Поиски материалов
От друзей и преподавателя услышал о платформе Arduino. Немного почитав про ардуинку и посмотрев пару реализованных проектов, желание создать что-нибудь свое стало еще больше. Для реализации проекта решил использовать Arduino Nano v3. Оригинал стоил чуть больше 20$, за копию отдал 10. Конечно дешевле было бы заказать на Aliexpress, но у меня не было ни времени, ни желания ждать целый месяц - хотелось начать немедленно.C платой микроконтроллера определился и самое время решить, какие мне нужны датчики. Немного поразмышляв, решил в первый раз не делать что-то масштабное (как я люблю говорить «краткость - сестра таланта») и ограничиться тремя основными составляющими микроклимата теплицы - температура, освещенность и влажность почвы. Разберем все по порядку:
С датчиками определился. Самое время подумать о красивом корпусе. Пошарив по волнам интернета нашел вот этого красавца и решил: мой курсач будет в нем.
Но т.к. в нем есть отверстие под дисплей, у меня не осталось выбора как «добавить» в курсовую индикацию с помощью дисплея. Мною было принято решение использовать простой в обращении lcd 1602:
Разбираясь, как он работает натолкнулся на очень , где все подробно описано. Все пины подключал по примеру в статье. Код также прилагается.
В качестве источника питания использую крону на 9В. С материалами покончено. Приступаем к разработке.
Разработка
Зная как работает каждый элемент отдельно, не составляет труда собрать все в единое целое, что я и сделал. После нескольких часов первой пайки получилось что вроде этого:
Датчики сделал отдельно от основного корпуса:
Буду рад любой критике.
Система управления микроклиматом помещений внутри зданий направлена на регулирование климатом внутри здания, повышение или понижение температуры, повышение точности регулирования микроклимата помещений внутри здания и, как следствие, снижение затрат электрической энергии, за счет того, что система содержит нагреватель, охладитель, вентилятор подачи воздуха, нечеткого контроллера, вход. которого соединен с выходом мультиплексора, а выход соединен с охладителем, нагревателем и вентилятором, причем вентилятор выполнен регулируемым, а нечеткий контроллер выполнен с возможностью управления микроклиматом внутри здания по тридцати шести правилам для каждого выхода, составленных на основе экспертных данных.
Полезная модель относится к области регулирования температуры и влажности в помещении, в частности для централизованного использования в больших зданиях и сооружениях.
Известна система, действие которой основано на применении нечеткого регулирования в системе отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК). Система управления состоит из двух групп датчиков температуры, влажности, кислорода и частиц пыли внутри помещения, двух групп двигателей кондиционера и вытяжной вентиляции, блока фаззификации, блока нечеткой логики с блоком базы правил, блока дефаззификации. Действие регулятора основано на том, что по разнице между температурой и влажностью внутри помещения и снаружи, а так же по качеству воздуха внутри помещения - содержание кислорода и пыли принимается решение, основанное на базе правил по управлению приводами кондиционера и вытяжной вентиляции. Система имеет четыре входа и два выхода. Эта система описана в работе FUZZY EXPERT SYSTEM DESIGN FOR OPERATING ROOM AIRCONDITION CONTROL SYSTEMS, Ismail Saritas, Nazmi Etik, Novruz Allahverdi, Ibrahim Unal Sert, International Conference on Computer Systems and Technologies - CompSysTech" 07 pp. IIIA.1-1 - IIIA.1-8
Недостатком этой системы является излишняя сложность, наличие более чем одного входа и одного выхода, отсутствие регулирования мощности вентилятора.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной системе является система управления, взятая за прототип, состоящая из датчиков температуры и влажности, двух блоков фаззификации - для температуры и для влажности, нечеткого блока с базой правил, трех блоков дефаззификации - для нагревателя, охладителя и увлажнителя. Вся система охвачена отрицательной обратной связью. Работа системы управления климатом помещения происходит в двух различных режимах, первый режим - режим с нечетким П-контроллером, второй режим - режим с нечетким ПИ-контроллером. Данная система управления описана в работе Fuzzy Logic Control of Building Management Systems, G.S.Virk, A.B.Ghazali and D.Azzi, UKACC International Conference on CONTROL"96, 2-5 September 1996, Conference Publication No.427©IEE 1996 pp.580-585.
