CC BY
65
УДК 631.22
КОМПЬЮТЕРНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
Н.Н. Новиков, кандидат технических наук, заведующий лабораторией Б.И. Назаров, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Всероссийский НИИ механизации животноводства E-mail: [email protected]
Аннотация. Современным системам микроклимата присущи существенные недостатки: они не учитывают фактический воздушный и тепловой баланс зданий и реальные погодные условия - температуру, влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление, солнечную радиацию и т.п. Эффективность работы системы вентиляции и отопления можно значительно повысить, если, используя математическое моделирование тепломассообмена в здании, осуществить оптимальное управление системой, основанное на использовании контроллера и комплекта существующих программных и технических средств. При использовании программируемых контроллеров исключается необходимость применения традиционных электромеханических элементов автоматики: реле, преобразователей, переключателей, счетчиков, индикаторов, измерительных приборов и т.п. Программируемый контроллер позволяет оптимально управлять технологическим процессом. При работе в составе системы обеспечения микроклимата контроллер с помощью входных первичных преобразова-телей отслеживает в реальном времени температуру и влажность наружного, приточного и внутреннего воздуха, его загазованность. Одновременно контроллер производит опрос подключенных к его интерфейсу первичных преобразователей, обеспечивающих работу основного оборудования системы. По результатам опроса контроллер автоматически переводит систему в один из расчетных режимов работы согласно результатам обработки полученной информации.
Ключевые слова: микроклимат, регулирование, контроллер, животноводство.
Важнейшим источником экономии топливно-энергетических ресурсов, затрачиваемых на микроклимат животноводческих зданий со значительным потреблением тепловой и электрической энергии, является повышение эффективности работы системы отопления и вентиляции на основе использования современных достижений компьютерной и управляющей техники. Традиционно управление системами отопления и вентиляции осуществляется средствами локальной автоматики. Основным недостатком такого регулирования является то, что оно не учитывает фактический воздушный и тепловой баланс здания и реальные погодные условия: температуру, влажность наружного воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление, солнечную радиацию. Поэтому под управлением средств локальной автоматики система микроклимата работает не в оптимальном режиме.
Эффективность работы системы отопления и вентиляции можно значительно увели-
чить, если, используя математическое моделирование тепломассообмена в здании, осуществить оптимальное управление так, чтобы использовать в контуре управления контроллер с комплексом соответствующих технических и программных средств [ 1].
Формирование теплообмена можно представить как взаимодействие возмущающих и регулирующих факторов. Для определения управляющего воздействия нужна информация о свойствах и количестве входных и выходных параметров и условиях протекания процесса тепломассообмена. Так как целью управления отопительно-вентиляционным оборудованием является обеспечение нормируемых параметров воздушной среды в зоне нахождения животных при минимальных энергетических и материальных затратах, то с помощью контроллера определяется оптимальный вариант и вырабатываются соответствующие воздействия на эту систему. В результате компьютер с соответствующим комплексом технических и программных
средств образует автоматизированную систему управления микроклиматом в животноводческом помещении [2].
В основу функционирования систем автоматического управления системой микроклимата положен принцип обратной связи: выработка управляющих воздействий на основе информации об объекте, полученной с помощью датчиков, установленных на объекте. Современные системы автоматического управления в качестве средств обработки информации используют, как правило, электронные устройства на базе микропроцессоров. По своим техническим возможностям эти устройства позволяют обеспечить управление множеством параметров. Это пуск и остановка отдельных технологических аппаратов и всей системы в целом, блокировка и защита оборудования в аварийных ситуациях, индикация, переход с режима на режим и т. д. [2]. Все указанные операции выполняет управляющий контроллер. При его использовании исключается необходимость применения таких элементов автоматики, как реле, преобразователи, переключатели, счетчики, индикаторы и тому подобное. Это, в свою очередь, позволяет: оптимально управлять технологическим процессом по более точным «моделям» законов регулирования; повысить точность поддержания регулирующих параметров и надежность работы системы; уменьшить габариты средств управления; упростить монтаж и сократить сроки его выполнения; обеспечить эксплуатацию системы в оптимальном режиме [3, 4].
