Функциональная схема управления комбинированным отоплением в условиях минимизации ресурсов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №20 УДК 631.171:004.946

С. А. Иванов, Э. Р. Чишиев, И. Ю. Квятковская ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫМ ОТОПЛЕНИЕМ В УСЛОВИЯХ МИНИМИЗАЦИИ РЕСУРСОВ

Ключевые слова: комбинированное отопление, управляющие коэффициенты.

Проведен анализ датчиков, необходимых для управления закрытым грунтом. Проведена разработка функциональной схемы управления отоплением и модели управляющих коэффициентов для системы. Предложенная функциональная схема и модель управления решают задачу минимизации затрачиваемых энергетических ресурсов, учитывают специфику конструкции теплицы и ряд параметров, заданных агрономом.

Keywords: joint heating, control coefficients.

The analysis of the sensors needed for control of the closed ground. Spend the development offunctional heating control circuit and control model coefficients for the system. The proposed functional diagram and management model solve the problem of minimizing the energy expended, take into account the specificity of construction greenhouses and a number of parameters set by an agronomist.

Введение

Государство ставит выращивание овощей в закрытом грунте как стратегически важную задачу развития экономики страны. Так, согласно Государственной программе развития сельского хозяйства от 19 декабря 2014 г., предусмотрено возмещение до 20% затрат при строительстве и модернизации тепличных комплексов [1].

Несмотря на выделяемое финансирование, по данным аналитической компании Global Reach Consulting, потенциальный объём рынка тепличных овощей в России составляет примерно 150 млрд рублей, в то время как фактическое насыщение этого рынка не превышает 40%. Также значительно затрудняет работу аграриев использование зарубежных разработок в отсутствии конкурентоспособных российских аналогов. Таким образом, по ряду инвестиционных проектов доля импортных комплектующих достигает 60-90%, в частности при строительстве теплиц - 80%.

В то же время потребительский рынок тепличных овощей непрестанно растёт. По данным портала профессионалов фруктово-овощного рынка, Россия к 2020 г. планирует увеличить производство овощей, выращенных в закрытом грунте, в 3,5 раза. Среди регионов, которые особенно выделяются благодаря мягкому климату, идеально подходящему для этого вида сельскохозяйственной деятельности, выделяются Астраханская и Волгоградская области, Ставропольский край.

Современные технологии выращивания овощей, рассады, цветов требуют непрестанного поддержания определённого микроклимата в системах закрытого грунта - автоматизированных теплицах. Любая автоматизированная теплица представляет собой объект управления температурно-влажностным режимом, сложность работы с которым заключается в нестабильности параметров:

1. Температура воздуха.

2. Относительная влажность.

3. Температура почвы.

4. Концентрации углекислого газа (С02).

5. Интенсивность освещения.

При рассмотрении вопроса поддержания наиболее оптимального микроклимата в теплице для успешного генеративного развития растений важным параметром является обеспечение температуры воздуха и почвы.

Современные системы управления

подразумевают использование не статических, а динамических моделей. Система не должна быть изолирована от внешнего мира, то есть имеется необходимость взаимодействия с ним. Примером такого взаимодействия системы управления и окружающей среды могут служить датчики, на основании которых система управления принимает решения по поставленной задаче. В рамках исследования по этой проблеме уже была построена модель управления комбинированным отоплением системы закрытого грунта [2]. Следующим этапом решения данной задачи является подбор необходимых датчиков и создания среды для их взаимодействия с системой управления.

Для решения проблемы управления необходимо подобрать датчики, которые наиболее удовлетворяют поставленной задаче, а также разработать модель их взаимодействия между собой и системой управления.

Разработка базы датчиков

Первым параметром, и одним из самых важных для микроклимата автоматизированной теплицы, необходимо учитывать температурный режим. Для определения температуры воздуха необходимо использовать датчик, который способен работать как во влажной среде (некоторые виды растений активно развиваются только в условиях повышенной влажности), так и может быть интегрирован в аппаратную часть одноплатного компьютера.

Существует несколько видов датчиков температуры:

Термометры сопротивления.

Это наиболее распространённый и простой тип температурных датчиков. Принцип его работы базируется на зависимости удельного сопротивления металлов от температуры. Конструкция термометра представляет собой катушку из платинового или медного провода, защищённую кожухом. Такие термометры используются для измерения температуры в диапазоне от -50 до 200 С°. В промышленных изделиях погрешность измерения составляет не более 0,1 С°.

