CC BY
128
ВестникКрасГАУ. 2015. №8
Литература
1. Баев В.И. Практикум по электрическому освещению и облучению: учеб. пособие. - М.: КолосС, 2008. - 191 с.
2. Соколов В.Ф. Обеззараживание воды бактерицидными лучами. - М.: Стройиздат, 1964. -234 с.
3. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования / А.Г. Шахназаров [и др.]. - М.: Теринвест, 1994. - 79 с.
4. Санитарно-эпидемиологические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников: санитарно-эпидемиологические правила СанПиН 2.1.4.1175-02: утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 12 нояб. 2002 г. - URL: http://www.mhts.ru.
5. Преображенский А.Б. Обеззараживание воды УФ-облучением // Аква-терм. - 2002. - № 5. -URL: http://www.infopool.ru/obrabotka-vodi/obezzarazhivanie-vodi-uf-oblucheniem. html.
6. Кабанова Ю.Л., Долгих П.П. Энергоэффективное обеззараживание питьевой воды с применением оптических технологий в АПК // Сиб. энергет. форум: сб. мат-лов. - Красноярск 2013.
- 140 с.
7. Патент РФ №150375, МКИ7 A01K1/00. Устройство для автопоения животных / Долгих П.П., Кабанова Ю.Л. - Заявл. 08.07.14; опубл. 20.02.15; Бюл. № 2.
УДК 631.544.4:628.8 И.А. Федорова, П.П. Долгих
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КЛИМАТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА
В статье рассмотрена проблема создания информационной системы для регулирования параметров микроклимата в теплице, решающей ряд задач, объединенных в подсистемы: расчет, диаграммы, отчет, сведения об изменении температуры в теплице. Это позволяет реализовать оптимальную технологию, заключающуюся в том, чтобы в любой момент времени создать такую совокупность условий, которая бы обеспечила оптимальное значение критерия эффективности.
Ключевые слова: теплица, информационная система, параметры микроклимата, фотосинтез, график, диаграмма, отчет.
I.A. Fedorova, P.P. Dolgikh
MODELING OF THE POWER EFFICIENT OPERATING MODES OF THE CLIMATIC EQUIPMENT WORK IN THE PROTECTED SOIL CONSTRUCTIONS
The problem of the information system creation for the microclimate parameter regulation in the greenhouse that solves a number of tasks united into the subsystems: calculation, diagrams, report, data on the temperature change in the greenhouse is considered in the article. It allows to implement the optimum technology which consists in the fact that in any moment it is possible to create such set of conditions that would provide the optimum value of the efficiency criterion.
Key words: greenhouse, information system, microclimate parameters, photosynthesis, schedule, diagram, report.
127
Технические науки
Введение. Современная теплица как объект управления температурным режимом характеризуется крайне неудовлетворительной динамикой и нестационарностью параметров, вытекающих из особенностей технологии производства (изменение степени загрязнения ограждения, нарастание объёма листостебельной массы и т.д.). В то же время агротехнические нормы предписывают высокую точность стабилизации температуры (1°С), своевременное её изменение в зависимости от уровня фотосинтетически активной облученности, фазы развития растений и времени суток. Все эти обстоятельства предопределяют высокие требования к функционированию и качественному совершенствованию оборудования автоматизации [1,7,8].
Цель работы. Обосновать энергоэффективный способ регулирования микроклимата в теплице и разработать оборудование для его реализации.
Первым шагом к разработке системы автоматического управления температурным режимом в теплице является выявление математических моделей, т.е. выражений, определяющих связь между параметрами окружающей среды и выбранными критериями эффективности процесса [5].
На сегодняшний день возможности технологического оборудования в теплицах позволяют регулировать практически все параметры, обуславливающие режим микроклимата. Исключением является лишь солнечный свет. Поэтому агрономам при составлении требуемого режима микроклимата необходимо исходить из текущей интенсивности солнечной радиации, т.е. на пасмурную погоду необходимо составить один режим микроклимата, на солнечную - другой, а на ночные периоды - третий и т.д. Помимо этого, при составлении режима микроклимата также учитывается тип выращиваемой культуры, сорт, время года, а также фаза развития растения (рассада, плодоношение и т.д.) [6].
Технологическое оборудование, позволяющее регулировать тот или иной параметр микроклимата в теплице, называется исполнительной системой (ИС). Для разработки ИС был использован продукт компании Microsoft Visual C#. Язык C# прост, строго типизирован и объектно ориентирован [2].
Разработанная информационная система решает ряд задач, которые объединены в подсистемы: расчет, диаграммы, отчет.
Обычно применяемый метод расчета теплового баланса исходит из основных заданий (расчет теплопотерь, теплового потока, мощность систем отопления) и использует ряд величин и формул из практики проектирования систем обеспечения микроклимата растениеводческих помещений. На главной форме происходит расчет необходимых параметров (рис. 1).
Рис. 1. Главная форма 128
ВестникКрасГАУ. 2015. №8
Полученные данные можно сохранить в базу данных, нажав кнопку «Сохранить в базу»
(рис.2).
