Автоматизированная система управления климатом в тепличных хозяйствах

Таблица 1.1 – Состав и содержание работ по созданию АСУ ККТХ

1.6 Требования к составу и содержанию работ по подготовке объекта автоматизации к вводу системы в действие

При подготовке объекта к внедрению АСУ ККТХ предприятие, эксплуатирующее систему, должно:

-  обеспечить готовность объекта к проведению монтажных работ по созданию АСУ ККТХ;

-  обеспечить организацию подразделения технического обслуживания АСУ ККТХ;

-  осуществить входной контроль средств АСУ ККТХ на комплектность и соответствие технической документации проекту;

-  выполнить наладку и госповерку АСУ ККТХ;

-  совместно со специализированными организациями осуществить инженерный надзор за монтажом частей АСУ ККТХ;

-  организовать с привлечением разработчика техническое обучение оперативного и ремонтного персонала правилам эксплуатации АСУ ККТХ;

-  организовать и провести с участием разработчика, соисполнителей и заказчика приемосдаточные испытания АСУ ККТХ;

-  выполнить изменения в технологической схеме объекта, предложенные разработчиком АСУ ККТХ и согласованные с проектной организацией.

ПРИМЕЧАНИЕ: Заказчик выполняет вышеуказанные работы самостоятельно или с привлечением специализированных организаций.

1.7 Требования к документировании

Виды и комплектность документов на АСУ ККТХ регламентированы положениями ГОСТ 34.201-89.

Разработке подлежит:

-  общесистемные проектные решения;

-  комплект документов организационного обеспечения;

-  комплект документов математического обеспечения;

-  комплект документов программного обеспечения;

-  комплект документов информационного обеспечения.

Содержание разделов технического задания может уточняться в установленном порядке протоколами (подраздел 3.3 ГОСТ 34.602-89) в процессе разработки и ввода в действие АСУ ККТХ без внесения изменений в техническое задание.

ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Техническое задание на создание автоматизированной системы.

"Исходные требования на создание автоматизированной системы управления водозаборным узлом”

“Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств" ОПВБ - II, Москва, "Недра", 1982г.

"Правила устройства электроустановок" шестое издание, 1985 г.

"Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей" четвертое издание, утвержденное 21.12.84 г.

ДНАОП 0.00-1.21-98 "Правила безопасной эксплуатации электроустановок потребителей".

ОСТ 36.13-90 "Щиты и пульты систем автоматизации технологических процессов".

СНиП 2.04.05-91 "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха".

ДСТУ3215-95 "Метрологічна атестація засобів вимірювальної техніки. Організація та порядок проведення".

ГОСТ 12.1.003-83 "Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности".

ГОСТ 12.2.007-75 "Изделия электротехнические. Общие требования безопасности".

ГОСТ 12997-84 "Изделия ГСП. Общие технические условия".

ГОСТ 34.201-89 "Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем".

ГОСТ 22315-77 "Средства агрегатные информационно-измерительных систем. Общие положения".

ГОСТ 14254 - 80 "Изделия электротехнические. Оболочки. Степени защиты. Обозначения. Методы испытаний".

2. Описание объекта автоматизации и алгоритма его функционирования

Архитектура разрабатываемой системы имеет два уровня: нижний – подсистема управления (датчики, микроконтроллер, исполнительные механизмы и оборудование) и верхний – пост оператора (персональный компьютер). Связь между уровнями осуществляется по интерфейсу RS-485. Реализация алгоритмов управления осуществляется с помощью автоматизированного модуля верхнего уровня, который также отвечает за интерфейс на посту оператора (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Мнемосхема АСУТП

В состав тепличного хозяйства входят следующие основные технологические установки и системы:

-  Кондиционер;

-  Система отопления помещения;

-  Системы мониторинга климатических условий в помещении;

-  Блоки питания для систем мониторинга и контроля;

-  Датчики температуры, влажности;

-  Пульт управления оператора;

-  Фильтр;

-  Насос;

-  Управляющий контроллер;

Полный перечень требований к системе управления и контроля климата в тепличных хозяйствах можно разделить на ряд подгрупп. Среди них:

-  требования к структуре системы;

-  требования к функционированию;

-  требования к численности и квалификации персонала;

-  требования к показателям назначения;

-  требования к надежности;

-  требования к эргономике и технической эстетике;

-  требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению компонентов системы;

-  требования к защите информации от несанкционированного доступа;

-  требования к защите от влияния внешних воздействий;

-  требования по стандартизации и унификации;

Основными являются требования к структуре системы и ее функционированию, которые и будут рассмотрены далее.

