Разработка автоматизированной системы управления теплицей

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 2

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 4

1.1.Характеристика технического объекта……………………………………4

1.2. Расчёт параметров настройки регулятора………………………………..5

2. ВЫБОР ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 7

2.1. Датчик влажности воздуха…………………………………………….…..7

2.2. Датчик расхода воды на распыление…………………………………….11

2.3. Исполнительный механизм……………………………………………….13

3. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ 15

3.1. Разрядности АЦП и ЦАП………………………………………………… 15

3.2. Трансформированная погрешность………………………………………16

3.3. Инструментальная погрешность…………………………………………. 16

4. ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА 18

5. ВЫБОР БАЗОВОГО КОМПЛЕКСА 22

5.1. Микроконтроллер……………………………………………………….... 22

5.2. Аналого-цифровой преобразователь…………………………………… 24

5.3. Цифро-аналоговый преобразователь………………………………….... 26

6. СТРУКТУРА АСУТП 28

6.1. Назначение системы……………………………………………………… 28

6.2. Архитектура системы………………….………………………………….28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 31

ВВЕДЕНИЕ.

С каждым годом в тепличных предприятиях все большее внимание уделяется качественному поддержанию микроклимата. Правильно выбранная технология поддержания микроклимата - одна из важнейших составляющих, позволяющих повысить урожайность. А эффективное использование энергоресурсов - дополнительная возможность существенно уменьшить себестоимость производимой продукции. Современная автоматизированная система управления микроклиматом должна поддерживать не только заданный режим, но и максимально эффективно использовать возможности исполнительных систем.

В настоящее время ведется активная модернизация теплиц, связанная с повышением количества исполнительных систем: разделение контуров, модернизация форточной вентиляции, установка систем зашторивания, установка вентиляторов. И чем больше исполнительных систем имеет теплица, тем важнее для нее выбор критерия, определяющего стратегию поддержания микроклимата. Например, одним из наиболее популярных критериев управления является экономия теплоресурсов. В данном случае целесообразнее активно использовать нижние контура обогрева, т.к. они меньше всего отдают тепла внешней среде. Другой подход к выбору критерия предполагает поддержание температуры у точки роста выше, чем у корней растения и тем самым подразумевает активное использование верхних контуров обогрева. Еще один критерий управления основывается на том, что нижний контур должен поддерживать в корневой зоне постоянную температуру, так называемый оптимум, и лишь при исчерпанных ресурсах других исполнительных систем отклоняться от него.

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

Одной из основных характеристик системы управления является ее надежность. Поэтому в качестве аппаратно-технической базы системы был выбран контроллер, который содержит современные средства защиты от сбоев: копию основных параметров работы системы в энергонезависимой памяти, средство защиты от зависаний и т.д. Помимо контроллера автоматизированная система управления микроклиматом включает в себя набор датчиков для измерения параметров внутри теплицы. Для передачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы система включает в себя блок релейной коммутации с возможностью ручного управления.

Важным элементом системы управления является диагностика неисправностей и возможностей системы управления. Иногда в процессе эксплуатации случаются непредвиденные ситуации, связанные с нестабильностью температуры подаваемой воды, повышенным износом и люфтом исполнительного механизма или связанные с другого рода ограничениями, накладываемыми на исполнительные системы. Заложенные в систему методы диагностики должны выявлять нестандартные ситуации и своевременно перестраивать алгоритмы управления, поддерживая при этом параметры микроклимата с минимально возможным отклонением. При невозможности разрешения ситуации без участия человека, система выдает соответствующее аварийное сообщение.

1.1.Характеристика технического объекта

Выращивание сельхозпродукции в тепличных условиях требует поддержания микроклимата в теплице, к основным параметрам которого относятся:

Температура и влажность воздуха в теплице;

Температура и влажность почвы.