Рис. 2. Сохранение в базу данных
После того, как полученные параметры сохранили в базу, можно сформировать отчет.
В автоматизированной информационной системе находятся сведения об изменении температуры внутреннего воздуха в теплице. Открываем рабочую форму, вводим нужную дату и получаем нужное время после того, как ввели все данные. Далее нажимаем кнопку «Вывод на форму». После этого на форме появляются расчеты за дату, которую ввели. Также эти данные можно сохранить, нажав кнопку «Сохранить файл» (рис. 3).
Рис. 3. Рабочая форма «Отчет»
При необходимости можно сформировать график функций, нажав кнопку на главной форме «График». После этого выводится окно для выбора графика. Графики можно сформировать за месяц и за день, нажав соответствующие кнопки (рис. 4).
129
Технические науки
Рис. 4. Выбор диаграммы
После выбора типа графика открывается окно, остается выбрать нужный месяц и нажать кнопку «Построить». После чего строится диаграмма за выбранный день или месяц (рис. 5) [9].
Рис. 5. Диаграмма за месяц
Величину технологического расхода энергии определяют из уравнения теплового баланса сельскохозяйственного сооружения
Q = /0Т ( k ( h-tJS-Q з ) dx , (1)
где Q з - количество энергии, поступающей в теплицу в единицу времени за счёт радиации; к - коэффициент тепловых потерь; t4 - температура наружного воздуха,°С.
Q з = Ч з S3rl з , (2)
где S3 - площадь, занимаемая теплицей, м2; ч з - поток солнечной радиации, кВт/м2; ц з - коэффициент, характеризующий прозрачность ограждения теплицы (стекла, плёнки).
К = Ко + К1 ±(р 2 + К2 2V1 + К1 2 р 2V1 , (3)
где К0 ,К11 ,К22,К12 - постоянные коэффициенты, определяемые экспериментально; V1 - скорость ветра, м/с; р 2 - относительная влажность наружного воздуха, %.
Теперь введем понятие дискретного промежутка времени Дт. При моделировании можно сделать допущение, что в любые равные по величине промежутки времени, на которые можно разделить весь период выращивания растений, формируется равная часть урожая. В течение этого промежутка времени величины V1, р 2, tb t4, чз можно считать постоянными. Тогда количество энергии, поступающее за этот промежуток времени в теплицу
130
ВестникКрасГАУ. 2015. №8
Д Q = ( К( ti - t4) 5 - Q3) Дт, (4)
где S - площадь ограждения теплицы, м2.
Условие минимума энергозатрат q примет вид
AQ . ,с,
— = q ^ m 1 п, (5)
где Д Q - затраты энергии на обогрев теплицы за промежуток времени Дт ; ДП - продуктивность растений за этот же промежуток времени; Дт - величина дискретного промежутка времени, в течение которого возмущение практически постоянно, принимается на порядок выше величины постоянной времени объекта регулирования, то есть теплицы, по каналу быстродействующего возмущения.
Значение величины этой постоянной времени 10...15 минут получено экспериментальным путём в разработках кафедры автоматики ЧГАУ. Поэтому величина Дт принимается равной 1...1,5 минуты [4].
К косвенным показателям продуктивности относятся интенсивность видимого фотосинтеза Ф и темнового дыхания D. Между Ф и ДП можно предложить зависимость
ДП 1 = КхФДт 53; (6)
зависимость продуктивности от темнового дыхания
ДП2 = К2ФДт S з, (7)
где К и К - соответственно коэффициенты продуктивности, являются функциональными зависимостями от возраста растений.
Исследование эффектов взаимодействия между всеми изучаемыми факторами среды возможно при использовании квадратичных полиномов для дневного и ночного периода [4, 5].
Для дневного периода (интенсивность фотосинтеза)
Ф = А0 + А1Е 1 + A2t 2 + А3 T2 + А4Т 1 + А5 т 2 + АбФ1 + А1 1Е 1 + Е i Ai 2 ti + Ai 3E 1T2 + +a14E1T2 + Л15Е1Т2 + Л16Е1ф1 + A22t4 + A23tlT2 + A24t1T1 + A25tlT2 + А26^ф4 + A33T2 +
+A 3 4 Т1T2 + A 3 5 T2T 2 + A 3 6T2 Ф1 + A44 Т1 + A4 5 Т1 Т 2 + A4 6Т 1Ф1 + A 5 5 Т2 + A5 6Т2 Ф 1 + А6бФ1- (8)
Для ночного периода (интенсивность дыхания):
D = В 0 + в 1Е 2 + В 2 Т1 + В 3 ^ + В 4Т 1 + В 5 Т 2 + В 6^ + В 1 1Е 2 + В 1 2Е 2T1 + В 1 3Е 2 t2 +
+В14Е2т1 + В15Е2т2 + В16Е2ф1 + В22Т4 + В^Т^ + В^Т^ + В25Т1т2 + В26Т1ср1 + B33t2 +
+В 3 4t2 Т 1 + В 3 5t2T2 + В 3 6t2 ф1 + В 44Т 1 + В 4 5 Т1 Т 2 + В 4 6^ ф 1 + В 5 5 Т2 + В 5 6 Т2 Ф 1 + В 66Ф1 , (9)
где А0... A66, В 0... В 66 - коэффициенты регрессии; Ф, D - интенсивность видимого фотосинтеза и темнового дыхания, мг СО 2 / дм2ч; t1 - температура воздуха внутри теплицы днём, °С; t2 - температура воздуха внутри теплицы ночью. °С; T2 - среднеарифметическое значение температуры воздуха в теплице за истекшую ночь, °С; Е 1 - текущее значение освещённости в теплице, клк; Е 2 -среднеарифметическое значение освещённости за истекший день, клк; т1 - длительность фотопериода (продолжительность светового дня), ч; т2 - возраст растения, сут; фх - влажность воздуха в теплице, %.