Архитектура разрабатываемой системы имеет два уровня: нижний – подсистема управления (датчики, микроконтроллер, исполнительные механизмы и оборудование) и верхний – пост оператора (персональный компьютер). Связь между уровнями осуществляется по интерфейсу RS-485. Реализация алгоритмов управления осуществляется с помощью автоматизированного модуля верхнего уровня, который также отвечает за интерфейс на посту оператора.

3.1 Требования к структуре системы

Автоматизированная система управления и контроля климата в тепличных хозяйствах выполнена на базе микропроцессорной техники.

По иерархическому принципу АСУ ККТХ должна подразделяться на уровни:

нижний уровень:

-  регуляторами форсунок увлажнения, открытия клапана подачи воды, включения и выключения отопительной системы, и кондиционера;

-  датчики температуры воздуха, влажности;

-  устройства световой и звуковой сигнализации несанкционированного проникновения на территорию теплицы;

-  регулирующие и другие исполнительные механизмы;

-  микропроцессорные контроллеры мониторинга и управления регуляторами форсунок увлажнения, открытия клапана подачи воды, включения и выключения отопительной системы и кондиционера.

верхний уровень:

-  операторская станция (рабочее место оператора).

Автоматизированный контроль и управление оборудованием контроля климата в тепличных хозяйствах может осуществляться без постоянного присутствия эксплуатационного персонала в зоне размещения технологического оборудования.

Связь между компонентами системы должна осуществляться по физическим и интерфейсным каналам.

АСУ ККТХ должна быть подключена к гарантированной системе электропитания с использованием агрегатов бесперебойного питания.

Каждая операторская станция должна включать:

ЭВМ стандартной конфигурации:

-  ОЗУ 128 Мб, накопитель на гибких дисках, накопитель на жестком диске емкостью 10-20 Гб;

-  один цветной монитор;

-  технологическую клавиатуру;

-  манипулятор типа "мышь".

Технологическая клавиатура предназначена для оперативного управления процессом и должна иметь набор функциональных клавиш, программно привязанных к видеограммам дисплея и позволяющих однозначно выполнять команды управления технологическим процессом. Клавиатура должна быть удобной и простой в использовании.

3.2 Требования к функционированию системы

АСУ ККТХ должна:

-  обеспечивать эффективную работу технологического оборудования без постоянного присутствия эксплуатационного персонала в зоне размещения оборудования с минимальным количеством ручных операций и безопасными условиями труда;

-  повышение производительности теплицы за счет жесткого автоматического поддержания требуемых параметров микроклимата;

-  обеспечивать высокую надежность автоматического регулирования и управления технологическим процессом за счёт применения современных технических средств и программного обеспечения;

-  обеспечивать обслуживающий персонал своевременной и достоверной информацией о ходе технологического процесса;

-  обеспечение персонала достоверной и своевременной технологической информацией;

-  обеспечивать снижение энергопотребления;

-  обеспечивать световую и звуковую аварийную сигнализацию при несанкционированном проникновении на территорию ВЗУ, в павильоны скважин, а также снятии люков с резервуара.

АСУ ККТХ также должна обеспечивать взаимодействие с:

-  системами сбора и обработки информации - по физическим каналам связи.

-  исполнительными механизмами и агрегатами - по физическим каналам связи;

-  пультом управления оператора – по сети RS-485.

Практически все тепличные хозяйства строятся по единой схеме: теплоизолированное помещение, в котором к нужным значениям с помощью системы обогрева, системы опрыскивания растений, датчиков температуры воздуха и воды (для полива), влажности почвы, и воздуха.

