Предпосылки и особенности разработки автоматизированной системы управления «Микроклимат»

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.

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.

Автоматизированная система управления (сокращённо АСУ) — комплекс аппаратных и программных средств, а также персонала, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин «автоматизированная», в отличие от термина «автоматическая», подчёркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации. АСУ с Системой поддержки принятия решений (СППР), являются основным инструментом повышения обоснованности управленческих решений.

В общем случае, систему управления можно рассматривать в виде совокупности взаимосвязанных управленческих процессов и объектов. Обобщенной целью автоматизации управления является повышение эффективности использования потенциальных возможностей объекта управления. Таким образом, можно выделить ряд целей:

• 1. Предоставление лицу, принимающему решение (ЛПР), релевантных данных для принятия решений.
• 2. Ускорение выполнения отдельных операций по сбору и обработке данных.
• 3. Снижение количества решений, которые должно принимать ЛПР.
• 4. Повышение уровня контроля и исполнительской дисциплины.
• 5. Повышение оперативности управления.
• 6. Снижение затрат ЛПР на выполнение вспомогательных процессов.
• 7. Повышение степени обоснованности принимаемых решений.

Теплица является невероятно сложной средой и к тому же динамично изменяющейся. Контроль окружающей среды имеет решающее значение в достижении эффективного развития агрокультур. АСУ «Микроклимат» разрабатывается для выполнения комплекса информационных и управляющих функций, и включает в себя широкий спектр элементов управления и мониторинга за окружающей средой. Первые системы управления теплицами включали в себя механическое управление регуляторами температуры и орошения, а также переключатели для различных насосов и вентиляторов. На протяжении многих лет такие системы управления совершенствовались и со временем становились более технологичными. Более поздние версии системы состояли из нескольких независимых термостатов, регуляторов влажности и таймеров. Даже такая небольшая автоматизация позволила вынести выращивание овощей в тепличных условиях на новый уровень, повысила качество овощей и немного облегчила работу. Современные технологии позволяют повысить комфорт и эффективность тепличного хозяйства, внедрив в них единый блок управления датчиками и разместив удобную панель управления и мониторинга в сети интернет.

Как было сказано выше, теплица является динамично изменяющейся средой и состояние во многом зависит от интенсивности солнечного освещения, влажности воздуха, направления и скорости ветра, количества удобренного грунта и его влажности. Грамотное и правильное управление этими параметрами является сложной задачей и включает в себя определённые расходы на, но в итоге позволяет получить выгоду во много раз превышающую затраты. Разрабатываемая АСУ «Микроклимат» будет иметь положительный эффект на любых размещаемых объектах, так как позволяет повысить энергоэффективность и снизить затраты на топливо для обогрева теплиц, электроэнергию, воду. Некоторые преимущества АСУ «Микроклимат»:

• 1. Повышение эффективности ручного труда — автоматизированная система управления позволит увеличить производительность работников, что в свою очередь позволит им выполнять другие приоритетные задачи и сократит их количество.
• 2. Эффективное управление — пожалуй, самая важная функция АСУ. Через панель управления ответственным доступна вся необходимая информация о среде в теплице. Такой мониторинг за процессами освобождает от необходимости выполнять рутинные действия по обходу каждого датчика и ручной записи значений.
• 3. Снижение расхода воды — с современными возможностями контроля и учёта расхода воды АСУ лишь теоретически позволит уменьшить расход на 70%.
• 4. Снижение расхода удобрений — Постоянный мониторинг и управление обеспечивают высокую точность снимаемых показаний, что в сочетании с эффективным использованием водных ресурсов существенно сокращает объём применяемых удобрений и повышает их эффективность.
• 5. Снижение количества необходимых химических удобрений — АСУ позволит снизить потребность в регуляторе роста, а улучшенное управление поливами и температурой уменьшать количество больных плодов и снизят применение фунгицидов.
• 6. Снижение использования пестицидов — Теплицы с климат — контролем и управляемым водным орошением дают только здоровые плоды, которые менее подвержены болезням и заразным насекомым.

Область применения.

АСУ «Микроклимат» предназначена для автоматического регулирования условий окружающей среды в пределах тепличного комплекса. В обязанности системы входит мониторинг температуры воздуха и грунта, поддержание температурного режима внутри комплекса, сбор данных о влажности воздуха, регулирование.