Математические модели такого вида позволяют определить величину видимого фотосинтеза или темнового дыхания конкретного сорта для различных условий среды. С их помощью можно рассчитать сочетания факторов среды, обеспечивающие максимум видимого фотосинтеза, в том числе и при наличии таких факторов, как освещенность в начале и конце фотопериода при отсутствии искусственного освещения.
Для осуществления автоматического управления каким-либо технологическим процессом необходимо выбрать алгоритм функционирования системы, т.е. совокупность предписаний, определяющих характер изменения управляемой величины в зависимости от воздействий. В связи с тем, что в математическую модель продуктивности входят факторы, изменяющиеся во времени случайным образом (освещённость, длительность фотопериода, влажность воздуха и т.д.), система управления по алгоритму функционирования может быть либо следящей, либо самонастраивающейся.
Автоматизированная информационная система по расчету и выбору системы обеспечения микроклимата для теплиц предназначена для ведения учёта температурного режима, проведения
131
Технические науки
расчетов, формирования необходимых диаграмм, графиков и отчетов. Системные требования:
а) операционная система не ниже Windows NT 4.0 SP5;
б) оперативная память от 256 Mb;
в) свободное место на жестком диске не менее 400 Mb;
г) процессор не ниже Pentium III с частотой от 500 Mhz;
д) открытые порты 1433 на вход и выход;
Системные требования для программы клиента:
а) операционная система Windows 98 SE/NT/2000/XP;
б) оперативная память от 256 Mb;
в) свободное место на жестком диске не менее 20 Mb;
г) процессор не ниже Pentium III с частотой от 500 Mhz;
д) Microsoft Visual Studio 2008 [3].
Выводы
1. Математическое моделирование системы автоматического управления показало, что оптимальная по энергоёмкости температура зависит как от параметров микроклимата в теплице (Е2, Т1, л, Ф1), возраста растений и относительного времени суток т2, так и от наружной температуры t4.
2. Разработанное прикладное программное обеспечение позволит реализовать оптимальную технологию, задача которой состоит в том, чтобы в любой момент времени создать такую совокупность условий, которая бы обеспечила оптимальное значение критерия эффективности [10].
Литература
1. Пособие по проектированию теплиц и парников (к СНиП 2.10.04.-85) / Гипронисельпром. -М.:Стройиздат, 1998. - 72 с.
2. Информационные технологии управления: учеб. пособие для вузов / под ред. Г.А. Титоренко. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. - 280 с.
3. ГОСТ 34.201-89. Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем. - М.: Изд-во станд., 1991.
4. Попова С.А. Энергосберегающая система автоматического управления температурным режимом в теплице: дис. ... канд. техн. наук. - Челябинск, 1995.
5. Изаков Ф.Я., Попова С.А. Энергосберегающие системы автоматического управления микроклиматом. - Челябинск: Изд-во ЧГАУ, 1988. - 52 с.
6. Цугленок Н.В., Долгих П.П., Кунгс Я.А. Энергетическое оборудование тепличных хозяйств: учеб. пособие. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2001. - 139 с.
7. Тараканов Г.И., Борисов Н.В., Климов В.В. Овощеводство защищенного грунта. - М.: Колос, 1982. - 303 с.
8. Брызгалов В.А., Советкина В.Е., Савинова Н.И. Овощеводство защищенного грунта / под ред. В.А. Брызгалова. - Л.: Колос, 1983. - 352 с.
9. Долгих П.П., Федорова И.А., Зайцева Е.И. К вопросу о развитии информационной системы поддержания микроклимата // Сб. науч. ст. по итогам Междунар. науч.-практ. конф. (3031 октября 2013 г., г. Санкт- Петербург). - СПб.: КультИнформПресс, 2013. - 485 с.
10. Федорова И.А, Долгих П.П. Обоснование энергоэффективных режимов работы оборудования в сооружениях закрытого грунта // Научная дискуссия: вопросы технических наук: мат-лы 8-й Междунар. заоч. науч.-практ. конф. (4 апреля 2013 г.). - М.: Междунар. центр науки и образования, 2013. - 152 с.
132