Тепличные хозяйства различаются лишь в зависимости от объекта культивирования.

Т.е. различие системе технического обогрева помещения, системе увлажнения и пр. Сбор информации будет проходить по всем основным ОУ, необходимым для успешного выполнения поставленных задач. По этим параметрам оператор будет принимать решения по управлению.

Эффективность работы АСУ ККТХ в большей степени будет зависеть от того как она будет спроектирована. Тепличное хозяйство будет полностью автоматизировано за исключением случаев либо слишком сильного не предусмотренного воздействия на данную систему, либо при случаях несанкционированного вмешательства в работу системы.

Системы управления ККТХ могут отличаться между собой лишь уровнем автоматизации, т.е. количеством и качеством регулируемых параметров объекта. Схема же систем в большинстве случаев остается постоянной. Это в значительной степени обусловлено радом требований к АСУ ВЗУ со стороны ГОСТов и СПИНов. Среди таких требований можно выделить следующие:

-  Общие положения (СНиП 2.10.04-85);

-  Объемно-планировочные и конструктивные решения (ОНТП-СХ.10-81);

-  Водопровод, водостоки и дренаж (ОНТП-СХ. 10-81);

-  Отопление и вентиляция (СНиП II-33-75);

-  Электротехнические устройства (ОНТП-СХ.10-81).

4.1 Общие положения

Теплицы следует проектировать однопролетными или многопролетными. Тип теплиц для каждой зоны определяется технико-экономическим обоснованием. Парники следует проектировать с односкатным или двускатным покрытием. 

Вспомогательные помещения для работающих в теплицах и парниках следует проектировать в соответствии с требованиями СНиП II-92-76. Геометрические параметры теплиц и парников должны назначаться в соответствии с технологической частью проекта. Теплицы следует проектировать с деревянным или металлическим каркасом в соответствии с требованиями ТП 101-81. Парники необходимо проектировать с деревянным или железобетонным каркасом.

Светопрозрачные ограждения зимних теплиц следует проектировать из стекла или пленки, как правило, двухслойными или однослойными с дополнительной трансформирующейся шторой или теплозащитным экраном, а весенних теплиц - из пленки, снимаемой на зимний период. В стенах теплиц, предназначенных для выращивания рассады, высаживаемой в открытый грунт, необходимо предусматривать вентиляционные проемы.

4.2 Водопровод

Нормы и режим водопотребления, качество и температуру воды для полива и других технологических целей следует принимать в соответствии с требованиями ОНТП-СХ. 10-81.

При проектировании систем водоснабжения теплиц и парников необходимо руководствоваться указаниями СНиП 2.04.01-85 и СНиП 2.04.02-84 с учетом требований настоящего раздела. Для полива в теплицах и для других производственных целей допускается при обосновании подавать воду питьевого качества. Если в сеть производственного водопровода подаются удобрения или другие вещества, он должен присоединяться к хозяйственно-питьевому водопроводу с разрывом струи не менее 50 мм от максимального уровня воды в баке или в резервуаре до низа подающего трубопровода. Предусматривать внутреннее и наружное пожаротушение теплиц и парников не следует. Внутренний водопровод теплиц должен присоединяться к наружному, как правило, одним вводом. Водопровод в теплицах должен быть оборудован форсунками или капельницами для полива почвы, форсунками для увлажнения воздуха, а также кранами для полива, мытья проездов и других технологических целей. В теплицах, предназначенных для выращивания овощей на искусственных субстратах, водопровод должен быть оборудован в соответствии с требованиями технологии. Водопровод парников должен иметь краны для полива.

Постоянный свободный напор воды в трубопроводах у форсунок и капельниц, зоны их действия и другие характеристики, необходимые для проектирования, следует принимать по данным заводов-изготовителей. Краны для полива должны иметь условный диаметр 20 мм. Радиус зоны обслуживания одним краном не должен быть более 45 м.

Внутренние сети водопровода и водостоков теплиц следует проектировать, как правило, из неметаллических труб; гребенки, фасонные части, их соединения и при обосновании магистральные трубопроводы, прокладываемые по коридорам и теплицам, - из металла.

