Автоматизированная система управления климатом в тепличных хозяйствах

8. Описание схемы функциональной электрической автоматизации

Автоматическую систему мониторинга и управления водозаборным узлом можно условно разбить на три составляющих:

- система управления ТХ;

- рабочее место оператора.

Первая подсистема изображена на функциональной схеме автоматизации в явном виде, последняя - в виде табличного обозначения ЭВМ. Оборудование включает в себя датчики, устанавливаемые по месту, исполнительные устройства, приборы, устанавливаемые на щите.

Все условные обозначения приборов и средств автоматизации исполнены в соответствии с ГОСТ 21.404-85.

9 Выбор и обоснование отдельных узлов и элементов

9.1 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. 9.1).

Рис. 9.1 - 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. 9.2).

Рис. 9.2 - 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. 9.3).

Рис. 9.3 - Связь между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой

Она легко аппроксимируется с помощью комбинации двух выражений:

1. 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.

2. 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

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.

9.2 Датчик расхода воды на распыление

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.

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.

9.3 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.

9.4 Датчик уровня воды в резервуаре ADZ-Floater Probe SML-PS1 «NAGANO»

9.5 Датчик влажности почвы Gardena

Для учета влажности почвы в автоматическом управлении поливом. Долговечность и надежность работы за счет термоэлектрического измерения разности температур в почве. Требуемая влажность задается с помощью вращающегося регулятора. Индикация актуального значения влажности почвы. Укомплектован соединительным кабелем 5 м со штекером.

9.6 Датчик температуры в помещении теплицы KTY81-210

Датчики температуры серии KTY81-2 имеют положительный температурный коэффициент сопротивления и хорошо подходят для измерительных устройств, а также для систем контроля и управления. Датчики помещаются в специальный освинцованный пластиковый корпус.

Технические характеристики:

- нижний порог измеряемой температуры - -55 С;

- сопротивление, соответствующие нижнему порогу - 1980 Ом (при 1 мА);

- верхний порог измеряемой температуры - 150 С;

- сопротивление, соответствующие верхнему порогу - 2020 Ом (при 1 мА);

- максимальная сила тока на выходе - 10 мА;

- температурный коэффициент - 0,79;

- тепловая постоянная времени - 30 с на открытом воздухе;

- ошибка - 3,02 С.

9.7 Датчик температуры воды в резервуаре numerix ETF01

Погружные датчики температуры устанавливаются непосредственно в трубопровод для измерения температуры воды (или другого теплоносителя) в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Длина от 50 до 400 мм

Диапазон измеряемых температур - от -30 до +150 градусов

Чувствительные элементы: Pt100, Pt1000, Ni1000, Ni1000 TK5000, NTC 1,8кОм, KTY81-210, NTC 10К, 20K, 30K, 50K и 10K Precon, LM235Z

Латунная (ETF01) или стальная гильза (ETF02)

Посадочная резьба гильзы 1/2 дюйма

Подключение - по двухпроводной схеме (трехпроводные и четырехпроводные варианты - под заказ)

Измерительный ток - 1 мА

Клеммник - до 1,5 кв. мм

Температура эксплуатации - от -20 до +100 градусов Цельсия

Корпус - пластик. Класс защиты - IP43

Защёлкивающаяся крышка

Размеры 65*59*36 мм

9.8 Промышленный контроллер Modicon 984 - 685

Промышленные контроллеры от Modicon серии 984 являются совместимыми между собой устройствами с широкой функциональностью, каждое из которых имеет свой круг задач. Каждая система на основе такого контроллера состоит из ПЛК (программируемый логический контроллер, от английского PLC - Programmable Logic Controller), соединенного с модулями ввода и вывода. Эти модули, в свою очередь, подключаются к датчикам и исполнительным устройствам. На основании полученных от них данных, контроллер и управляет производственным процессом. Модули ввода преобразовывают сигналы от датчиков в вид, необходимый для обработки их в ЦП. Модули вывода получают сигналы от ЦП и преобразовывают в напряжение или ток, необходимые для управления исполнительными устройствами.

