Курсовая работа: Автоматизированная система управления климатом в тепличных хозяйствах

Курсовая работа: Автоматизированная система управления климатом в тепличных хозяйствах

Министерство образования и науки Украины

Национальный технический университет Украины

«Киевский Политехнический Институт»

Кафедра автоматики и управления в технических системах

Курсовой проект

Автоматизированная система управления климатом в тепличных хозяйствах

По дисциплине «Проектирование компьютеризированных систем управления»

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 Общие сведения

Настоящее техническое задание разработано согласно ГОСТ 34.602-89 "Информационная технология. Техническое задание на создание автоматизированной системы".

Наименование системы

Автоматизированная система управления и контроля климата в тепличных хозяйствах. Условное обозначение – АСУ ККТХ.

Шифр работы

ИА63.061100.005 ТЗ

Организации - участники разработки

Заказчик – НТУУ «КПИ», ФИВТ, кафедра АУТС.

Разработчики АСУ ККТХ: ст. гр. ИА-63, Левичев А., Мельник М.

Основание для разработки

Основаниями для разработки АСУ ККТХ являются:

-  Учебный план специальности «Системы управления и автоматики» (шифр 7.0914.01);

-  Рабочая программа по курсу «ПКСУ»;

-  Задание на курсовое проектирование, выданное руководителем.

Сроки начала и окончания разработки АСУ ККТХ

Начало работ - 01.09.09 г.

Окончание работ - 30.01.10 г.

Примечание:

В случае изменения технологической схемы объекта срок окончания работ подлежит корректировке.

Порядок контроля и приема

Оформленный курсовой проект подписывается исполнителем, проверяется и подписывается руководителем и представляется к защите в установленном порядке.

Изменения и дополнения

Настоящее ТЗ может быть уточнено в процессе разработки и проектирования АСУ ТП путем выпуска дополнений, утвержденных в установленном порядке.

 

1.2 Назначение АСУ ККТХ

Назначение АСУ ККТХ

АСУ ККТХ 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.

Цели создания АСУ ККТХ

Целями создания АСУ ККТХ 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.

 

1.3 Общая характеристика объекта управления

Краткие сведения об объекте автоматизации

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 СО;

-  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.

1.4 Требования к системе

Требования к структуре системы

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

По иерархическому принципу АСУ ККТХ должна подразделяться на уровни:

нижний уровень:

измерительные преобразователи параметров почвы;

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 ККТХ 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.

Требования к функционированию системы

АСУ ККТХ 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.

Требования к численности и квалификации персонала

АСУ ККТХ 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 ККТХ и выполнения ремонта при круглосуточной работе оборудования.

Требования к Показателям назначения

АСУ ККТХ 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%.

Требования к надежности

АСУ ККТХ должна быть многоканальной, многофункциональной системой длительного пользования и являться ремонтопригодным объектом с периодическим техническим обслуживанием. Требования к показателям надёжности системы устанавливаются в соответствии с ГОСТ 24.701-84.

Требования к безотказности АСУ ККТХ устанавливаются для отдельных функций.

Средняя наработка АСУ ККТХ на отказ типа "Пропуск аварии" при работе в нормальных условиях без учёта первичных преобразователей и исполнительных механизмов должна быть не менее 100000 часов.

Критерием отказа типа "Пропуск аварии" является событие, заключающееся в отсутствии команды управления аварийным остановом двигателей на выходе АСУ ККТХ при наличии любого из аварийных сигналов на её входах.

Средняя наработка АСУ ККТХ на отказ типа "Ложный аварийный останов" при работе в нормальных условиях без учёта первичных преобразователей и исполнительных механизмов должна быть не менее 40000 часов.

Критерием отказа типа "Ложный аварийный останов" является событие, заключающееся в наличии выдаваемой команды управления аварийным остановом двигателей при фактическом отсутствии аварийной ситуации на объекте.

Средняя наработка АСУ ККТХ на отказ типа "Невыполнение команд управления" при работе в нормальных условиях без учёта первичных преобразователей и исполнительных механизмов должна быть не менее 40000 часов.

Критерием отказа типа "Невыполнение команд управления" является событие, заключающееся в отсутствии необходимой команды управления в выбранном режиме работы двигателей АСУ ККТХ.

Средняя наработка АСУ ККТХ на отказ по любому из основных каналов контроля параметров температуры, давления, частоты вращения, расхода силы токов и пр. при работе в нормальных условиях без учета первичных преобразователей должна быть не менее 50000 часов.

Критерием отказа измерительного канала является невозможность получения достоверной информации о параметре.

Подтверждение показателей безотказности каналов регулирования и измерительных каналов проводится путем контрольных испытаний не реже одного раза в три года.

Контроль показателей долговечности измерительного канала и канала регулирования проводится путем обработки статистических данных, полученных в условиях эксплуатации параметрическим методом по ДСТУ 3004-85.

Среднее время восстановления работоспособного состояния АСУ ККТХ путём замены неисправного сменного блока, модуля или устройства из состава ЗИП должно быть не более 1 часа, включая время поиска неисправности.

Средний срок службы АСУ ККТХ должен быть не менее 10 лет.

Значения показателей надёжности АСУ ККТХ должны подтверждаться следующим образом:

расчётом безотказности:

-  на этапе разработки - аналитическим способом с экспоненциальным законом распределения интенсивности отказов;

-  в процессе эксплуатации - на основе наблюдения её работоспособности на объектах эксплуатации;

-  расчётом ремонтопригодности:

на этапе разработки - аналитическим способом по данным экспертной оценки времени восстановления;

в процессе эксплуатации - на основе наблюдения её ремонтопригодности на объектах эксплуатации.

Требования безопасности

Монтаж, наладку, эксплуатацию, обслуживание и ремонт технических средств системы необходимо производить согласно требованиям:

-  "Правил устройства электроустановок" шестого издания, 1985 г.;

-  "Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей" четвертого издания, утвержденных 21.12.84 г.;

-  ДНАОП 0.00-1.21-98 "Правила безопасной эксплуатации электроустановок потребителей";

-  инструкций заводов изготовителей оборудования;

-  заводских инструкций по технике безопасности.

Все токоведущие части технических средств АСУ ККТХ, находящиеся под напряжением, должны иметь защиту от случайного прикосновения.

Металлические шкафы, пульты, стативы, корпуса электрооборудования должны быть заземлены.

Электрическая изоляция гальванически разделённых цепей технических средств АСУ ККТХ относительно корпуса и между собой при температуре 20 ± 5°C и относительной влажности до 80% должна выдерживать в течение 1 минуты действие испытательного напряжения синусоидальной формы промышленной частоты:

-  между цепями с напряжением до 40В – 250В;

-  между цепями с напряжением от 60В до 250В – 1500В.

Электрическое сопротивление изоляции электрически несвязанных цепей АСУ ККТХ относительно корпуса и между собой должно быть не менее 20МОм при температуре 20 ± 5 °C и относительной влажности до 80%.

Технические средства АСУ ККТХ должны иметь электрическое соединение под винт или клемму для защитного заземления, возле которых должен быть нанесён знак защитного заземления.

Сопротивление между заземляющим винтом, клеммой и каждой доступной прикосновению металлической нетоковедущей частью изделия, которая может оказаться под напряжением, не должно превышать 0,1Ом.

По способу защиты человека от поражения электрическим током технические средства АСУ ККТХ должны соответствовать классу 0I и обеспечивать требования к заземлению устройств по ГОСТ 12.2.007-75.

Должна быть обеспечена взрывозащищенность, искробезопасность измерительных цепей технических средств АСУ ККТХ. Приборы, имеющие искробезопасные входные цепи или обеспечивающие искробезопасность, должны иметь соответствующие надписи и знаки, а также места для пломбирования – если это необходимо.

Проводники электропитания должны подключаться к потребителям через защитные автоматические выключатели.

Уровень шума, создаваемый техническими средствами АСУ ККТХ при работе, не должен превышать 75 дБ, в местах постоянного нахождения персонала.

Требования к эргономике и технической эстетике

Способы и формы представления информации оперативному персоналу, средства контроля и органы управления должны быть выполнены с учетом инженерной психологии и технической эстетики, обеспечивающих информационное, моторное и антропологическое соответствие системы "оператор - управляемый объект" и соответствовать ОСТ 36.13-90 "Щиты и пульты систем автоматизации технологических процессов".

При этом размещение средств контроля и управления должно соответствовать технологическому процессу (последовательности узлов) и позволять осуществлять активный контроль и управление, как в нормальном режиме, так и в аварийных ситуациях.

Рабочим местом оператора должна быть рабочая станция.

Количество органов управления и элементов индикации должно быть минимальным, но достаточным для выполнения всех функций, возложенных на оператора.

Вся информация, необходимая для ведения технологического процесса, должна отображаться на экранах видеомониторов рабочей станции.

Компоновка технических средств АСУ ККТХ должна обеспечивать свободный доступ к ним для осуществления наладки и ремонта.

Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению компонентов системы

Технические средства АСУ ККТХ (центральной части) должны эксплуатироваться круглосуточно в течение 365 дней в году с заданными техническими показателями.

Технические средства АСУ ТП КЦ (центральной части) должны быть рассчитаны на эксплуатацию в закрытых, не отапливаемых и вентилируемых помещениях.

По защищенности от воздействия окружающей среды технические средства АСУ ККТХ (центральной части) должны быть обычного исполнения, со степенью защиты по ГОСТ 14254 - 80.

По устойчивости к воздействию температуры, влажности и атмосферного давления окружающего воздуха технические средства АСУ ККТХ (центральной части) должны быть рассчитаны на работу в следующих условиях:

-  температура окружающего воздуха – от -15°C до+40°C;

-  относительная влажность воздуха – от 30% до 80% при температуре +35°C и более низких температурах без конденсации влаги;

-  атмосферное давление – от 84кПа до 107кПа.

