Система управления климатом на предприятии

Федеральное агентство по образованию 
 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ  И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОТЧЕТ

по  преддипломной практике 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила:

студент гр. з-365-б

_________ Д.В.Сергушев

«___» ________ 2011 г. 

Руководитель  практики:

___________ А.В. Топор

«___» ________ 2011 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

       В настоящее время человечество сталкивается с проблемой выращивания сельскохозяйственной продукции необходимой для обеспечения людей продовольствием. Таким странам приходится закупать продовольствие за пределами своих территорий, что сразу повышает стоимость продукта. Выходом из этой ситуации является внедрение в сельское хозяйство теплиц, в которых можно добиться более высокого урожая и качества.

           С каждым годом эффективные современные технологии выращивания растений, такие как гидропоника, капельный полив, аэропоника, выращивание растений на гидрогеле, занимают всё большее место в современном растениеводстве. Наверное нет ни одного современного магазина, где на полках не была бы представлена продукция, выращенная одним из этих методов. Салаты, зелень, томаты, огурцы, клубника, медицинские и лекарственные растения, корнеплоды — огромный ассортимент качественной продукции стал доступен потребителю именно благодаря развитию новых технологий производства растений. Иногда покупатели сетуют на слабо выраженный вкус приобретенных овощей, объясняя это недостатками технологии гидропонного выращивания. Однако это не так, это связано в основном с тем, что выращенные в Аргентине или Израиле томаты необходимо транспортировать до места продажи, и если бы плоды собирались в зрелом состоянии, то время их хранения было бы очень коротким. Поэтому производители в погоне за наживой отодвигают на второй план качество продукции. Гидропоника способна производить растения высочайшего качества, поскольку в отличие от привычного выращивания в грунте, гидропоника полностью контролируема и управляема, что даёт возможность получить  экологически чистые продукты превосходного вкуса.  При гидропонных способах выращивания используются удобрения, изготовленные из солей высокой очистки и чистая вода, что гарантирует отсутствие в урожае таких «побочных» элементов, как свинец, ртуть или радионуклеиды, от которых невозможно избавиться при выращивании растений в грунте. Так же урожай, выросший на гидропонике, отличается пониженным содержанием нитритов и нитратов по сравнению с урожаем, полученным с грунта, особенно при промышленном выращивании.

Вредны  ли продукты на гидропонике?

Возможно, вы искренне верите, что петрушка и  салат, растущие на ваших дачных грядках, лишены нитратов и других вредных  веществ, поскольку вы не вносили  в почву удобрений, не обрабатывали зелень пестицидами. А как быть с автомобилями, которые разъезжают по садовому поселку, и самолетами, курсирующими над приусадебным хозяйством? Соли свинца и других тяжелых металлов, попадающих в воздух из топлива, имеют пренеприятнейшее свойство накапливаться в листовых овощах!

Ученые  убеждены: сегодня нереально вырастить  экологически чистый продукт в открытом грунте. Тут нужна гидропоника: ведь промышленные примеси, загрязняющие внешнюю  среду, обнаруживаются даже в начисто  лишенной индустрии Гренландии! Технику в таком хозяйстве тоже использовать нежелательно, чтобы не вносить в почву бензин и машинное масло - допускается только ручной труд или механизмы, работающие на электричестве.

Овощи и фрукты, произведенные с соблюдением  этих условий, имеют давно забытый нами натуральный вкус и аромат, не идущий ни в какое сравнение с ощущением на языке, которое оставляют "пластмассовая" клубника и "восковые" яблоки из супермаркета. Экологически чистые овощи и фрукты никогда не замораживают и не пичкают консервантами, поэтому они, как правило, долго не хранятся: такую еду доставляют обычно потребителю домой в свежем виде. Гидропоника отлично подходит для выращивания не только овощных или ароматических растений. Привычные домашние любимцы, такие как спатифиллум, фикусы, монстера, эписция, эухарис, даже кактусы и суккуленты, а так же многие другие, поразят вас бурным ростом и обильным продолжительным цветением, какого добиться при выращивании в горшках с землёй крайне сложно или вообще не возможно. Жаль только, что органические продукты не каждому по карману, да и обеспечить ими все население Земли — при наших-то экологических проблемах! — невозможно. 