Недостатками данной системы управления являются то, что и системе не предусмотрена регулировка мощности вентилятора, приводящая к чрезмерному расходованию энергии и отсутствует математическая модель здания.
Задача полезной модели - регулирование климатом внутри здания, повышение или понижение температуры, повышение точности регулирования микроклимата помещений внутри здания и, как следствие, снижение затрат электрической энергии, за счет эффективного проектирования ОВК для конкретного объекта. При этом система управления энергоснабжением здания приобретает признаки искусственного интеллекта. С помощью искусственного интеллекта система способна оценивать, диагностировать и предлагать оптимальный режим работы оборудования. Таким образом, использование управляющих контроллеров систем ОВК, построенных на принципах нечеткой логики, приводит к значительной экономии электроэнергии.
Поставленная задача решается тем, что в системе управления микроклиматом помещений внутри здания, состоящей из нагревателя, охладителя, вентилятора подачи воздуха, нечеткого контроллера, вход нечеткого контроллера соединен с выходом мультиплексора, а выход соединен с охладителем, нагревателем, вентилятором, причем вентилятор выполнен регулируемым, а нечеткий контроллер выполнен с возможностью управления микроклиматом внутри здания по тридцати шести правилам для каждого выхода, составленных на основе экспертных данных, причем правила построены так что заданное множество дискретных величин разбито на положительные и отрицательные подмножества для обогрева и охлаждения, соответственно.
На фиг.1 представлена общая структура системы управления климатом внутри здания.
На фиг.2 представлены лингвистические переменные и функции принадлежности «температурная ошибка».
На фиг.3 представлены лингвистические переменные и функции принадлежности «ошибка перепада температуры».
На фиг.4 представлены лингвистические переменные и функции принадлежности «напева и охлаждения».
На фиг.5 представлены значения лингвистические переменные и функции принадлежности скорости вентилятора.
На фиг.6 представлена база правил для скорости вентилятора.
Система управления состоит из блоков - охладителя 1, нагревателя 2, регулируемого вентилятора 3, обеспечивающего подачу воздуха, нечеткого контроллера 4, вход которого соединен с выходом блока мультиплексирования 5, а выход соединен с блоками - охладителя 1, нагревателя 2 и регулируемым вентилятором 3, датчика температуры 6, расположенного в зоне регулирования 7. Выходы 8, 9, 10 блоков соответственно - охладителя 1, нагревателя 2 и регулируемого вентилятора 3 соединены с зоной регулирования 7 и осциллографами 11 и 12. Переключатель 13 блока охладителя 1 и переключатель 14 блока нагревателя 2 предназначены для переключения режимов работы блока охладителя 1 и блока нагревателя 2. Блок мультиплексирования 15 соединен с блоком осциллографа 16. Блок осциллографа 17 с выходом сумматора 18. Входы мультиплексора 5 соединены с выходом 19 дифференциатора 20 и выходом 21 сумматора 22. Выходы 23, 24, 25 нечеткого контроллера 4 соединены с блоками охлаждения 1, регулируемого вентилятора 3 и нагревания 2. Переключатель 13 имеет входы 26, 27 и 28. Переключатель 14 имеет входы 29, 30 и 31.
Работа системы управления климатом внутри здания производится следующим образом.
Воздух из атмосферы поступает через блоки охладителя 1, нагревателя 2 и регулируемого вентилятора 3 и подается в зону регулирования 7. Качество воздуха обеспечивается нечетким контроллером 4 и контролируется датчиками температуры 6.