Электропитание АСМУ должно обеспечиваться от основной и резервной гальванически развязанных электросистем. В качестве основного электропитания использовать источник переменного напряжения 220В ±10%, 50Гц, в качестве резервного – источник постоянного напряжения 220В ±10%. Электропитание к АСМУ должно подводиться через автоматические предохранители.

Технические средства АСУ ККТХ (центральной части) должны сохранять работоспособность при воздействии постоянных или переменных, частотой 50Гц, магнитных полей напряженностью не более 40А/М.

АСУ ККТХ должна позволять вести технологический процесс без постоянного присутствия обслуживающего персонала в зоне действия технологического оборудования.

Площадь помещений для размещения технологического и обслуживающего персонала, а также для установки технических средств АСУ ККТХ (центральной части), должна быть достаточной для нормальной работы персонала и обслуживания оборудования.

Технические средства АСУ ККТХ (центральной части) должны питаться от сети переменного тока с параметрами 380В ±10%, частотой 50 ±1Гц и содержанием высших гармоник питающей сети не более 5%.

 АСУ ККТХ (центральная часть) должна обслуживаться персоналом, прошедшим обучение на специальных курсах подготовки и имеющим удостоверения на право самостоятельной работы.

Комплекс технических средств АСУ ККТХ (центральной части) должен быть снабжен 100% - ным, по номенклатуре применяемых модулей и блоков, комплектом ЗИП, комплектность и исправность которого необходимо поддерживать в течение всего срока службы АСУ ККТХ.

Условия хранения ЗИП должны удовлетворять требованиям эксплуатационной документации на соответствующие технические средства.

Виды работ по техническому обслуживанию, содержание работ и их периодичность выполняются в соответствии с руководствами по эксплуатации заводов изготовителей технических средств АСУ ККТХ (центральной части).

Требования к защите от влияния внешних воздействий

Технические средства АСУ ККТХ (центральной части) должны быть рассчитаны на эксплуатацию в закрытых, не отапливаемых и вентилируемых помещениях - в соответствии СНиП 2.04.05-91 "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха".

По защищенности от воздействия окружающей среды технические средства АСУ ККТХ (центральной части) должны быть обычного исполнения, со степенью защиты по ГОСТ - 14254 - 80.

По устойчивости к воздействию температуры, влажности и атмосферного давления окружающего воздуха технические средства АСУ ККТХ (центральной части) должны быть рассчитаны на работу в следующих условиях:

-  температура окружающего воздуха – от -15°C до+40°C;

-  относительная влажность воздуха – от 30% до 80% при температуре +35°C и более низких температурах без конденсации влаги;

-  атмосферное давление – от 84кПа до 107кПа.

Технические средства АСУ ККТХ (центральной части) должны сохранять работоспособность при воздействии постоянных или переменных, частотой 50Гц, магнитных полей напряженностью не более 40А/М.

Требования по стандартизации и унификации

Система управления должна обеспечить функционирование технологического объекта в пределах регламентных норм.

На экранах мониторов информация представляется в виде отдельных групп, сообщений, фрагментов мнемосхемы, графиков и таблиц.

Оперативное отображение информации должно обеспечивать достаточное представление о ходе технологического процесса.

Информация на экране дисплея должна обновляться с периодом не более 5 секунд для обзорных кадров и не более 2 секунд - для кадров контуров регулирования.

Сигнализация о предаварийных ситуациях должна появляться по мере их возникновения.

Тренды должны обеспечивать одновременное отображение до 5 параметров на интервале от 20 минут до 30 суток.

В кадре контуров регулирования должно отображаться до 8-ми групп параметров однотипных контуров регулирования в цифробуквенном виде и в виде вертикальных гистограмм. В каждой группе параметров контура регулирования должна отображаться следующая информация:

-  текущее значение параметра;

-  текущее значение задания;

-  значение управляющего воздействия на исполнительный механизм;

-  режим работы двигателя;

-  сигнализация о выходе параметра за регламентные и/или предаварийные значения (изменением цвета);

Мнемосхемы должны быть как укрупнёнными, так и детальными для каждого узла. При выходе параметра за регламентные или предаварийные границы надписи, числа и гистограммы на мнемосхемах должны изменять цвет, и это событие должно сопровождаться звуковым сообщением.

Требования к функциям, выполняемым системой

АСУ ККТХ должна выполнять функции информационные, управляющие и противоаварийные.

Информационные функции:

-  вычислительные и логические функции информационного характера;

-  автоматическая регистрация текущих значений технологических параметров и состояния исполнительных механизмов;

-  автоматический контроль и фиксация команд и действий оператора при пуске, работе и нормальной остановке оборудования;

-  автоматическое обнаружение и отображение (аварийных и предупредительных) значений технологических параметров и показателей состояния оборудования на экранах мониторов операторских станций;

-  отображение и регистрация первопричины аварийной остановки;

-  диагностика исправности (состояния) управляющего оборудования АСУ ККТХ;

-  звуковое оповещение об отклонениях или нарушениях в технологическом процессе;

-  подача звуковых и световых сигналов при включении предупредительной и аварийной сигнализации.

Управляющие функции:

-  автоматический программный пуск оборудования АСУ ККТХ;

-  автоматическая программная остановка (нормальная и аварийная) оборудования АСУ ККТХ;

-  изменение текущих значений технологических параметров в ручном режиме;

-  дистанционное управление вспомогательным электрооборудованием, регулирующим оборудованием;

-  работа технологического оборудования без постоянного присутствия эксплутационного персонала;

-  возможность поэтапного пуска АСУ ККТХ при производстве пусконаладочных работ.

Противоаварийные функции:

-  автоматическая защита оборудования АСУ ККТХ путем его аварийной остановки;

-  формирование необходимых технологических блокировок;

-  запрет выполнения команд, которые не предусмотрены алгоритмом управления;

-  экстренная остановка АСУ ККТХ по инициативе оператора;

-  возможность ручной остановки АСУ ККТХ оператором при аварийных ситуациях;

-  возможность остановки АСУ ККТХ при исчезновении напряжения основного источника электроэнергии;

-  контроль наличия питающих напряжений.

Требования к математическому обеспечению

Математическое обеспечение микропроцессорного контроллера должно обеспечивать выполнение следующих функций первичной обработки аналоговых сигналов:

-  расчет действительных значений;

-  фильтрация сигналов (усреднение);

-  сравнение с уставками (технологические границы);

-  формирование дискретных сигналов нарушений;

-  формирование массива текущих значений параметров.

Математическое обеспечение микропроцессорных контроллеров, кроме функций по обработке текущей информации, должно производить выполнение управляющих и противоаварийных функций, в состав которых входят:

-  автоматический программный пуск оборудования АСУ ККТХ;

-  автоматическая программная остановка (нормальная и аварийная) оборудования АСУ ККТХ;

-  автоматическое регулирование технологических параметров;

-  дистанционное управление вспомогательным электрооборудованием и регулирующим оборудованием;

-  автоматическая защита оборудования АСУ ККТХ путем его аварийной остановки.

Настройка систем регулирования должна производиться заданием соответствующих коэффициентов.

Математическое обеспечение должно обеспечить выполнение основных функций АСУ ККТХ, функций хранения и представления информации. Для этого необходимо предусмотреть:

-  разработку общего алгоритма функционирования АСУ ККТХ;

-  разработку алгоритмов автоматического пуска оборудования скважин;

-  разработку алгоритмов автоматического пуска оборудования насосной станции;

-  разработку алгоритмов автоматического останова (нормального и аварийного);

-  разработку алгоритмов противоаварийной защиты;

-  создание базы данных о технологическом процессе;

-  разработку алгоритмов сбора и первичной обработки аналоговой информации;

-  разработку алгоритмов технологического контроля;

-  разработку алгоритмов учета состояния оборудования;

-  разработку алгоритмов отображения информации оператору-технологу;

-  разработку алгоритмов опроса микропроцессорных контроллеров;

-  разработку алгоритмов выдачи заданий микропроцессорному контроллеру;

-  разработку алгоритмов диагностики микропроцессорных контроллеров.

Требования к информационному обеспечению

База данных АСУ ККТХ должна формироваться путем заполнения стандартных форм на экране видеотерминала на основании перечня каналов контроля и регулирования. Вызов форм должен осуществляться при помощи системы вложенных меню. Меню должно обеспечивать:

-  описание системы;

-  описание контроллера;

-  описание системы отображения;

-  описание аналоговых сигналов;

-  описание дискретных сигналов;

-  описание протоколирования;

Описание аналоговых сигналов должно определять подключение сигнала в системе, параметры обработки сигнала, признаки усреднения, включения значений параметра в рапорт-отчет, формирования истории параметров контура на указываемом временном интервале, контроля на достоверность.

Описание дискретных сигналов должно содержать информацию о подключении параметра в систему, признак включения значений параметра в таблицу аварийных ситуаций в случае изменения значения входного сигнала, нормальное значение (состояние) параметра.

Описание протоколирования и печати должно содержать описание таблицы нарушений, описание рапорта-отчета, описание архивного тренда, описание протоколирования значений параметров, заносимых оператором в оперативную память контроллера.

Необходимо предусмотреть протоколирование действий оператора по изменению задания, режима работы контуров управления, выдаче дискретных управляющих воздействий (пуск, останов, открытие, закрытие) и запись протокола на носители ПЭВМ.

Для конфигурирования системы и формирования базы данных необходимо предусмотреть режимы корректировки базы данных. Корректировка базы данных должна выполняться в автономном режиме работы ПЭВМ или на инструментальной ПЭВМ.

К изображению на мнемосхемах, как к средству человеко-машинного интерфейса в промышленных условиях, предъявляются следующие требования:

-  средняя степень детализации с применением не менее восьми цветов для того, чтобы позволить легко распознавать производственные ситуации;

-  изменение состояния технологических переменных преобразуется в изменение отображения соответствующих элементов мнемосхемы (цвет, мерцание, заполнение).