Терморезисторы.

Принцип работы этих датчиков сходен с функционированием термометров. Отличаются они исключительно конструктивными особенностями и технологией промышленного производства.

Термопары.

Принцип действия этих датчиков основан на возникновении термоЭДС в месте спая двух разнородных металлов. Выходным сигналом датчика является напряжение, измеряемое в мВ, что подразумевает использование усилителя при снятии показаний. Главным достоинством является большой рабочий температурный диапазон, который колеблется от -180 до 1300 С°.

Полупроводниковые датчики.

Их особенность заключается в использовании диодов или одного из р-п переходов транзистора. Подобные датчики легко настраиваются для работы с микроконтроллерами и в отличие от описанных выше аналогов являются достаточно бюджетными. Но их рабочий температурный диапазон гораздо ниже, колеблется от -55 до 15 С°.

На основе приведённых данных можно сделать вывод, что для системы управления закрытым грунтом достаточно и оптимально будет использовать полупроводниковые датчики, которые отличаются малой стоимостью (что соответствует поставленным задачам минимизации ресурсов) и лёгкостью интегрирования в работу микроконтроллеров. Их малый температурных диапазон не является проблемой - рабочая температура теплицы не ниже 10-15 С° и не превышает 35 С°.

Вторым важным параметром, который необходимо учитывать при управлении микроклиматом теплицы является влажность воздуха. Главным требованием к этим датчикам в ходе эксплуатации является устойчивость к вредному химическому воздействию и неуязвимость к конденсату.

Можно выделить следующие типы датчиков:

Ёмкостные датчики.

Конструкторское решение данного типа представляет собой конденсатор с воздушным зазором. Более сложная версия - замена зазора диэлектриком. В данном случае понижается погрешность измерения. Данный датчик нельзя использовать при влажности меньше 0,5%, что не является серьёзным препятствием при использовании данного типа. В целом погрешность не превышает 2%.

Резистивные гигрометры.

Работа такого рода датчиков основана на изменении влажности гигроскопической среды. В качестве гигроскопического элемента могут использоваться специальные подложки, полимеры и т.д. Время отклика устройства колеблется в диапазоне от 10 до 30 с. Но эти датчики очень чувствительны к химическому воздействию.

Теплопроводящие гигрометры.

Конструктивно представляют собой несколько термисторов, согласованных между собой и размещённых на одной мостовой схеме. При работе с измерениями напряжение на выходе прямо пропорционально относительной влажности воздуха. Такие датчики достаточно дорогостоящие и применяются для точных измерений в промышленных масштабах.

Цифровые датчики.

Данные типы датчиков не имеют такой точности как рассмотренные аналоги, но хорошо интегрируются с микроконтроллерами. Их цена достаточно низка, диапазон работы, погрешность измерений и время отклика подходит для изменения влажность воздуха в теплице.

Исходя из рассмотренных типов датчиков температуры и влажности воздуха для решения поставленной задачи, необходимо выбрать цифровой.

В линейке подобных датчиков имеется множество моделей. Но современные технологии позволяют использовать датчики, совмещающие в себе как измерение температуры, так и измерение влажности. Для поставленной задачи погрешность таких датчиков несущественна, их цена ниже (что удовлетворяет условиям минимизации ресурсов) и они легко интегрируются в аппаратную базу одноплатного компьютера.

Рассмотрим ряд моделей датчиков выбранного типа:

Датчик влажности и температуры серии А.

Точность - 1,5% при диапазоне 10-90%.

Температурный режим - от -20 до 80 С°.

Стоимость - 22 960 руб.

Датчик влажности и температуры серии В.

Точность - 1,5% при диапазоне 10-90%.

Температурный режим - от -20 до 80 С°.

Возможность работы в атмосфере с присутствием аммиака.

Стоимость - 60 000 руб.

Датчик влажности и температуры серии ZC.

Точность - 2% при диапазоне 5-95%.

Температурный режим - от -60 до 200 С°.

Стоимость - 67 500 рублей.

Датчик влажности и температуры серии КС.

Точность - 2% при диапазоне 5-95%.

Температурный режим - от -40 до 125 С°.

Стоимость - 35 000 руб.

