Система автоматики на базе приборов ОВЕН в те… - АиП

Овощи - круглый год

Система микроклимата теплицыВыращивание в промышленных масштабах тепличной сельхозпро­дукции в условиях искусственного климата представляет собой непро­стую технологическую задачу. На урожайность и качество продукции влияет множество факторов. Это температурный режим, освещение, полив, распыление химических реа­гентов, проветривание. Температур­ный режим, в свою очередь, помимо погодных условий зависит от темпе­ратуры и давления теплоносителей, исправности исполнительных меха­низмов и трубопроводов. 

Отопление теплиц в условиях российского климата - дело не де­шевое - энергозатраты на содержа­ние в зимний период значительно превышают затраты на отопление жилых зданий. Поэтому при построй­ке теплиц весьма актуальны проек­тировочные решения, позволяющие снизить энергопотребление. В этом вопросе основное место отводится современному автоматическому обо­рудованию. Для создания оптималь­ных условий выращивания овощей круглый год в тепличном комбинате «Нефтекамский» была разработана и внедрена в эксплуатацию система автоматизированного регулирования микроклимата теплицы (САР МТ). 

Тепло, как летом 

Оборудование для отопления теп­лицы включает в себя систему по­догрева воздуха и грунта. Прогрев почвы сельскохозяйственных культур уменьшает срок вегетации растений за счет равномерного развития кор­невой системы (в среднем на две-три недели) и повышает урожайность (на 35-45 %). Сейчас самыми распростра­ненными являются водяные системы, которые обеспечивают равномерное распределение тепла, что положитель­но сказывается на росте растений. Схема проста - теплоноситель (вода) нагревается в отопительном котле и с помощью циркуляционного насоса прокачивается по системе трубопро­водов через трубные радиаторы, от­давая тепло воздуху и почве. Для на­иболее эффективного обогрева всего объема теплицы стальные трубы могут быть размещены в нескольких ярусах. В нефтекамских теплицах - два яру­са. Нижний - для прогрева грунта - расположен на уровне почвы между рядами растений (шаг укладки труб определяется теплотехническим рас­четом и составляет 20-30 см). Верх­ний - под покрытием. Важно, чтобы была возможность раздельной ре­гуляции отопительных приборов в разных ярусах. Температура тепло­носителя в системе подогрева грунта составляет около 40 °С (чтобы не пе­ресушить корневую систему).

Возможности регулировки 

Обеспечить теплицу теплом - это полдела - его еще нужно точно до­зировать. Температура внутреннего воздуха в теплице должна изменять­ся в зависимости от культурооборота и вида овощей, а для одних и тех же овощей - в процессе роста и созрева­ния в зависимости от времени суток. Для огурцов, например, температура воздУха в ночное время (около 18 °С) должна быть ниже, чем в дневное вре­мя (около 22 °С). Температура корне­обитаемого слоя почвы должна рав­няться температуре воздуха (или быть несколько выше). 

Контролирование микроклимата наиболее эффективно с использова­нием электронных устройств, обеспе­чивающих управление температурой. Регуляция осуществляется нескольки­ми способами - например, автомати­ческим открытием фрамуг, закрытием термостатов, снижением скорости ра­боты циркуляционных насосов. 

С внедрением автоматизирован­ной системы на комбинате «Нефте­камский» была проведена работа по разделению контуров обогрева на нижний и верхний. В качестве регули­рующих органов были использованы имеющиеся трехходовые регулирую­щие клапаны. Для создания однород­ного температурного поля в каждом контуре обогрева установлены цир­куляционные насосы ТР100 фирмы GRUNDFOS.

Схема системы управления климатом теплицы
Рис.1.

 

Распределенная система управления 

Распределенная система управле­ния представляет собой двухуровне­вую сетевую структуру. Структурная схема САР МТ представлена на рис. 1. Первый уровень объединяет прораммируемые контроллеры ОВЕН ПЛК100 (по одному на каждую тепли­цу) с контроллером верхнего уровня (ПЛ К100}, операторской станцией и модулями дискретного ввода/вы­вода ОВЕН МДВВ по сети Etherпet. К процессорным модулям можно под­ключать различные внешние пери­ферийные устройства по последова­тельному интерфейсу RS-485/RS-232. Подобная структура обеспечивает большие коммуникационные возмож­ности, позволяющие с помощью стан­дартных интерфейсов и протоколов подключиться к управляющему уст­ройству верхнего уровня. 

