Архив / 1999 / №1(16) / 

АСУТП для теплиц

В России сосредоточено большое количество теплиц, где используются морально и физически устаревшие системы автоматического управления технологическими процессами. Для отопления используются регуляторы аналогового типа с ПИ и ПИД законами регулирования и одним контуром регулирования. Эти системы не обеспечивают качественное, энергоэкономное управление технологическими процессами: они обладают низкой точностью поддержания температуры, особенно при быстро меняющихся внешних воздействиях и при включении досвета или полива.

Одной из причин плохой работы системы отопления является большое запаздывание в контуре обогрева теплицы. При увеличении коэффициента передачи ПИД регулятора система переходит в неустойчивый режим работы. САУ отоплением с предиктором лишена этого недостатка. Однако на работу и такой САУ сильное влияние оказывает другой фактор: включение и выключение технологических процессов (полив, вентиляция, досвет и т.п.), состояние кровли. Это приводит к ухудшению режимов выращивания, снижению урожайности и увеличению потребления энергии.

Канал управления по влажности обычно управляет исполнительными элементами форточки. Обычный ПД регулятор вполне справляется с изолированной задачей регулирования влажности воздуха, однако, открытие форточек резко снижает температуру и изменяет характеристики возмущающего воздействия улица-воздух в теплице.

Канал полива регулирует влажность почвы и внесение удобрений. Концентрацию нитратов увеличивают при увеличении освещенности, а влажность почвы контролируют длительностью полива. Автоматическое управление влажностью почвы используют крайне редко из-за ненадежности и неточности известных датчиков влажности почвы.

Следует отметить, что алгоритмы адаптации при воздействии этих быстровлияющих возмущающих факторов - неэффективны, так как они требуют значительного времени наблюдения и рассчитаны на медленное изменение параметров объекта (процесса).

Для решения этой проблемы следует менять структуру САУ в зависимости от изменения характеристик и структуры управляемого объекта, что обеспечит взаимосвязное управление температурой, влажностью и другими параметрами и процессами.

Улучшение качества управления микроклиматом значительно повышает эффективность производства: снижает энергозатраты и увеличивает урожайность.

Для качественного регулирования температуры, влажности, а также управления досветом, поливом и др. взаимосвязными процессами необходимо иметь модель этих процессов. На основе этой модели можно разработать алгоритм САР с требуемыми характеристиками, например применить предиктор.

Ниже излагается построение математической модели, позволяющей выработать алгоритмические решения и принципы построения подсистем АСУТП ТК- многосвязной системы с переменной структурой.

Математическая модель микроклимата в теплице

На основании теоремы Котельникова распределения температур можно заменить вектором необходимой размерности.

Распределенную систему отопления можно с достаточной точностью моделировать элементом транспортного запаздывания и инерционными звеньями. При этом инерционность и запаздывание по каналам измерения температуры воздуха увеличиваются при увеличении номера шатра теплицы, на котором установлен датчик. Множество разных инерционных звеньев можно с достаточной точностью заменить инерционным звеном n-го порядка. Для теплиц эксперименты показывают достаточность 1-го (для отопления - 2-го порядка).

Практика эксплуатации АСУТП тепличного отделения показывает, что  для воздуха достаточно 3 датчика, для почвы - 1 датчик на каждую теплицу. Управление отоплением ведется по одному датчику температуры воздуха в теплице, поэтому часть теплицы с точкой контроля следует рассматривать как звено с сосредоточенными параметрами. Выравнивание температурного поля производится, как правило, вручную или локальными регуляторами (обогревателями) и здесь не рассматривается.