1. ХАРАКТЕРИСТИКА  ПРЕДПРИЯТИЯ

1. Общие сведения

       В условиях нашей страны промышленное производство овощной продукции, например в фермерских хозяйствах, требует сооружения капитальных теплиц с полным набором мер обеспечения микроклимата.

       Выращивание сельскохозяйственной продукции в  тепличных условиях представляет собой  достаточно сложную технологическую  проблему. На величину урожая влияет множество факторов, такие как точность поддержания температурного режима в зависимости от внешних погодных условий, вида выращиваемой культуры и степени ее зрелости. Также важным фактором является поддержание заданной влажности, которая зависит от режима параметра датчиков, температуры воздуха в теплице, насыщенность воздуха СО2.

       Контроль  параметров теплицы осуществляется с помощью датчиков температуры воздуха, температуры воды, контроль питательных растворов, контроль PH-Ec, контроль СО2.

       Управление  температурой воздуха в теплице  производится по-разному, а именно: управление подачей газа при использовании  газо-нагревательных отопительных агрегатов; управление подачей горячей воды в системах с водяным отоплением; управление мощностью электронагревательных приборов (используется для небольших теплиц); включением и выключением вентиляционных установок (может применяться совместно с выше перечисленными способами).

       Наибольшей  экономичностью обладают системы с  водяным и газовым отоплением.

       Управление поддержанием заданной влажности производится с помощью датчиков влажности. При понижении влажности ниже заданного значения открываются вентили водопровода и происходит орошения теплицы.

       Таким образом, система автоматического  контроля технологических параметров теплицы функционально состоит из двух независимых управляющих устройств: контроля и поддержания заданной температуры воздуха и его вентиляция в теплице и контроля и поддержания заданной влажности почвы при постоянном контроле температуры поливочной воды.

           Возможно и автоматизирование процесса ввода удобрений, что также высвобождает дополнительное время владельцу и существенно снижает финансовые затраты на их приобретение.

           С помощью специальных дозирующих устройств, с определенной периодичностью, из маточного раствора отбираются небольшие порции и разбавляются чистой водой прошедшей дезинфекцию

           Контроль концентрации удобрений ведется специальным прибором — кондуктометром. Изготовление дозирующих устройств, как и контролирующих приборов, доступно каждому.

           Включение и время действия некоторых функций, например подсветки растений с помощью ламп в пасмурную погоду, должно осуществляться в строго определенные часы в течение суток или возможное подключения дополнительных датчиков подсветки.

          То же касается и увлажнения воздуха. То есть эти и другие функции должны обладать периодичностью, которая задается и контролируется программным устройством, входящим в состав системы обеспечения микроклимата.

          Обеспечение нормальных условий роста растений в теплицах, приближенных к оптимальным, наиболее просто решается путем создания систем контроля и регулирования с обратной связью. Это так называемые следящие системы.

         Электронные системы в данном случае наиболее приемлемы: они обладают высокой гибкостью контроля параметров среды в больших диапазонах, возможностью создания компактных и дешевых функциональных блоков и узлов, практически не обладают инерцией, не требуют какого-либо дорогостоящего оборудования и приспособлений для их создания. 
 

       1.2. Регулирования параметров и блоков контроля.

       Использование в замкнутых объемах теплиц электронных  систем обеспечения микроклимата экономит время и средства их владельцу, а  автоматический режим работы допускает и длительное отсутствие владельца. Такая система позволяет, как минимум, осуществлять контроль и регулирование следующих параметров:

       -температуру воздуха;

       -температуру питательных растворов;

       -влажность воздуха;

       -влажность почвы;

       -PH контроль почвы;

       -освещенность;

       -насыщенность СО2 в воздухе;

       -дезинфекции воды;

           В систему также входят электронные часы с автономным питанием для выполнения дополнительных функций, таких как периодическое контролирование и коррекция влажности воздуха, снижение температуры воздуха и почвы в ночное время, отключение в ночное время системы подсветки и другие сервисные устройства.

