влажности, потом младшей цифры влажности, знака температуры, старшей цифры температуры, младшей цифры температуры, методом поджигания каждого сегмента дисплея на короткий промежуток времени (16мс), а наш глаз не видит этого мерцания, поэтому мы видим свечение цифры.
После этого, производится сравнение параметров температуры Т и максимального значения температуры Tm. Если значение температуры превышает максимум, то программа проверяет открыты ли дверь и фрамуга на крыше, если не открыты, то открывает их. Если выбран режим 1 или 5, то открывается фрамуга боковая и программа переходит к сравнению влажности V и влажности номинальной Vn. Если же температура T не превышает максимальную температуру Tm, то программа сравнивает температуру Т и температуру номинальную Тn. Если температура Т меньше Tn, то программа проверяет, открыта ли фрамуга боковая, если да, то закрывает ее, фрамуга на крыше, если да, то закрывает ее, дверь, если да, то закрывает ее. После этого программа дает команду включить обогреватель на 30 минут, затем выключить обогреватель.
Затем программа переходит к сравнению влажности V и влажности номинальной Vn. Если влажность V меньше, чем номинальная влажность Vn, то программа проверяет, выбран ли режим 1 или 3. Если нет, то программа включает капельный полив на 15 минут, потом выключает его, происходит задержка 30 минут и программа начинается сначала. Если же был выбран режим 1 или 3, то программа сравнивает значение влажности V и максимальное значение влажности Vm. Если влажность равна максимальной или больше ее то происходит задержка на 30 минут и программа начинается с начала. А если влажность V меньше максимальной влажности Vm, то программа включает капельный полив на 15 минут, затем выключает его и возвращается к сравнению влажности V и максимальной влажности Vm.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1) Дубров Ф.И.. «Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Микропроцессорные системы»» - Краснодар, ККЭП.
2) Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. - М.Ж Издательский дом «Додэка XXI», 2004
3) Тигранян Р.Э. Микроклимат. Электронные системы обеспечения. - ИП. Радиософт, 2005
4) Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. - М.: ИП РадиоСофт, 2002 - 176с.
Размещено на Allbest.ur
Подобные документы
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.
дипломная работа , добавлен 10.04.2017
Разработка микропроцессорной системы управления микроклиматом в теплице. Требования пользователя в автоматизированной системе, алгоритм ее функционирования. Мониторинг и индикация температуры и влажности в соответствии с выбранным режимом работы.
курсовая работа , добавлен 21.12.2015
Проектирование радиолокационного прибора измерения скорости и дальности до помехи. Составление структурной схемы. Выбор элементной базы (радар, микроконтроллер, пульт управления, звуковая сигнализация, панель индикации). Алгоритм функционирования системы.
курсовая работа , добавлен 14.11.2010
Описание алгоритма работы и разработка структурной схемы микропроцессорной системы управления. Разработка принципиальной схемы. Подключение микроконтроллера, ввод цифровых и аналоговых сигналов. Разработка блок-схемы алгоритма главной программы.
курсовая работа , добавлен 26.06.2016
Анализ существующих систем контроля и управления доступом (СКУД). Разработка структурной схемы и описание работы устройства. Выбор и обоснование эмулятора для отладки программы работы СКУД. Отладка программы системы управления охранной сигнализацией.
курсовая работа , добавлен 23.03.2015
Аналитический обзор существующих систем управления. Выбор датчиков и исполнительных механизмов. Разработка структурной схемы системы управления зажиганием двигателя внутреннего сгорания. Внедрение программы в ЭВМ. Расчет надежности системы управления.
дипломная работа , добавлен 19.01.2017
Пульт дистанционного управления на ИК лучах. Протокол RC-5 и принцип его работы. Разработка ИК пульта и приемника дистанционного управления. Алгоритм программы обработки прерывания ИК приемника. Разработка схемы электрической принципиальной ИК пульта.