Необходимо организовать изменение подсветки соответствующего элемента мнемосхемы в случае изменения состояния дискретного параметра.

Вход в кадр мнемосхемы должен выполняться клавишами вызова мнемосхемы.

Обеспечить возможность управления контурами регулирования из мнемосхемы посредством окна управления.

Архивирование истории процесса

Для отслеживания изменения состояния параметров технологического процесса необходимо организовать хранение истории значений параметра.

Предусмотреть архивы аналоговых параметров:

-  архив мгновенных значений параметров;

-  архив предаварийных и после аварийных ситуаций;

-  архив усредненных значений параметров за сутки;

-  архив среднечасовых значений параметров на месячном интервале.

По инициативе оператора архивный тренд в виде графиков должен выводиться на экран дисплея.

Просмотр трендов не должен мешать оператору управлять технологическим процессом.

Формирование отчетной документации

Протоколы нарушений и событий

В режиме оперативного контроля должен формироваться протокол нарушений регламентных и предаварийных границ. Оператор должен иметь возможность просматривать протокол на экране видеомонитора в произвольный момент времени. В протоколе должны фиксироваться в хронологическом порядке с начала смены шифры, наименования параметров, вышедших за границы, и значения этих границ для аналоговых параметров, а также время и дата возникновения нарушения. Для дискретных параметров должно фиксироваться изменение состояния.

Требования к программному обеспечению

Программное обеспечение АСУ ККТХ должно быть достаточным для реализации всех функций системы и подразделяется на программное обеспечение микропроцессорных устройств определенного назначения (преобразователей, контроллеров) и программное обеспечение операторской станции.

Системное ПО поставляется совместно со средствами ВТ.

Специализированное и прикладное ПО разрабатываются на стадии разработки информационного, математического и программного обеспечения и поставляются ЗАКАЗЧИКУ на указанном носителе информации. К изображению на мнемосхемах, как к средству человеко-машинного интерфейса в промышленных условиях, предъявляются следующие требования:

-  средняя степень детализации с применением не менее восьми цветов для легкого распознавания производственных ситуаций;

-  изменение состояния технологических переменных преобразуется в изменение отображения соответствующих элементов мнемосхемы (цвет, мерцание, заполнение).

Необходимо организовать изменение подсветки соответствующего элемента мнемосхемы в случае изменения состояния дискретного параметра.

Вход в кадр мнемосхемы должен выполняться клавишами вызова мнемосхемы.

Необходимо обеспечить возможность управления контурами регулирования из мнемосхемы посредством окна управления.

Требования к техническому обеспечению АСУ ККТХ

Технические средства, предлагаемые для использования в АСУ ККТХ, должны полностью удовлетворять всем требованиям, изложенным в настоящем ТЗ, и иметь возможность выполнять все функции, описанные в соотв. разделах настоящего ТЗ.

Технические средства АСУ ККТХ состоят из следующих компонентов:

-  микропроцессорных контроллеров;

-  системы визуализации на базе компьютеров индустриального исполнения;

-  системы электропитания.

В составе технических средств АСУ ККТХ должны использоваться микропроцессорные контроллеры и индустриальные ЭВМ, совместимые с IBM PC AT, которые будут использованы в качестве рабочих мест операторов-технологов.

Технические характеристики используемых технических средств системы должны обеспечить взаимозаменяемость одноименных технических средств без каких-либо изменений или регулировок в остальных устройствах.

Используемые в системе приборы и средства автоматизации должны соответствовать по параметрам электропитания ГОСТ 721-77.

Используемые в системе технические средства должны соответствовать требованиям надежности.

Уровень индустриальных радиопомех, создаваемый техническими средствами системы при работе, а также в момент включения и выключения, не должен превышать величин, предусмотренных "Общесоюзными нормами допускаемых помех" №1-72-9-72.

Уровень шума, создаваемый техническими средствами, не должен превышать в местах расположения оперативного персонала 75 дБ при диапазоне частот 600-1200 гц по ГОСТ 12.1.003-83.

Технические средства системы должны соответствовать требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.007-75 и ГОСТ 12997-84.

Все внешние элементы технических средств системы, находящиеся под напряжением, должны иметь защиту от случайных прикосновений, а сами технические средства - иметь защитные заземления в соответствии с ПУЭ.

Характеристика системы технического обслуживания и ремонта, а также требования к средствам технического обслуживания и ремонта, должны быть приведены в техническом описании и инструкции по эксплуатации системы.

АСУ ККТХ должна быть укомплектована комплектом ЗИП в соответствии с техническими условиями на технические средства.

Весь комплекс технических средств АСУ ККТХ (центральная часть) при исчезновении электропитания должен сохранять работоспособность (наблюдаемость и управляемость) не менее 1 (одного) часа с использованием агрегата бесперебойного питания UPS с запасом мощности в 30% от номинальной.

Требования к метрологическим характеристикам измерительных каналов

Метрологические характеристики измерительных каналов определяются и нормируются в процессе метрологической аттестации согласно ДСТУ3215-95, ДСТУ2682-94, ДСТУ2708-94, ГОСТ 12997-84, ГОСТ8.010-90.

Система автоматического управления должна иметь следующие метрологические характеристики (без учета первичных преобразователей ):

-  пределы допускаемой основной приведенной погрешности каналов измерения температуры - не более 0,5%;

-  пределы допускаемой основной приведенной погрешности каналов измерения давления, перепада давления, уровня - не более 0,5%;

-  предел допускаемой относительной погрешности каналов приема измерения частоты вращения - не более 0,1%;

-  суммарный предел допускаемой относительной погрешности по определению объемного расхода - не более 1,0%.

-  предел допускаемой относительной погрешности каналов приема измерения токов и напряжений - не более 0,5%.

Для ведения технологического процесса класс точности первичных измерительных преобразователей должен быть следующим:

-  класс точности измерительных преобразователей, участвующих в измерении температуры, должен быть не ниже 0,5;

-  класс точности измерительных преобразователей, участвующих в измерении давления, перепада давления, уровня, должен быть не ниже 0,5;

-  класс точности измерительных преобразователей, участвующих в измерении частоты вращения, должен быть не ниже 0,1;

-  класс точности измерительных преобразователей, участвующих в измерении расхода, должен быть не ниже 1,0;

-  класс точности измерительных преобразователей, участвующих в измерении токов и напряжений двигателей, должен быть не ниже 0,5.

 Основная погрешность нормируется при следующих условиях эксплуатации:

-  температура окружающего воздуха - +20°С ±5°С;

-  относительная влажность воздуха - от 30% до 80%;

-  атмосферное давление - от 84 до 107 кПа;

-  напряжение питающей сети 220В ± 10%;

-  частота 50 ± 1 Гц;

-  отсутствие внешних электрических и магнитных полей;

-  отсутствие вибрации, тряски, ударов.

Изменение погрешности, вызванное изменением температуры окружающего воздуха от границ области нормальных значений (от 15°С до 25°С) до любой температура в пределах от 5°С до 50°С не должно превышать 0,5 границы абсолютного значения предела основной погрешности на каждые 10°С.

В технической документации на систему должны быть следующие документы:

-  программа метрологической аттестации измерительных и вычислительных каналов;

-  методика калибровки измерительных и вычислительных каналов;

-  методика метрологической поверки каналов в процессе эксплуатации.

Требования к методам и средствам испытания и проверки измерительных каналов АСУ ККТХ

К методам и средствам испытания и поверки измерительных каналов предъявляются следующие требования:

-  в качестве образцовых средств измерения при контроле метрологических характеристик измерительных каналов должны использоваться серийно выпускаемые образцовые приборы. Все измерительные ИК АСУ ККТХ подлежат периодической поверке;

-  ИК поверяются комплексно, включая, все первичные измерительные преобразователи и средства отображения информации в соответствии с ГОСТ 8.438-81;

-  входные сигналы ИК в поверяемых точках диапазона измерений должны иметь фиксированное значение технологического параметра или обеспечена его имитация образцовой мерой;

-  поверка должна осуществляться с помощью серийно выпускаемых средств измерений, которые определяются методами поверки измерительных компонентов ИК;

-  методические указания по поверке ИК должны предусматривать их поверку комплексно в соответствии с ГОСТ 8.326-89;

-  после проведения поверки не допускается какое-либо изменение структуры ИК без разрешения ведомственной метрологической службы.

Создаваемые в составе АСУ ККТХ ИК и ИС подлежат метрологической аттестации на объекте в установленном порядке Днепропетровским государственным центром стандартизации метрологии и сертификации (ДГЦСМС).

