В статье обобщен опыт создания систем контроля и управления микроклиматом в ангарных теплицах. Дана характеристика ангарных и блочных теплиц с точки зрения управления микроклиматом, а также показаны их отличительные особенности. Приведены примеры способов управления климатом. Даны практические рекомендации по проектированию и подбору оборудования, программного обеспечения
Основные требования к системам АСУ
Основные типы промышленных сооружений защищенного грунта – ангарные и блочные теплицы. Блочные теплицы – это капитальные сооружения, ангарные теплицы могут быть как сезонными (временными), так и капитальными. Сезонные теплицы оборудуются различными устройствами для поддержания температуры – теплогенераторами, калориферами, фрамугами, форточками. Механизация процессов в них находится на низком уровне. Теплицы в капитальном испол нении в этом смысле обустроены более основательно. Устройства электрифицированы и практически все автоматизированы. В последние годы ведется активная работа по замене устаревших автоматических средств управления, на рынке услуг появляются разнообразные предложения по их реконструкции. Однако разработчики большинства предлагаемых проектов не имеют достаточного опыта в создании средств автоматизации тепличного производства. Перенос принципов управления, работающих в других отраслях промышленности, в тепличное овощеводство не только не корректен, но в ряде случаев бесполезен из за особенностей объекта регулирования. Современные теплицы, как правило, имеют следующее оборудование для управления микроклиматом: контуры отопления (шатровый, надпочвенный, под лотковый, подпочвенный), систему «растущих» труб; теплокалориферы; циркуляционные вентиляторы; форточную вентиляцию – боковую и шатровую; теплозащит ные и отражающие экраны, испарительное охлаждение. Все это оборудование должно быть объединено в единую систему управления с возможностью применения различной тактики. Например, в межсезонье, когда теплицы пусты и идет подготовка к новому обороту, целесообразным будет режим энергосбережения, то есть максимальная экономия энергоресурсов при условии продолжения работы систем теплоснабжения. В начальный период вегетации, когда закладывается будущий урожай, необходимо поддержание режимов микроклимата с максимально возможной точностью. В весенний и летний периоды при высокой инсоляции важно защитить растения от солнца, а теплицу от поступления излишков тепловой энергии извне, но в то же время обеспечить необходимый градиент температур в объеме теплицы. В период вегетации растений требуется соблюдение влажностного режима, что достигается путем увлажнения, а также манипуляциями устройствами форточной вентиляции и рециркуляционными вентиляторами. Рост растений сопровождается воздействием системы «растущих труб», обеспечивающей необходимые условия для перемещения ассимилятов в растении. По технологическим показаниям может потребоваться обеспечение заданного температурновлажностного режима у точки роста главного побега растений. В грунтовых теплицах иногда требуется устанавливать режим сушки грунта с помощью активной циркуляции воздуха для борьбы с заболачиванием и образованием мхов. Применения только вентиляторов зачастую недостаточно, используется также надпочвенный контур обогрева и форточная вентиляция. Совсем недавно разработана методика так называемого режима суточной интегрированной температуры, применение которой, кроме всего прочего, дает возможность экономии энергоресурсов. Особенностью этого метода является задание в теплице пониженных ночных температур при естественном повышении дневной температуры за счет солнечной радиации, но с соблюдением допустимой разницы между дневной и ночной температурой. В результате этого растение развивается под влиянием некоторой среднесуточной температуры. Температурная интеграция основывается на способности растения за счет саморегуляции компенсировать влияние слишком высоких или относительно низких температур, так что в итоге его рост и развитие зависит от средней температуры. Таким образом, основное качество системы управления – ее гибкость, необходимая для реализации указанных режимов работы или их комбинации.