Компоненты и схема их взаимодействия.

Для примера взята стандартная теплица размером 9,6 метров в ширину, длиной 100 и высотой 4,6 метров. Объем теплицы 4416 м³. Площадь 960 м². В теплице стеклянная крыша и 30 боковых окон с коньковой вентиляцией. Устанавливаемая АСУ состоит из трёх частей:

• 1. Логической части — контроллеры, индикаторы, датчики, блок управления, мониторы и преобразователей сигналов;
• 2. Силовой части — шкафы управления с защитным оборудованием, органами ручного управления, сигнализацией, блоком питания и источником бесперебойного питания;
• 3. Вспомогательной части — силовой кабель и кабель передачи данных, сеть интернет (wi-fi, оптоволокно, ADSL, 3G, либо другой вариант), соединительные и распределительные короба, установочные и монтажные материалы.

В состав АСУ «Микроклимат» для приведённой теплицы входят:

• · Блок управления — 1шт.;
• · Датчики света — 8 шт.;
• · Датчики углекислого газа — 2шт.;
• · Почвенные термометры — 20 шт.;
• · Датчики влажности воздуха — 4 шт.;
• · Датчики влажности почвы — 40 шт.;
• · Датчики открытия/закрытия окон — 30 шт.

Каждый датчик управляется обособленно от других, что в случае выхода из строя одного или нескольких из них позволяет предотвратить ошибки в работе системы или приостановки её работы. Датчики обмениваются с блоком управления данными через кабели передачи данных. Блок управления отправляет собранные данные в панель управления через выделенный канал Интернет или на устройство мониторинга через технологию беспроводной передачи данных Wi-Fi.

Предлагаемая схема взаимодействия компонентов АСУ показана на рисунке 1.

Рисунок 1 — Схема расположения компонентов АСУ «Микроклимат» в теплице.

БУ — блок управления.

t_в — датчик температуры воздуха.

t_п — датчик температуры почвы.

Особенности работы с сервисами.

АСУ «Микроклимат» включает в себя управление всем технологическим оборудованием теплиц. Через АСУ управляются и настраиваются системы освещения, полива, обогрева и циркуляции воздуха. В автоматической системе управления микроклиматом теплиц все вычисления по параметрам и режимам функционирования технологического оборудования возлагаются на контроллер управления микроклиматом, а оператор уже выполняет непосредственно функции наблюдателя за правильностью работы технологического оборудования. Агрономам предоставляется набор рекомендованных заданий, настроек режимов и параметров работы всех технологических систем для различных климатических сезонов. Оператор по команде агронома может легко выбрать необходимый режим, при необходимости, внести в него поправки по работе того или иного оборудования и сохранить весь комплекс настроек и установок для повторного применения в будущем (при наличии должного уровня подготовки агроном совершить эти операции может и сам). Агроном своё основное внимание уделяет климату и растениям Автоматика осуществляет такую работу всего технологического оборудования, которая обеспечивает поддержание заданных параметров микроклимата.

Разрабатываемая АСУ обеспечит высокую надежность автоматического регулирования и управления технологическим процессом за счёт применения современных технических средств и программного обеспечения. В АСУ применена инновационная функция передачи данных с блока управления датчиками на устройство управления самим блоком с помощью выделенной линии сети передачи данных Интернет и с помощью технологии беспроводной передачи данных Wi-Fi для операторов, находящихся непосредственно в тепличном комплексе. Такой подход позволяет организовать полноценный интерфейс оператора без использования дополнительного персонального компьютера, а также проводить диагностику оборудования и устранять выявленные неполадки в теплице на месте, что освобождает оператора постоянно перемещаться к головному устройству управления. Заменённое оборудование можно заменить и протестировать на месте.