1.5 Состав и содержание работ по созданию АСУ ККТХ

Таблица 1.1 – Состав и содержание работ по созданию АСУ ККТХ

N n/n	Наименование этапов работ	Срок выполнения	Исполнитель
1.  11	Разработка технического задания	Согласно календарного плана	Ст. гр. ИА-63 Левичев А.
2.  22	Разработка общесистемных решений	Согласно календарного плана	Ст. гр. ИА-63 Левичев А.
3.  33	Разработка информационного обеспечения	Согласно календарного плана	Ст. гр. ИА-63 Левичев А.
4.  55	Разработка математического и программного обеспечения микропроцессорных контроллеров	Согласно календарного плана	Ст. гр. ИА-63 Левичев А.
5.	Разработка технического обеспечения АСУ ККТХ	Согласно календарного плана	Ст. гр. ИА-63 Левичев А.
6.  77	Разработка организационного обеспечения	Согласно календарного плана	Ст. гр. ИА-63 Левичев А.
7.  88	Поставка оборудования АСУ ККТХ центральной части. Этап 1	Через 100 дней после перевод аванса	заказчик
8.	Монтаж АСУ ККТХ центральной части	Через 2 месяца после поставки оборудования	заказчик
9.	Пусконаладочные работы центральной части АСУ ККТХ	Через 2 месяца после окончания монтажных работ	заказчик
10.	Шефмонтаж АСУ ККТХ	Согласно календарного плана	заказчик
11.	Пусконаладочные работы нижнего  уровня АСУ ККТХ	Согласно календарного плана	заказчик
12.	Комплексная наладка АСУ ККТХ	Через 30 дней после подписания акта рабочей комиссией	заказчик

1.6 Требования к составу и содержанию работ по подготовке объекта автоматизации к вводу системы в действие

При подготовке объекта к внедрению АСУ ККТХ предприятие, эксплуатирующее систему, должно:

-  обеспечить готовность объекта к проведению монтажных работ по созданию АСУ ККТХ;

-  обеспечить организацию подразделения технического обслуживания АСУ ККТХ;

-  осуществить входной контроль средств АСУ ККТХ на комплектность и соответствие технической документации проекту;

-  выполнить наладку и госповерку АСУ ККТХ;

-  совместно со специализированными организациями осуществить инженерный надзор за монтажом частей АСУ ККТХ;

-  организовать с привлечением разработчика техническое обучение оперативного и ремонтного персонала правилам эксплуатации АСУ ККТХ;

-  организовать и провести с участием разработчика, соисполнителей и заказчика приемосдаточные испытания АСУ ККТХ;

-  выполнить изменения в технологической схеме объекта, предложенные разработчиком АСУ ККТХ и согласованные с проектной организацией.

ПРИМЕЧАНИЕ: Заказчик выполняет вышеуказанные работы самостоятельно или с привлечением специализированных организаций.

 

1.7 Требования к документировании

Виды и комплектность документов на АСУ ККТХ регламентированы положениями ГОСТ 34.201-89.

Разработке подлежит:

-  общесистемные проектные решения;

-  комплект документов организационного обеспечения;

-  комплект документов математического обеспечения;

-  комплект документов программного обеспечения;

-  комплект документов информационного обеспечения.

Содержание разделов технического задания может уточняться в установленном порядке протоколами (подраздел 3.3 ГОСТ 34.602-89) в процессе разработки и ввода в действие АСУ ККТХ без внесения изменений в техническое задание.

1.8 Источники разработки

ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Техническое задание на создание автоматизированной системы.

"Исходные требования на создание автоматизированной системы управления водозаборным узлом”

“Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств" ОПВБ - II, Москва, "Недра", 1982г.

"Правила устройства электроустановок" шестое издание, 1985 г.

"Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей" четвертое издание, утвержденное 21.12.84 г.

ДНАОП 0.00-1.21-98 "Правила безопасной эксплуатации электроустановок потребителей".

ОСТ 36.13-90 "Щиты и пульты систем автоматизации технологических процессов".

СНиП 2.04.05-91 "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха".

ДСТУ3215-95 "Метрологічна атестація засобів вимірювальної техніки. Організація та порядок проведення".

ГОСТ 12.1.003-83 "Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности".

ГОСТ 12.2.007-75 "Изделия электротехнические. Общие требования безопасности".

ГОСТ 12997-84 "Изделия ГСП. Общие технические условия".

ГОСТ 34.201-89 "Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем".

ГОСТ 22315-77 "Средства агрегатные информационно-измерительных систем. Общие положения".

ГОСТ 14254 - 80 "Изделия электротехнические. Оболочки. Степени защиты. Обозначения. Методы испытаний".

2. Описание объекта автоматизации и алгоритма его функционирования

Архитектура разрабатываемой системы имеет два уровня: нижний – подсистема управления (датчики, микроконтроллер, исполнительные механизмы и оборудование) и верхний – пост оператора (персональный компьютер). Связь между уровнями осуществляется по интерфейсу RS-485. Реализация алгоритмов управления осуществляется с помощью автоматизированного модуля верхнего уровня, который также отвечает за интерфейс на посту оператора (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Мнемосхема АСУТП

В состав тепличного хозяйства 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;

-  Пульт управления оператора;

-  Фильтр;

-  Насос;

-  Управляющий контроллер;

3. Анализ требований к системе

Полный перечень требований к системе управления и контроля климата в тепличных хозяйствах можно разделить на ряд подгрупп. Среди них:

-  требования к структуре системы;

-  требования к функционированию;

-  требования к численности и квалификации персонала;

-  требования к показателям назначения;

-  требования к надежности;

-  требования к эргономике и технической эстетике;

-  требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению компонентов системы;

-  требования к защите информации от несанкционированного доступа;

-  требования к защите от влияния внешних воздействий;

-  требования по стандартизации и унификации;

Основными являются требования к структуре системы и ее функционированию, которые и будут рассмотрены далее.

Архитектура разрабатываемой системы имеет два уровня: нижний – подсистема управления (датчики, микроконтроллер, исполнительные механизмы и оборудование) и верхний – пост оператора (персональный компьютер). Связь между уровнями осуществляется по интерфейсу RS-485. Реализация алгоритмов управления осуществляется с помощью автоматизированного модуля верхнего уровня, который также отвечает за интерфейс на посту оператора.

3.1 Требования к структуре системы

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

По иерархическому принципу АСУ ККТХ должна подразделяться на уровни:

нижний уровень:

-  регуляторами форсунок увлажнения, открытия клапана подачи воды, включения и выключения отопительной системы, и кондиционера;

-  датчики температуры воздуха, влажности;

-  устройства световой и звуковой сигнализации несанкционированного проникновения на территорию теплицы;

-  регулирующие и другие исполнительные механизмы;

-  микропроцессорные контроллеры мониторинга и управления регуляторами форсунок увлажнения, открытия клапана подачи воды, включения и выключения отопительной системы и кондиционера.

верхний уровень:

-  операторская станция (рабочее место оператора).

Автоматизированный контроль и управление оборудованием контроля климата в тепличных хозяйствах может осуществляться без постоянного присутствия эксплуатационного персонала в зоне размещения технологического оборудования.

Связь между компонентами системы должна осуществляться по физическим и интерфейсным каналам.

АСУ ККТХ 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.

3.2 Требования к функционированию системы

АСУ ККТХ должна:

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

-  повышение производительности теплицы за счет жесткого автоматического поддержания требуемых параметров микроклимата;

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

-  обеспечивать обслуживающий персонал своевременной и достоверной информацией о ходе технологического процесса;

-  обеспечение персонала достоверной и своевременной технологической информацией;

-  обеспечивать снижение энергопотребления;

-  обеспечивать световую и звуковую аварийную сигнализацию при несанкционированном проникновении на территорию ВЗУ, в павильоны скважин, а также снятии люков с резервуара.

АСУ ККТХ также должна обеспечивать взаимодействие с:

-  системами сбора и обработки информации - по физическим каналам связи.

-  исполнительными механизмами и агрегатами - по физическим каналам связи;

-  пультом управления оператора – по сети RS-485.

4. Обзор существующих решений и обоснование выбора принятого принципа построения проектируемой системы

Практически все тепличные хозяйства строятся по единой схеме: теплоизолированное помещение, в котором к нужным значениям с помощью системы обогрева, системы опрыскивания растений, датчиков температуры воздуха и воды (для полива), влажности почвы, и воздуха.

Тепличные хозяйства различаются лишь в зависимости от объекта культивирования.

Т.е. различие системе технического обогрева помещения, системе увлажнения и пр. Сбор информации будет проходить по всем основным ОУ, необходимым для успешного выполнения поставленных задач. По этим параметрам оператор будет принимать решения по управлению.

Эффективность работы АСУ ККТХ в большей степени будет зависеть от того как она будет спроектирована. Тепличное хозяйство будет полностью автоматизировано за исключением случаев либо слишком сильного не предусмотренного воздействия на данную систему, либо при случаях несанкционированного вмешательства в работу системы.

Системы управления ККТХ могут отличаться между собой лишь уровнем автоматизации, т.е. количеством и качеством регулируемых параметров объекта. Схема же систем в большинстве случаев остается постоянной. Это в значительной степени обусловлено радом требований к АСУ ВЗУ со стороны ГОСТов и СПИНов. Среди таких требований можно выделить следующие:

-  Общие положения (СНиП 2.10.04-85);

-  Объемно-планировочные и конструктивные решения (ОНТП-СХ.10-81);

-  Водопровод, водостоки и дренаж (ОНТП-СХ. 10-81);

-  Отопление и вентиляция (СНиП II-33-75);

-  Электротехнические устройства (ОНТП-СХ.10-81).

4.1 Общие положения

 

Теплицы следует проектировать однопролетными или многопролетными. Тип теплиц для каждой зоны определяется технико-экономическим обоснованием. Парники следует проектировать с односкатным или двускатным покрытием. 

Вспомогательные помещения для работающих в теплицах и парниках следует проектировать в соответствии с требованиями СНиП II-92-76. Геометрические параметры теплиц и парников должны назначаться в соответствии с технологической частью проекта. Теплицы следует проектировать с деревянным или металлическим каркасом в соответствии с требованиями ТП 101-81. Парники необходимо проектировать с деревянным или железобетонным каркасом.

Светопрозрачные ограждения зимних теплиц следует проектировать из стекла или пленки, как правило, двухслойными или однослойными с дополнительной трансформирующейся шторой или теплозащитным экраном, а весенних теплиц - из пленки, снимаемой на зимний период. В стенах теплиц, предназначенных для выращивания рассады, высаживаемой в открытый грунт, необходимо предусматривать вентиляционные проемы.

 

4.2 Водопровод

Нормы и режим водопотребления, качество и температуру воды для полива и других технологических целей следует принимать в соответствии с требованиями ОНТП-СХ. 10-81.