Системная память контроллеров 984-й серии основана на технологии CMOS (complementary metal-oxide semiconductor или комплиментарный метало - оксидный полупроводник) с резервным элементом питания для обеспечения сохранности информации при отключении питания. В контроллере используется два типа памяти: ПЗУ, для хранения системной информации, и ОЗУ, защищенная резервным элементом питания, для хранения пользовательской программы.

Периферийные устройства, к которым можно отнести и ведущий ПК, могут подключаться непосредственно к ПЛК 984-й серии через встроенные порты Modbus. Modbus это коммуникационный протокол, основанный на RS232, использующийся для сбора данных, редактирования программ и загрузки их в ПЛК.

Промышленный контроллер 984-685 предназначен для построения средних и больших систем управления. Он поддерживает до 5 локальных модулей ввода вывода 800й серии и до 31 модуля удаленного ввода-вывода. Для обеспечения удаленного ввода-вывода необходим дополнительный процессор S908.

ПЛК 984-685 оснащен двумя порами Modbus и одним портом Modbus Plus.

Таблица 9.1 - Технические характеристики контроллера

Таблица 9.2 - Технические характеристики модуля дискретных входов

Таблица 9.3 - Технические характеристики модуля дискретных выходов

Таблица 9.4 - Технические характеристики модуля аналоговых входов

9.9 Консольный насос К 200-150-250/4-5

Консольный насос представляет собой, с точки зрения гидравлики, характерный тип центробежного насоса, рабочим органом которого является центробежное колесо.

Центробежное колесо состоит из двух дисков, между которыми, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса.

При вращении колеса на каждую частицу жидкости, находящуюся внутри колеса, действует центробежная сила, прямо пропорциональная расстоянию частицы от центра колеса и квадрату угловой скорости вращения колеса.

Под действием этой силы жидкость выбрасывается в напорный трубопровод из рабочего колеса, в результате чего в центре колеса создается разряжение, а переферийной его части - повышенное давление.

Движение жидкости по всасывающему трубопроводу происходит вследствие разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном резервуаре и в центральной области колеса, где имеется разрежение.

В насосах типа К подвод крутящего момента от вала электродвигателя на вал насоса происходит через упругую муфту. В насосах типа КМ рабочее колесо установлено на конце удлиненного вала электродвигателя.

Назначение и технические характеристики насосных частей К и КМ идентичны, при этом насосные агрегаты типа КМ имеют меньшие габаритные размеры и массу.

Технические характеристики двигателя:

- мощность двигателя - 30 кВт;

- номинальная подача - 315 м3/ч;

- частота вращения - 1450 об/мин;

- номинальный напор - 20 м.

10. Выбор и описание контура регулирования

Схема используемого цифрового ПИД - регулятора представлена в соответствующем документе (структурная схема - на рисунке 10.1). На его вход подаются два сигнала: задающий, и сигнал обратной связи, приведенные к условному максимуму в 5 В. Для выделения ошибки, сигнал ОС предварительно инвертируется, после чего уже идет на сумматор. Ошибка проходит на три параллельно соединенных усилителя, отвечающих за отработку пропорционального, интегрального и дифференциального коэффициентов усиления.

Рисунок 10.1 - Структурная схема цифрового ПИД - регулятора

Для реализации схем задержек типа и используются развязки, изображенные на рисунке 10.2 (схемы соответствуют порядку следования передаточных функций в тексте).

В качестве звена задержки используется интегральная микросхема, позволяющая задерживать аналоговый сигнал, дискретный, представляемый в последовательном или параллельном виде. Микросхема также позволяет программно менять время задержки.

Рисунок 10.2 - Способы реализации передаточных функций звеньев задержки

Как видно, вся принципиальная схема строится на операционных усилителях (используются для реализации усилителей, сумматоров и инверторов), интегральных микросхемах задержки и резисторах.

На принципиальной электрической схеме также изображена схема дистанционного управления электроприводом регулирующего устройства (например, автоматического клапана, для отключения насосов от водопроводной сети).