Числовые значения всех перечисленных выше параметров определяются типом выращиваемой культуры. В частности, для земляники, в зависимости от фазы диапазон изменения влажности воздуха составляет 65 – 80%. При этом точность поддержания заданной влажности должна составлять ±3%. Кроме регулирования система должна предусматривать контроль расхода воды на распыление.

Рис.1. Структурная схема ОУ.

Передаточная функция ОУ определяется следующим выражением:

где .

Y1(t) – сигнал с датчика для регулируемой переменной ОУ;

Y2(t) – сигнал с датчика по каналу контроля.

Расчёт параметров настройки регулятора

Исходя из особенностей разрабатываемой системы, к которой предъявляется требование повышенной точности отработки заданных воздействий, регулятор должен реализовать пропорционально-интегральный закон управления. Параметры ПИ-регулятора определяются требованиями к качеству переходного процесса:

нулевая статическая ошибка;

величина перерегулирования не более 5%;

длительность переходного процесса не более постоянной времени ОУ.

С помощью моделирования системы в пакете Simulink определяем параметры настройки регулятора.

Рис.2. Схема модели цифровой системы.

Рис.3. Графики сигнала рассогласования управляющего воздействия и регулируемой переменной для случая входного воздействия в виде скачка .

Таблица параметров дискретного ПИД регулятора.

2. ВЫБОР ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

2.1. Датчик влажности воздуха

По требуемой точности измерения, которая определяется точностью поддержания влажности и коэффициентом :

и заданному диапазону изменения регулируемой переменной выбираем датчик HIH-3602-L фирмы Honeywell.

Рис.4. Внешний вид датчика влажности.

Датчики этой серии предназначены для использования в многоканальных автоматизированных системах контроля параметров микроклимата на базе ПЭВМ, которые осуществляют непрерывные круглосуточные измерения относительной влажности воздуха и поддержание заданных режимов.

В настоящее время на практике для измерения относительной влажности применяется несколько технологий, использующих свойство различных структур изменять свои физические параметры (емкость, сопротивление, проводимость и температуру) в зависимости от степени насыщения водяным паром. Каждой из этих технологий свойственны определенные достоинства и недостатки (точность, долговременная стабильность, время преобразования и т.д.).

Среди всех типов емкостные датчики, благодаря полному диапазону измерения, высокой точности и температурной стабильности, получили наибольшее распространение, как для измерения влажности окружающего воздуха, так и применения в производственных процессах.

Компания Honeywell производит семейство емкостных датчиков влажности, применяя метод многослойной структуры (рис.5), образуемой двумя плоскими платиновыми обкладками и диэлектрическим термореактивным полимером, заполняющим пространство между ними. Термореактивный полимер, по сравнению с термореактивной пластмассой, обеспечивает датчику более широкий диапазон рабочих температур и высокую химическую стойкость к таким агрессивным жидкостям и их парам, как изопропил, бензин, толуол и аммиак. В дополнение к этому датчики на основе термореактивного полимера имеют самый большой срок службы в этиленоксидных стерилизационных процессах.

В процессе работы водяной пар проникает через верхнюю пористую обкладку конденсатора (рис.5) и уравновешивается с окружающим газом. Одновременно эта обкладка защищает электрические процессы, протекающие в полимерном слое, от внешних физических воздействий (света и электромагнитного излучения). Слой полимера, покрывающий пористый платиновый электрод сверху, служит защитой конденсатора от пыли, грязи и масел. Такая мощная фильтрационная система, с одной стороны, обеспечивает датчику длительную бесперебойную работу в условиях сильной загрязненности окружающей среды, с другой — снижает время отклика.

Выходной сигнал абсорбционного датчика влажности представляет собой функцию от температуры и влажности, поэтому для получения высокой точности измерения в широком диапазоне рабочих температур требуется температурная компенсация характеристики преобразования. Компенсация особенно необходима, когда датчик используется в индустриальном оборудовании для измерения влажности и точки росы.