Сигнал ошибки температуры на выходе 21 сумматора 22 получается путем вычитания в сумматоре 22 сигнала датчика температуры 6 и величины заданной температуры. Далее сигнал ошибки температуры с выхода 21 поступает на блок вычисления первой производной дифференциатора 20 и напрямую в блоки мультиплексирования 5 и 15. Выход 19 блока вычисления первой производной дифференциатора 20 поступает на вход блока мультиплексирования 5. С блока мультиплексирования 5 сигнал поступает на нечеткий контроллер 4, после обработки и демультиплексирования соответственно сигналы с выходов 23, 24 и 25 поступают в блок охлаждения 1, блок регулируемого вентилятора 3 и блок нагревателя 2.
Блоки охладителя 1 и нагревателя 2 по величине заданного порога определяют, какие лингвистические переменные для нагрева или охлаждения посылаются из нечеткого контроллера 4 за определенный промежуток времени. Дискретные сигналы с выходов 8, 9 и 10 также идут на осциллографы 11 и 12, которые отражают состояние переменных во время работы.
Переключатель 13 блока охладителя 1 служит для включения и выключения охлаждения но заданному пороговому значению, а переключатель 14 блока нагревателя 2 - для включения и выключения нагревания по заданному пороговому значению. Если величина сигнала на центральном уровне (пороговый вход 27) переключателя 13 блока охладителя 1 выше заданной величины, то переключатель посылает сигнал на верхнюю линию (вход 26), и, если сигнал ниже заданной величины, или равен ей - на нижнюю линию (вход 28). Если величина сигнала на центральном уровне (пороговом входе 30) переключателя 14 блока нагревателя 2 выше заданной величины или равна ей, то переключатель посылает сигнал на верхнюю линию (вход 29), и, если сигнал ниже заданной величины - на нижнюю линию (вход 31). Таким образом, мы разбиваем заданное множество дискретных величин на положительные и отрицательные подмножества для обогрева и охлаждения, соответственно.
Работа системы состоит в определении значения температуры, соответствующей управляющему воздействию на цифро-аналоговом преобразователе контроллера, по следующим входным переменным: е (разница между заданной и текущей температурой), e (первая производная изменения температуры за время вычислительного цикла).
e(t)=Т зад (t)-Т тек (t),
где T зад - заданная температура, °С; T тек - текущая температура, °С.
Скорость изменения температуры:
где t - текущее значение времени измерения, c.
Определим для нечетких лингвистических переменных e, e нечеткие множества с соответствующими идентификаторами для функций принадлежности µ(e), µ(e). Построим две функции принадлежности. В одном случае аргументом является разность температур (e) (фиг.2), а во втором - скорость изменения температуры (e) (фиг.3). Для первой функции диапазон температур составляет от -6 до 8°С, для второй от -6 до 8°С/мин.
Для µ(e), µ(e) (фиг.2-3) эти идентификаторы имеют вид: «отклонение положительное большое» (РВ), «отклонение положительное среднее» (РМ), «отклонение положительное малое» (PS), «отклонение пулевое» (Z), «отклонение отрицательное среднее» (NS), отклонение отрицательное большое» (NB).
Сигнал датчика температуры 6 поступает в сумматор 22 где вычитается из заданной температуры. Полученный сигнал ошибки 21 поступает на вход блока мультиплексирования 5 и блок вычисления первой производной дифференциатора 20. Далее сигнал первой производной ошибки температуры с выхода 19 дифференцирующего блока 20 также поступает на вход блока мультиплексирования 5. Выход блока мультиплексирования 5 соединен с входом нечеткого контроллера 4.
Результат совместного влияния двух функций принадлежности на значение выходного параметра определяется соответствующей программой, заложенной в логическое устройство.