           При наличии электронных часов, а также воды и электроэнергии, процессы контроля и регулирования микроклимата полностью автоматизированы и не требуют присутствия владельца. Это особенно удобно для горожан, которые зачастую могут выезжать на участок только в выходные дни.

            В соответствии с перечисленными контролируемыми параметрами и дополнительными функциями, система обеспечения микроклимата в теплице формируется из следующих функциональных блоков контроля и регулирования (БКР):

         БКР текущего значения температуры  воздуха;

         БКР предельно допустимого максимального  значения температуры воздуха;

         БКР текущего значения температуры почвы или питательного раствора;

         БКР текущего значения влажности  воздуха;

         БКР предельно допустимого максимального  значения влажности воздуха;

         БКР текущего значения влажности  почвы;

         БКР текущего значения освещенности;

         блок контроля наличия питательного раствора;

         блок сигнализации нарушений  энергоснабжения;

         блок электронных часов;

         блоки питания.

           Перечисленные функциональные блоки позволяют реализовывать системы обеспечения микроклимата в теплицах различной степени сложности, комплектация которых теми или иными блоками зависит еще и от конкретных климатических условий окружающей среды.

           Функциональные блоки состоят из первичных преобразователей информации — датчиков, специальных устройств, преобразующих неэлектрические величины (температуру, влажность и т. д.) в электрические сигналы (напряжение, ток), анализирующих устройств, воспринимающих и усиливающих эти сигналы и формирующих из них командные сигналы для коммутации нагрузок (вентилятор, калорифер, лампы подсветки и т. д.) с помощью электронных включателей.

           Такая организация позволяет не только использовать различную схемотехнику, но и унифицировать отдельные узлы функциональных блоков.

       Поскольку описанные далее гидропонные  установки и системы обеспечения  микроклимата разработаны с учетом возможности их повторения желающими, то прежде чем переходить к детальному ознакомлению с ними, необходимо познакомимся с некоторыми техническими приемами конструирования, сборки и наладки отдельных узлов и обладать элементарными знаниями по электронике и монтажу, необходимыми для создания систем своими руками. 

1.3. Требования к структуре и функционированию системы.

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

По иерархическому принципу АСУ ТКГМК должна подразделяться на уровни: 

●нижний уровень: 

-измерительные преобразователи параметров питательного раствора; 

-измерительные преобразователи параметров воздушной среды; 

-измерительные преобразователи параметров сети водоснабжения; 

-регулирующие и другие исполнительные механизмы; 

●верхний уровень: 

-операторская станция (рабочее место оператора); 

          Автоматизированный контроль и управление климатом теплицы должен осуществляться из центрального пульта управления без постоянного присутствия эксплуатационного персонала в зоне размещения технологического оборудования. Связь между компонентами системы должна осуществляться по физическим и интерфейсным каналам.

          АСУ ТКГМК 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.

●АСУ ТКГМК должна:

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

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

-  облегчать  работу обслуживающему персоналу  за счёт упрощения процедуры  пуска оборудования, ведения технологического  процесса, перехода с одной скважины на другую и т.д.; 

●обеспечивать взаимодействие с: 

-  системами  сбора и обработки информации - по сети RS-485; 

-  исполнительными  механизмами и агрегатами - по  физическим каналам связи; 

-  системой  автоматического управления исполнительными устройствами – по сети RS-485. 

           Операторская станция должна быть оборудована системой экстренного останова для возможности корректного останова агрегатов при отказе каналов связи с микропроцессорной техникой.

          АСУ ТКГМК должна обслуживаться персоналом, прошедшим обучение на специальных курсах подготовки и имеющим удостоверения на право работы со средствами вычислительной техники или соответствующими специалистами. Численность и режим работы обслуживающего персонала должны быть достаточными для технического обслуживания АСУ ТКГМК и выполнения ремонта при круглосуточной работе оборудования.