курсовая работа , добавлен 01.02.2013
Методы цифровой обработки сигналов в радиотехнике. Информационные характеристики системы передачи дискретных сообщений. Выбор длительности и количества элементарных сигналов для формирования выходного сигнала. Разработка структурной схемы приемника.
курсовая работа , добавлен 10.08.2009
Состояние проблемы автоматического распознавания речи. Обзор устройств чтения аудио сигналов. Архитектура системы управления периферийными устройствами. Схема управления электрическими устройствами. Принципиальная схема включения электрических устройств.
дипломная работа , добавлен 18.10.2011
Устройство функционально-диагностического контроля системы управления лучом радиолокационной станции (РЛС) боевого режима с фазированной антенной решеткой. Принципы построения системы функционального контроля РЛС. Принципиальная схема электронного ключа.
Система управления микроклиматом помещений внутри зданий направлена на регулирование климатом внутри здания, повышение или понижение температуры, повышение точности регулирования микроклимата помещений внутри здания и, как следствие, снижение затрат электрической энергии, за счет того, что система содержит нагреватель, охладитель, вентилятор подачи воздуха, нечеткого контроллера, вход. которого соединен с выходом мультиплексора, а выход соединен с охладителем, нагревателем и вентилятором, причем вентилятор выполнен регулируемым, а нечеткий контроллер выполнен с возможностью управления микроклиматом внутри здания по тридцати шести правилам для каждого выхода, составленных на основе экспертных данных.
Полезная модель относится к области регулирования температуры и влажности в помещении, в частности для централизованного использования в больших зданиях и сооружениях.
Известна система, действие которой основано на применении нечеткого регулирования в системе отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК). Система управления состоит из двух групп датчиков температуры, влажности, кислорода и частиц пыли внутри помещения, двух групп двигателей кондиционера и вытяжной вентиляции, блока фаззификации, блока нечеткой логики с блоком базы правил, блока дефаззификации. Действие регулятора основано на том, что по разнице между температурой и влажностью внутри помещения и снаружи, а так же по качеству воздуха внутри помещения - содержание кислорода и пыли принимается решение, основанное на базе правил по управлению приводами кондиционера и вытяжной вентиляции. Система имеет четыре входа и два выхода. Эта система описана в работе FUZZY EXPERT SYSTEM DESIGN FOR OPERATING ROOM AIRCONDITION CONTROL SYSTEMS, Ismail Saritas, Nazmi Etik, Novruz Allahverdi, Ibrahim Unal Sert, International Conference on Computer Systems and Technologies - CompSysTech" 07 pp. IIIA.1-1 - IIIA.1-8
Недостатком этой системы является излишняя сложность, наличие более чем одного входа и одного выхода, отсутствие регулирования мощности вентилятора.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной системе является система управления, взятая за прототип, состоящая из датчиков температуры и влажности, двух блоков фаззификации - для температуры и для влажности, нечеткого блока с базой правил, трех блоков дефаззификации - для нагревателя, охладителя и увлажнителя. Вся система охвачена отрицательной обратной связью. Работа системы управления климатом помещения происходит в двух различных режимах, первый режим - режим с нечетким П-контроллером, второй режим - режим с нечетким ПИ-контроллером. Данная система управления описана в работе Fuzzy Logic Control of Building Management Systems, G.S.Virk, A.B.Ghazali and D.Azzi, UKACC International Conference on CONTROL"96, 2-5 September 1996, Conference Publication No.427©IEE 1996 pp.580-585.
Недостатками данной системы управления являются то, что и системе не предусмотрена регулировка мощности вентилятора, приводящая к чрезмерному расходованию энергии и отсутствует математическая модель здания.
Задача полезной модели - регулирование климатом внутри здания, повышение или понижение температуры, повышение точности регулирования микроклимата помещений внутри здания и, как следствие, снижение затрат электрической энергии, за счет эффективного проектирования ОВК для конкретного объекта. При этом система управления энергоснабжением здания приобретает признаки искусственного интеллекта. С помощью искусственного интеллекта система способна оценивать, диагностировать и предлагать оптимальный режим работы оборудования. Таким образом, использование управляющих контроллеров систем ОВК, построенных на принципах нечеткой логики, приводит к значительной экономии электроэнергии.
