Основные принципы автоматизации управления обогревом сооружений защищенного грунта

Автоматизация обогрева парников как достаточно простых сооружений защищенного грунта сводится к автоматическому управлению температурой почвы и воздуха в зависимости от погодных условий, вида и возраста растений.

Управление тепловым режимом может быть ручным: переключение нагревательных элементов на разные напряжения, включение отдельных групп нагревателей ит. п. Однако автоматическое управление температурой в парниках предпочтительнее: только затраты электроэнергии по сравнению с ручным управлением сокращаются на 15…20%.

Теплицы, как объекты управления температурным режимом, относят к наиболее сложным объектам автоматизации, а определение их характеристик сопряжено с известными трудностями, вытекающими из их особенностей.

Рис. 6.1. Структурная схема теплицы, как объекта управления температурным режимом.

Структурную схему теплицы, как объекта управления (ОУ) температурным режимом 0_Ш" можно представить в виде, показанном на рисунке 6.1. В соответствии с этой схемой в холодное время года основные управляющие воздействия — изменение температуры 0_Т и расхода С, теплоносителя в системе обогрева теплицы, работа калориферов К, а в теплое время года — открытие вентиляционных форточек Ф.

Основные контролируемые возмущающие воздействия — это изменение наружной температуры 0_Н, скорость ветра v и уровня естественной освещенности Е. На температурный режим теплицы влияют также влажность наружного воздуха <�р_н, осадки и другие метеофакторы.

При идентификации теплицы как ОУ относительно управляющих воздействий рекомендуются методы активного эксперимента, а относительно возмущающих воздействий, более сложных в обработке, — методы пассивного эксперимента.

Каналы управления существенно нелинейны, поскольку статические и динамические характеристики ОУ зависят от начальных значений расхода и средней температуры воды в системе трубного обогрева. Эта зависимость ослабевает только при больших расходах теплоносителя, что объясняется стабилизацией коэффициента теплоотдачи воды внутренней поверхности труб при скоростях движения воды более 0,1 м/с.

Постоянная времени теплицы по каналам управляющих воздействий определяется теплоемкостями системы трубного обогрева и собственно теплицы. Первая из составляющих зависит от тепловой нагрузки системы обогрева и экспоненциально уменьшается с увеличением расхода воды, а вторая вообще может быть принята постоянной, не зависящей от ее расхода.

Запаздывание изменения температуры воздуха в теплице при изменении мощности системы трубного обогрева зависит от конструкции самой теплицы и ее системы обогрева, направления движения теплоносителя в трубах и места расположения измерительных преобразователей. Время запаздывания для различных каналов управления неодинаково. Меньшие его значения характеризуют канал G_T —"0_ВН, поскольку при изменении расхода теплоносителя температура наружных стенок трубных регистров меняется одновременно по всей длине, а при управлении температурой воды (канал 0_т-«0_Вн) ^в величину запаздывания входит также составляющая, определяемая скоростью движения температурного фронта по длине труб. Именно поэтому канал G_T —> 0_ВН характеризуется меньшей инерционностью Наличие зеленой массы растений в значительной степени определяет нестационарность теплицы, как ОУ температурным режимом. За время от высадки рассады до начала сбора урожая из-за увеличения зеленой массы постоянная времени объекта возрастает в 1,1… 1,3 раза, коэффициент передачи уменьшается в 1,5 раза, а запаздывание, зависящее от скорости распределения воздушных потоков, увеличивается на 300…400 с.

САУ температурой в блочных и ангарных теплицах имеют свои особенности и потому рассмотрены отдельно.

Системы управления температурным режимом в блочных теплицах для холодного и теплого времени года не одинаковы. В холодное время года управление температурным режимом может быть обеспечено за счет изменения температуры От (качество) или расхода G_T (количество) теплоносителя. Типовым для блочных теплиц является качественный принцип управления.

Температуру теплоносителя изменяют с помощью трехходового смесительного клапана (ТСК), сконструированного таким образом, что при перемещении h (рис. 6.2) плунжера расходы G горячей и (?₂ охлажденной воды изменяются в равных долях, но с разным знаком. Поэтому суммарный расход воды Gj через клапан от положения плунжера не зависит, изменяется ее температура 0_Т.

Рис. 6.2. Трехходовой смесительный клапан.

Типовой вариант выполнения САУ 0_ВН — одноконтурная система регулирования по отклонению параметра.