Второй уровень АСУ реализован на основе модулей ввода/вывода ОВЕН МВА8, операторской панели ОВЕН ИПЗ20, датчиков температуры, дру­гих устройств и интерфейса RS-485/ RS-232. Полевая сеть построена с не­сколькими линиями передачи данных.

Операторская станция получа­ет данные с контроллеров по сети Etherпet для ведения журнала собы­тий с регистрацией реального вре­мени, сбоях и нештатных ситуациях. На компьютере отображаются все контролируемые параметры теплицы, задаются новые уставки для регулято­ров и фрамуг. В качестве ОРС-клиента используется SСАDА-система. В рам­ках системы выполнены все задачи по архивации, сигнализации, протоколи­рованию и организации человеко-ма­шинного интерфейса. 

Для обмена данными между кон­троллерами удобным оказался ме­ханизм сетевых переменных, благо­даря которым оператор, находясь в удаленной теплице, может видеть на панели оператора (ИПЗ20} темпера­туру и влажность наружного воздуха, направление и скорость ветра. Датчи­ки, измеряющие эти физические ве­личины, подключены к ПЛК верхнего уровня и доступны всем контроллерам первого уровня посредством простого и быстрого доступа к сетевым пере­менным. 

Контроллер верхнего уровня обес­печивает работу всего тепличного ком­бината (без учета особенностей каж­дой теплицы): регулирует температуру и влажность с учетом состояния наруж­ного воздуха, скорости и направления ветра, а также контролирует температу­ру и давление теплоносителя на входе и выходе. 

В контроллерах теплицы решают­ся задачи автоматического регулиро­вания температуры по двум контурам обогрева, управления циркуляцион­ными насосами и приводами фрамуг, включением/выключением освещения. В теплице применяется двойная регулировка: один термостат установлен на поверхности пола, второй - в вер­хней точке, под коньком крыши. Щит управления со встроенными ПЛК100 и панелью оператора ИПЗ20 находится в непосредственной близости от вхо­да в теплицу. 

Ввод аналоговых сигналов темпе­ратуры, влажности, указателей положе­ния регулирующих клапанов и фрамуг осуществлялся с помощью модулей МВА8. Для ввода сигналов состояния оборудования и вывода управляющих сигналов используются каналы конт­роллера ПЛК100, а также каналы моду­ля МДВВ. Удобной оказалась и панель оператора ИПЗ20. В результате приоб­ретенного опыта ее эксплуатации при­шло решение продублировать на ней все функции местного управления, ре­ализованные с помощью традиционных кнопочных постов. 

Развитие проекта носит эволюционный характер 

В настоящее время отработаны ба­зовые схемы, обеспечивающие хорошее качество, быстродействие и надеж­ность автоматизированной системы. В дальнейшем алгоритмы и решения будут усложняться для повышения ка­чественных показателей САР МТ. Эта задача решаема - потенциал, заложен­ный в оборудовании ОВЕН, позволяет на это рассчитывать. Сейчас, например, решается проблема тепловой инерци­онности теплицы, создаваемой из-за неравномерности температурного поля, зависящего от направления и скорости ветра. Для этого к существующей систе­ме двухконтурного обогрева необходи­мо будет добавить регулируемые тепло­вые контуры боковины и торца теплицы. 

Отдельная задача - это контроль работы привода фрамуг, которые являются важной и ответственной частью тепличного хозяйства. Ме­ханизм привода представляет собой распределенную кинематическую схе­му, состоящую из электроприводов, валов, редукторов, реечных механиз­мов. При наличии множества механи­ческих сочленений, рассредоточенных под поверхностью прозрачного шатра теплицы, в них нередко появляются повреждения. Из-за этого возникают проблемы автоматического управле­ния. А иметь достоверную информа­цию работы всех элементов привода фрамуг очень важно. 

Заключение 

На комбинате «Нефтекамский» с минимальными затратами была созда­на простая в эксплуатации, надежная, с хорошими рабочими характеристи­ками система. Анализируя данные, автоматика устанавливает такой кли­мат в теплицах, что смена погоды не оказывает негативного воздействия на растения. Система позволяет сни­зить издержки при выращивании овощей, экономить энергоресурсы, минимизировать влияние человечес­кого фактора.