При работе в составе системы обеспечения микроклимата контроллер с помощью входных термо- и влагопреобразователей отслеживает температуру и влажность наружного (Тн) и приточного воздуха (Тпр.), а также температуру обратной воды (Тоб.), возвращаемой в водоподогреватель, температуру воздуха в помещении (Тк). Одновременно контроллер производит опрос подключаемых к его интерфейсу С1, С2, С3, С4, С5 и С6 первичных преобразователей, контролирующих работу основного оборудования системы. При обнаружении неисправности контроллер формирует аварийный сигнал и выводит
на экран сообщение об аварии [4]. В результате обработки сигналов датчиков температуры контроллер управляет работой вентиляторов и клапанов, осуществляющих подачу воздуха в систему вентиляции, а также регулирует положение запорно-регулирую-щего клапана (КЗР) в контуре циркуляции теплоносителя, обеспечивая автоматическое выполнение системой нижеперечисленных соответствующих функций и режимов. После включения контроллер автоматически переводит систему в один из режимов работы (таблица) в зависимости от температуры и от состояния датчиков на входных каналах С1-С5.
Таблица. Наименование режимов работы
контроллера
Оперативный параметр Условное обозначение Название режима работы
0 СТАРТ Подготовка системы к пуску
1 ПРОГРЕВ Прогрев калорифера
2 ДЕЖУРН Дежурный режим
3 ПРИТОК Регулирование Тпр.
4 ОБРАТН Защита от превышения Тоб.
5 ЗАМЕРЗ Защита от замерзания воды в калорифере
6 ЛЕТНИЙ Летний режим регулирования Тпр.
7 ДЕЖ.Л Летний дежурный режим
8 ЗАМЕР.Л Летняя защита от переохлаждения
9 НОЧНОЙ Ночной режим
Канал С1 предназначен для подключения датчиков потока воздуха, а также сигнализации об их исправном состоянии. Наличие потока воздуха контролируется в течение заданного времени диагностики вентилятора после его включения. При отсутствии сигнала С2 выдается сообщение об аварии и осуществляется переход системы в дежурный режим. Если датчик в рабочем состоянии выдает сигнал, то параметру USE задаем значение «close», если не выдает сигнала -то «open»».
Если к каналу С2 датчик перепада давления не подключен, то параметру USE необходимо задать значение «OFF». Канал С2 предназначен для дистанционного перевода
системы приточнои вентиляции в дежурный режим работы. По каналу С3 проходит сигнал датчика фильтра. Данный канал информационный.
Контроллер настроен для работы с датчиками перепада давления, посылающими сигнал о засорении фильтра, т.е. параметру USE задано значение «open», для изменения алгоритма работы контроллера параметру USE нужно задать значение «close».
По каналу С4 подключен датчик обмерзания калорифера. При поступлении сигнала об аварии осуществляется переход системы в режим «защита от замерзания».
Канал С5 предназначен для отображения состояния вытяжного вентилятора. Наличие сигнала контролируется в течение заданного времени диагностики вентилятора после включения. Функциональная схема управления показана на рисунке.
Рис. Функциональная схема системы управления микроклиматом: Тн - температура наружного воздуха, Тпр - температура приточного воздуха, Тоб - температура обратной воды в контуре теплоносителя, Тк1 -температура в клетках поросят, Тк2 - температура в клетках молодняка КРС (для подсосных), Дпз - датчик положения задвижки, Двл - датчик влажности (вход со встроенным шунтирующим резистором 100 Ом для прямого подключения датчика с токовым выходом), С1 - коммутирующее устройство для дистанционного перевода системы в дежурный режим, С2 - датчик контроля исправности приточного вентилятора по потоку воздуха, С3 - датчик контроля засорения фильтра приточного (вытяжного) вентилятора, С4 -датчик перевода
системы в режим защиты калорифера от замерзания, С5 - датчик пожарной сигнализации, С6 - датчик контроля исправности вытяжного вентилятора, RS-485 - интерфейс связи (позволяет конфигурировать на ПК программу-конфигуратор; передавать в сеть текущие значения измеренных величин, выходной мощности регулятора, а также любых программируемых параметров; получать из сети оперативные данные для генерации управляющих сигналов), ПК - программируемый контроллер, DB - дискретный выход.
В режиме «прогрев калориферов» происходит разогрев до заданных эксплуатационных параметров. Для этого контроллер формирует сигнал на полное открывание запор-но-регулирующего клапана, обеспечивая максимальную циркуляцию теплоносителя через калорифер. Жалюзи при этом закрыты, вентилятор подачи приточного воздуха выключен. Во время прогрева контролируются показания датчиков Тн. , Тпр., Тоб. Время прогрева определяется, исходя из рабочих характеристик системы, и найденные значения вносятся в память при программировании контроллера.
Система переводится в режим «прогрев калорифера»:
- при запуске системы;
- после выхода из дежурного режима;
- после выхода из режима, защита от замерзания;
- после перехода из летнего режима работы в зимний.