При проектировании систем водоснабжения теплиц и парников необходимо руководствоваться указаниями СНиП 2.04.01-85 и СНиП 2.04.02-84 с учетом требований настоящего раздела. Для полива в теплицах и для других производственных целей допускается при обосновании подавать воду питьевого качества. Если в сеть производственного водопровода подаются удобрения или другие вещества, он должен присоединяться к хозяйственно-питьевому водопроводу с разрывом струи не менее 50 мм от максимального уровня воды в баке или в резервуаре до низа подающего трубопровода. Предусматривать внутреннее и наружное пожаротушение теплиц и парников не следует. Внутренний водопровод теплиц должен присоединяться к наружному, как правило, одним вводом. Водопровод в теплицах должен быть оборудован форсунками или капельницами для полива почвы, форсунками для увлажнения воздуха, а также кранами для полива, мытья проездов и других технологических целей. В теплицах, предназначенных для выращивания овощей на искусственных субстратах, водопровод должен быть оборудован в соответствии с требованиями технологии. Водопровод парников должен иметь краны для полива.

Постоянный свободный напор воды в трубопроводах у форсунок и капельниц, зоны их действия и другие характеристики, необходимые для проектирования, следует принимать по данным заводов-изготовителей. Краны для полива должны иметь условный диаметр 20 мм. Радиус зоны обслуживания одним краном не должен быть более 45 м.

Внутренние сети водопровода и водостоков теплиц следует проектировать, как правило, из неметаллических труб; гребенки, фасонные части, их соединения и при обосновании магистральные трубопроводы, прокладываемые по коридорам и теплицам, - из металла.

Внутренние сети водопровода и водостоков теплиц допускается прокладывать по поверхности земли и в земле.

Трубопроводы должны иметь устройства для опорожнения.

На вводах в теплицы следует предусматривать установку водомеров. Допускается установка водомеров на группу или блок теплиц.

Запорную арматуру необходимо устанавливать на вводах в теплицы и на ответвлениях от магистральных трубопроводов теплиц и парников.

Управление поливом следует предусматривать, как правило, дистанционным по заданной программе. Категория надежности систем водоснабжения теплиц должна быть не ниже II, парников - не ниже III согласно классификации СНиП 2.04.02-84.

 Многопролетные зимние теплицы следует проектировать, как правило, с внутренними водостоками для отвода атмосферных осадков из лотков покрытия. Многопролетные весенние и однопролетные весенние и зимние теплицы необходимо проектировать без внутренних водостоков.

Расчетные расходы дождевых вод при гидравлическом расчете лотков на кровлях теплиц и сетей внутренних водостоков следует определять по методу предельных интенсивностей. При этом период однократного превышения интенсивности дождя в расчетах внутренних водостоков необходимо принимать, как правило, равным 0,5 года.

В зависимости от гидрогеологических условий площадки строительства необходимо предусматривать закрытый дренаж в зимних грунтовых теплицах и в рассадных отделениях весенних теплиц.

Расстояние от проектной отметки поверхности почвы до верха дренажа должно быть не менее 0,7 м. Устройство дренажа в парниках не допускается.

Дренаж должен обеспечивать оптимальный воздушно-влажностный режим корнеобитаемого слоя, своевременное отведение дренажных стоков согласно требованиям ОНТП-СХ.10-81, а также предотвращение загрязнения грунтовых вод пестицидами и минеральными удобрениями.

4.3 Отопление и вентиляция

Отопление и вентиляцию теплиц и парников следует проектировать в соответствии с указаниями СНиП II-33-75 и с учетом норм настоящего раздела.

Отопление и вентиляция теплиц и парников совместно с другими системами должны обеспечивать в них параметры микроклимата (температуру воздуха и почвы, относительную влажность и скорость движения внутреннего воздуха), установленные требованиями ОНТП-СХ.10-81. Теплицы должны быть оборудованы системой вентиляции. Необходимость устройства системы отопления теплиц и парников, а также ее мощность следует определять расчетом. Теплоснабжение теплиц и парников должно осуществляться за счет вторичных энергоресурсов, тепла геотермальных вод, при отсутствии указанных источников - от ТЭС, АЭС и ТЭЦ или собственных источников тепла.

При использовании для отопления теплиц вторичных энергоресурсов допускается применять схемы теплоснабжения с использованием пиковой котельной. Расчетные параметры внутреннего воздуха и температуру почвы теплиц следует принимать в соответствии с требованиями ОНТП-СХ.10-81. Расчетные параметры наружного воздуха следует принимать согласно СНиП 2.01.01-82:

а) в холодный период года для зимних теплиц - среднюю температуру наиболее холодных суток с обеспеченностью 0,92, среднюю относительную влажность наиболее холодного месяца и среднюю скорость ветра за январь; для весенних теплиц - среднюю температуру наиболее холодного месяца за период эксплуатации, сниженную на половину максимальной суточной амплитуды температуры воздуха, среднюю относительную влажность и среднюю скорость ветра в этом месяце;

б) в теплый период года (для всех теплиц) - среднюю температуру и среднюю относительную влажность самого жаркого месяца, среднюю скорость ветра за июль.

Отопление и вентиляцию теплиц и парников следует проектировать с учетом поступлений тепла, аккумулированного почвой в дневное время (холодный период года) и от солнечной радиации (теплый период года).

При расчете водяного отопления необходимо учитывать лучистую составляющую теплоотдачи нагревательными приборами (трубами) и изменение теплоотдачи по их длине.

В зимних теплицах следует предусматривать водяное отопление или водяное в сочетании с воздушным (комбинированное отопление) и водяной обогрев почвы. Комбинированную систему отопления необходимо предусматривать, как правило, в зонах с наружной температурой наиболее холодных суток минус 20 °С и ниже, в остальных районах ее применение должно быть обосновано. Тепловую мощность воздушного обогрева в системе комбинированного отопления следует принимать в однопролетных теплицах равной 35-50%, в многопролетных - 20-40 % общего расхода тепла в расчетный период.

Проемы для естественной вентиляции (притока и удаления воздуха) в многопролетных теплицах шириной свыше 25 м следует располагать в покрытии - вдоль коньков, во всех однопролетных и многопролетных шириной менее 25 м - в наружных стенах (для притока) и в покрытии (для удаления). Открывание и закрывание вентиляционных проемов должно быть механизировано. В теплицах с воздушным отоплением необходимо предусматривать использование вентиляторов отопления для вентиляции в теплый период года. Вентиляция парников осуществляется подниманием (открыванием) парниковых рам или покрытия из пленки. В однопролетных теплицах площади приточных и вытяжных проемов для естественной вентиляции следует определять расчетом. В многопролетных теплицах, предназначенных для выращивания овощей, общую площадь проемов для естественной вентиляции необходимо принимать: в районах севернее 60° с. ш. - не менее 10%, в остальных районах - не менее 20 % общей поверхности ограждения теплиц. В многопролетных теплицах, предназначенных для выращивания рассады (высаживаемой в открытый грунт), общую площадь проемов для естественной вентиляции следует принимать в соответствии с требованиями технологии.

4.4 Электротехнические устройства

Электротехнические устройства следует проектировать в соответствии с правилами устройства электроустановок (ПУЭ) Минэнерго СССР. Категории электроприемников по обеспечению надежности электроснабжения теплиц и парников необходимо принимать в соответствии с требованиями ОНТП-СХ.10-81. В проездах теплиц и коридорах следует предусматривать искусственное освещение преимущественно люминесцентными лампами; освещенность на уровне пола должна быть не более 10 лк. Облучение растений должно осуществляться высокоэффективными облучательными устройствами в соответствии с требованиями ОНТП-СХ.10-81. Расстояние между облучательными устройствами и высота их подвески должны определяться расчетом. Прокладку распределительных сетей в теплицах из кабелей и проводов в пластмассовых трубах следует выполнять открыто на лотках.

5. Описание разработанного решения системы управления, обеспечивающего выполнение требований технического задания

5.1 Оснащение тепличного хозяйства

Для обеспечения выполнения требований технического задания, предлагается обеспечить надежное централизованное управление при помощи датчиков которые связаны напрямую с промышленным контроллером и элементы регулирования.

Измерение температуры воздуха будет осуществляться с помощью датчиков KTY-81-210. Датчики помещаются в специальный освинцованный пластиковый корпус. Данные датчики имеют небольшой уровень погрешности и подходят для данного проекта. Измерение температуры воды в резервуаре будет осуществляться с помощью датчиков numerix ETF-01. Погружные датчики температуры устанавливаются непосредственно в трубопровод для измерения температуры воды (или другого теплоносителя) в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Сигналы с датчиков уровня воды, температур воздуха и воды, влажности почвы и воздуха, расхода воды, а также уровня воды резервуаре поступают на промышленный микроконтроллер Modicon 984 – 685 модуль. Питание датчиков обеспечивается дополнительным блоком питания.

Измерение влажности воздуха будет осуществляться с помощью датчиков Honeywell HIH-3602. Датчики осуществляют непрерывные круглосуточные измерения относительной влажности воздуха и поддержание заданных режимов.

Измерение влажности почвы будет осуществляться с помощью датчиков Gardena. Требуемая влажность задается с помощью вращающегося регулятора. Индикация актуального значения влажности почвы. Укомплектован соединительным кабелем 5 м со штекером.

Для регулирования влажности воздуха и почвы используются спринклеры. Для поддержания нормального температурного режима используется центральное водное отопление.

5.2 Оборудование тепличного хозяйства

В электрощитовом зале насосной станции второго подъема будет установлен шкаф с оборудованием, отвечающим за управление частотными регуляторами, измерение расхода и давления воды на выходе насосной станции, измерение уровня воды в резервуаре, а также за включение/отключение и измерение токов пожарных насосов.

Для управления влажностью и температурой применяются спринклеры (4191 компании JHi I.S) для опрыскивания почвы и воздуха, а также водяная система отопления (подача нагретой воды с котельной).