Рис.5. Метод многослойной структуры, применяемый при изготовлении датчиков влажности

Датчики влажности Honeywell — это интегрированные приборы. Помимо чувствительного элемента, на той же подложке расположена схема обработки сигнала, которая обеспечивает преобразование сигнала, его усиление и линеаризацию. Выходной сигнал датчика Honeywell является функцией от напряжения питания, окружающей температуры и влажности. Чем выше напряжение питание, тем больше размах выходного сигнала и, соответственно, чувствительность. Связь же между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой показана на объемной диаграмме (рис.6).

Рис.6. Связь между измеренной датчиком влажностью, истинной

влажностью и температурой

Она легко аппроксимируется с помощью комбинации двух выражений:

Прямая наилучшего соответствия при 25 °C (жирная линия на диаграмме), описывается выражением Uвых = Uпит(0,0062 · (%RH25) + 0,16). Из этого уравнения определяется процент RH25 при температуре 25 °C.

Далее производится температурная коррекция и вычисляется истинное значение RH: RHистинная = (%RH25) · (1,0546 - 0,00216T), где T измеряется в °C.

Выражения выше соответствуют характеристикам реальных датчиков со следующими отклонениями:

– для

– для

– для

Рис.7. Характеристики преобразования датчика влажности Honeywell

при различных температурах

Модели HIH-3602-L и HIH-3602-L-CP выполнены в корпусе TO-39 со щелевым отверстием. Они предлагают оптимальное соотношение цена/надежность. Эти датчики нашли широкое применение в метеорологическом оборудовании и системах климат-контроля.

2.2. Датчик расхода воды на распыление

Рис.8. Внешний вид датчика.

Датчик ДРК-4 предназначен для измерения расхода и объема воды в трубопроводах и имеет следующие технические характеристики:

1) Измеряемая среда – вода с параметрами:

– температура от 1 до 150°С;

– давление до 2,5 МПа;

– вязкость до 2·106 м2/с

2) Диаметр трубопровода Dу 80...4000 мм

3) Динамический диапазон 1:100

4) Пределы измерений 2,7...452 400 м3/ч

5) Выходные сигналы: токоимпульсный (ТИ); унифицированный токовый 0…5, 4…20 мА ;

6) Предел допускаемой относительной погрешности измерений объема и расхода по импульсному сигналу и индикатору:

±1,5% при скоростях потока 0,5...5 м/с;

±2,0% при скоростях 0,1≤V<0,5; 5<V≤10 м/с.

7) Предел допускаемой относительной погрешности измерения

времени наработки ±0,1%;

8) 1 или 2 канала измерения расхода;

9) Формирование почасового архива значений объема и расхода;

10) Самодиагностика.

Рис.9. Блок-схема датчика.

Принцип действия датчиков ДРК-4 основан на корреляционной дискриминации времени прохождения случайными, например, турбулентными флуктуациями расстояния между двумя парами ультразвуковых акустических

преобразователей АП1-АП4, АП2-АП3. Это время транспортного запаздывания и является мерой расхода контролируемой среды, движущейся по трубопроводу. Во

время работы акустические преобразователи (АП1-АП4), возбуждаемые генераторами ультразвуковой частоты (ГУЧ1 и ГУЧ2), излучают ультразвуковые колебания. Эти колебания, пройдя через поток жидкости, порождают вторичные электрические колебания на АП. Из-за взаимодействия встречных ультразвуковых лучей с неоднородностями потока, обусловленными, например, турбулентностью этого потока, электрические колебания на АП оказываются модулированными. Эти колебания поступают на фазовые детекторы (ФД1 и ФД2) и далее на корреляционный дискриминатор (КД), управляемый микропроцессором.

В результате корреляционной обработки определяется время транспортного запаздывания, по которому микропроцессор производит вычисление периода

выходных импульсов и их формирование. Далее КД определяет объем нарастающим итогом, мгновенный расход, время наработки и выводит информацию на индикатор. Выходные импульсы преобразователя

ДРК-4ЭП могут передаваться для дополнительной обработки на тепловычислитель, счетчик-интегратор либо оконечный преобразователь ДРК-4ОП, который формирует унифицированный токовый выходной сигнал 0…5, 4…20 мА, пропорциональный мгновенному расходу.