О работе системы в режиме «прогрев калорифера» пользователя-оператора информирует надпись «ПРОГРЕВ» на верхней строке экрана контроллера. Выход из режима прогрева осуществляется автоматически по истечении времени прогрева, заданного в программе.
После прогрева калорифера контроллер анализирует состояние температуры наружного воздуха, обратной воды и приточного воздуха, после чего проверяет выполнение следующих условий:
- соответствие температуры наружного воздуха отопительному периоду Тн.< Тот.;
- соответствие значения температуры обратной воды режимным характеристикам Тобр.тт < Тобр < Тобр. max ;
- превышение значения температуры приточного воздуха над аварийным значением.
Данный режим работы системы функционирует в отопительный период при отсутствии опасности замораживания калорифера и при нахождении температуры обратной воды в пределах границ, установленных оператором. При этом контроллер формирует команду на открытие жалюзи и включение
вентилятора, осуществляющего подачу наружного воздуха, а также управляет положением исполнительных механизмов, изменяя при этом поток теплоносителя через калорифер и поддерживая заданную температуру приточного воздуха. Предельные значения температуры обратной воды Тобр.тш и Тобр.тах вычисляются контроллером по графику Тобр.гр = ДТн.) и заданным границам отклонения от него Gr.uр и Gr.dн.
При этом
Тобр.тт = Тобр.гр + Gr.dн ;
Тобр.тах = Тобр.гр + Gr.uр .
Параметры графика задаются технологом фермы при программировании процесса, исходя из зоотехнических норм. Значения Gr.uр и ^гг^н также задаются технологом при составлении программ для контроллера. Регулирование температуры приточного воздуха в данном режиме осуществляется по уставке Туст.приточ., заданной программистом при программировании SP_ daу/SP. LU для дневного режима и SP_night/SP. ЦС для ночного режима. О работе системы в режиме регулирования температуры оператора информирует текст «ПРИТОЧ» на экране. О работе в энергосберегающем режиме информирует надпись «НОЧНОЙ». Минимальное время нахождения в режиме «ПРИТОЧ» (ночной) определяется параметром t.nad. Это время необходимо для гарантированного определения исправности вентиляторов с помощью датчика потока воздуха, подключенного к входу С2.
Защита от превышения температуры обратной воды осуществляется в режиме регулирования Тоб.. Наличие данного режима регламентируется требованиями о недопустимости возврата в источник теплоты обратной воды, температура которой превышает заданный график. Контроллер переводит систему в режим регулирования Тоб., проверяя выполнение в системе следующего условия -превышения температуры обратной воды на выходе системы относительно вычисленному по графику предельному значению:
Тоб. > Тоб.тах _ Тобр.гр. + Gr.up.
В данном режиме контроллер, продолжая формировать команду на открытие жалюзи и
включение вентилятора, приостанавливает регулирование температуры приточного воздуха и начинает управлять положением исполнительного механизма по сигналу рассогласования между текущим значением Тоб. и вычисленным по графику. Такой режим управления сохраняется до тех пор, пока температура обратной воды в системе не снизится до заданных значений. О работе контроллера в режиме «регулирование» оператора информирует надпись «ОБРАТН» на верхней строке экрана. Минимальное время нахождения в режиме «ОБРАТН» определяется параметром ^б. Это время необходимо для гарантированного определения исправности вентиляторов с помощью датчика потока воздуха, подключенного к входу С2.
Замерзание воды в калорифере грозит разрушением всей системы. Контроллер переводит систему в режим защиты от замерзания, проверяя выполнение в системе следующих условий:
- снижение температуры обратной воды ниже предельного значения Тобтш (Тоб. < Тоб^т);
- снижение температуры приточного воздуха ниже установленного значения Тавар. (Тпр. < Тавар.).
При переходе в этот режим контроллер формирует команду на выключение вентилятора и закрытие жалюзи, а также полностью открывает клапаны КЗР для быстрого нагрева воды в калорифере. При этом на экран выводится сигнал «АВАРИЯ». Значение Та-вар. задается оператором при вводе программы управления оборудованием. Контроллер переводит систему в режим защиты калорифера от замерзания при вышеуказанных условиях, а также при неисправности любого из входных термопреобразователей, контролирующих параметры Тн, Тоб. или Тпр., и при срабатывании контактного датчика С4 (датчика включения защиты от замерзания). О работе автоматики в режиме «защита от замерзания» пользователя информирует надпись «ЗАМЕРЗ» в верхней части экрана. Выход из режима осуществляется автоматически после устранения причины его возникновения.