Схема обеспечивает движение регулирующих устройств только во время подачи командных сигналов. Ограничение хода регулирующих устройств в конечных положениях обеспечивается соответствующими конечными выключателями.

Для предотвращения одновременного включения обеих катушек реверсивного магнитного пускателя, помимо механической блокировки, которой снабжен пускатель, в схеме предусмотрена электрическая блокировка с помощью размыкающих блок -контакторов ПМЗ и ПМО.

Электропривод снабжен потенциометрическим датчиком ПД, движок которого механически связан с редуктором привода. Датчик ПЛ подключается к устанавливаемому на щите управления блоку указателя положения БУП, состоящему из трансформатора питания, выпрямителей, подгоночного резистора и стрелочного прибора УП, шкала которого имеет градуировку 0 - 100%, пропорционально напряжению, снимаемому с потенциометрического датчика. Контакторы используются для отключения цепей управления при воздействии на привод ручным способом с помощью маховика.

11. Расчет параметров настройки контура регулирования

Поскольку вывод передаточной функции трехфазного двигателя достаточно громоздкий, предположим, что в погружных насосах скважин используются двигатели постоянного тока. Рассчитаем параметры цифрового ПИД - регулятора такого двигателя.

Двигатель постоянного тока как динамическая система описывается следующими уравнениями в операторной форме:

, (11.1)

где - напряжение питания двигателя;

- ток якоря;

- активное сопротивление якоря;

- среднее значение ЭДС вращения;

- индуктивность обмоток двигателя;

- мощность двигателя.

,(11.2)

- коэффициент, зависящий от конструктивных параметров двигателя;

- круговая частота вращения двигателя.

Выражения для электромагнитного момента:

,(11.3)

,(11.4)

где - внешний момент, или момент нагрузки;

- момент инерции двигателя.

На основании этих уравнений может быть построена структурная схема двигателя как динамической системы (рисунок 11.1). Входным сигналом для этой системы является напряжение питания, выходным - круговая частота вращения двигателя. Дополнительное возмущение системы вноситься внешним моментом.

Рисунок 11.1 - Структурная схема двигателя

Из структурной схемы можно получить передаточные функции двигателя относительно круговой частоты вращения или тока:

,(11.5)

,(11.6)

где - коэффициент передачи;

- постоянная времени якоря;

- электромеханическая постоянная времени.

Рассчитаем коэффициенты цифрового ПИД - регулятора, управляющим пуском или остановом двигателя постоянного тока с конструктивными параметрами, аналогичными параметрам двигателя погружного насоса (таблица 11.1).

Таблица 11.1 - Паспортные данные двигателя постоянного тока

Переход к передаточной функции приведенной непрерывной части двигателя осуществляется по следующей формуле:

,(11.7)

где - исходная передаточная функция двигателя.

С учетом технических характеристик двигателя, его передаточные функции примут вид:

,(11.8)

.

Передаточная функция цифрового ПИД регулятора имеет следующий вид:

,(11.9)

где - коэффициент усиления пропорциональной составляющей;

- коэффициент усиления интегральной составляющей;

- коэффициент усиления дифференциальной составляющей;

- период дискретизации (принимаем равным 0,2 с).

Интегральная составляющая определяется из следующего соотношения:

,(11.10)

где - коэффициент добротности по скорости (выбирается произвольно в рамках от 1 до 10. В данном случае примем равным 1,2);

- передаточная функция скорректированной системы.

,(11.11)

.(11.12)

Остальные коэффициенты усиления цифрового ПИД регулятора можно получить из следующей системы уравнений:

, (11.13)

где B и С - коэффициенты, выбираемые из .

Эта система, с учетом уже известных переменных может быть представлена в виде:

, (11.14)

откуда получаем ,. Переходные характеристики двигателя без регулятора и с ним, представлены на рисунке 11.2. Окончательные значения коэффициентов усиления цифрового ПИД регулятора сведены в таблицу 11.2.