Конструктивно датчик ДРК-4 состоит из комплекта первичных преобразователей ДРК$4ПП, электронного преобразователя ДРК-4ЭПХХ и оконечного преобразователя ДРК-4ОП. Комплект первичных преобразователей состоит из 4-х акустических преобразователей ДРК-4АП с соединительными кабелями длиной 3 м и 4-х штуцеров для монтажа их на трубопроводе.

Контроллер блока индикации суммирует входные импульсы, вычисляет накопленный объем нарастающим итогом и мгновенный расход, выводит эту информацию на индикатор, формирует двоичный код, характеризующий

мгновенный расход, который вводится в ЦАП, формирует архив.

Основные преимущества:

отсутствие сопротивления потоку и потерь давления;

возможность монтажа первичных преобразователей на трубопроводе при любой ориентации относительно его оси;

коррекция показаний с учетом неточности монтажа первичных преобразователей;

сохранение информации при отключении питания в течение 10 лет;

беспроливной, имитационный метод поверки;

межповерочный интервал - 4 года.

2.3. Исполнительный механизм

В качестве исполнительного механизма синтезируемой системы используется миниспринклер 4191 компании  JHi I.S., который специально разработан для поддержания постоянной влажности, уменьшения высоких температур в жарком климате за счет испарения и для орошения растений в специальных условиях.Миниспринклер обеспечивает туманообразование с очень мелким размером капелек - приблизительно от 50 до 250 микрон при давлении 3.0 Атм. Уникальная конструкция исключает образование крупных капель и капание на растения при размещении спринклеров сверху. Миниспринклер работает в широком диапазоне давления воды. Поднимая давление и используя спринклеры с меньшим расходом воды, можно получить минимальный размер капель. Минимальное давление, при котором закрывается предохранительный клапан, равно приблизительно 2.5 Атм. Миниспринклеры могут устанавливаться как на стойках, так и подвешиваться в случае верхней разводки воды.

Рис.10. Внешний вид и работа миниспринклера в режиме туманообразования.

3. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ

3.1. Разрядности АЦП и ЦАП

Рассчитываем допустимое значение погрешности вычисления управляющего воздействия при значении коэффициента точности управляющего кода :

В

Рассчитываем разрядность АЦП:

Таким образом, АЦП должен иметь не менее 8-ми разрядов.

Находим коэффициент пересчета АЦП:

(1/% RH)

Определяем величину младшего разряда АЦП:

(% RH)

Вычисляем разрядность ЦАП:

Получили, что ЦАП должен иметь не менее 8-ми разрядов.

Находим коэффициент пересчета ЦАП:

(В)

Таким образом, коэффициент пересчета от входа АЦП до выхода ЦАП:

(В/% RH)

3.2. Трансформированная погрешность

Рассчитываем трансформированную погрешность, которая обусловлена трансформацией погрешностей входных переменных, по которым определяется управление для ПИ закона. Для этого используем ряд конечных разностей

и расчётную формулу трансформированной погрешности

Если вычисление интеграла было выполнено по формуле трапеций, то погрешность определяется как:

Получили величину трансформированной погрешности, которая в два раза превосходит допустимую. Для её уменьшения введём экспоненциальное сглаживание с коэффициентом ослабления , тогда:

В

3.3. Инструментальная погрешность

Для оценки инструментальной погрешности выбираем разрядность АЛУ микроконтроллера на 4 разряда больше, чем в АЦП, и рассчитываем величину младшего разряда.

(В)

Теперь для оценки инструментальной погрешности, которая обусловлена ограниченной длиной разрядной сетки вычислителя, необходимо подсчитать количество округлений в алгоритмах проверки на достоверность, сглаживание и ПИ-закона управления: