2. Автоматическое управление температурой и вентиляцией в сооружениях защищенного грунта
В основе управления микроклиматом в теплицах лежит контроль и управление температурой и влажностью воздуха и концентрацией в нем углекислого газа СО2.
Все данные о состоянии и динамике микроклимата в теплицах периодически передаются из управляющего контроллера в персональный компьютер диспетчера. Соединение производится двухпроводной линией по интерфейсу RS-485. Программа для персонального компьютера обеспечивает текущее ежеминутное наблюдение всех параметров, сигнализацию о выходе параметра за установленные допуски и архивирование данных для последующего просмотра и анализа. Управляющий контроллер определяет средние значения температуры и влажности воздуха за сутки и сохраняет эти данные в своей памяти.
Микроклимат теплиц программируется на сутки либо с персонального компьютера диспетчера, либо с пульта управляющего контроллера. В программе контроллера на сутки задаются дневные и ночные режимы микроклимата и динамика переходов между ними. Заданный в программе режим микроклимата может автоматически корректироваться в зависимости от интенсивности солнечного излучения. В процессе работы контроллер согласно заданной программе с учетом внешних условий (солнечного излучения, внешней температуры, скорости и направления ветра) производит согласованное регулирование температуры теплоносителя в контурах обогрева, управляет положением форточной вентиляции, защитного экрана, режимами работы воздушными вентиляторами и т. д. Управление ИМ производится через отдельный блок релейной коммутации (БРК).
В процессе эксплуатации для каждой конкретной теплицы должна быть возможность оптимизации качества регулирования микроклимата путем корректировки с помощью набора регулировочных параметров управления.
Структурная схема комплекса приведена на рис. 2.30. Управление комплексом производится электронным блоком, который включает в себя непосредственно управляющий контроллер, интерфейсную часть и органы индикации и управления. В интерфейсной части находятся схемы измерения для аналоговых и дискретных датчиков.
В отдельном блоке релейной коммутации расположены релейные ключи для автоматического и ручного управления исполнительными механизмами: насосами, смесительными клапанами, приводами форточной вентиляции, редукторами и т. д., а также светодиодные индикаторы для отображения режимов работы исполнительных механизмов.
Рис. 2.30. Структурная схема комплекса (вариант 2-х теплиц)
Измерение температуры и влажности воздуха в теплицах производится соответственно как аналоговыми датчиками температуры AD592, так и с помощью однопроводных цифровых термометров ML20 и высокоточных датчиков относительной влажности фирмы Honeywell HIH 3610, помещенных в общую вентилируемую ячейку для повышения точности и стабильности измерений. Измерения температуры стекла, почвы, внешнего воздуха и теплоносителя в контурах обогрева производится аналогично как аналоговыми датчиками температуры AD592, так и с помощью однопроводных цифровых термометров. Концентрация СО2 в воздухе производится датчиками Sense IP50.
Для регулирования различных параметров в теплицах применяют непрерывное и позиционное регулирование. Например, для поддержания температуры воздуха в теплице применяют пропорциональное или пропорционально-интегральное регулирование для водотрубных систем отопления и позиционное для калориферного и электрического обогрева.
Функционально-технологическая схема регулирования температуры при водотрубном обогреве показана на рис. 2.31, а.
Рис. 2.31. Функционально-технологические схемы:
а – регулирования температуры в теплице;
б – управления естественной вентиляцией в теплице
В системе регулирования используются преобразователи температуры воздуха 6, температуры горячей воды 5 и температуры воды в обратном трубопроводе 8 и преобразователь освещенности 7. Регулятор 9 управляет при помощи исполнительного механизма 3 трехходовым клапаном, изменяя количество теплоносителя, подаваемого в систему. Регулятор давления 4 стабилизирует давление воды в трубах. Реле времени 10 задает температуру в ночное и в дневное время суток. Для контроля положения вентиля используются первичный преобразователь положения 2 и вторичный прибор 1. Предусматривается регистрация температуры в теплице.
Первичные преобразователи температуры монтируют внутри тепличного блока. Электронный регулятор формирует управляющий сигнал, который воздействует на электрический исполнительный механизм, изменяющий положение трехходового клапана. Регулятор совместно с исполнительным механизмом формирует ПИ-закон регулирования, а с внешним дифференциатором (блоком предварения) – ПИД-закон регулирования.
Автоматическое управление вентиляцией. Системы вентиляции предназначены для отвода теплоты из теплицы путем замещения воздуха теплицы воздухом извне. Вентиляция осуществляется через фрамуги, расположенные на кровле у конька крыши, или при помощи осевых вентиляторов. При естественной вентиляции фрамуги открывают с обеих сторон конька крыши или только с одной подветренной стороны при большом ветре. Степень открытия фрамуг может иметь несколько промежуточных положений. Принудительная вентиляция при помощи вентиляторов должна иметь возможность регулировать подачу воздуха путем изменения частоты вращения электродвигателя в зависимости от температуры воздуха.
Функционально-технологическая схема управления естественной вентиляцией показана на рис. 2.31, б. Вентиляция осуществляется путем открывания фрамуг исполнительным механизмом 5. Степень открывания фрамуг может составлять 40, 60, 80 и 100 % от полного. Первичный преобразователь 3 контролирует направление и скорость ветра, которые учитываются при выборе степени открытия фрамуг. Реле времени 9 изменяет программу регулирования температуры в дневное и в ночное время. Контроль степени открытия фрамуг осуществляется преобразователем 2 дистанционного указателя положения фрамуг 6. Регулятор 8 совместно с исполнительным механизмом формирует ПИ-закон регулирования. Первичный преобразователь, регулятор и исполнительный механизм того же типа, что и в системе регулирования отопления. Система автоматического регулирования обеспечивает поддержание температуры с отклонением не более 1 % от заданной.
В системе регулирования температуры почвы преобразователь температуры устанавливается на трубопроводе подачи горячей воды, а регулирующее воздействие от двухпозиционного регулятора передается на смесительный клапан. Температура почвы поддерживается в пределах ±3 ºС от заданного значения в диапазоне от 5 до 30 ºС.