Рисунок 11.2 - Переходные характеристики двигателя с регулятором и без

Таблица 11.2 - Значения коэффициентов цифрового ПИД регулятора

11.1 Расчет параметров узлов принципиальной схемы

Структурная схема цифрового ПИД регулятора содержит как минимум три усилителя (для реализации пропорционального, интегрального и дифференциального коэффициентов усиления), и два сумматора. Типовая схема усилителя представлена на рисунке 11.3, активные сопротивления резисторов - в таблице 11.3.

Рисунок 11.3 - Типовая схема усилителя

Коэффициент усиления можно рассчитать по следующей формуле:

,(11.15)

здесь R3 используется для уменьшения дрейфа нуля, и принимается равным:

.(11.16)

Таблица 11.3 - Сопротивления резисторов усилителей

Типовая схема сумматора представлена на рисунке 11.4. Его выходное напряжение можно рассчитать по следующей формуле:

,(11.17)

если принять R1=R2=R3=Rос, то получим:

.(11.18)

Рисунок 11.4 - Типовая схема сумматора

12. Разработка АРМ

Требования к компьютеру связаны с большим объемом обрабатываемой информации и необходимостью представления информации графически. LAN связывает АРМ операторов и АРМ главных специалистов (Главный инженер, агроном, начальник службы).

Выбрав нужное отделение, оператор или другой пользователь системы имеет возможность переключиться на режим контроля. Оператор переключается на него после выбора необходимого ему отделения.

Журнал системных сообщений необходим при проведении повторных запусков системы, при ее настройке и наладке. Он позволяет отслеживать в режиме реального времени включение датчиков и других устройств системы, производить анализ отказов устройств и их диагностику.

Из окна журнала сообщений пользователь может распечатать все системные сообщения за указанный период времени.

Режим настройки системы параметров регулирования используется при проведении пусконаладочных работ, а также при проведении профилактической работы специалистами службы. Он позволяет учесть технологические особенности конкретных исполнительных устройств и устанавливать необходимые поправочные коэффициенты для улучшения качества регулирования. Вход в это окно доступен только для специалистов фирмы и для службы Заказчика.

Таким образом, основными достоинствами информационно-управляющего комплекса АСУКК ТХ являются:

уменьшение на 15-20% расхода тепло- и энергоносителей;

точность поддержания температуры воздуха в теплице ± 0,5°С;

поддержание оптимального микроклимата в теплице и увеличение возможности влияния на урожайность культивируемых культур;

высокая надежность;

возможность проведения замеров температуры и влажности возле контрольных растений.

Рекомендуется проводить поэтапную реконструкцию тепличных хозяйств. Это позволит уменьшить первоначальные затраты на проект. Первый этап - диспетчеризация. На этапе диспетчеризации собирается аналитическая и статистическая информация о работе теплицы. После окончания работ по диспетчеризации и анализа информации, полученной при работе с комплексом, выдаются рекомендации по "термодинамике" и гидродинамике в теплице. Это необходимо для обеспечения равномерного теплового поля в теплице и создания оптимальных условий роста растений. Второй этап - поэтапный переход на автоматический контроль и регулирование. Постепенный переход на автоматический контроль и регулирование позволит более гибко подходить к каждой конкретной теплице.

Заключение

В данном курсовом проекте была синтезирована двухуровневая АСУТП, которая осуществляет дискретное регулирование влажности воздуха и контроль расхода воды на распыление в теплице. По заданным параметрам ОУ путём моделирования были определены параметры настройки ПИ-регулятора, который обеспечивает необходимую точность регулирования и качество отработки входных воздействий (здесь - задание величины влажности). Используя алгоритмы первичной обработки, исследовалось влияние их параметров на характеристики сигнала с датчика влажности. Исходя из условия величины погрешности вычисления кода управления, были рассчитаны разрядности элементов ЦУУ (АЦП, ЦАП и АЛУ микроконтроллера) и произведен выбор комплекса технических средств.

Страницы: 1, 2, 3