Отличия систем управления в ангарных и блочных теплицах
Разработкой систем управления микроклиматом теплиц в России занимаются несколько фирм: это НПФ «Паблис», имеющая наибольший опыт в разработке систем для ангарных теплиц, НПФ «Фито», НПО «Системотехника» и НПО «Автоматика», специализирующиеся в основном на системах для блочных теплиц. Конструктивные различия блочных и ангарных теплиц вызывают необходимость создавать индивидуальные системы для их автоматизации. Теплицы различны по инерционности, количеству отделений регулирования, количеству контуров управления, схемам теплоснабжения. Ангарные теплицы дополнительно оборудованы теплокалориферами. При разработке систем управления часто требуется переделка схем теплоснабжения, но это дорогостоящая процедура, поэтому системы управления приходится адаптировать под существующие схемы. Теплоснабжение блочных теплиц изначально проектировалось по многоконтурной схеме (3 4 и более контура на теплицу), ангарные теплицы спроектированы по одноконтурной схеме. Много контурность блочных теплиц позволяет создавать более эффективные системы АСУ. В некоторых хозяйствах с ангарными теплицами были проведены работы по разделению контуров отопления те лиц на два типа – шатровый и надпочвенный, поскольку это является условием успешной автоматизации. Кроме этого ангарные теплицы оснащены трубопроводами подпочвенного отопления. При массовом переходе тепличного производства на малообъемные технологии существующее подпочвенное отопление было ликвидировано, и как впоследствии оказалась, напрасно. В настоящее время идет его восстановление в виде подконтейнерного отопления с небольшим заглублением (до 50 мм), или в другом случае труба отопления ПВХ 25 мм укладывается непосредственно на защитную пленку под контейнером с растением. В процессе внедрения программного обеспечения оказалось, что регуляторы блочных теплиц не работают в ангарных теплицах и наоборот. Разница в инерционности теплиц нарушает нормальную работу автоматики, регуляторы не справляются с возмущающим воздействием внешних факторов. Это частично вызвано недостатками проектирования ангарных теплиц, где технологические зазоры в конструкциях недопустимо велики. Без дополнительных работ по уплотнению зазоров автоматику применять нецелесообразно, ожидаемые результаты от ее работы не будут достигнуты. Невозможность использования систем АСУ блочных теплиц для ангарных обусловлена и тем, что на площади одной блочной теплицы могут разместиться 4 6 ангарных. Расчеты показывают, что в случае простого заимствования автоматики блочных теплиц для ангарных теплиц система автоматики для одного блока в них будет в 5 раз дороже. В автоматике блочных теплиц часто используется контроль состояния исполнительных устройств через датчики положения, в ангарных теплицах такая цель не ставится из за большого количества механизмов, для чего создается комплекс программных средств, измерительных и управляющих приборов, которые посредством специальных коммутаторов контролируют все оборудование блока теплиц. Преимуществом этого приема является еще и экономия кабеля: один кабельный шлейф передает необходимые управляющие сигналы на все отделения регулирования. Для качественной работы автоматики необходимо провести некоторую доработку систем теплоснабжения. В теплице на каждый контур отопления устанавливаются трехходовой регулирующий клапан и циркуляционный насос. Регулирующие клапаны старой конструкции – трехходовые – применять нельзя. Примерами подходящей качественной запорной аппаратуры могут служить клапаны HFE производства Danfoss (Дания) и 3F производства ESBE (Швеция). Практический опыт применения систем управления в блочных и ангарных теплицах выявил проблему зависимости качества работы систем управления микроклиматом от перепада давления между подающей и обратной теплосетью. Особенно это проявляется на блоках ангарных теплиц с двухходовыми клапанами в качестве регулирующих. Для устранения этой проблемы желательно предусмотреть регулятор перепада давления на входе тепличного блока. Там, где существует еще и естественный перепад высот на местности по расположению тепличных блоков, особенно важно учесть эту рекомендацию. Проблема перепада высот отсутствует, когда используют встроенные котельные. В настоящее время внедряются также системы АСУ с использованием двухходовых клапанов, в этом случае особенно важно доработать систему теплоснабжения. Целесообразна также доработка калориферов с целью увеличения пропускной способности теплоноства исполнительных устройств. Вывод один – нужна доработка автоматических средств управления для ангарных теплиц с учетом их особенностей. Разработчики АСУ для ангарных теплиц в большинстве случаев применяют так называемый способ обегания. Назначение калориферов в ангарных теплицах – снизить до 50% тепловую мощность с теплоносителя, поступающего в трубное отопление. Трубное отопление в данном случае выполняет функции поддержания достигнутого значения температуры в теплице. При этом охлажденный теплоноситель будет иметь достаточно энергии и не превысит температурную норму в теплице. В системах с двухходовыми клапанами есть положительный опыт применения одного смесительного клапана диаметром 150 мм с насосом мощностью 10 кВт, рассчитанных на весь блок ангарных теплиц для над почвенного контура отопления. При его использовании сокращают 10 узлов смешивания внутри теплиц.