Разделим все тепловые потоки на основные группы:

Окружающая среда - внешняя сторона тепличных конструкций (остекление).
Внутренняя сторона остекления теплицы - Воздух внутри теплицы.
Фильтрация (вентиляция) воздуха с улицы в теплицу.
Теплоноситель (вода) - Воздух внутри теплицы.
Окружающая среда - Почва.
Почва - Воздух внутри теплицы.
Структурная схема тепловых процессов изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема телповых процессов в теплице
Рис. 1. Структурная схема телповых процессов в теплице

Так как нагрев на абсолютную влажность не влияет, рассмотрим сначала влияние тепловых потоков на температуру воздуха внутри теплицы, а затем влияние увлажнения и вентиляции на температуру.Таким образом уравнение теплового баланса для воздуха в теплице имеет следующий вид :

Qв=Qк+Qс+Qу+Qр+Qп (1)

где: Qв - количество тепла во внутреннем объеме воздуха в теплице;
Qс - количество тепла, передаваемого от остекления;
Qк - количество тепла в теплице, передаваемого от отопления;
Qр - количество тепла в теплице, передаваемого от солнечной радиации.
Qу - количество тепла в теплице, передаваемого от фильтрации воздуха улицы и от вентиляции. Для штатного зимнего состояния кровли оно очень мало. В летний период существенно больше, даже при закрытых форточках, так как щели не замазаны. Зависит от температуры и ветра;
Qп - количество тепла в теплице, передаваемого от почвы.

Регулировка температуры почвы на 2 порядка более медленный процесс. Можно считать контур регулирования температуры почвы не связанным с другими процессами. Сложностей с реализацией и настройкой регулятора обогрева почвы не возникает. Таким образом для анализа процессов для воздуха будем считать, что температура почвы - Хп постоянна. Для контроля температуры воздуха внутри помещения - Хв устанавливают следующие датчики температуры: Хс - стекла теплицы (ограждения), Ху -температуры улицы, температуры отопления- Хк (прямая вода).

Следует отметить, что датчик остекления учитывает также и солнечную радиацию.

Есть и другие факторы, например тепловыделение при испарении с поверхности листьев. Однако, они существенной роли на качество управления не оказывают, кроме того их трудно померить.

Каскадная система управления отоплением блочных теплиц

Рассмотрим подробнее наиболее сложный объект, в котором осуществляется управление микроклиматом - блочные теплицы по 1 га в блоке из 6 теплиц.

Не все статические и динамические характеристики ряда элементов и технологических узлов тепличного комбината соответствуют задаче качественного управления микроклиматом теплиц.

Большое транспортное запаздывание системы водяного обогрева, люфт электропривода смесительного клапана, большая пространственная протяженность теплицы, приходящаяся на один контур обогрева, приводит к замедленной реакции на климатические и др. воздействия.

Рис. 2. Переходные характеристики и реакция на возмущение САУ с предиктивной моделью
Рис. 2. Переходные характеристики и реакция на возмущение САУ с предиктивной моделью

В данном разделе рассматривается построение САУ для задачи управления отоплением помещения (теплицы), контур водяного отопления которой обладает большим транспортным запаздыванием и инерционностью при одновременно быстром воздействии климатических факторов окружающей среды.

Для регулирования температуры прямой воды используется предиктор Смита, а для компенсации влияния резких изменений температуры улицы и остекления используются контуры управления по возмущению (рис. 3).

Контур управления задвижкой

Рис. 3. Контур управления задвижкой
Рис. 3. Контур управления задвижкой

Так как процессы в системе обогрева протекают с существенно различными скоростями, используется каскадная схема САУ.

Рассмотрим контуры САУ, используемые для управления (стабилизации) температурой воздуха в теплице.

Подача горячей воды в контур обогрева регулируется электродвигателем с двухпозиционным регулированием. Люфт привода может достигать рабочих величин открытия задвижки (5-10 %).

Время открытия вентиля на 100 % составляет примерно 100 сек. Так как коэффициент усиления имеющихся САР очень мал, то при "перекладке рулей" регулирование не происходит, пока не выберется люфт. Потери времени как бы увеличивают транспортное запаздывание на 5-10 мин.