С помощью функции принадлежности (фиг.5) задастся требуемый режим работы системы нагрева и охлаждения µ(p). Нечеткие переменные, именуются как «сильное охлаждение» (С3), «среднее охлаждение» (С2), «малое охлаждение» (С1), «без изменений» (NO), «нагрев1» (H1), «нагрев2» (H2). Подобным способом вычисляется также скорость вращения вентилятора на основе базы правил для скорости вентилятора µ(fs) (рис.4). Нечеткие переменные, соответствующие скорости вентилятора, именуются как «высокая» (Fast),«нормальная» (Med), «низкая» (Low), «нулевая» (Z).
Функция принадлежности на выходе (фиг.5) показывает процесс обработки правил, суммируя ответный сигнал для обеспечения выходной команды. Выбранная в данной работе функция принадлежности на выходе состоит из двух уровней нагрева (H1, H2), трех уровней охлаждения (C1, C2, С3) и уровня нормы (NO), что можно представить, например, как несколько разных дополнительных уровней нагрева или охлаждения, причем значение H2 больше чем значение H1, а С3 больше чем значение С2 и C1.
Правила, перечисленные в фиг.6, показывают как применяются лингвистические переменные, полученные путем фаззификации для суммирования ответного сигнала с использованием интуиции оператора. При соединении с выходной функцией принадлежности и соответствующей дефаззификации получаем четкую реакцию на управляющее воздействие.
В данном случае сигнал управления будет уровнем нагрева или охлаждения из данных [-2, -1, 0, 1,, 6].
Связь между входом и выходом занесем в таблицу нечетких правил (фиг.6). Каждая запись соответствует своему нечеткому правилу.
Одним из главных аргументов в пользу регулирования на основе нечеткой логики является то, что она опирается на опыт человека и не нуждается в точной настройке внутренних параметров. Даже при значительном изменении подлежащих регулировке параметров рабочий режим регулирования на базе нечеткой логики остается устойчивым и не дает больших отклонений от оптимальной настройки. Это оправдывает утверждение, что регулирование на основе нечеткой логики надежно по характеру при условии, что его правила и параметры рассчитаны настоящими экспертами в данной области. Кроме того, регулирование обладает более высоким быстродействием по сравнению с ПИД-регулированием и обеспечивает экономию энергии в системе кондиционирования. Это достигается благодаря внедрению экспертных правил.
Система управления микроклиматом помещений внутри здания содержит блоки - нагревателя, охладителя, вентилятора подачи воздуха, нечеткий контроллер, вход которого соединен с выходом блока мультиплексирования, а выход соединен с блоками охладителя, нагревателя и вентилятора, отличающаяся тем, что блок вентилятора выполнен регулируемым, а нечеткий контроллер выполнен с возможностью управления микроклиматом внутри здания по тридцати шести правилам для каждого выхода, составленных на основе экспертных данных, причем правила построены так, что заданное множество дискретных величин разбито на положительные и отрицательные подмножества для обогрева и охлаждения соответственно.
Система микроклимата включает в себя управление отоплением, вентиляцией и кондиционированием, то есть помогает поддерживать комфортный для человека, растений, животных и различного оборудования уровень параметров воздуха: температуры, влажности и химического состава в жилых и производственных помещениях. Также управление микроклиматом позволяет снизить общее потребление энергии, за счет рационального использования ресурсов. Контроль микроклимата осуществляется с помощью различных инженерных устройств: кондиционеры, вентиляторы, радиаторы и прочие другие. Устройства не должны конфликтовать друг с другом, поэтому необходимо обеспечить слаженное управление и настройку всех исполнительных устройств. Исходя из требований для помещения, можно реализовать различные сценарии работы системы микроклимата (например, разная логика поддержки температуры при наличии и отсутствии людей в здании).
В данной дипломной работе реализована модель управления отоплением и кондиционированием в квартире, а также организована система теплого пола. Эти системы имеют некоторые общие элементы в принципах проектирования, но и также различны в определенных моментах, которые наглядно продемонстрированы в ходе реализации данного проекта.
