Cистемы управления микроклиматом в теплицах

Введение:

Фирма "Фито", имея более чем 10 летний опыт работы с автоматическими системами полива и дозации удобрений, ведет разработки в области автоматического управления микроклиматом теплиц.
В настоящее время создана система автоматизированного контроля и управления температурно-влажностным режимом теплицы, представляющая собой комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих достоверно измерять состояние климата в теплице и состояния окружающей среды и на основе этого управлять исполнительными механизмами теплицы.
В 2003 году было введено в эксплуатацию более 30 установок управления микроклиматом, в том числе в таких крупных тепличных комбинатах России, как "Майский" (г. Казань), "Тепличное" (г. Саранск), "Горьковский" (г. Нижний Новгород).

Назначение системы:

Система автоматизированного управления микроклиматом предназначена для задания суточного цикла микроклимата в теплице, контроля климата в теплице и слежения за внешним климатом, анализа полученных данных и расчета управляющих воздействий на исполнительные механизмы для поддержания в теплице заданного микроклимата.
Разработанные алгоритмы работы системы позволяют согласованно управлять:
2 контурами нижнего обогрева; 2 контурами верхнего обогрева; контуром зонального или торцевого обогрева; контуром подпочвенного обогрева; контуром подлоткового обогрева; вентиляционными форточками с южной и северной стороны теплицы; подкормкой CO2; системой зашторивания; вентиляторами для принудительной циркуляции воздуха.

Архитектура системы:

Аппаратная часть системы состоит из блока управления (контроллера микроклимата), комплекса датчиков для сбора сведений о теплице, блока ручного управления и релейной коммутации. Сбор данных и основное управление микроклиматом осуществляет контроллер, но для наиболее удобного просмотра и задания параметров микроклимата, а также для внесения корректировок в управление, фирмой разработан программный комплекс для мониторинга системы с персонального компьютера.


Для сбора данных о параметрах тепличного климата устанавливается комплекс датчиков, позволяющий оперативно следить за отклонениями от заданного микроклимата для своевременного корректирующего воздействия. Системой предусмотрено подключение до 32 различных датчиков внутри теплицы. Универсальные входы позволяют подключить датчики с различными выходными сигналами. В стандартном исполнении поставляются следующий набор датчиков, которые используется для расчета управляющих воздействий: температура и влажность воздуха в центре теплицы; концентрация СО2; температура остекления; температура листа растения; температура почвы; температура воздуха в верхней точке теплицы; температура воздуха по периметру теплицы; температура теплоносителя во всех контурах обогрева.


Для полноценного поддержания микроклимата теплицы необходима информация и об окружающей среде. Для этого используется метеостанция, которая позволяет снимать наиболее важные показатели внешней среды: температура и влажность внешнего воздуха; интенсивность солнечной радиации; скорость и направление ветра. Все данные, получаемые с метеостанции, учитываются при расчете управляющих воздействий, что позволяет при изменении состояния внешней среды своевременно скомпенсировать это воздействие.
Для передачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы используется отдельный блок релейной коммутации. В этом блоке также смонтирован пульт ручного управления исполнительными механизмами. Пульт ручного управления позволяет выбирать либо автоматическое, либо ручное управление отдельными механизмами.


К контроллеру подключается удаленный персональный компьютер (ПК). Специальная программа, устанавливаемая на ПК, позволяет графически отображать динамику изменения всех измеренных и заданных параметров микроклимата, показаний датчиков, рассчитанных управляющих воздействий. Ежеминутно из контроллера передается 120 измеренных и расчетных величин, любую из которых можно наблюдать в графической форме. Кроме того, в программе предусмотрен анализ состояния управления и выработка голосовых сообщений при аварийных ситуациях. Это позволяет своевременно извещать оператора о принятии мер по диагностике системы. Также программа в табличной и графической форме позволяет задавать корректирующие коэффициенты и программу микроклимата на сутки и пересылать эти данные в контроллер для исполнения. При изменении пользователем параметров, влияющих на управление, программа контролирует их на допустимость и не позволяет передать в контроллер ошибочные данные. ПК может автоматически вносить изменения в алгоритмы работы системы, что позволяет улучшить качество управления.

Программирование и расчет микроклимата:

Программное обеспечение системы позволяет в наглядной форме планировать динамику микроклимата в течение суток, согласно агротехническим требованиям. При планировании климата задаются следующие параметры: требуемая температура воздуха в теплице; влажность воздуха в теплице или дефицит водяного пара; требуемая концентрация СО2; рекомендуемая разница температур нижнего и верхнего контуров обогрева; минимальная и максимальная температура в контурах обогрева; режимы работы контуров зонального, подпочвенного, подлоткового обогрева; режимы работы экрана и вентиляторов.
В течение суток вышеперечисленные параметры могут по программе автоматически изменяться до 30 раз. При изменении задания микроклимата параметры интерполируются, т.е. компьютер обеспечивает требуемый плавный переход из одного состояния климата теплицы в другое.
Многие специалисты рекомендуют задавать различные режимы микроклимата для пасмурных и солнечных дней, но при задании программы в компьютер пользователь не может предсказать какой будет следующий день, поэтому система автоматизированного управления микроклиматом снабжена алгоритмом автоматической коррекции задания по солнечной радиации. Помимо этого для поддержания необходимой влажности временами приходится менять температурный режим теплицы. Для этого используется алгоритм автоматической коррекции задания по влажности. Контроллер имеет 18 коэффициентов для задания степени коррекции, которые задаются на этапе наладки системы, а также могут быть изменены в процессе эксплуатации. Данные коэффициенты позволяют подстроить алгоритмы коррекции задания под особенности конкретной теплицы и под рекомендации технологов.