Поставленная задача решается тем, что в системе управления микроклиматом помещений внутри здания, состоящей из нагревателя, охладителя, вентилятора подачи воздуха, нечеткого контроллера, вход нечеткого контроллера соединен с выходом мультиплексора, а выход соединен с охладителем, нагревателем, вентилятором, причем вентилятор выполнен регулируемым, а нечеткий контроллер выполнен с возможностью управления микроклиматом внутри здания по тридцати шести правилам для каждого выхода, составленных на основе экспертных данных, причем правила построены так что заданное множество дискретных величин разбито на положительные и отрицательные подмножества для обогрева и охлаждения, соответственно.
На фиг.1 представлена общая структура системы управления климатом внутри здания.
На фиг.2 представлены лингвистические переменные и функции принадлежности «температурная ошибка».
На фиг.3 представлены лингвистические переменные и функции принадлежности «ошибка перепада температуры».
На фиг.4 представлены лингвистические переменные и функции принадлежности «напева и охлаждения».
На фиг.5 представлены значения лингвистические переменные и функции принадлежности скорости вентилятора.
На фиг.6 представлена база правил для скорости вентилятора.
Система управления состоит из блоков - охладителя 1, нагревателя 2, регулируемого вентилятора 3, обеспечивающего подачу воздуха, нечеткого контроллера 4, вход которого соединен с выходом блока мультиплексирования 5, а выход соединен с блоками - охладителя 1, нагревателя 2 и регулируемым вентилятором 3, датчика температуры 6, расположенного в зоне регулирования 7. Выходы 8, 9, 10 блоков соответственно - охладителя 1, нагревателя 2 и регулируемого вентилятора 3 соединены с зоной регулирования 7 и осциллографами 11 и 12. Переключатель 13 блока охладителя 1 и переключатель 14 блока нагревателя 2 предназначены для переключения режимов работы блока охладителя 1 и блока нагревателя 2. Блок мультиплексирования 15 соединен с блоком осциллографа 16. Блок осциллографа 17 с выходом сумматора 18. Входы мультиплексора 5 соединены с выходом 19 дифференциатора 20 и выходом 21 сумматора 22. Выходы 23, 24, 25 нечеткого контроллера 4 соединены с блоками охлаждения 1, регулируемого вентилятора 3 и нагревания 2. Переключатель 13 имеет входы 26, 27 и 28. Переключатель 14 имеет входы 29, 30 и 31.
Работа системы управления климатом внутри здания производится следующим образом.
Воздух из атмосферы поступает через блоки охладителя 1, нагревателя 2 и регулируемого вентилятора 3 и подается в зону регулирования 7. Качество воздуха обеспечивается нечетким контроллером 4 и контролируется датчиками температуры 6.
Сигнал ошибки температуры на выходе 21 сумматора 22 получается путем вычитания в сумматоре 22 сигнала датчика температуры 6 и величины заданной температуры. Далее сигнал ошибки температуры с выхода 21 поступает на блок вычисления первой производной дифференциатора 20 и напрямую в блоки мультиплексирования 5 и 15. Выход 19 блока вычисления первой производной дифференциатора 20 поступает на вход блока мультиплексирования 5. С блока мультиплексирования 5 сигнал поступает на нечеткий контроллер 4, после обработки и демультиплексирования соответственно сигналы с выходов 23, 24 и 25 поступают в блок охлаждения 1, блок регулируемого вентилятора 3 и блок нагревателя 2.
Блоки охладителя 1 и нагревателя 2 по величине заданного порога определяют, какие лингвистические переменные для нагрева или охлаждения посылаются из нечеткого контроллера 4 за определенный промежуток времени. Дискретные сигналы с выходов 8, 9 и 10 также идут на осциллографы 11 и 12, которые отражают состояние переменных во время работы.
Переключатель 13 блока охладителя 1 служит для включения и выключения охлаждения но заданному пороговому значению, а переключатель 14 блока нагревателя 2 - для включения и выключения нагревания по заданному пороговому значению. Если величина сигнала на центральном уровне (пороговый вход 27) переключателя 13 блока охладителя 1 выше заданной величины, то переключатель посылает сигнал на верхнюю линию (вход 26), и, если сигнал ниже заданной величины, или равен ей - на нижнюю линию (вход 28). Если величина сигнала на центральном уровне (пороговом входе 30) переключателя 14 блока нагревателя 2 выше заданной величины или равна ей, то переключатель посылает сигнал на верхнюю линию (вход 29), и, если сигнал ниже заданной величины - на нижнюю линию (вход 31). Таким образом, мы разбиваем заданное множество дискретных величин на положительные и отрицательные подмножества для обогрева и охлаждения, соответственно.
Работа системы состоит в определении значения температуры, соответствующей управляющему воздействию на цифро-аналоговом преобразователе контроллера, по следующим входным переменным: е (разница между заданной и текущей температурой), e (первая производная изменения температуры за время вычислительного цикла).
e(t)=Т зад (t)-Т тек (t),
где T зад - заданная температура, °С; T тек - текущая температура, °С.
Скорость изменения температуры:
где t - текущее значение времени измерения, c.
Определим для нечетких лингвистических переменных e, e нечеткие множества с соответствующими идентификаторами для функций принадлежности µ(e), µ(e). Построим две функции принадлежности. В одном случае аргументом является разность температур (e) (фиг.2), а во втором - скорость изменения температуры (e) (фиг.3). Для первой функции диапазон температур составляет от -6 до 8°С, для второй от -6 до 8°С/мин.
Для µ(e), µ(e) (фиг.2-3) эти идентификаторы имеют вид: «отклонение положительное большое» (РВ), «отклонение положительное среднее» (РМ), «отклонение положительное малое» (PS), «отклонение пулевое» (Z), «отклонение отрицательное среднее» (NS), отклонение отрицательное большое» (NB).
Сигнал датчика температуры 6 поступает в сумматор 22 где вычитается из заданной температуры. Полученный сигнал ошибки 21 поступает на вход блока мультиплексирования 5 и блок вычисления первой производной дифференциатора 20. Далее сигнал первой производной ошибки температуры с выхода 19 дифференцирующего блока 20 также поступает на вход блока мультиплексирования 5. Выход блока мультиплексирования 5 соединен с входом нечеткого контроллера 4.
Результат совместного влияния двух функций принадлежности на значение выходного параметра определяется соответствующей программой, заложенной в логическое устройство.
С помощью функции принадлежности (фиг.5) задастся требуемый режим работы системы нагрева и охлаждения µ(p). Нечеткие переменные, именуются как «сильное охлаждение» (С3), «среднее охлаждение» (С2), «малое охлаждение» (С1), «без изменений» (NO), «нагрев1» (H1), «нагрев2» (H2). Подобным способом вычисляется также скорость вращения вентилятора на основе базы правил для скорости вентилятора µ(fs) (рис.4). Нечеткие переменные, соответствующие скорости вентилятора, именуются как «высокая» (Fast),«нормальная» (Med), «низкая» (Low), «нулевая» (Z).
Функция принадлежности на выходе (фиг.5) показывает процесс обработки правил, суммируя ответный сигнал для обеспечения выходной команды. Выбранная в данной работе функция принадлежности на выходе состоит из двух уровней нагрева (H1, H2), трех уровней охлаждения (C1, C2, С3) и уровня нормы (NO), что можно представить, например, как несколько разных дополнительных уровней нагрева или охлаждения, причем значение H2 больше чем значение H1, а С3 больше чем значение С2 и C1.
Правила, перечисленные в фиг.6, показывают как применяются лингвистические переменные, полученные путем фаззификации для суммирования ответного сигнала с использованием интуиции оператора. При соединении с выходной функцией принадлежности и соответствующей дефаззификации получаем четкую реакцию на управляющее воздействие.