Пользователь может выставить желаемую температуру в помещении, которая будет поддерживаться за счет включения/выключения обогревателя и кондиционера, используя сенсорную панель или интерфейс контроллера LogicMachine4. Также реализована функция автоматического отключения системы микроклимата при открытом окне и возможность вручную отключить систему. Это позволяет экономить энергоресурсы. Система теплого поля работает почти по такому же принципу, как и система отопления/кондиционирования, то есть пользователь выставляет нужную температуру, и она поддерживается с помощью обогревателя пола.
Исходя из технического задания были выбраны следующие компоненты для реализации системы управления микроклиматом и теплым полом:
- 1. EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3);
- 2. EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX);
- 3. Сенсорная панель InZennio Z38i;
- 4. Реле WAGO 788-304 (3 шт.);
- 5. Датчик температуры PT1000;
- 6. Геркон.
Для начала рассмотрим реализацию системы микроклимата, которая включает в себя кондиционирование и отопление, на основании температуры, выставленной пользователем. Множество компаний производит различные виды термостатов разной ценовой категорией и имеющих отличный друг от друга функционал. В качестве управляющего микроклиматом устройства использована сенсорная панель InZennio Z38i, которая имеет множество дополнительных возможностей, включая функцию термостата и встроенный датчик температуры. Панель Z38i сравнивает значение, полученное с датчика со значением выставленным пользователем и на основании этого, включает/выключает кондиционер или обогреватель; в данном проекте вместо них задействованы два реле WAGO 788-304, имеющие красный светодиод, срабатывающий при замыкании контактов. Разумеется, необходима еще настройка дополнительных параметров панели (например, "коридор" гистерезиса температуры). Таким образом, пользователь сможет вручную включать или выключать всю систему микроклимата, а также будет происходит автоматическое отключение системы при открытом окне, которое реализовано с помощью геркона.
Существуют несколько способов реализации логики системы отопления/охлаждения. Один из них - принцип пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора (рис. 27). Выходной сигнал регулятора u определяется тремя основными слагаемыми, каждый из которых отвечает за определенную функцию:
где Кp, Кi, Кd -- коэффициенты усиления пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей составляющих регулятора соответственно.
Рис. 27.
В данном случае не столь важен математический принцип работы ПИД-регулятора, а точнее, расчет значений коэффициентов, так как есть готовые библиотеки на языке программирования LUA или прописанный алгоритм в работе устройств для реализации ПИД-регулятора в домашней автоматике.
Вторым вариантом организации системы микроклимата является принцип двухточечного термостата (рис. 28).
Рис. 28.
Помимо установленной температуры, программно задается "коридор" гистерезиса, то есть некоторая дельта возможной температуры. При достижении минимума гистерезиса включается обогреватель, который будет работать до того момента как температура поднимется выше максимума гистерезиса. Обогреватель отключается, и температура начинает падать снова до минимума и т.д. По такому же принципу работает кондиционер. Важно проверить, чтобы устройства охлаждения и обогрева не вступали в конфликт (не включался одновременно и обогреватель, и кондиционер).
Для реализации системы микроклимата, необходимо подключить сенсорную панель InZennio Z38i к шине KNX (вся шина подключена к дросселю и имеет общий блок питания), при этом питания шины достаточно для Z38i и поэтому не требуется подключение непосредственно к блоку питания. Так же, как и в системе управления освещением, реле, отвечающие за обогреватель и кондиционер, подключены к EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3) к "2" и "3" каналам соответственно. Подключение каналов реле WAGO 788-304 к UIO8-KNXv3 полностью аналогично подключению реле, управляющего лампой. Геркон, эектромеханическое устройство, работающее по принципу "ключа", одним концом кабеля подключается к "8" каналу UIO8-KNXv3, а другим к общему "плюсу". Таким образом при создании магнитного поля (прикладывании магнита) контакты геркона будут замыкаться и на канал EVIKA Multiport v3 будет подано напряжение, таким образом с помощью геркона имитируется закрытое/открытое окно.