           АСУ ТКГМК должна позволять производить корректировку алгоритмов управления в случае изменения структуры объекта. Для этого: 

-  Использовать программные методы централизованного контроля и управления; 

-  Предусмотреть  резерв по входным и выходным  сигналам на уровне – не  менее 10%; 

-  Предусмотреть  запас по объёму памяти ОЗУ  на уровне – не менее 15%;  

-  Предусмотреть  запас по нагрузке по выходным сигналам - на уровне 30%; 

Предусмотреть свободные места для расширения системы - не менее 10%.  
2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК АСУ ТК. 
 

2.1. Назначение системы. 

АСУ ТКГМК  предназначена для выполнения комплекса  информационных и управляющих функций, обеспечивающих:

-  задание суточного цикла влажности, и поддержание необходимого климатического режима (при изменении задания система обеспечивает плавный переход из одного состояния в другое);

-  контроль расхода воды в канале распыления;

-  сбор, обработку и хранение архивных данных;

-   представление технологической информации в удобном для оперативного персонала виде;

-  регистрация событий и ведение журнала тревог (например, при выходе значения влажности за пределы установленного диапазона);

-  обеспечение возможности калибровки измерительных датчиков;

-  повышение производительности теплицы за счёт жесткого автоматического поддержания требуемых параметров;

-  обеспечение возможности постепенной модернизации и усложнения системы за счёт введения новых аппаратных и программных модулей;

- регламентированный  доступ к базе данных;

- контроль PH и наличия питательного раствора;

-контроль  содержания СО2 в воздухе; 

            Проект управления и контроля климата в тепличных хозяйствах является типовым. В помещении площадью 80 на 60 метров с хорошей термоизоляцией выращиваются цветы, которые требуют некоторых постоянных климатических условий или плавное их изменение. Температура, влажность и уровень CO измеряются с помощью датчиков и с помощью контура ПИД-регулирования вычисляются и формируются корректирующие управляющие воздействия, которые реализуются с помощью отопительной системы, кондиционера, системы подачи газа CO. В помещении также находится пульт управления оператора и системы сбора информации. При отклонении значений климатических условий от нормы, автоматически принимаются управляющие воздействия. При изменении нормальных условий с помощью пульта оператора принимаются управляющие воздействия, которые возвращают систему в нормальный режим.  

В состав водозаборного узла 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, уровня СО2; 

-  Пульт  управления оператора; 

-  Фильтр; 

-  Насос; 

-  Управляющий; 

Сведения  об условиях эксплуатации объекта автоматизация  и характеристиках окружающей среды 

В отношении  электробезопасности все блоки  и отсеки блочного оборудования теплицы, согласно ПУЭ, относятся к взрывобезопасным помещениям с нормальной средой категории Д. 

Операторная комната и помещение для микропроцессорных  контроллеров также относятся к  взрывобезопасным помещениям с нормальной средой категории Д. 

2.2. Цель создания системы.

Целями  создания АСУ ТКГМК являются:

     -  Внедрение высокоэффективной, современной  автоматизированной системы управления, которая обеспечивает поддержание  необходимого климатического режима  за счет использования оптимальных  контуров ПИД-регулирования;

     -  Обеспечение плавности перехода  из одного состояния в другое  при отклонении климатических  условий от нормы или при  возникновении такой необходимости;

     -  Обеспечение достоверности и  достаточности информации о технологическом  процессе и состоянии технологического оборудования;

     -  Сокращение затрат на обслуживание  и ремонт;

     -  Обеспечение высокой надежности  и ремонтопригодности систем  управления и защиты;

     -  Оперативная отчетность об экономических  показателях работы водозаборного узла;

     -  Накопление информации о технологическом  процессе и о работе технологического  оборудования.

     2.3. Обзор и сравнительные  характеристики существующих  автоматизированных систем управления тепличными комплексами(АСУТК ГМК)

         В настоящее время производители предлагают различные автоматизированные системы управления технологическими процессами в тепличных комплексах. В процессе проектирования была выполнена вариантная проработка применения подобных систем автоматизации на данном объекте, изучены их технические характеристики и выполнен сравнительный анализ.

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.