Внутренние сети водопровода и водостоков теплиц допускается прокладывать по поверхности земли и в земле.

Трубопроводы должны иметь устройства для опорожнения.

На вводах в теплицы следует предусматривать установку водомеров. Допускается установка водомеров на группу или блок теплиц.

Запорную арматуру необходимо устанавливать на вводах в теплицы и на ответвлениях от магистральных трубопроводов теплиц и парников.

Управление поливом следует предусматривать, как правило, дистанционным по заданной программе. Категория надежности систем водоснабжения теплиц должна быть не ниже II, парников - не ниже III согласно классификации СНиП 2.04.02-84.

 Многопролетные зимние теплицы следует проектировать, как правило, с внутренними водостоками для отвода атмосферных осадков из лотков покрытия. Многопролетные весенние и однопролетные весенние и зимние теплицы необходимо проектировать без внутренних водостоков.

Расчетные расходы дождевых вод при гидравлическом расчете лотков на кровлях теплиц и сетей внутренних водостоков следует определять по методу предельных интенсивностей. При этом период однократного превышения интенсивности дождя в расчетах внутренних водостоков необходимо принимать, как правило, равным 0,5 года.

В зависимости от гидрогеологических условий площадки строительства необходимо предусматривать закрытый дренаж в зимних грунтовых теплицах и в рассадных отделениях весенних теплиц.

Расстояние от проектной отметки поверхности почвы до верха дренажа должно быть не менее 0,7 м. Устройство дренажа в парниках не допускается.

Дренаж должен обеспечивать оптимальный воздушно-влажностный режим корнеобитаемого слоя, своевременное отведение дренажных стоков согласно требованиям ОНТП-СХ.10-81, а также предотвращение загрязнения грунтовых вод пестицидами и минеральными удобрениями.

4.3 Отопление и вентиляция

Отопление и вентиляцию теплиц и парников следует проектировать в соответствии с указаниями СНиП II-33-75 и с учетом норм настоящего раздела.

Отопление и вентиляция теплиц и парников совместно с другими системами должны обеспечивать в них параметры микроклимата (температуру воздуха и почвы, относительную влажность и скорость движения внутреннего воздуха), установленные требованиями ОНТП-СХ.10-81. Теплицы должны быть оборудованы системой вентиляции. Необходимость устройства системы отопления теплиц и парников, а также ее мощность следует определять расчетом. Теплоснабжение теплиц и парников должно осуществляться за счет вторичных энергоресурсов, тепла геотермальных вод, при отсутствии указанных источников - от ТЭС, АЭС и ТЭЦ или собственных источников тепла.

При использовании для отопления теплиц вторичных энергоресурсов допускается применять схемы теплоснабжения с использованием пиковой котельной. Расчетные параметры внутреннего воздуха и температуру почвы теплиц следует принимать в соответствии с требованиями ОНТП-СХ.10-81. Расчетные параметры наружного воздуха следует принимать согласно СНиП 2.01.01-82:

а) в холодный период года для зимних теплиц - среднюю температуру наиболее холодных суток с обеспеченностью 0,92, среднюю относительную влажность наиболее холодного месяца и среднюю скорость ветра за январь; для весенних теплиц - среднюю температуру наиболее холодного месяца за период эксплуатации, сниженную на половину максимальной суточной амплитуды температуры воздуха, среднюю относительную влажность и среднюю скорость ветра в этом месяце;

б) в теплый период года (для всех теплиц) - среднюю температуру и среднюю относительную влажность самого жаркого месяца, среднюю скорость ветра за июль.

Отопление и вентиляцию теплиц и парников следует проектировать с учетом поступлений тепла, аккумулированного почвой в дневное время (холодный период года) и от солнечной радиации (теплый период года).

При расчете водяного отопления необходимо учитывать лучистую составляющую теплоотдачи нагревательными приборами (трубами) и изменение теплоотдачи по их длине.