В данном случае сигнал управления будет уровнем нагрева или охлаждения из данных [-2, -1, 0, 1,, 6].
Связь между входом и выходом занесем в таблицу нечетких правил (фиг.6). Каждая запись соответствует своему нечеткому правилу.
Одним из главных аргументов в пользу регулирования на основе нечеткой логики является то, что она опирается на опыт человека и не нуждается в точной настройке внутренних параметров. Даже при значительном изменении подлежащих регулировке параметров рабочий режим регулирования на базе нечеткой логики остается устойчивым и не дает больших отклонений от оптимальной настройки. Это оправдывает утверждение, что регулирование на основе нечеткой логики надежно по характеру при условии, что его правила и параметры рассчитаны настоящими экспертами в данной области. Кроме того, регулирование обладает более высоким быстродействием по сравнению с ПИД-регулированием и обеспечивает экономию энергии в системе кондиционирования. Это достигается благодаря внедрению экспертных правил.
Система управления микроклиматом помещений внутри здания содержит блоки - нагревателя, охладителя, вентилятора подачи воздуха, нечеткий контроллер, вход которого соединен с выходом блока мультиплексирования, а выход соединен с блоками охладителя, нагревателя и вентилятора, отличающаяся тем, что блок вентилятора выполнен регулируемым, а нечеткий контроллер выполнен с возможностью управления микроклиматом внутри здания по тридцати шести правилам для каждого выхода, составленных на основе экспертных данных, причем правила построены так, что заданное множество дискретных величин разбито на положительные и отрицательные подмножества для обогрева и охлаждения соответственно.
Технологические требования к микроклимату в помещениях. Для нормального течения физиологических процессов в организме животных и птицы необходим чистый воздух в помещении по своим физико-химическим свойствам, близкий к атмосферному.
Крупный рогатый скот, содержащийся в помещениях с нерегулируемым микроклиматом, снижает продуктивность. У молочных коров при температуре выше 23 ос уменьшается УДОЙ, выше 26 ос - содержание жира в молоке, у животных учащается пульс и дыхание, затрудняется теплоотдача. С понижением температуры до минус 5 ос потребление кормов увеличивается в 1,5-2 раза.
Повышенная влажность воздуха также отрицательно сказывается на продуктивности. Установлено, что при повышении влажности на каждые 5% выше 85% у высокопродуктивных коров суточный удой уменьшается на 1,22-1,43 кг. Влияние температуры и влажности воздуха может усиливаться или ослабляться в зависимости от скорости воздуха.
Высокая влажность и повышенная концентрация вредных газов в Помещениях снижают резистивность организма. Животные чаще заболевают туберкулезом, стригущим лишаем и др.
Молодняк особенно чувствителен к условиям микроклимата. Резкие колебания температуры, сквозняки и сырость в телятниках и родильных отделениях животноводческих ферм вызывают большую смертность телят, особенно в первые недели жизни. При температуре выше 25 ос снижаются привесы, замедляется рост и развитие молодняка. Влажность в помещениях 90% и выше предрасполагает телят к заболеванию легких.
В одинаковых условиях кормления, но при пониженной температуре, высокой влажности и большой скорости движения воздуха привесы молодняка снижаются на 15-20%.
Температура воздуха в помещении - важнейший фактор, определяющий физиологическое состояние свиней. При снижении температуры в свинарниках на 8-1О о С ниже оптимальной, среднесуточные привесы откормочного поголовья уменьшаются на 40-60 г, а расход корма повышается на0,3-0,5 корм. ед. Неблагоприятна для взрослых свиней и высокая температура. Если в помещении выше 21 о с, снижается темп роста, а выше 32 о с
животные резко худеют. Поэтому летом, особенно в жаркие дни, следует увлажнять полы и кожный покров свиней, усиливать в помещении скорость движения воздуха дополнительным вентилятором. Поросята, наоборот, очень нуждаются в тепле. В первую неделю их жизни температура должна поддерживаться на уровне плюс 30 о с, ВО вторую - плюс 26 о с, в третью - плюс24 о с, в четвертую - плюс 22 о с.