Для устранения этого недостатка необходимо охватить вентиль обратной связью. Это легко можно осуществить, т.к. имеется датчик положения задвижки. Контроллер кроме регулирования в контуре задвижки осуществляет контроль люфта.

Кроме того при построении контура регулирования задвижки надо учесть следующее:

Есть ограничение на верхний предел открытия задвижки, котрый задается из котельной и связан с ограниченностью её ресурсов и опасностью гидравлической неустойчивости отопительной сети. Этот случай возникает при резком охлаждении кровли теплиц и недостаточной температуре воды в отопительной сети.Обычная величина порога - 15%.

Еще одно требование - для того, чтобы меньше изнашивался привод задвижки:

а) необходимо ввести пороговый нелинейный элемент, подавляющий включение ЭД при слишком малых воздействиях (<> 0.3 %).
б) блокировка уменьшения угла открытия при некотором малом положительном (0.5%) угле. Это связано с неточностью датчика.

Эти особенности регулирования легко учитываются при программной реализации алгоритма.

Схема контура управления задвижкой представляет собой классический ПИД регулятор с учетом вышеуказанных особенностей (рис. 3).

Контур управления температурой воды на выходе смесительной задвижки

Рис. 4. Контур регулирования температурой воды на выходе смесительной задвижки
Рис. 4. Контур регулирования температурой воды на выходе смесительной задвижки

В результате охвата вентиля обратной связью устраняется влияние люфта привода, сокращается время реакции системы на воздействия.

Сигнал на увеличение угла открытия вентиля вычисляется исходя из получения необходимой температуры воды на выходе задвижки.

Постоянная времени этого процесса около 30 сек., что на два порядка меньше транспортного запаздывания и инерционности внешнего контура схемы САР. Поэтому можно использовать ПИ - закон регулирования.

Входной величиной является необходимая температура, рассчитанная по модели с предсказанием (см. ниже).

Выходной величиной является приращение угла открытия задвижки. Коэфициент усиления определяет величину приращения.

Контур регулирования температуры воздуха

Для регулирования температуры Xв задвижкой сети водяного отопления используется предиктор Смита и компенсаторы от температуры улицы и остекления (рис. 5).

Рис. 5. Схема регулирования температуры в зимний период: Кон.2 - контур регулирования температуры воды Тот; М - модель процессов без запаздывания; F1, 2 - отопительные графики
Рис. 5. Схема регулирования температуры в зимний период: Кон.2 - контур регулирования температуры воды Тот; М - модель процессов без запаздывания; F1, 2 - отопительные графики

Для регулирования температуры Xв задвижкой сети водяного отопления используется предиктор Смита и компенсаторы от температуры улицы и остекления (рис. 5).

По сравнению с одноконтурной САР в данной системе существенно уменьшается время установления необходимой температуры воды в системе обогрева, при этом устраняется влияние колебаний температуры в отопительной сети комбината и резкие колебания температуры кровли (рис. 2). Улучшение качества управления данной САР получается за счет каскадности, а также благодаря предиктивному алгоритму управления и компенсации возмущений.

Настройка системы регулирования микроклимата

Настройка двух внутренних контуров САР не представляется сложным при наличии в ПО соответствующего сервиса (в виде фонового взаимодействия с инженером- таблицы и пр.). Методика настройки ПИ и ПИД регуляторов может быть обычная.

При настроеке предиктивной модели уточняются величины Тот, Ти, а также К. При этом занижают Кус ПИ-регулятора второго контура (каскада) САР, что предотвращает выход технологического процесса за предельные рамки при изменении структуры управления. Неточность настроек из-за некоторого изменения Тот и Ти (порядка 10%) практически не влияют на качество САР.

Рис. 6. Структурная схема взаимосвязанного регулирования
Рис. 6. Структурная схема взаимосвязанного регулирования

Адаптация САР к изменению этих параметров не представляет сложности, т.к. эти изменения протекают очень медленно (рост растений) и на небольшую величину, на порядок меньшую влиянию таких факторов, как выпадение осадков.