В зимних теплицах следует предусматривать водяное отопление или водяное в сочетании с воздушным (комбинированное отопление) и водяной обогрев почвы. Комбинированную систему отопления необходимо предусматривать, как правило, в зонах с наружной температурой наиболее холодных суток минус 20 °С и ниже, в остальных районах ее применение должно быть обосновано. Тепловую мощность воздушного обогрева в системе комбинированного отопления следует принимать в однопролетных теплицах равной 35-50%, в многопролетных - 20-40 % общего расхода тепла в расчетный период.

Проемы для естественной вентиляции (притока и удаления воздуха) в многопролетных теплицах шириной свыше 25 м следует располагать в покрытии - вдоль коньков, во всех однопролетных и многопролетных шириной менее 25 м - в наружных стенах (для притока) и в покрытии (для удаления). Открывание и закрывание вентиляционных проемов должно быть механизировано. В теплицах с воздушным отоплением необходимо предусматривать использование вентиляторов отопления для вентиляции в теплый период года. Вентиляция парников осуществляется подниманием (открыванием) парниковых рам или покрытия из пленки. В однопролетных теплицах площади приточных и вытяжных проемов для естественной вентиляции следует определять расчетом. В многопролетных теплицах, предназначенных для выращивания овощей, общую площадь проемов для естественной вентиляции необходимо принимать: в районах севернее 60° с. ш. - не менее 10%, в остальных районах - не менее 20 % общей поверхности ограждения теплиц. В многопролетных теплицах, предназначенных для выращивания рассады (высаживаемой в открытый грунт), общую площадь проемов для естественной вентиляции следует принимать в соответствии с требованиями технологии.

4.4 Электротехнические устройства

Электротехнические устройства следует проектировать в соответствии с правилами устройства электроустановок (ПУЭ) Минэнерго СССР. Категории электроприемников по обеспечению надежности электроснабжения теплиц и парников необходимо принимать в соответствии с требованиями ОНТП-СХ.10-81. В проездах теплиц и коридорах следует предусматривать искусственное освещение преимущественно люминесцентными лампами; освещенность на уровне пола должна быть не более 10 лк. Облучение растений должно осуществляться высокоэффективными облучательными устройствами в соответствии с требованиями ОНТП-СХ.10-81. Расстояние между облучательными устройствами и высота их подвески должны определяться расчетом. Прокладку распределительных сетей в теплицах из кабелей и проводов в пластмассовых трубах следует выполнять открыто на лотках.

5.1 Оснащение тепличного хозяйства

Для обеспечения выполнения требований технического задания, предлагается обеспечить надежное централизованное управление при помощи датчиков которые связаны напрямую с промышленным контроллером и элементы регулирования.

Измерение температуры воздуха будет осуществляться с помощью датчиков KTY-81-210. Датчики помещаются в специальный освинцованный пластиковый корпус. Данные датчики имеют небольшой уровень погрешности и подходят для данного проекта. Измерение температуры воды в резервуаре будет осуществляться с помощью датчиков numerix ETF-01. Погружные датчики температуры устанавливаются непосредственно в трубопровод для измерения температуры воды (или другого теплоносителя) в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Сигналы с датчиков уровня воды, температур воздуха и воды, влажности почвы и воздуха, расхода воды, а также уровня воды резервуаре поступают на промышленный микроконтроллер Modicon 984 – 685 модуль. Питание датчиков обеспечивается дополнительным блоком питания.

Измерение влажности воздуха будет осуществляться с помощью датчиков Honeywell HIH-3602. Датчики осуществляют непрерывные круглосуточные измерения относительной влажности воздуха и поддержание заданных режимов.

Измерение влажности почвы будет осуществляться с помощью датчиков Gardena. Требуемая влажность задается с помощью вращающегося регулятора. Индикация актуального значения влажности почвы. Укомплектован соединительным кабелем 5 м со штекером.

Для регулирования влажности воздуха и почвы используются спринклеры. Для поддержания нормального температурного режима используется центральное водное отопление.

5.2 Оборудование тепличного хозяйства

В электрощитовом зале насосной станции второго подъема будет установлен шкаф с оборудованием, отвечающим за управление частотными регуляторами, измерение расхода и давления воды на выходе насосной станции, измерение уровня воды в резервуаре, а также за включение/отключение и измерение токов пожарных насосов.