Датчик типа DHT.

Точность - 5% при диапазоне 10-90%.

Температурный режим - от -40 до 100 С°.

Стоимость - 450 руб.

Из приведённых аналогов наиболее оптимальный вариант для использования с учётом минимизации ресурсов является датчик серии DHT.

Несмотря на большую чем у аналогов погрешность в 5%, что не является существенным для измерения влажности воздуха в теплице, его стоимость в разы меньше. Таким образом, соотношение его характеристик и стоимости является лучшим вариантом для использования в разрабатываемой базе датчиков.

Третьим, но не менее важным измерением является освещённость. Для измерения уровня освещённости в автоматизированной теплице необходимо использовать фотореле. Есть несколько типов подобных датчиков:

Модели со встроенным датчиком освещения. В подобных устройствах сам датчик находится внутри плексиглазового прозрачного корпуса,

герметичность которого защищает чувствительный элемент от внешнего вредного физического или химического воздействия.

Модели со встроенным фотодатчиком и таймером. Позволяет производить более гибкую настройку устройства и применяется в основном для управления освещением на основе автономной работы.

Модели с выносным фотоэлементом. Электронный блок, как управляющее устройство, может находиться в помещении, а датчик выносится

наружу.

Для разрабатываемой базы датчиков лучше использовать первый тип - модель со встроенным датчиком освещения. Нет необходимости размещать управляющий элемент далеко от датчиков и такие модели дешевле, что вписывает в задачу минимизации ресурсов.

Функциональная схема

На основе подобранных датчиков была разработана функциональная схема, представленная на рисунке 1.

отопления - воздушного, комплексного [4].

водяного

или

Рис. 1 - Функциональная схема

В функциональной схеме представлены следующие элементы:

Т1 - датчик температуры и влажности;

L1 - датчик освещённости;

VI - система комбинированного отопления;

V2 - система вентиляции;

V3 - система освещения.

Вычисление корректирующих параметров может проводиться системой как автономно, так и может редактироваться оператором ИС. Коэффициенты вычисляются на основе параметров, заложенных в базе данных. Перед применением изменений, также проходит процесс выбора соответствующего типа

Система корректирующих коэффициентов

Для вычисления корректирующих

коэффициентов необходимо учитывать

погрешности выбранных датчиков. Для составления конечной модели необходимо обратиться к формуле вычисления требуемого количества тепла для обогрева теплицы:

Q1 = -\2)

п

Q2 =-1*0,22* ^ р

(1)

j=1

Q=Ё ^

1=1

где Q - необходимое количество тепла для обогрева системы закрытого грунта; F - площадь теплицы; ^ - необходимая температура воздуха внутри; ^ -температура воздуха снаружи; PJ - мощность каждой лампы.

Согласно формуле, количество необходимого тепла зависит от данных температуры в теплице, на улице и от количества тепла, выделяемого лампами. При использовании датчика типа DHT погрешность измерения температуры составляет 2 °С при диапазоне измерения 0-50 °С. Частота сканирования указанного датчика 1 раз/с. Вычисление корректирующих систему коэффициентов в среднем должно происходить раз в минуту. То есть за это время датчик может снять 60 значений температуры внутри теплицы и за её пределами.

С учетом необходимого времени от включения до полноценной работы системы отопления необходимо ввести два параметра:

Т - время, требуемое для начала полноценной работы газового отопления;

Т2 - время, требуемое для начала полноценной работы водяного отопления.

Для каждой конкретной системы эти значения будут своими. Соответственно, с учетом данных параметров необходимо вычислять не только корректирующий коэффициент, актуальный на данный момент времени, но и прогнозируемый корректирующий коэффициент, который будет использоваться во время разогрева, к примеру, системы водяного отопления. Соответственно можно выделить следующие параметры:

К - корректирующий коэффициент на текущий момент времени;

К1 - прогнозируемый коэффициент, действующий во газовой системы отопления;

К2 - прогнозируемый коэффициент, действующий во водяной системы отопления.

Включение и работа соответствующего оборудования должна быть целесообразной на всем протяжении времени Т^ а значит корректирующий коэффициент на текущий момент времени и в

корректирующий время разогрева

корректирующий время разогрева

течение времени, необходимого для начала полноценной работы оборудования должен быть одним и тем же, в ином случае необходимо перейти на менее энергозатратное отопление или вовсе его отключить. Соответственно управляющий коэффициент Купр определяется тройкой <К, К1, Т1>, где К - корректирующий коэффициент, К1 -прогнозируемый коэффициент, Т1 - время до полного включения оборудования.