При значении температуры Тн>Туст.лет. контроллер переходит в режим «ЛЕТНИЙ». В данном режиме контролируются показания датчиков Тн , Тпр. , Тобр.. Датчик Тоб. в этом режиме является информационным, его сообщение выводится только на индикатор.
При переходе в этот режим контроллер формирует команды на открытие заслонки наружного воздуха и включение вентилятора. О работе системы в этом режиме пользователя информирует надпись «ЛЕТНИЙ» на экране. Выход из летнего режима происходит при понижении температуры наружного воздуха ниже Тн .
В периоды, когда не требуется точного поддержания температуры в помещении, включается дежурный режим. Контроллер выключает вентилятор, закрывает жалюзи и регулирует температуру обратной воды по заданному графику. При охлаждении обратной воды до температуры ниже Тобртш включается режим «защита от замерзания». Перевод системы в дежурный режим может быть осуществлен с клавиатуры контроллера. О работе системы в дежурном режиме пользователя информирует надпись «ДЕЖУРН» на экране.
Выход из режима осуществляется автоматически после отмены команды, задающей данный режим. Но переход к дальнейшей работе производится с задержкой по времени, необходимой для прогрева калорифера. Затем цикл работы повторяется.
Выводы.
1. Использование программируемых контроллеров для управления системами микроклимата позволило исключить необходимость применения электромеханических устройств автоматики, таких, как промежуточное реле, преобразователи, счетчики, индикаторы.
2. Применение программируемых контроллеров позволяет оптимизировать управление технологическим процессом по более точным «моделям» законов регулирования, повысить точность поддержания регулируемых параметров и надежность работы системы, обеспечить энергосбережение.
Литература:
1. Новиков Н.Н. Моделирование и расчет систем микроклимата животноводческих помещений. М., 2013.
2. Автоматизированное управление микроклиматом // Вестник Укр. национального университета 2012. №6.
3. Лысенко А.В. Интеллектуальные системы микроклимата как основа повышения энергоэффективности // Вестник Пензенского госуниверситета. 2015. №7.
4. Чувашов В.Н. Анализ эффективности применения на животноводческих фермах техники для микроклимата // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №4. С. 230.
5. Викторов А.П. Автоматизированная система нормализации микроклимата в животноводстве // Мат. 9-й Межд. науч.-практ. конф. Углич, 2006 .
Literatura:
1. Novikov N.N. Modelirovanie i raschet sistem mikroklimata zhivotnovodcheskih pomeshchenij. M., 2013.
2. Avtomatizirovannoe upravlenie mikroklimatom // Vest-nik Ukr. nacional'nogo universiteta 2012. №6.
3. Lysenko A.V. Intellektual'nye sistemy mikroklimata kak osnova povysheniya ehnergoehffektivnosti // Vestnik Pe-nzenskogo gosuniversiteta. 2015. №7.
4. CHuvashov V.N. Analiz ehffektivnosti primeneniya na zhivotnovodcheskih fermah tekhniki dlya mikroklimata // Vestnik VNIIMZH. 2015. №4. S. 230.
5. Viktorov A.P. Avtomatizirovannaya sistema normali-zacii mikroklimata v zhivotnovodstve // Mat. 9-j Mezhd. nauch.-prakt. konf. Uglich, 2006 .
COMPUTER SCHEME OF LIVESTOCK MICROCLIMATE'S CONTROL N.N. Novikov, candidate of technical sciences, laboratory chief B.I. Nazarov, candidate of technical sciences, senior research worker All-Russian research Institute of animal husbandry mechanization
Annotation. The modern microclimate systems have major weaknesses: they do not consider the actual air and heat balances of buildings and real weather conditions - temperature, external humidity, speed and wind direction, atmospheric pressure, solar radiation, etc. The ventilation and heating systems efficiency can be significantly enhanced if building's heat and mass transfer mathematical modeling using, to carry out optimal control by system based on the controller and a set of existing software and hardware using. At the programmable controllers using the need of traditional electromechanical elements of automation application: relays, transducers, switches, meters, indicators, measuring devices, etc. is excluded. Programmable controller allows to control optimally of the technological process. At the microclimate system control working the controller with the input transducers monitors using request of real-time outdoor and indoor air's temperature and humidity, its pollution. Simultaneously, the controller carries out a survey of its under-included interface transducers providing the main system equipment's control. According to the request the controller automatically places the system into one of the calculation's modes according to the results of the received information processing. Keywords: microclimate, regulation, controller, livestock.