Cледует отметить, что открытие форточек сильно влияет на теплообмен с улицей и величину F1(Xy) и F2(Xc), полив и испарение приводит к быстрому снижению Хв, а досвет к увеличению. Учесть эти возмущения можно в рамках алгоритма взаимосвязного управления с переменной структурой (см. ниже).

Алгоритм взаимосвязного регулирования тепловлажностным режимом можно получить, используя ПД регулятор для управления форточками по влажности, каскадную схему с предиктором (рис. 5) для управления отоплением и идентификатор структур, меняющий коэффициенты настройки регуляторов и уставки предкоррекции.

Структурная схема взаимосвязного регулирования показана на рис. 6.

Идентификатор структуры для САУ микроклиматом в теплицах

В начале определим возможные режимы (структуры) управления. Для этого вербально определим процессы, которые контролируются алгоритмом управления (отопления и вентилирования и пр.) и выделим пересекающиеся зоны структур, которые при сочетании образуют режимы:

Рис. 7. Зоны структур отопления и вентилирования
Рис. 7. Зоны структур отопления и вентилирования

0. Аварийный режим работы. Алгоритм резервного управления   вентиляцией и отоплением.
1. Управление форточками зимой отсутствует.
Тепловая проводимость Ку1 (улица-воздух в теплице) примерно в 2 раза ниже, чем в летний период при закрытых форточках Ку2, за счет дополнительной герметизации кровли.
2. Отопление летом отключено. Нерационально двигать клапан.
Управление только вентиляцией.
3. Не зима не лето: межсезонье.
Температура наружного воздуха ниже 12оС.
Вентилировать также нельзя, иначе растения заболеют. Устанавливается коэффициент Ку2.
4. Управление и отоплением и вентилированием для регулирования температурно-влажностного состояния.

Зоны структур отопления и вентилирования на плоскости Хв, Хw показаны на рис. 7. При температуре выше уставки (21оС) отопление обычно отключено, если нет полива.

Построим признаки распознавания структуры управления.

Р1. Зима. Задается персоналом после проведения регламентных работ. Управление форточками запрещено.
Р2. Лето, отключено отопление 1.
Р3. Температура воздуха на улице Ту ниже 10оС.
Р4. Авария датчиков.

На основании признаков построим таблицу решений для синтеза идентифицирующего автомата (табл.

Таблица 1

Р1

Р2

Р3

Р4

S

Примечание

-

-

-

1

0

Авария

1

-

-

0

1

только отопление зимой

-

1

-

0

2

только вентиляция летом

0

0

1

0

3

только отопление, межсезон

0

0

0

0

3

отопление и вентиляция, межсезон

На основании этой таблицы, выбирая наиболее информативные признаки, построим дерево решений автомата (рис. 8).

Для задачи предсказания при регулировке температуры запаздыванием всех процессов, кроме отопления можно пренебречь. Практика показала, что при этом качество регулирования ухудшается лишь незначительно.

Рис. 8. Дерево решений для выбора режима (структуры) управляющего алгоритма
Рис. 8. Дерево решений для выбора режима (структуры) управляющего алгоритма

Полив. Температура воздуха в теплице снижается, а влажность увеличивается. Полив включается по программному механизму.

Досвет. Температура воздуха в теплице повышается, а влажность уменьшается. Досвет включается по часам, согласно широте местности.

В этих случаях имеется регистрируемое возмущение в цепи контролируемого параметра, происходящее с меньшим запаздыванием, чем управление (отоплением).

Если эти два процесса заранее учесть при управлении, это улучшит качество работы САУ. Одно из решений состоит в компенсации возмущения с упреждением.