Исходя из этого, корректирующий коэффициент вычисляется как:

О < р ^ К = 1

• Q > р ^ К = 2 (2)

^ > Т ^ К = 0

где Q - необходимое количество тепла для обогрева системы закрытого грунта;

К - корректирующий коэффициент;

Т - температура, установленная агрономом;

р - минимальная мощность котла.

Для определения прогнозируемых

коэффициентов К1 необходимо использовать метод линейной экстраполяции, позволяющий

прогнозировать величину на основе среднего прироста (снижения) исследуемого показателя за определенной момент времени. В таком случае прогнозируемый коэффициент определяется как:

Qi = 12*F*(t1 -12)

R(Tn, teH, F) =

Q2 =-1*0,22* 2 Pj j=i

Q = ¿ Qi

1=1 (3)

Tn = Tn-1 + d

d = (T2 -Ti) +... + (Tn -Tn-i) n

Q < p ^ K = 1

• Q > p ^ K = 2

t1 > T ^ K = 0

где Kj - прогнозируемый коэффициент; d - прирост или снижение температуры; Q - количество теплоты, необходимой для теплицы;

© С.А. Иванов - аспирант 2-го года обучения кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления», ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», kemsit@mail.ru; Э. Р. Чишиев -заведующий лабораториями кафедры «Связь», ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», mocuh742@yandex.ru; И. Ю. Квятковская - д.т.н., профессор, директор Института информационных технологий и коммуникаций, ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет», kvyatkovskaya.i@astu.org.

© S. A. Ivanov - graduate student of the Department «Automated systems of information processing and management», Astrakhan State Technical University, kemsit@mail.ru E. R. Chishiev - head of the laboratory of the department «Communication», Astrakhan State Technical University, mocuh742@yandex.ru I. Y. Kvyatkovskaya - doctor of technical sciences, professor, director of the Institute of information technologies and communications, Astrakhan State Technical University, kvyatkovskaya.i@astu.org.

Тп - предполагаемая температура к началу полноценной работы системы отопления;

tвн - температура снаружи теплицы;

Т - температура, установленная агрономом.

Заключение

Разработанная функциональная схема управления микроклиматом в закрытом грунте обеспечивает непрерывный процесс

корректирования набора ключевых параметров -освещения, влажности и температуры. Подобранная аппаратная база соответствует задаче минимизации ресурсов, что положительно сказывается на экономической составляющей исследования.

Данная схема может быть расширена набором дополнительных параметров, в зависимости от нужд оператора - например при разнице в методах выращивания разных сортов растений.

Предложенная система управляющих коэффициентов позволяет не только переключаться между разными видами отопления, но и прогнозировать на период разогрева системы отопления, как в дальнейшем должно быть переключено отопление.

Литература

1. Иванов, С.А. Автономная система полного цикла поддержки роста и развития растений в тепличных условиях / С.А. Иванов, Э.Р. Чишиев // Международный электронный журнал. Устойчивое развитие: наука и практика. - 2014. - вып. 2 (13), С. 158-163.

2. Иванов, С.А. Модель системы управления комбинированным отоплением теплицы в условиях закрытого грунта на базе микроконтроллера RUSPBERRY Р1 / С.А. Иванов, И.Ю. Квятковская, А.Ф. Дорохов, Н.Д. Шишкин // Вестник АГТУ. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. -2015. - №2, С.32-37.

3. Васильев Р.Б., Калянов Г.Н., Лёвочкина Г.А. Управление развитием информационных систем. - М.: Горячая линия - Телеком, 2009. - 368 с.

4. Умеров, А.Н. Методы и программные средства аппроксимации экспериментальных данных / А.Н. Умеров, В.Ф. Шуршев // Вестник АГТУ. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. -2005. - №1, С.97-104.

5. Лукоянов О. Автоматика для теплиц и парников (полив, проветривание, освещение, отопление) / О. Лукоянов // [Электронный ресурс] / Режим доступа: М1р:/^ойота1у.ги/а,И»тайка^1уа4ерНс