После того как все устройства корректно подключены и проверены на короткое замыкание мультиметром, необходимо настроить систему, используя программное обеспечение ETS3 Professional. Настройка параметров реле, управляющих обогревателем и кондиционером, в аппликационной программе для EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3) аналогична настройке реле, управляющего лампой. Каналы "2" и "3", к которым подключены реле, также настраиваются как бинарные выходы, которые могут выдавать значение либо "0", либо "1". При отправлении значения "1" на канал реле, будет происходить замыкание контактов и включение красного светодиода, что позволит имитировать непосредственно кондиционер и обогреватель. Канал "8", к которому подключен геркон, имеет конфигурацию бинарного входа, по аналогии с выключателем, управляющим светом. Однако настройки параметров различны. Параметр "rising edge" имеет значение "send 0", а "faling edge" - "send 1". Это означает, что при замыкании контакта (окно закрыто) на привязанный групповой адрес будет отправлено значение "0". При размыкании контакта (окно открыто) на этот групповой адрес будет отправлено значение "1". Также этот объект связи связан с объектом, включающим и выключающим систему микроклимата. Панель InZennio Z38i настраивается в соответствии с технической документацией . Распределение объектов связи по групповым адресам представлено на рисунке 29.
Рис. 29.
Пользователь может включить или выключить систему микроклимата в целом, выставить необходимую ему температуру и увидеть в каком состоянии сейчас находится окно (открыто или закрыто). Для реализации дополнительных сценариев (например, включение системы по определенным часам) используется контроллер LogicMachine4.
Для реализации теплого пола используется датчик температуры PT1000, который измеряет температуру пола, исполнительное устройство EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX) для управления системой и реле WAGO 788-304 для имитации механизма обогрева пола. IPT8-KNX по аналогии с другими логическими элементами подключается к общей сети KNX посредством шинного клеммника. Дополнительное подключение к источнику питания не требуется, так как устройство питается от сети KNX. Датчик температуры PT1000 подключается к каналу "1" устройства IPT8-KNX и к общему "минусу". Реле, которое является эмулятором механизма обогрева пола, подключается так же, как и все остальные реле, к устройству Multiport v3 к "6" каналу. Общая схема подключения для системы микроклимата и теплого пола представлена на рисунке 30.
Канал "6" мультипорта настраивается в режиме бинарного выхода, как и все остальные реле. В аппликационной программе устройства EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX) идет настройка термостата для реализации системы управления теплым полом. Параметры "heating control" и "cooling control" по умолчанию настроены как "enabled" (то есть включены), но так как охлаждение пола не требуется (в отличие от системы микроклимата), то параметр "cooling control" необходимо перевести в режим "disabled". Устройство будет сравнивать полученное от датчика PT1000 значение температуры с установленным пользователем значением и регулировать включение обогрева пола. Далее необходимые объекты связи распределяются по групповым адресам. Распределение объектов связи представлен на рисунке 31.
Рис. 31.
Таким образом, пользователь сможет указать необходимую для поддержания температуру пола, а также выключить систему, если это необходимо.
Систему микроклимата можно расширять, учитывая другие различные факторы, например, влажность воздуха или добавляя сценарии включения отопления по датчику нахождения человека в помещении или по времени суток.
Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице. Система содержит блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные механизмы. Подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице и датчики параметров окружающей среды. Исполнительные устройства (ИУ) представляют собой привод фрамуги, вентилятор, привод экрана, привод регулятора подачи углекислого газа и узлы контура обогрева. Выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров. Система для управления микроклиматом обеспечивает увеличение эффективности оптимизации качества регулирования. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области растениеводства в сооружениях защищенного грунта, и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице.
Для выращивания овощей и цветов широко применяют парники, оранжереи и теплицы различной конструкции. В этом случае в процессе выращивания часто возникают трудности при поддержании требуемой температуры в сооружении. Это положение часто может усугубляться отсутствием обслуживающего персонала в течение определенного времени. При этом возможно не только замерзание растений при снижении температур в рабочих зонах таких сооружений, но и увядание их при перегреве из-за высокого уровня солнечной радиации в теплице или парнике в дневные часы.