То есть до полива, для компенсации изменения температуры, требуется предварительно увеличить температуру прямой воды в течение времени полива, при поливе, для уменьшения& влажности, форточки приоткроются (в летний период и межсезонье). Предварительно, до включения досвета, требуется несколько снизить температуру прямой воды в течение времени досвета.

Таким образом, получаются еще по четыре режима для каждой из неаварийных структур (1,3,4) алгоритма управления.

5. Полив.
6. Досвет, если нет полива (иначе лампы лопнут).
7. Предкомпенсация (повышение) температуры для полива (зимой, s=1).
8. Предкомпенсация (повышение) температуры для полива (межсез., s>2).
9. Предкомпенсация (понижение) температуры для досвета (зимой, s=1).
10. Предкомпенсация (понижение) температуры для досвета (межсез, s>2).

Реализация этих функций тривиальна, но тоже может быть выполнена при помощи таблиц и дерева решений.
Подобная СПС микроклимата обладает рядом преимуществ: устраняется влияние люфта привода вентиля, влияние изменения температуры отопительной сети, влияние технологических процессов полива и вентиляции на микроклимат в теплице. За счет этого существенно уменьшается время и величина ухода параметров от заданных величин, снижается энергопотребление.

Распределенная АСУТП тепличного отделения

Тепличные отделения многих совхозов в России представляют собой блоки теплиц общей площадью 6 га и более. Пульт управления, аналоговая автоматика и многие исполнительные органы сосредоточены в одном месте. В этих условиях рационально использовать ПЭВМ, оснащенную децентрализованной системой сбора данных.

Узлом системы является терминальная (управляющая измерительная) станция. Станция размещается недалеко от стены теплицы, выходящей в коридор, и выполнена в виде брызгозащитного корпуса. Терминальная станция содержит разводку питания, клеммные соединители и микропроцес-сорный контроллер.

К контроллеру могут быть подведены следующие датчики:

1. Температуры улицы
2. Температуры остекления
3. Температуры прямой воды отопления
4. Температуры воздуха в теплице (основной)
5. Температуры воздуха в теплице (мокрый)
6. Температуры воздуха в теплице (дополнительный)
7. Температуры воздуха в теплице (дополнительный)
8. Температуры почвы.

Контроллер имеет две пары реле для управления клапаном (трехходовой задвижкой) и для управления форточками. Форточки должны быть оснащены упорами на рейках и концевыми выключателями. Сигналы с выходов датчиков к контроллеру и от него на электронные исполнительные элементы могут быть выполнены двужильными проводами ТРП или многожильными кабелями. Практика эксплуатации подобной станции показала достаточную надежность используемых решений.

Mикропроцессорный контроллер выполняет следующие функции:

1. Опрос датчиков температуры, влажности (используется встроенный коммутатор и АЦП).
2. Вывод данных на цифровой индикатор.
3. Выполнение команд, подаваемых с пульта вручную и через порт последовательного интерфейса от ПЭВМ.
4. Осуществление алгоритмов регулирования, включение соответствующих исполнительных механизмов.

К станциям подключена ПЭВМ, осуществляющая регистрацию, изменение уставок (режимов выращивания), изменение структуры алгоритма управления и предкомпенсацию температуры, управление поливом и досветом, регистрацию потребляемой тепловой энергии, а также регистрация концентрации раствора и управление его температурой. Кроме того ПЭВМ может осуществлять аварийное управление по резервной схеме. Обмен данными через последовательный интерфейс осуществляется с контролем по четности (интерфейс V24-токовая петля или RS485).

ПЭВМ отделений могут быть подключены через локальную сеть (контроллер NE2000) к ПЭВМ главного агронома и инженера КИП, а через модем к любой ПЭВМ.

Подробнее о сети управляющих контроллеров& и локальной сети ПЭВМ будет изложено подробнее в следующем номере журнала.

Благодаря модульности конструкции и возможности перепрограммирования продобная станция может быть использована в различных АСУТП.

Аркадий Ерков