Принципы управления микроклиматом в ангарных теплицах
Рассмотрим пример реализации системы АСУ для блока ангарных теплиц. На первом этапе проводится измерение параметров микроклимата, тепловых сетей, наружного воздуха, выполняются необходимые расчеты параметров для программных регуляторов. Полученные коэффициенты передаются в контроллеры управления. Управление замкнутыми контурами регулирования, примером которых служит регулирование температуры теплоносителя, не представляет сложности. Здесь применяют классический ПИД-регулятор. Под управлением ПИД-регуляторов находятся общеблочные магистрали и контуры над почвенного отопления внутри теплиц. Основная функция надпочвенного контура – поддержание температуры в нижней зоне растений в ограниченном диапазоне, его работа находится под контролем оперативных ограничений технологов. Управление фрамугами и калориферами осуществляют П-регуляторы. Практика применения ПИД-регуляторов для этой цели не оправдала себя по причине из лишнего расходования электроэнергии, повышенной выработки ресурса электродвигателей и высокого уровня шума, поэтому впоследствии они были преобразованы в П-регуляторы. С целью оценки качества изготовления и реального состояния кинематики форточек, экономии электроэнергии применяются рассчитанные экспериментальным путем коэффициенты, оптимизирующие время и количество срабатываний форточных устройств. В ангарной теплице наиболее сложен шатровый контур регулирования. Его управление осуществляется исходя из показателей температуры наружного воздуха, солнечной радиации, наличия осадков и микроклимата теплицы. Алгоритм управления всех контуров в качестве одного из компонентов содержит переменные параметры – температуру и влажность воздуха. В процессе работы регулятора этот компонент может стать приоритетным в случае существенного отклонения основного параметра от нормы. Кроме этого, контуры регулирования могут быть ведомыми или ведущими. Подчиненные контуры обязаны выполнять требования ведущего, естественно, в разумных пределах и при условии выполнения своей основной задачи. Математическое обеспечение системы управления производит упреждающее воздействие на контуры регулирования при изменениях метеообстановки (изменения поступления солнечной радиации, выпадения осадков). В случае потери контроля за микроклиматом в летний период автоматика отключает питание циркуляционных насосов с целью экономии электроэнергии. Исчерпав свои возможности, автоматика управления должна подать сигнал оперативному персоналу. Для этой цели все чаще используются GSM модемы для дистанционного оповещения об авариях.