В качестве датчика влажности воздуха используется датчик HIH-3602-L фирмы Honeywell.

Датчик ДРК-4 предназначен для измерения расхода и объема воды в трубопроводах.

Выходные сигналы с датчиков уровня, давления и тока поступают на промышленный контроллер Modicon 984 – 685.

Оборудование смонтировано в шкафу Schroff размером 600 - 600 – 320 /1/.

5.3 Центральный пост оператора

Центральный пост оператора - комплекс технических средств, находящийся в операторской комнате. Он включает в себя шкаф с оборудованием, монитор и консоль управления.

В качестве управляющего в системе используется промышленный компьютер, имеющий в своем составе корпус РАС-40Н с пассивной объединительной платой, процессорную плату РСА-6154 с флэш-диском DiskOnChip, 32 Мбайт ОЗУ и процессором Pentium 150 МГц.

В шкафу монтируются промышленный компьютер с коммуникационными платами, устройство бесперебойного питания.

Электрощитовая связана с центральным постом оператора каналом RS-485.

6. Описание видов обеспечения

Исходя из технического задания можно выделить следующие основные виды обеспечения разрабатываемой АСУ:

-  математическое;

-  информационное;

-  обеспечение сохранности информации;

-  программное;

-  техническое;

Далее будут рассмотрены математическое и информационное, т.к. в проекте они практически явно не выражены.

6.1 Математическое обеспечение

Математическое обеспечение микропроцессорного контроллера должно обеспечивать выполнение следующих функций первичной обработки аналоговых сигналов:

-  расчет действительных значений;

-  фильтрация сигналов (усреднение);

-  сравнение с уставками (технологические границы);

-  формирование дискретных сигналов нарушений;

-  формирование массива текущих значений параметров.

Первые два пункта обеспечиваются модулями аналоговых входов управляющих контроллеров. Последние – самими контроллерами, в соответствии с записанной рабочей программой.

Математическое обеспечение микропроцессорных контроллеров, кроме функций по обработке текущей информации, выполняет также управляющие и противоаварийные функции, в состав которых входят:

-  автоматический программный пуск оборудования;

-  автоматическое регулирование технологических параметров;

-  дистанционное управление регулирующим оборудованием.

Настройка систем регулирования производится заданием соответствующих коэффициентов.

Математическое обеспечение, кроме указанных задач, обеспечивает выполнение основных функций АСУ ККТХ, функций хранения и представления информации. Для этого реализуются алгоритмы:

-  функционирования АСУ ККТХ;

-  автоматического пуска оборудования ТХ;

-  автоматического управления спринклерами;

-  автоматического управления подачей воды в резервуар;

-  создания базы данных о технологическом процессе;

-  сбора и первичной обработки аналоговой информации;

-  усреднения и интегрирования параметров;

-  технологического контроля;

-  учета состояния оборудования;

-  отображения информации оператору-технологу;

-  опроса микропроцессорных контроллеров;

-  выдачи заданий микропроцессорному контроллеру;

-  диагностики микропроцессорных контроллеров.

6.2 Информационное обеспечение

База данных АСУ ККТХ формируется путем заполнения стандартных форм на экране видеотерминала на основании перечня каналов контроля и регулирования. Вызов форм осуществляется при помощи системы вложенных меню. Меню обеспечивает:

-  описание системы;

-  описание контроллера;

-  описание системы отображения;

-  описание аналоговых сигналов;

-  описание протоколирования;

-  описание подсистемы оповещения и сигнализации.

Описание аналоговых сигналов должно определять подключение сигнала в системе, параметры обработки сигнала, признаки усреднения, включения значений параметра в рапорт-отчет, формирования истории параметров контура на указываемом временном интервале, контроля на достоверность.

Описание протоколирования и печати должно содержать описание таблицы нарушений, описание рапорта-отчета, описание архивного тренда, описание протоколирования значений параметров, заносимых оператором в оперативную память контроллера.

Также предусматривается протоколирование действий оператора по изменению задания, режима работы контуров управления, выдаче дискретных управляющих воздействий (пуск, останов, открытие, закрытие) и запись протокола на носители ПЭВМ.

Используемые мнемосхемы могут строиться из следующих элементов:

-  алфавитно-цифровые символы;

-  стандартные технологические символы (клапаны, насосы, емкости и т.д.);

-  графические символы;

-  векторы, дуги, окружности;

-  заштрихованные участки.

Для конфигурирования системы и формирования базы данных предусмотрены режимы корректировки базы данных. Корректировка базы данных выполняется в автономном режиме работы ПЭВМ или на инструментальной ПЭВМ.

7. Разработка базы параметров контроля и регулирования

Все основные и вспомогательные параметры, используемые при управлении АСУ ККТХ, сведены в таблице 7.1. В таблице указаны верхние и нижние границы их предельных значений, единицы измерения, контроллеры, используемые для первичного преобразования и фильтрации параметров и их количество.

Таблица 7.1 – Измеряемые физические величины АСУ ККТХ

Параметр регулирования	Ед. изм.	Мин.	Макс.	Контроллер	Количество
Влажность воздуха	%	0	100	HIH-3602	1
Влажность почвы	%	0	40	GARDENA	8
Температура воздуха	t°	0	70	KTY-81-210	1
Температура воды в резервуаре	t°	0	60	ETF01	1
Уровень воды в резервуаре	м	0	3	SML-PS1	1
Расход воды	м3	0	20	ДРК-4-ОП	1

8. Описание схемы функциональной электрической автоматизации

Автоматическую систему мониторинга и управления водозаборным узлом можно условно разбить на три составляющих:

-  система управления ТХ;

-  рабочее место оператора.

Первая подсистема изображена на функциональной схеме автоматизации в явном виде, последняя – в виде табличного обозначения ЭВМ. Оборудование включает в себя датчики, устанавливаемые по месту, исполнительные устройства, приборы, устанавливаемые на щите.

Все условные обозначения приборов и средств автоматизации исполнены в соответствии с ГОСТ 21.404-85.

9 Выбор и обоснование отдельных узлов и элементов

9.1 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. 9.1).

Рис. 9.1 - 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. 9.2).

Рис. 9.2 - 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. 9.3).

Рис. 9.3 - 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 Uвых = Uпит(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: RHистинная = (%RH25) · (1,0546 - 0,00216T), где T измеряется в °C.

Выражения выше соответствуют характеристикам реальных датчиков со следующими отклонениями:

 – для

 – для

 – для

Модели HIH-3602-L и HIH-3602-L-CP выполнены в корпусе TO-39 со щелевым отверстием. Они предлагают оптимальное соотношение цена/надежность. Эти датчики нашли широкое применение в метеорологическом оборудовании и системах климат-контроля.

9.2 Датчик расхода воды на распыление

Датчик ДРК-4 предназначен для измерения расхода и объема воды в трубопроводах и имеет следующие технические характеристики:

1) Измеряемая среда – вода с параметрами:

– температура от 1 до 150°С;

– давление до 2,5 МПа;

– вязкость до 2·106 м2/с

2) Диаметр трубопровода Dу 80...4000 мм

3) Динамический диапазон 1:100

4) Пределы измерений 2,7...452 400 м3/ч

5) Выходные сигналы: токоимпульсный (ТИ); унифицированный токовый 0…5, 4…20 мА;

6) Предел допускаемой относительной погрешности измерений объема и расхода по импульсному сигналу и индикатору:

±1,5% при скоростях потока 0,5...5 м/с;

±2,0% при скоростях 0,1≤V<0,5; 5<V≤10 м/с.

7) Предел допускаемой относительной погрешности измерения

времени наработки ±0,1%;

8) 1 или 2 канала измерения расхода;

9) Формирование почасового архива значений объема и расхода;

10) Самодиагностика.

Принцип действия датчиков ДРК-4 основан на корреляционной дискриминации времени прохождения случайными, например, турбулентными флуктуациями расстояния между двумя парами ультразвуковых акустических преобразователей АП1-АП4, АП2-АП3. Это время транспортного запаздывания и является мерой расхода контролируемой среды, движущейся по трубопроводу. Во

время работы акустические преобразователи (АП1-АП4), возбуждаемые генераторами ультразвуковой частоты (ГУЧ1 и ГУЧ2), излучают ультразвуковые колебания. Эти колебания, пройдя через поток жидкости, порождают вторичные электрические колебания на АП. Из-за взаимодействия встречных ультразвуковых лучей с неоднородностями потока, обусловленными, например, турбулентностью этого потока, электрические колебания на АП оказываются модулированными. Эти колебания поступают на фазовые детекторы (ФД1 и ФД2) и далее на корреляционный дискриминатор (КД), управляемый микропроцессором.

В результате корреляционной обработки определяется время транспортного запаздывания, по которому микропроцессор производит вычисление периода

выходных импульсов и их формирование. Далее КД определяет объем нарастающим итогом, мгновенный расход, время наработки и выводит информацию на индикатор. Выходные импульсы преобразователя

ДРК-4ЭП могут передаваться для дополнительной обработки на тепловычислитель, счетчик-интегратор либо оконечный преобразователь ДРК-4ОП, который формирует унифицированный токовый выходной сигнал 0…5, 4…20 мА, пропорциональный мгновенному расходу.

Конструктивно датчик ДРК-4 состоит из комплекта первичных преобразователей ДРК$4ПП, электронного преобразователя ДРК-4ЭПХХ и оконечного преобразователя ДРК-4ОП. Комплект первичных преобразователей состоит из 4-х акустических преобразователей ДРК-4АП с соединительными кабелями длиной 3 м и 4-х штуцеров для монтажа их на трубопроводе.

Контроллер блока индикации суммирует входные импульсы, вычисляет накопленный объем нарастающим итогом и мгновенный расход, выводит эту информацию на индикатор, формирует двоичный код, характеризующий

мгновенный расход, который вводится в ЦАП, формирует архив.

