Разработка автоматизированной системы управления теплицой

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                            2

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ                                                                            4

1.1.Характеристика  технического объекта……………………………………4

_{1.2. Расчёт параметров  настройки регулятора………………………………..5}

_{2. ВЫБОР ДАТЧИКОВ  И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ  УСТРОЙСТВ                  7}

_{2.1. Датчик влажности  воздуха…………………………………………….…..7}

2.2. Датчик расхода воды на распыление…………………………………….11

2.3. Исполнительный механизм……………………………………………….13

3. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ                                                                          15

3.1. Разрядности АЦП и ЦАП…………………………………………………  15

3.2. Трансформированная погрешность………………………………………16

3.3. Инструментальная погрешность…………………………………………. 16

4.  ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА                                                                           18

5.  ВЫБОР БАЗОВОГО КОМПЛЕКСА                                                              22

5.1. Микроконтроллер……………………………………………………….... 22

5.2. Аналого-цифровой преобразователь……………………………………   24

5.3. Цифро-аналоговый преобразователь…………………………………....  26

6. СТРУКТУРА АСУТП                                                                                      28

6.1. Назначение системы……………………………………………………… 28

6.2. Архитектура системы………………….………………………………….28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                                   30

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ                                                                                    31

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

С каждым годом в тепличных предприятиях все большее внимание уделяется  качественному поддержанию микроклимата. Правильно выбранная технология поддержания микроклимата - одна из важнейших составляющих, позволяющих  повысить урожайность. А эффективное  использование энергоресурсов - дополнительная возможность существенно уменьшить  себестоимость производимой продукции. Современная автоматизированная система  управления микроклиматом должна поддерживать не только заданный режим, но и максимально  эффективно использовать возможности  исполнительных систем.

В настоящее время ведется активная модернизация теплиц, связанная с  повышением количества исполнительных систем: разделение контуров, модернизация форточной вентиляции, установка  систем зашторивания, установка вентиляторов. И чем больше исполнительных систем имеет теплица, тем важнее для  нее выбор критерия, определяющего  стратегию поддержания микроклимата. Например, одним из наиболее популярных критериев управления является экономия теплоресурсов. В данном случае целесообразнее активно использовать нижние контура обогрева, т.к. они меньше всего отдают тепла внешней среде. Другой подход к выбору критерия предполагает поддержание температуры у точки роста выше, чем у корней растения и тем самым подразумевает активное использование верхних контуров обогрева. Еще один критерий управления основывается на том, что нижний контур должен поддерживать в корневой зоне постоянную температуру, так называемый оптимум, и лишь при исчерпанных ресурсах других исполнительных систем отклоняться от него.

Опыт внедрения автоматизированных систем управления показывает, что на этапе проектирования системы достаточно сложно выбрать единый критерий управления. Поэтому в системе управления должна существовать возможность оперативно задать критерий во время эксплуатации, причем методы его задания должны в наглядной форме отражать агрономические, экономические и технические требования, предъявляемые к системе. Таким образом, современная система управления должна позволять задать не только один из вышеперечисленных критериев управления или их комбинацию, но и любой другой возникающий в процессе производства, предоставляя агроному-технологу широкие возможности в выборе метода поддержания температурно-влажностного режима в теплице.

Одной из основных характеристик системы  управления является ее надежность. Поэтому  в качестве аппаратно-технической  базы системы был выбран контроллер, который содержит современные средства защиты от сбоев: копию основных параметров работы системы в энергонезависимой  памяти, средство защиты от зависаний  и т.д. Помимо контроллера автоматизированная система управления микроклиматом  включает в себя набор датчиков для  измерения параметров внутри теплицы. Для передачи управляющих воздействий  на исполнительные механизмы система  включает в себя блок релейной коммутации с возможностью ручного управления.

Важным элементом системы управления является диагностика неисправностей и возможностей системы управления. Иногда в процессе эксплуатации случаются  непредвиденные ситуации, связанные  с нестабильностью температуры  подаваемой воды, повышенным износом  и люфтом исполнительного механизма  или связанные с другого рода ограничениями, накладываемыми на исполнительные системы. Заложенные в систему методы диагностики должны выявлять нестандартные ситуации и своевременно перестраивать алгоритмы управления, поддерживая при этом параметры микроклимата с минимально возможным отклонением. При невозможности разрешения ситуации без участия человека, система выдает соответствующее аварийное сообщение.

 

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

1.1.Характеристика технического  объекта

 

Выращивание сельхозпродукции в тепличных условиях требует  поддержания микроклимата в теплице, к основным параметрам которого относятся:

• Температура и влажность воздуха в теплице;
• Температура и влажность почвы.

Числовые  значения всех перечисленных выше параметров определяются типом выращиваемой культуры. В частности, для земляники, в  зависимости от фазы диапазон изменения  влажности воздуха составляет 65 – 80%. При этом точность поддержания заданной влажности должна составлять ±3%. Кроме регулирования система должна предусматривать контроль расхода воды на распыление.

 

Рис.1. Структурная схема ОУ.

 

Передаточная  функция ОУ определяется следующим  выражением:

где .

Y₁(t) – сигнал с датчика для регулируемой переменной ОУ;

Y₂(t) – сигнал с датчика по каналу контроля.

2. _{Расчёт параметров настройки регулятора}

 

_{Исходя  из особенностей разрабатываемой  системы, к которой  предъявляется требование повышенной точности отработки заданных воздействий, регулятор должен реализовать пропорционально-интегральный закон управления. Параметры ПИ-регулятора определяются требованиями к качеству переходного процесса:}

• _{нулевая статическая ошибка;}
• _{величина перерегулирования не более 5%;}
• _{длительность переходного процесса не более постоянной времени ОУ.}

 

_{С помощью  моделирования системы  в пакете Simulink определяем параметры настройки регулятора.}

_{Рис.2. Схема модели цифровой системы.}

Рис.3. Графики сигнала рассогласования

управляющего воздействия и регулируемой переменной для случая входного воздействия в виде скачка .

Таблица параметров дискретного  ПИД регулятора.

Параметр	Значение
	0,3
	560

 

_{2. ВЫБОР ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ}

_{2.1. 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.4. 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.

 

Характеристика	Величина
Активный материал	термореактивный полимер
Подложка	керамическая или кремниевая
Изменяющийся параметр	ёмкость
Измеряемый параметр	% RH
Диапазон измерения	0…100% RH
Точность	±1…±5%
Гистерезис	1,2%
Линейность	±1%
Время отклика	5…60 сек
Диапазон рабочих температур	-40…+1850С
Температурный эффект	-0,0022% RH/0С
Долговременная стабильность	±1% RH/5 лет
Стойкость к загрязнению	отличная
Стойкость к конденсату	отличная

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.5. 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.6).

Рис.6. 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 U_вых = U_пит(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: RH_{истинная} = (%RH₂₅) · (1,0546 - 0,00216T), где T измеряется в °C.

Выражения выше соответствуют  характеристикам реальных датчиков со следующими отклонениями:

 – для 

 – для