Критерии выбора систем управления микроклиматом
Основой качества поддержания микроклимата является точность измерения физических параметров и в первую очередь температуры воздуха. Если с измерением температуры теплоносителя проблем не возникает, то к измерению температуры воздуха надо подойти с особой требовательностью. Широко распространенные термосопротивления не годятся для этого из за их конструкции. Датчики типа ТСМ и ТСП представляют собой толстостенную гильзу из нержавеющей стали с заключенной внутри катушкой медной проволоки и заполненной кварцевым песком. Вся конструкция имеет значительную тепловую инерционность. Транспортное запаздывание управляющего воздействия за счет датчика варьирует от нескольких минут до десятков минут. Для измерения температуры следует применять специальные датчики. Кроме этого, следует обратить внимание на оформление конструктива датчика. Корпус должен защищать датчик от прямого воздействия солнечных лучей и в то же время не должен создавать вокруг него застойной зоны. Для этих целей, как правило, применяется цилиндрический контейнер, оснащенный циркуляционным вентилятором. В составе автоматики управления микроклиматом в теплицах можно использовать особый датчик температуры кровли, представляющий собой медное термосопротивление, залитое жидким стеклом и крепящееся с внутренней стороны кровельного стекла. Назначение датчика – контроль за температурой кровли под влиянием солнечного излучения и осадков (как известно, через кровлю проходит основная масса тепловой энергии теплицы). Следующее требование относится к измерительному прибору и схеме соединения с ним датчика. В настоящее время четырех проводная схема соединения является обязательной. Следует применять приборы промышленного производства с соответствующей сертификацией и классом точности не менее 0,25. Прибор калибруется совместно с датчиком температуры. Следует иметь в виду, что ошибка в измерении температуры в 2,5 °С ведет к изменению теплопотребления до 10%, а ошибка измерения наружного воздуха такой же результат дает при изменении температуры на 1 °С. Измерение влажности воздуха в теплице имеет свои нюансы. За недолгую историю автоматизации тепличного производства было опробовано множество способов измерения влажности. Самыми дешевыми и распространенными были кондуктометрические датчики, но они же имели и самую низкую точность. Пьезоэлектрические датчики, показания которых зависят от чистоты окружающего воздуха, имеют особые требования к обслуживанию, поэтому не получили массового применения. Хорошие результаты дают инфракрасные датчики, но они дороги. Лучшее соотношение цена/качество остается за ультразвуковыми датчиками. Наиболее популярны гигрометры с двумя термосопротивлениями – сухим и влажным. Там, где есть возможность организовать регулярную заправку датчика дистиллированной водой, целесообразно применять именно их. Конструктив с датчиками температуры необходимо размещать в верхней трети растения (зоне роста), по одному на секцию. Следует уделять внимание формированию температурного поля. Желательно, чтобы разница температур по горизонтали на площади теплицы была не более 1 °С, здесь помогут тихоходные рециркуляционные вентиляторы (мощностью до 400 Вт с рабочим колесом 500 мм). На площади теплицы 0,5 га достаточно установить восемь таких вентиляторов, но не менее четырех на одно отделение регулирования. Не стоит устанавливать мощные вентиляторы, поскольку при их работе значительно повышается скорость движения воздуха в теплице, и, соответственно, возрастают потери тепла из за интенсивности теплообмена через стеклянное покрытие теплицы. При скорости воздуха около кровли более 1 м/с расход тепла увеличивается на 1%, а расход электроэнергии на 7%. Для защиты растений от солнечной радиации и в целом теплицы от потери тепла применяют защитные экраны. Для перемещения экранов чаще используется реечная передача с приводом от мотор редуктора, например, производства фирмы Ridder, RW605 110/400 450 со скоростью перемещения около 0,5 1,0 м/мин. С функциональным назначением экранов необходимо определиться на этапе проектирования. Экраны изготавливаются с различными коэффициентами теплоизоляции и светоотражения. Необходимо решить, какой из способов применения экрана более предпочтителен – для экономии тепла или защиты от солнца. Один из способов применения экрана – неполное открытие, то есть когда его прозрачность недостаточна велика. Солнце в процессе движения по небосводу перемещает полосу затенения. Используя экран, надо иметь в виду, что наиболее оптимальная внешняя радиация составляет около 200 Вт/м2 . Этим показателем необходимо руководствоваться при подборе прозрачности экрана. Задачу поддержания концентрации углекислого газа в воздухе теплицы можно решить независимо от управления микроклиматом, если это не связано с выработкой дополнительного тепла. Для измерения содержания углекислого газа используется два способа: с помощью установленного датчика в теплице или путем взятия пробы и доставки ее из теплицы к прибору. Первый способ можно реализовать с помощью ГИАМ 15 («Аналитприбор», г. Смоленск), второй способ – с помощью приборов фирмы Siemens (Нидерланды) или Гамма 100 (ОАО «Практик НЦ», г. Москва).