АСУ «Микроклимат» решает проблему эффективного использования и расходования энергоресурсов — одну из важнейших в тепличном производстве. Управление микроклиматом промышленных теплиц — это управление тепловым и электрическим оборудованием мощностью в несколько мегават на каждый гектар площади теплиц. Соответствующие эксплуатационные расходы составляют наиболее значимую долю в себестоимости выращиваемой продукции. Поэтому, проблема эффективного использования и расходования энергоресурсов — одна из важнейших в тепличном производстве. Повышение уровня или степени автоматизации производства — это повышение качества и объективности процессов управления, повышение урожайности и качества продукции, снижение удельных эксплуатационных затрат Однако повышение степени автоматизации процессов управления влечёт за собой повышение сложности и, соответственно, стоимости самой системы управления например, добиться поддержания требуемой температуры воздуха в теплице можно включением или выключением контура обогрева, открытием или закрытием клапана обогрева или форточки. Для этого достаточно одного автоматического регулятора с одним датчиком температуры воздуха. Если же мы хотим качественного поддержания требуемой температуры воздуха в теплице, то необходимо контролировать и учитывать множество внутренних и внешних возмущений, что требует применения дополнительных датчиков контроля температуры теплоносителей, метеодатчиков, соответствующих преобразователей и оптимальных регуляторов, что, естественно, приводит к усложнению и удорожанию систем управления. Применительно к тепличным комплексам, где теплицы рассматриваются вместе с оборудованием, производящим энергию, требования к системам управления удваиваются на графике относительной зависимости показан характер роста качества процессов управления при росте стоимости систем управления (эта зависимость справедлива для одной какой-либо фирмы-производителя систем управления) и, наоборот, характер роста стоимости систем управления при росте качества процессов управления.

Для реализации АСУ «Микроклимат» необходимы:

• — Программист для написания программного обеспечения для блока управления.
• — Программист для написания панели управления.
• — Оператор.
• — Блок управления датчиками.
• — Датчики света.
• — Датчики углекислого газа.
• — Почвенные термометры.
• — Датчики влажности воздуха.
• — Датчики влажности почвы.
• — Таймеры.
• — Вентилятор.

Высококвалифицированный программист и инженер-наладчик обеспечат стабильную и бесперебойную работу АСУ «Микроклимат».

Целью создания автоматизированной системы управления тепловым режимом теплиц является обеспечение требуемых параметров воздушной среды при минимальных энергетических затратах, рациональном использовании отопительно-вентиляционного оборудования и трудовых затрат. Критерием оптимальности управления является минимум приведенных затрат по поддержанию требуемых параметров воздушной среды. Частным критерием оптимизации может являться минимум энергетических затрат на поддержание требуемых параметров воздушной среды.

• 1) Чемеркина А. А. Совершенствование модели управления транспортными потоками / А. А. Чемеркина, А. В. Параскевов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2008. — № 08(042). С. 151 — 160. — Шифр Информрегистра: 420 800 012 116, IDA [article ID]: 420 808 010. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2008/08/pdf/10.pdf, 0,625 п.л.
• 2) Лойко В. И. Математическая модель расчета экономических параметров управления транспортными потоками / В. И. Лойко, А. В. Параскевов, А. А. Чемеркина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2008. — № 10(044). С. 89 — 103. — Шифр Информрегистра: 420 800 012 143, IDA [article ID]: 440 810 006. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2008/10/pdf/06.pdf, 0,938 п.л.
• 3) Лойко В. И. Разработка и применение инструментального средства расчета характеристик городских автомобильных дорог (на примере г. Краснодара) / В. И. Лойко, А. В. Параскевов, А. А. Чемеркина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2008. — № 09(043). С. 139 — 153. — Шифр Информрегистра: 420 800 012 125, IDA [article ID]: 430 809 008. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2008/09/pdf/08.pdf, 0,938 п.л.
• 4) Параскевов А. В. Совершенствование управления дорожным движением (обзор) / А. В. Параскевов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2008. — № 03(037). С. 207 — 217. — Шифр Информрегистра: 420 800 012 034, IDA [article ID]: 370 803 014. — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2008/03/pdf/14.pdf, 0,688 п.л.
• 5) «Simulation of Greenhouse Climate Monitoring and Control with Wireless Sensor Network and Event-Based Control». Authors: Andrzej Pawlowski, Jose Luis Guzman, Francisco Rodrнguez, Manuel Berenguel, Josй Sбnchez and Sebastiбn Dormido, http://www.mdpi.com/1424−8220/9/1/232/htm. Received: 11 December 2008; in revised form: 31 December 2008 / Accepted: 5 January 2009 / Published: 8 January 2009.
• 6) «Greenhouse Environment Control System Considerations». Authors: National Greenhouse Manufacturers Association (NGMA), https://www.ngma.com.