Горячая вода из тепловой сети поступает во входной горизонтальный патрубок трехходового смесительного клапана 2 (рис. 6.3). Одновременно насос 3 подает во входной вертикальный патрубок определенное количество охлажденной воды, прошедшей по трубам 1 системы обогрева теплицы. Образующаяся в результате смешивания потоков вода с температурой 0_Т поступает в систему обогрева. Температура в средней точке теплицы (первичный преобразователь ТЕ1) поддерживается ПИ-регулятором ТС2, управляющим положением плунжера ТСК.

В ночные часы, когда фотосинтеза нет, температура в теплице должна быть понижена на 4…6 °С. Это обеспечивается по команде реле времени КТ4, которое настраивают таким образом, чтобы к восходу солнца следующего дня теплица была разогрета.

Рис. 6.3. Функциональная схема САУ температурой в многопролстной теплице в режиме обогрева:

В дневные часы температура воздуха в теплице автоматически корректируется в зависимости от уровня естественной освещенности, измеряемой преобразователем NE3. Этот преобразователь представляет собой конструкцию, объединяющую фотодиод и усилитель, вмонтированные в один корпус, накрытый рассеивателем света шарообразной формы.

Описанная схема не обеспечивает требуемого качества стабилизации температуры вследствие неудовлетворительных характеристик объекта по каналу' регулирующего воздействия (0_Т —> 0_ВН), а также невозможности учета параметров клапана из-за изменения давления в его входных патрубках. При этом одновременно с увеличением (уменьшением) температуры воды в системе обогрева уменьшается (увеличивается) ее расход.

/ — система трубного обогрева; 2— трехходовой смесительный клапан; 3 — насос Следует учитывать и взаимное влияние САУ отдельных теплиц блока через общий источник теплоснабжения — тепловой пункт. В состав теплового пункта входят: коллектор 1 (рис. 6.4) прямой воды (КПВ), горячая вода из которого поступает во входные горизонтальные патрубки всех ТСК; коллектор 2обратной воды (КОВ), в который поступает охлажденная вода, прошедшая системы обогрева теплиц; коллектор 3 подпочвенного обогрева (КПО), используемый для питания систем подпочвенного обогрева. При этом в КПО подается только часть полного количества охлажденной воды, нагнетаемого насосами 4 во входные вертикальные патрубки ТСК. Из КПО вода сливается в КОВ через перемычку 5, связывающую эти коллекторы. Из-за ограниченной мощности источника теплоснабжения увеличение потребления горячей воды одной из теплиц блока приводит к падению давления в КПВ и уменьшению температуры воздуха в других теплицах, питаемых от того же источника.

В теплое время года управление температурным режимом в теплице может быть обеспечено за счет изменения степени открытия форточек или за счет действия системы испарительного охлаждения. Требуемая степень открытия форточек обеспечивается работой самостоятельной одноконтурной САУ, действующей по отклонению температуры в средней точке теплицы (рис. 6.5).

Независимость действия обоих систем управления температурным режимом возможна благодаря тому, что задание регулятору температуры в режиме вентиляции устанавливают на 2…4°С выше, чем регулятору, действующему в режиме обогрева.

Рнс. 6.4. Функциональная схема автоматизации теплового пункта блока многопролетных теплиц:

7 — коллектор прямой воды; 2— коллектор обратной воды; 3— коллектор подпочвенного обогрева; 4 — насос; 5— перемычка.

Рис. 6.5. Функциональная схема САУ температурой в многопролетной теплице в режиме вентиляции:

/ — форточка; 2 — исполнительный механизм привода форточек Регулятор температуры ТС1 Действует по П-закону, поддерживая заданное соотношение между температурой в теплице (преобразователь ТЕ2) и степенью открытия форточек 1 (преобразователь I/E3). Задание регулятору автоматически корректируется в зависимости от уровня естественной освещенности (преобразователь NE4), а предельная степень открытия форточек устанавливается автоматически в зависимости от текущего значения наружной температуры, контролируемой измерительным преобразователем ТЕ5.

В зависимости от направления и силы ветра регулирующее воздействие с помощью переключателя HS6 может быть приложено к одному из двух рядов форточек или к обоим одновременно. При понижении наружной температуры до заданного уровня команда на открытие форточек блокируется.

В современных САУ вентиляцией теплиц предусмотрена защита, действующая на закрытие форточек при увеличении скорости ветра до аварийного высокого уровня. При этом соответствующая команда выдается спустя 60 с после того, как чашечный анемометр зафиксировал аварийную ситуацию. Спустя 2500 с (время хода ИМ) должен поступить сигнал, подтверждающий закрытие форточек. Запрет на открытие форточек снимается только через 300 с после того, как скорость ветра понизится до нормального уровня.