Для управления влажностью и температурой применяются спринклеры (4191 компании JHi I.S) для опрыскивания почвы и воздуха, а также водяная система отопления (подача нагретой воды с котельной).

В качестве датчика влажности воздуха используется датчик HIH-3602-L фирмы Honeywell.

Датчик ДРК-4 предназначен для измерения расхода и объема воды в трубопроводах.

Выходные сигналы с датчиков уровня, давления и тока поступают на промышленный контроллер Modicon 984 – 685.

Оборудование смонтировано в шкафу Schroff размером 600 - 600 – 320 /1/.

5.3 Центральный пост оператора

Центральный пост оператора - комплекс технических средств, находящийся в операторской комнате. Он включает в себя шкаф с оборудованием, монитор и консоль управления.

В качестве управляющего в системе используется промышленный компьютер, имеющий в своем составе корпус РАС-40Н с пассивной объединительной платой, процессорную плату РСА-6154 с флэш-диском DiskOnChip, 32 Мбайт ОЗУ и процессором Pentium 150 МГц.

В шкафу монтируются промышленный компьютер с коммуникационными платами, устройство бесперебойного питания.

Электрощитовая связана с центральным постом оператора каналом RS-485.

Исходя из технического задания можно выделить следующие основные виды обеспечения разрабатываемой АСУ:

-  математическое;

-  информационное;

-  обеспечение сохранности информации;

-  программное;

-  техническое;

Далее будут рассмотрены математическое и информационное, т.к. в проекте они практически явно не выражены.

6.1 Математическое обеспечение

Математическое обеспечение микропроцессорного контроллера должно обеспечивать выполнение следующих функций первичной обработки аналоговых сигналов:

-  расчет действительных значений;

-  фильтрация сигналов (усреднение);

-  сравнение с уставками (технологические границы);

-  формирование дискретных сигналов нарушений;

-  формирование массива текущих значений параметров.

Первые два пункта обеспечиваются модулями аналоговых входов управляющих контроллеров. Последние – самими контроллерами, в соответствии с записанной рабочей программой.

Математическое обеспечение микропроцессорных контроллеров, кроме функций по обработке текущей информации, выполняет также управляющие и противоаварийные функции, в состав которых входят:

-  автоматический программный пуск оборудования;

-  автоматическое регулирование технологических параметров;

-  дистанционное управление регулирующим оборудованием.

Настройка систем регулирования производится заданием соответствующих коэффициентов.

Математическое обеспечение, кроме указанных задач, обеспечивает выполнение основных функций АСУ ККТХ, функций хранения и представления информации. Для этого реализуются алгоритмы:

-  функционирования АСУ ККТХ;

-  автоматического пуска оборудования ТХ;

-  автоматического управления спринклерами;

-  автоматического управления подачей воды в резервуар;

-  создания базы данных о технологическом процессе;

-  сбора и первичной обработки аналоговой информации;

-  усреднения и интегрирования параметров;

-  технологического контроля;

-  учета состояния оборудования;

-  отображения информации оператору-технологу;

-  опроса микропроцессорных контроллеров;

-  выдачи заданий микропроцессорному контроллеру;

-  диагностики микропроцессорных контроллеров.

6.2 Информационное обеспечение

База данных АСУ ККТХ формируется путем заполнения стандартных форм на экране видеотерминала на основании перечня каналов контроля и регулирования. Вызов форм осуществляется при помощи системы вложенных меню. Меню обеспечивает:

-  описание системы;

-  описание контроллера;

-  описание системы отображения;

-  описание аналоговых сигналов;

-  описание протоколирования;

-  описание подсистемы оповещения и сигнализации.

Описание аналоговых сигналов должно определять подключение сигнала в системе, параметры обработки сигнала, признаки усреднения, включения значений параметра в рапорт-отчет, формирования истории параметров контура на указываемом временном интервале, контроля на достоверность.

Страницы: 1, 2, 3, 4