Если не соблюдать правильный температурный режим в промышленных комплексах на 100 тысяч откармливаемых свиней в год, потери могут достигать 12-15 т в сутки, что составляет ежегодно более 4 000 т мяса.
Другой параметр микроклимата - влажность воздуха. Зимой при содержании в неблагоприятных сырых помещениях свиньи заболевают бронхитами, воспалением легких, мышечным ревматизмом, расстройством пищеварения, особенно страдают молодые и ослабленные животные. При большой влажности воздуха в свинарниках увеличивается число патогенных микроорганизмов, грибков, плесени. Поверхность тела свиней бывает мокрой и грязной.
Очень важно соотношение между температурой воздуха в помещении и скоростью его движения. Воздух одной и той же температуры ощущается холодным, если он движется со скоростью более 1 м/с и нормальным при скорости движения 0,2-0,25 м/с.
В помещениях для свиней содержание в воздухе углекислоты, аммиака,
сероводорода не должно превышать максимально допустимых концентраций. Птица отличается от животных более интенсивным обменом веществ.
Цыплята на 1 -кг массы выделяют теплоты и поглощают кислорода примерно в 5-6 раз больше, чем крупный рогатый скот. В помещениях с неудовлетворительным микроклиматом привесы бройлеров уменьшаются на 6-7%, возникают заболевания органов дыхания, зрения, сердца, печени, крови и птица гибнет. Продуктивность кур снижается до 40-50%, расход кормов на единицу продукции повышается на 30-40%, заболеваемость, особенно молодняка, увеличивается в 3-4 раза.
Благоприятное или неблагоприятное действие температуры на организм зависит от ее интенсивности, длительности, а также от сочетания с другими факторами внешней среды.
При клеточном содержании кур в птицеводческих хозяйствах на промышленной основе особенно нежелательны резкие колебания температуры.
Источником повышения влажности в птичниках являются: легочное дыхание птицы, испарение влаги с поверхности поилок, мокрого пола, кормушек и других конструкций помещения.
Поскольку влажность воздуха как фактор микроклимата неразрывно связана с температурой и движением воздуха, то и влажность в птичниках может повышаться или понижаться. С повышением влажности воздуха испарение влаги органами дыхания птицы уменьшается. Кроме того, влага, насыщая воздух птичника, изменяет его теплоемкость и теплопроводность.
Высокая влажность воздуха в птичнике способствует снижению перевариваемости питательных веществ корма, понижению отложения азота и уменьшению содержания гемоглобина в крови. Поэтому пребывание птицы в помещениях с высокой влажностью и низкой температурой часто вызывает простудные заболевания. При высокой влажности и температуре теплоотдача у птиц сильно затруднена, вследствие чего наступает перегревание организма и тепловой удар.
Воздух влажностью 50% считается сухим, вызывает раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз птицы, повышает хрупкость пера, усиливает потерю влаги организмом.
Синтез системы управления микроклимата в животноводческих помещениях и птичниках
К системам вентиляции предъявляются определенные требования - они должны создавать в различные периоды года, необходимый воздухообмен на единицу живой массы, животных (птицы) и обеспечивать равномерное распределение и циркуляцию воздуха внутри помещения, чтобы не было мест застоя и скопления влажного запрещенного воздуха («мертвых зон»).
Режимы работы вентиляционно-отопительного оборудования на протяжении всего года принято условно делить на три периода.
Холодный период охватывает сезон, когда вследствие низкой температуры наружного воздуха, тепла, вырабатываемого животными и птицей, не хватает для поддержания в помещениях необходимой температуры воздуха. С целью экономии тепла воздухообмен должен быть минимальным. Вследствие низкого влагосодержания холодного наружного воздуха в помещении наблюдается малая относительная, влажность. Воздухообмен определяется по условию удаления углекислоты, и лишь при небольших холодах - избытков влаги.