Недостаток первого способа заключается в необходимости прокладки кабельных линий, регулярного обслуживания датчика, периодической поверки, очистки его от пыльцы растений. Для использования второго способа необходимо изготовление клапанной станции для забора углекислого газа из теплицы и прокладки полиэтиленовых 4 миллиметровых трубок. Второй способ, на наш взгляд, более удобен для последующей эксплуатации. Все приборы имеют нормированный токовый выход для включения в систему автоматики. Для забора и транспортировки газа из теплицы возможно применение микрокомпрессоров МКМ 7 производства ОАО «Практик НЦ». Трубка в теплице обязательно должна быть непрозрачной и защищенной фильтром, например, таким, как широко распространенный фильтр очистки топлива для легковых автомобилей. Наиболее удобен и эффективен способ подачи газа к растениям через полиэтиленовые рукава, разложенные на полу теплицы. Производительность установки для подачи газа в настоящее время должна быть не менее 120 140 м3 /га, чтобы обеспечивать содержание углекислого газа в не вентилируемой теплице 0,1% (1000 ррм). Для учета метеорологических данных при управлении микроклиматом необходима метеостанция. Полноценные метеостанции для технологических применений в настоящее время приобрести сложно. Отечественная промышленность выпускает приборы с неполным набором датчиков для контроля среды, и, как правило них отсутствуют указатель направления ветра, датчик осадков и соляриметр (люксметр). К импортным станциям доступ ограничен, они изготавливаются по специальным заказам. Основой системы управления является центральное процессорное устройство (компьютер, контроллер). В настоящее время сложились три подхода к созданию системы для управления микроклиматом:
➢ Двухуровневая система. Автоматика первого уровня в автономном режиме управляет отделением регулирования, предоставляет возможность ввода заданий, параметров настройки регуляторов, вывода информации на дисплей контроллера. Автоматика второго уровня управляет технологическими системами блока теплиц, получает информацию о состоянии климата за пределами теплиц и осуществляет корректирующее воздействие на локальные контроллеры автоматики первого уровня. На основании сведений, передаваемых от локальных контроллеров, предоставляет оперативному персоналу информацию о состоянии обьекта в удобном для восприятия и анализа виде.
➢ Распределенная система. Процесс управления разделен на систему принятия решения и исполнительную систему. Каждое отделение регулирования имеет собственный локальный регулятор, выполняющий полученную от центрального контроллера инструкцию. Центральный контроллер получает информацию о состоянии объекта, принимает управляющее решение на основании имеющихся установок актуальной математической модели управления, архивирует необходимую информацию в базе данных. Предоставляет оператору возможность мониторинга процессов регулирования.
➢ Моноконтроллерная система. Центральный контроллер собственными средствами выполняет весь комплекс мероприятий по обработке информации, принятию решений, управляющих воздействий. К контроллеру подключают персональный компьютер (РС) для визуализации информации и предоставления интерфейса связи оператора с аппаратурой управления. В 90-х годах было популярно использовать РС для непосредственного управления микроклиматом. В то время он был самым удобным средством для создания систем АСУ. Опыт работы с РС показал, что персональный компьютер не совсем подходит для технологического применения. Персональные компьютеры не приспособлены для длительной, бесперебойной работы. Файловая система организации хранения информации является причиной подавляющего большинства сбоев в работе системы управления. Попытка применения Windows для непосредственного управления технологическим процессом не оправдалась из за ее неустойчивой работы. Единственное преимущество персонального компьютера – простота сопряжения с периферийным оборудованием, оперативность доработки программного обеспечения и широкая доступность средств отработки программного обеспечения. В опытных системах применение персонального компьютера вполне оправдано.
Источник: Автор статьи Николай Михайлович Токмаков, начальник службы АСУП ОАО «Пригородный», г. Сыктывкар, Республика Коми ppgreen@rol.ru