Основные преимущества:

·  отсутствие сопротивления потоку и потерь давления;

·  возможность монтажа первичных преобразователей на трубопроводе при любой ориентации относительно его оси;

·  коррекция показаний с учетом неточности монтажа первичных преобразователей;

·  сохранение информации при отключении питания в течение 10 лет;

·  беспроливной, имитационный метод поверки;

·  межповерочный интервал - 4 года.

9.3 Исполнительный механизм

В качестве исполнительного механизма синтезируемой системы используется миниспринклер 4191 компании JHi I.S., который специально разработан для поддержания постоянной влажности, уменьшения высоких температур в жарком климате за счет испарения и для орошения растений в специальных условиях. Миниспринклер обеспечивает туманообразование с очень мелким размером капелек - приблизительно от 50 до 250 микрон при давлении 3.0 Атм. Уникальная конструкция исключает образование крупных капель и капание на растения при размещении спринклеров сверху. Миниспринклер работает в широком диапазоне давления воды. Поднимая давление и используя спринклеры с меньшим расходом воды, можно получить минимальный размер капель. Минимальное давление, при котором закрывается предохранительный клапан, равно приблизительно 2.5 Атм. Миниспринклеры могут устанавливаться как на стойках, так и подвешиваться в случае верхней разводки воды.

Материал	Полиацетат
Расход воды	12,20,35,50,70,90,160,180 литров в час
Рабочее давление	1,0…4,0 атм.
Диаметр орошения	2,0…4,0 м
Угол раскрытия факела воды	Круговой, примерно 310°
Направление распыления	Горизонтальное/вертикальное
Размер капель	50-150  крон при давлении 3,0 атм.

9.4 Датчик уровня воды в резервуаре ADZ-Floater Probe SML-PS1 «NAGANO»

Наименование параметра	Величина
Диапазоны измерения давления, бар	0-25
Выходной сигнал, мА	4-20
Схема включения	Двухпроводная
Питание, В	10-32
Температура, оС	+5…+70
Точность измерения, %	0,5

9.5 Датчик влажности почвы Gardena

Для учета влажности почвы в автоматическом управлении поливом. Долговечность и надежность работы за счет термоэлектрического измерения разности температур в почве. Требуемая влажность задается с помощью вращающегося регулятора. Индикация актуального значения влажности почвы. Укомплектован соединительным кабелем 5 м со штекером.

9.6 Датчик температуры в помещении теплицы KTY81-210

Датчики температуры серии KTY81-2 имеют положительный температурный коэффициент сопротивления и хорошо подходят для измерительных устройств, а также для систем контроля и управления. Датчики помещаются в специальный освинцованный пластиковый корпус.

Технические характеристики:

-  нижний порог измеряемой температуры – -55 С;

-  сопротивление, соответствующие нижнему порогу – 1980 Ом (при 1 мА);

-  верхний порог измеряемой температуры – 150 С;

-  сопротивление, соответствующие верхнему порогу – 2020 Ом (при 1 мА);

-  максимальная сила тока на выходе – 10 мА;

-  температурный коэффициент – 0,79;

-  тепловая постоянная времени – 30 с на открытом воздухе;

-  ошибка - ±3,02 С.

9.7 Датчик температуры воды в резервуаре numerix ETF01

Погружные датчики температуры устанавливаются непосредственно в трубопровод для измерения температуры воды (или другого теплоносителя) в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Длина от 50 до 400 мм

Диапазон измеряемых температур - от -30 до +150 градусов

Чувствительные элементы: Pt100, Pt1000, Ni1000, Ni1000 TK5000, NTC 1,8кОм, KTY81-210, NTC 10К, 20K, 30K, 50K и 10K Precon, LM235Z

Латунная (ETF01) или стальная гильза (ETF02)

Посадочная резьба гильзы 1/2 дюйма

Подключение - по двухпроводной схеме (трехпроводные и четырехпроводные варианты - под заказ)

Измерительный ток - 1 мА

Клеммник - до 1,5 кв. мм

Температура эксплуатации - от -20 до +100 градусов Цельсия

Корпус - пластик. Класс защиты - IP43

Защёлкивающаяся крышка

Размеры 65*59*36 мм

9.8 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.

Системная память контроллеров 984-й серии основана на технологии CMOS (complementary metal-oxide semiconductor или комплиментарный метало - оксидный полупроводник) с резервным элементом питания для обеспечения сохранности информации при отключении питания. В контроллере используется два типа памяти: ПЗУ, для хранения системной информации, и ОЗУ, защищенная резервным элементом питания, для хранения пользовательской программы.

Периферийные устройства, к которым можно отнести и ведущий ПК, могут подключаться непосредственно к ПЛК 984-й серии через встроенные порты Modbus. Modbus это коммуникационный протокол, основанный на RS232, использующийся для сбора данных, редактирования программ и загрузки их в ПЛК.

Промышленный контроллер 984-685 предназначен для построения средних и больших систем управления. Он поддерживает до 5 локальных модулей ввода вывода 800й серии и до 31 модуля удаленного ввода-вывода. Для обеспечения удаленного ввода-вывода необходим дополнительный процессор S908.

ПЛК 984-685 оснащен двумя порами Modbus и одним портом Modbus Plus.

Таблица 9.1 – Технические характеристики контроллера

Архитектура
Память
	Пользовательская логика		16к
	Регистры		9999
	Всего		26к
Система Ввода-вывода
	Макс. цифровых каналов		8192 вх./8192 вых
	Макс. аналоговых каналов		1088 вх./1088 вых
Локальный ввод-вывод
	Максимальное кол-во бит вв/выв		1024 вх/1024 вых
	Максимальное кол-во блоков вв/выв		5
Удаленный ввод-вывод
	Максимальное кол-во бит вв/выв		1024 вх/1024 вых или 1024 вх/1024 вых
	Максимальное кол-во блоков вв./выв		31	16
Быстродействие			1 мс/к
Коммуникационные порты			2 Modbus
			1 Modbus Plus
Электрические характеристики
Энергопотребление			115В или 230В постоянного, 24В переменного тока
Климатические характеристики
Допустимая температура окружающего воздуха			0…60 С
Допустимая влажность окружающего воздуха			0…95%
Допустимые перегрузки			10 G (11 мс)
Физические характеристики
Габариты
		W x H x D	39,4 x 266 x 203 мм

Таблица 9.2 – Технические характеристики модуля дискретных входов

ТХ AS-B825-016
Тип	24В Дискретный ввод
Активный уровень	Высокий
Количество входов	16
Рабочее напряжение	20…28В
Количество групп входов	1
Количество входов в группе	16
Максимальное входное напряжение
импульс	500В < 3мс
постоянное	30В
Ток обтекания	6 мА (24 В)
Номинальное время переключения	2.5 мс
Питание
+5 В	27мА
+4.3 В	2мА
5В	15мА
Внешний источник питания	24В 200мА
Габариты
занимаемое место	1 разъем
Вес	1.25 кг

Таблица 9.3 – Технические характеристики модуля дискретных выходов

ТХ AS-B826-032
Тип	24В Дискретный выход
Активный уровень	Высокий
Количество входов	32
Рабочее напряжение	20…28В
Количество групп входов	1
Количество входов в группе	32
Выходной ток
макс. на один выход	0.25 А
макс. на одну группу	8 А
макс. на модуль	8 А
Ток обтекания	0.1 мА (24 В)
Питание
+5 В	90мА
+4.3 В	1мА
5В	0мА
Внешний источник питания	24В, 600мА
Габариты
занимаемое место	1 разъем
Вес	1.16 кг

Таблица 9.4 – Технические характеристики модуля аналоговых входов

ТХ AS-B872-200
Тип	Ц/А; 10В, ± 5В, 0…10В, 0…5В
Количество каналов	4
Диапазон входного напряжения	-10…10В, -5…5В, 0…5В, 0…10В
Разрядность	12 Бит
Точность	0.1% при 25С
	0.17% при 0-60С
Линейность	0-60С, ±1 МЗР
Частота обновления	<1мс все 4 канала
Питание
+5 В	750мА
+4.3 В	5мА
5В	0мА
Габариты
занимаемое место	1 разъем
Вес	1.4 кг

9.9 Консольный насос К 200-150-250/4-5

Консольный насос представляет собой, с точки зрения гидравлики, характерный тип центробежного насоса, рабочим органом которого является центробежное колесо.

Центробежное колесо состоит из двух дисков, между которыми, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса.

При вращении колеса на каждую частицу жидкости, находящуюся внутри колеса, действует центробежная сила, прямо пропорциональная расстоянию частицы от центра колеса и квадрату угловой скорости вращения колеса.

Под действием этой силы жидкость выбрасывается в напорный трубопровод из рабочего колеса, в результате чего в центре колеса создается разряжение, а переферийной его части - повышенное давление.

Движение жидкости по всасывающему трубопроводу происходит вследствие разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном резервуаре и в центральной области колеса, где имеется разрежение.

В насосах типа К подвод крутящего момента от вала электродвигателя на вал насоса происходит через упругую муфту. В насосах типа КМ рабочее колесо установлено на конце удлиненного вала электродвигателя.

Назначение и технические характеристики насосных частей К и КМ идентичны, при этом насосные агрегаты типа КМ имеют меньшие габаритные размеры и массу.

Технические характеристики двигателя:

-  мощность двигателя – 30 кВт;

-  номинальная подача – 315 м3/ч;

-  частота вращения – 1450 об/мин;

-  номинальный напор – 20 м.

10. Выбор и описание контура регулирования

Схема используемого цифрового ПИД – регулятора представлена в соответствующем документе (структурная схема – на рисунке 10.1). На его вход подаются два сигнала: задающий, и сигнал обратной связи, приведенные к условному максимуму в 5 В. Для выделения ошибки, сигнал ОС предварительно инвертируется, после чего уже идет на сумматор. Ошибка проходит на три параллельно соединенных усилителя, отвечающих за отработку пропорционального, интегрального и дифференциального коэффициентов усиления.

