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»

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

ИА63.61 100.005 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 100 000 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 40 000 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 40 000 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 50 000 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 5C 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 60 В до 250В — 1500 В.

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 14 254– — 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 -15C до+40C;

— относительная влажность воздуха — от 30% до 80% при температуре +35C 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 220 В 10%, 50Гц, в качестве резервного — источник постоянного напряжения 220 В 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 380 В 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 — 14 254 — 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 -15C до+40C;

— относительная влажность воздуха — от 30% до 80% при температуре +35C 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 12 997–84.

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 12 997–84, ГОСТ 8.010−90.

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 220 В ± 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 °C до 25°С) до любой температура в пределах от 5 °C до 50 °C не должно превышать 0,5 границы абсолютного значения предела основной погрешности на каждые 10 °C.

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

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», 1982 г.

" 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 12 997–84 «Изделия ГСП. Общие технические условия» .

ГОСТ 34.201−89 «Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем» .

ГОСТ 22 315–77 «Средства агрегатные информационно-измерительных систем. Общие положения» .

ГОСТ 14 254 — 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.