Алгоритмы управления системой обогрева:

После расчета требуемого задания и анализа данных с датчиков контроллер по заложенным в него алгоритмам воздействует на микроклимат теплицы с помощью включения исполнительных механизмов. Для управления обогревом теплицы используется доминирующе-подчиненное или 2-х каскадное управление. Доминирующим является этап, на котором происходит вычисление температуры теплоносителя, учитывающие время реакции теплицы, параметры внутреннего и внешнего климата. Подчиненным же является этап автоматического поддержания рассчитанной температуры теплоносителя, на котором корректируется положение смесительного клапана, так чтобы измеряемая температура в контуре сравнялась с рассчитанной.
Вычисление температуры теплоносителя производится не только по степени рассогласования расчетного и измеренного климата теплицы, но и 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.

Пример управления:

1) При повышении мощности солнечного излучения, можно предсказать, что температура в теплице будет расти, поэтому при увеличении мощности солнечного излучения тут же производится рассчитанное понижение температуры теплоносителя.

2) При понижении внешней температуры воздуха, с учетом скорости ветра и степени открытия фрамуг, производится рассчитанное повышение теплоносителя в контурах обогрева.

3) При включении досвечивания сразу понижается температура теплоносителя на заданную величину, а при выключении температура теплоносителя повышается

На основании анализа полученных данных, контроллер прежде всего вычисляет температуру теплоносителя для нижнего контура, который является основным контуром обогрева. Далее на основании уже полученной расчетной температуры теплоносителя первого контура и заданных режимов работы идет расчет для остальных контуров обогрева. В зависимости от назначения для каждого контура обогрева в теплице может быть установлен контрольный датчик, который будет корректировать рассчитанную температуру теплоносителя для выравнивания теплового поля. Таким образом, в данной системе обогрева управление контурами взаимозависимо, что не позволяет прийти к ситуации, в которой нагрев одного контура компенсируется охлаждением другого, что приводит к нестабильному управлению. Для каждого из контуров возможна установка минимальной температуры теплоносителя. Если минимум не установлен, то при избытке тепла, системой предусмотрено автоматическое отключение циркуляционных насосов. Помимо этого контроллер позволяет ограничить максимальные температуры теплоносителя индивидуально для каждого контура, что предотвращает иссушение почвы и ожоги растений.
Микрокомпьютер позволяет изменять 40 коэффициентов, которые служат для настройки системы под конструктивные особенности теплицы, а также под особенности климата в данном регионе. Универсальность данной системы предполагает качественную работу как в теплицах с разделенными контурами обогрева, так и в теплицах с одним обогревающим контуром.

Алгоритмы управления вентиляцией:

Механизмы форточной вентиляции используются как для поддержания теплового, так и влажностного режима в теплице. Как и для системы обогрева, так и для системы вентиляции качество работы алгоритма можно корректировать с помощью 30 коэффициентов. На многих комбинатах России установлены ненадежные приводы форточной вентиляции. В таких теплицах нежелательно частое открытие форточек или изменение положения форточек на малую величину. Чтобы снизить риск возникновения аварийных ситуаций в алгоритме управления используется ряд коэффициентов, позволяющих планировать частоту срабатывания привода фрамуг.
Кроме того, в системе предусмотрена защита фрамуг и растений от сильного ветра, низкой внешней температуры и осадков. Для управления влажностью в контроллере предусмотрен алгоритм синхронизации работы систем вентиляции и обогрева, для минимизации теплопотерь.

Алгоритмы управления системой зашторивания:

Для улучшения управления микроклиматом в теплице иногда устанавливают защитные экраны. Контроллер с помощью 17 коэффициентов позволяет задавать различные режимы работы экрана:
1) "затеняющий" - уменьшает количество солнечной радиации поступающей в теплицу и снижает опасность перегревов растений;
2) "термический" - снижает потери тепла;
3) "затемняющий" - изменяет продолжительность фото периода. Также в процессе эксплуатации возможно задавать комбинированные виды работ экрана.

Заключение:
Опыт эксплуатации автоматизированной системы управления микроклимата в теплицах показал эффективность заложенных принципов управления. В настоящее время ведутся работы по их совершенствованию и более широкому использованию автоматической самонастройки в процессе эксплуатации.