Переходный период охватывает весенний и осенний сезоны, в течение которых относительная влажность воздуха увеличивается по сравнению с холодным периодом. Температура принимает значение в промежутках от 0 до плюс 10°С. В этот период в зависимости от вида и возраста животных и птицы может наблюдаться как дефицит, так и избыток тепла, следовательно, действие дополнительного обогрева может иметь как регулярный, так и непостоянный характер, или отопительная система может не использоваться вовсе. Вследствие увеличенного влагосодержания наружного воздуха воздухообмен в переходный период определяется из условий удаления избыточной влаги или излишков тепла.
Теплый период соответствует летнему сезону, когда помещение не требует дополнительного обогрева, а, наоборот, в таких помещениях образуются излишки тепла, которые необходимо удалять при помощи резкого увеличения воздухообмена.
В дополнение к сказанному в таблице 11 приведены данные по воздухообмену в птичнике на 12 тысяч кур несушек.
Из чего следует, что при температуре наружного воздуха ниже 0 °С воздухообмен в животноводческих помещениях и птичниках минимальный, постоянный и определяется из условий удаления углекислоты. В переходный период воздухообмен плавно увеличивается и в начале периода определяется из условий удаления влаги, а в конце - из условий удаления тепла. В теплый период года воздухообмен резко увеличивается и определяется по температурному режиму внутри помещений. Так, увеличение воздухообмена для птичников по сравнению с зимним периодом 6-8. кратное, для свинарников 2,5-3 кратное.
Исходя из вышесказанного, оптимальная по технологическим и экономическим критериям будет являться САУ, представленная на рисунке 22, где воздухообмен в помещениях обеспечивается: в зимний период посредством датчика QE и регулирующего прибораQ C концентрации СО 2 в помещениях; в переходный период посредством датчикаME и регулирующим приборомMC влажности воздуха и в летний период посредством датчикаТЕ и регулирующего прибора температурыТС .
Рисунок 22 – САУ микроклимата
Способ регулирования (позиционное или непрерывное) определяется:
– технологическими требованиями к качеству регулирования;
– динамическими характеристиками ОУ;
– типом управляющего; устройства, допускающим позиционное или плавное управление регулирующим органом (РО).
Позиционные регуляторы являются наиболее простыми и удобными, поэтому им отдается предпочтение в случаях, если они удовлетворяют качеству регулирования.
Комплекты вентиляционного оборудования «Климат-2» и «Климат-З»
предназначены для систем воздушного обогрева и вентиляции животноводческих и птицеводческих помещений.
В состав комплекта оборудования входят две приточные отопительные вентиляционно-увлажнительные установки ПОВУ А 76-8 (ПОВУ А 76-1 О) или две приточные отопительно-вентиляционных установки ПОВА76-8 (поВА76-10) регулирующие клапаны (только для «Климат») 25ч931нж с приводом от электрического исполнительного механизма ПР-IМ для автоматизации регулирования подачи воды в водяные калориферы.
Водяные калориферы подбирают по пpoeкту системы регулирования микроклимата конкретного помещения.
Калорифер от замерзания защищают входящим в комплект датчиком ТУ-Э-2 с пределами регулирования от О до 100 ос. Датчик монтируют на трубопроводе обратной воды. Наружный воздух проходит последовательно секцию нагрева, жалюзийный клапан и увлажнитель. На нагнетании вентилятора установлен каплеуловитель.
Увлажнение воздуха осуществляется путем распыления воды, подаваемой из напорного бака самотёком через электромагнитный клапан СВМ-25 на диск, приводимый во вращение с частотой 3000 мин -1.
Вентиляционные установки оснащены трёхскоростными электродвигателями обеспечивающими изменение воздухопроизводительности.
Частота вращения вентиляторов автоматически устанавливается пропорционально температуре в венmлируемом помещении, причем устройство ТСУ-2-КЛ-УЗ
«Климатика-l» обеспечивает плавное регулирование выходного напряжения в диапазоне
Комбинированные приmочно-вытяжные, установки ПВУ-М объединяют в одной конструкции систему удаления загрязненного и систему подогрева и подачи в помещение чистого воздуха.
Основой конструкции ПВУ -М (рис. 4.77) является вентилятор с рабочим колесом 2, имеющим два ряда лопаток. Внутренние" лопатки обеспечивают удаление загрязненного воздуха по внутреннему воздуховоду 3 (вытяжной канал), а наружные-подачу в помещение наружного воздуха по кольцевому каналу между корпусом 5 и внутренним воздуховодом 3 (приточный канал).
Требуемая температура приточного воздуха обеспечивается теплообменом между удаляемым и приточным воздухом через гофрированную стенку внутpeннeгo воздуховода и за счет включения электродвигателей 4. Если этого оказывается недостаточно - включается рециркуляция, т.е. подмешивание удаляемого воздуха к нагнетательному в помещение. Рециркуляция осуществляется через клапаны в теле вытяжного воздуховода, причем количество рециркуляционного воздуха может устанавливаться в диапазоне - 0-50% с помощью специального механизма.
Приточно-вытяжная установка состоит из секций: воздухораспределения, электронагревателей, промежуточных и оголовка.
Секция воздухораспределения (для обслуживания может откидываться на специальных шарнирах) имеет в нижней части 8 каналов распределения приточного воздуха в радиальном направлении, причем сечение этих каналов может изменяться с помощью поворотных заслонок.
В корпусе секции электронагревателей, кроме смесительных клапанов и шести электронагревателей, находится флажковый выключатель, отключающий питание нагревателей при выходе из строя вентилятора.
Одним солнечным деньком, придя в универ, я узнал, что в этом семестре у меня курсовой по схемотехнике. Преподаватель предлагал сделать только пояснительную записку «как реализовать проект» или же познать темную сторону инженерии и создать реальное устройство. А так, как я был уже на 4ом курсе, и вспомнив, что единственный раз когда я применял на практике свои навыки инженера был на первом курсе (прикрутил к стене книжную полку), я решил «поработать ручками». После недолгих размышлений, мною была выбрана тема «Система управления микроклиматом теплицы». Скорее всего на выбор повлияла моя любовь к автоматизации процессов, или же то, что я и сам занимался разведением огурцов в теплицах. Но не будем долго тянуть - начинаем.Поиски материалов
От друзей и преподавателя услышал о платформе Arduino. Немного почитав про ардуинку и посмотрев пару реализованных проектов, желание создать что-нибудь свое стало еще больше. Для реализации проекта решил использовать Arduino Nano v3. Оригинал стоил чуть больше 20$, за копию отдал 10. Конечно дешевле было бы заказать на Aliexpress, но у меня не было ни времени, ни желания ждать целый месяц - хотелось начать немедленно.C платой микроконтроллера определился и самое время решить, какие мне нужны датчики. Немного поразмышляв, решил в первый раз не делать что-то масштабное (как я люблю говорить «краткость - сестра таланта») и ограничиться тремя основными составляющими микроклимата теплицы - температура, освещенность и влажность почвы. Разберем все по порядку:
С датчиками определился. Самое время подумать о красивом корпусе. Пошарив по волнам интернета нашел вот этого красавца и решил: мой курсач будет в нем.
Но т.к. в нем есть отверстие под дисплей, у меня не осталось выбора как «добавить» в курсовую индикацию с помощью дисплея. Мною было принято решение использовать простой в обращении lcd 1602:
Разбираясь, как он работает натолкнулся на очень , где все подробно описано. Все пины подключал по примеру в статье. Код также прилагается.
В качестве источника питания использую крону на 9В. С материалами покончено. Приступаем к разработке.
Разработка
Зная как работает каждый элемент отдельно, не составляет труда собрать все в единое целое, что я и сделал. После нескольких часов первой пайки получилось что вроде этого:
Датчики сделал отдельно от основного корпуса:
Буду рад любой критике.