Рисунок 10.1 – Структурная схема цифрового ПИД – регулятора

Для реализации схем задержек типа  и  используются развязки, изображенные на рисунке 10.2 (схемы соответствуют порядку следования передаточных функций в тексте).

В качестве звена задержки используется интегральная микросхема, позволяющая задерживать аналоговый сигнал, дискретный, представляемый в последовательном или параллельном виде. Микросхема также позволяет программно менять время задержки.

Рисунок 10.2 – Способы реализации передаточных функций звеньев задержки

Как видно, вся принципиальная схема строится на операционных усилителях (используются для реализации усилителей, сумматоров и инверторов), интегральных микросхемах задержки и резисторах.

На принципиальной электрической схеме также изображена схема дистанционного управления электроприводом регулирующего устройства (например, автоматического клапана, для отключения насосов от водопроводной сети).

Схема обеспечивает движение регулирующих устройств только во время подачи командных сигналов. Ограничение хода регулирующих устройств в конечных положениях обеспечивается соответствующими конечными выключателями.

Для предотвращения одновременного включения обеих катушек реверсивного магнитного пускателя, помимо механической блокировки, которой снабжен пускатель, в схеме предусмотрена электрическая блокировка с помощью размыкающих блок -контакторов ПМЗ и ПМО.

Электропривод снабжен потенциометрическим датчиком ПД, движок которого механически связан с редуктором привода. Датчик ПЛ подключается к устанавливаемому на щите управления блоку указателя положения БУП, состоящему из трансформатора питания, выпрямителей, подгоночного резистора и стрелочного прибора УП, шкала которого имеет градуировку 0 – 100%, пропорционально напряжению, снимаемому с потенциометрического датчика. Контакторы используются для отключения цепей управления при воздействии на привод ручным способом с помощью маховика.

11. Расчет параметров настройки контура регулирования

Поскольку вывод передаточной функции трехфазного двигателя достаточно громоздкий, предположим, что в погружных насосах скважин используются двигатели постоянного тока. Рассчитаем параметры цифрового ПИД - регулятора такого двигателя.

Двигатель постоянного тока как динамическая система описывается следующими уравнениями в операторной форме:

, (11.1)

где  - напряжение питания двигателя;

 - ток якоря;

 - активное сопротивление якоря;

 - среднее значение ЭДС вращения;

 - индуктивность обмоток двигателя;

 - мощность двигателя.

,(11.2)

 - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров двигателя;

 - круговая частота вращения двигателя.

Выражения для электромагнитного момента:

,(11.3)

,(11.4)

где  - внешний момент, или момент нагрузки;

 - момент инерции двигателя.

На основании этих уравнений может быть построена структурная схема двигателя как динамической системы (рисунок 11.1). Входным сигналом для этой системы является напряжение питания, выходным – круговая частота вращения двигателя. Дополнительное возмущение системы вноситься внешним моментом.

Рисунок 11.1 – Структурная схема двигателя

Из структурной схемы можно получить передаточные функции двигателя относительно круговой частоты вращения или тока:

,(11.5)

,(11.6)

где  - коэффициент передачи;

 - постоянная времени якоря;

 - электромеханическая постоянная времени.

Рассчитаем коэффициенты цифрового ПИД - регулятора, управляющим пуском или остановом двигателя постоянного тока с конструктивными параметрами, аналогичными параметрам двигателя погружного насоса (таблица 11.1).

Таблица 11.1 – Паспортные данные двигателя постоянного тока

Характеристика	Значение	ед. изм.
Номинальная мощность	30	кВт
Номинальное напряжение	380	В
Номинальный ток	85	А
Сопротивление обмотки якоря	30	Ом
Индуктивность обмотки якоря	0,5	Гн
Частота вращения	152	рад/с
Момент инерции	0,3	кг/см2
Конструктивный параметр	2,5	Вс
Эм. постоянная времени	6,5

Переход к передаточной функции приведенной непрерывной части двигателя осуществляется по следующей формуле:

,(11.7)

где  - исходная передаточная функция двигателя.

С учетом технических характеристик двигателя, его передаточные функции примут вид:

,(11.8)

.

Передаточная функция цифрового ПИД регулятора имеет следующий вид:

,(11.9)

где  - коэффициент усиления пропорциональной составляющей;

 - коэффициент усиления интегральной составляющей;

 - коэффициент усиления дифференциальной составляющей;

 - период дискретизации (принимаем равным 0,2 с).

Интегральная составляющая определяется из следующего соотношения:

,(11.10)

где  - коэффициент добротности по скорости (выбирается произвольно в рамках от 1 до 10. В данном случае примем равным 1,2);

 - передаточная функция скорректированной системы.

,(11.11)

.(11.12)

Остальные коэффициенты усиления цифрового ПИД регулятора можно получить из следующей системы уравнений:

, (11.13)

где B и С – коэффициенты, выбираемые из .

Эта система, с учетом уже известных переменных может быть представлена в виде:

, (11.14)

откуда получаем ,. Переходные характеристики двигателя без регулятора и с ним, представлены на рисунке 11.2. Окончательные значения коэффициентов усиления цифрового ПИД регулятора сведены в таблицу 11.2.

Рисунок 11.2 – Переходные характеристики двигателя с регулятором и без

Таблица 11.2 – Значения коэффициентов цифрового ПИД регулятора

Коэффициент	Обозначение	Рассчитанное знач.	Результирующее знач.
Пропорциональный	Kp	19,3852	19,3852
Интегральный	Ku	3,0023	0,30023
Дифференциальный	Kd	-0,56	-2,8

11.1 Расчет параметров узлов принципиальной схемы

Структурная схема цифрового ПИД регулятора содержит как минимум три усилителя (для реализации пропорционального, интегрального и дифференциального коэффициентов усиления), и два сумматора. Типовая схема усилителя представлена на рисунке 11.3, активные сопротивления резисторов – в таблице 11.3.

Рисунок 11.3 – Типовая схема усилителя

Коэффициент усиления можно рассчитать по следующей формуле:

,(11.15)

здесь R3 используется для уменьшения дрейфа нуля, и принимается равным:

.(11.16)

Таблица 11.3 - Сопротивления резисторов усилителей

Элемент	Коэффициент	Сопротивление (КОм)	В соответствии с рядом Е192
R1	Kp	1	1
R2	Kp	19,3852	19,3
R3	Kp	0,95	0,96
R1	Ku	1	1
R2	Ku	0,3	0,301
R3	Ku	0,231	0,232
R1	Kd	1	1
R2	Kd	2,8	2,8
R3	Kd	0,736	0,732

Типовая схема сумматора представлена на рисунке 11.4. Его выходное напряжение можно рассчитать по следующей формуле:

,(11.17)

если принять R1=R2=R3=Rос, то получим:

.(11.18)

Рисунок 11.4 – Типовая схема сумматора

12. Разработка АРМ

Требования к компьютеру связаны с большим объемом обрабатываемой информации и необходимостью представления информации графически. LAN связывает АРМ операторов и АРМ главных специалистов (Главный инженер, агроном, начальник службы).

Выбрав нужное отделение, оператор или другой пользователь системы имеет возможность переключиться на режим контроля. Оператор переключается на него после выбора необходимого ему отделения.

Журнал системных сообщений необходим при проведении повторных запусков системы, при ее настройке и наладке. Он позволяет отслеживать в режиме реального времени включение датчиков и других устройств системы, производить анализ отказов устройств и их диагностику.

Из окна журнала сообщений пользователь может распечатать все системные сообщения за указанный период времени.

Режим настройки системы параметров регулирования используется при проведении пусконаладочных работ, а также при проведении профилактической работы специалистами службы. Он позволяет учесть технологические особенности конкретных исполнительных устройств и устанавливать необходимые поправочные коэффициенты для улучшения качества регулирования. Вход в это окно доступен только для специалистов фирмы и для службы Заказчика.

Таким образом, основными достоинствами информационно-управляющего комплекса АСУКК ТХ являются:

уменьшение на 15-20% расхода тепло- и энергоносителей;

точность поддержания температуры воздуха в теплице ± 0,5°С;

поддержание оптимального микроклимата в теплице и увеличение возможности влияния на урожайность культивируемых культур;

высокая надежность;

возможность проведения замеров температуры и влажности возле контрольных растений.

Рекомендуется проводить поэтапную реконструкцию тепличных хозяйств. Это позволит уменьшить первоначальные затраты на проект. Первый этап - диспетчеризация. На этапе диспетчеризации собирается аналитическая и статистическая информация о работе теплицы. После окончания работ по диспетчеризации и анализа информации, полученной при работе с комплексом, выдаются рекомендации по "термодинамике" и гидродинамике в теплице. Это необходимо для обеспечения равномерного теплового поля в теплице и создания оптимальных условий роста растений. Второй этап - поэтапный переход на автоматический контроль и регулирование. Постепенный переход на автоматический контроль и регулирование позволит более гибко подходить к каждой конкретной теплице.

Заключение

В данном курсовом проекте была синтезирована двухуровневая АСУТП, которая осуществляет дискретное регулирование влажности воздуха и контроль расхода воды на распыление в теплице. По заданным параметрам ОУ путём моделирования были определены параметры настройки ПИ-регулятора, который обеспечивает необходимую точность регулирования и качество отработки входных воздействий (здесь – задание величины влажности). Используя алгоритмы первичной обработки, исследовалось влияние их параметров на характеристики сигнала с датчика влажности. Исходя из условия величины погрешности вычисления кода управления, были рассчитаны разрядности элементов ЦУУ (АЦП, ЦАП и АЛУ микроконтроллера) и произведен выбор комплекса технических средств.