Известен регулятор температуры для теплиц, который содержит цилиндр, заполненный рабочей жидкостью, шток, кинематически шарнирно связанный с фрамугой и подгруженный пружиной сжатия, и манжетные уплотнители, в устройство введены радиатор, две продольные секции с различной теплопроводностью и отражающей способностью, при этом полость цилиндра заполнена гранулами из материала с высоким коэффициентом теплового расширения, причем при повышении температуры шток выдвигается и открывает фрамугу, а при снижении температуры происходит обратный процесс (см. патент РФ №2028759, кл. A01G 9/24, 1995).
Известный регулятор предназначен для регулирования только одного параметра - температуры воздуха в теплице.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система для управления микроклиматом в теплице, содержащая датчики температуры воздуха в теплице и оболочки теплицы, датчики СО 2 , датчики относительной влажности, микропроцессор, входы которого связаны с указанными датчиками, а выводы - с исполнительными механизмами: вентилем системы орошения оболочки теплицы, выключателем системы образования тумана в теплице, выключателем система обогрева, вентилем системы подачи СО 2 (см. Европейский патент №0275712, кл. A01G 9/24, 1988).
Недостатком данной системы также является низкая эффективность оптимизации качества регулирования микроклимата, обусловленная небольшим количеством регулировочных параметров и средств управлении микроклиматом.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение эффективности оптимизации качества регулирования микроклимата за счет увеличения количества регулировочных параметров при управлении микроклиматом и учета внешних метеоусловий.
Данный технический результат достигается за счет того, что система для управления микроклиматом в теплице содержит блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные механизмы, подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице, по меньшей мере, один датчик температуры поверхности листа и датчики параметров окружающей среды, которые подключены к входам блока контроллера, исполнительные устройства (ИУ) представляют собой, по меньшей мере, один привод фрамуги, по меньшей мере, один вентилятор, по меньшей мере, один привод экрана, привод регулятора подачи углекислого газа и узлы, по меньшей мере, одного контура обогрева, выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров, а вход блока управления соединен с выходом блока контроллера.
Кроме того, блок контроллера соединен с блоком мониторинга параметров микроклимата в теплице, выполненный на базе персонального компьютера, обеспечивающего ввод и кодированном виде задания на поддержание заданных параметров воздуха и почвы в теплице.
Блок управления представляет собой блок релейной коммутации, включающий релейные ключи для управления ИУ.
Система может в качества ИУ включать также насос и клапаны подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения, а также, по меньшей мере, один воздушный нагреватель.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана схема предложенной системы для управления микроклиматом в теплице.
Система для управления микроклиматом в теплице 1 содержит блок 2 мониторинга на базе персонального компьютера диспетчера, соединенный с блоком 3 контроллера, блок 4 управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные устройства (ИУ). Блок 3 контроллера включает в себя непосредственно управляющий контроллер, интерфейсную часть и органы индикации и управления. В интерфейсной части находятся схемы измерения для аналоговых и дискретных датчиков. Управление работой блока 3 контроллера может осуществляться как через блок 1 мониторинга с помощью персонального компьютера, так и с собственного пульта управления. Вход блока 4 управления соединен с выходом блока 3 контроллера. Блок 4 управления представляет собой блок релейной коммутации, в котором расположены релейные ключи для ручного и автоматического управления ИУ.
Подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице, датчики параметров окружающей среды и датчики параметров теплоносителя:
Датчик 5 температуры воздуха в теплице,
Датчик 6 относительной влажности воздуха в теплице,
Датчик 7 температуры внутренней поверхности остекления теплицы,
Датчик температуры листа растения (не показан, может отсутствовать),
Датчик 8 температуры почвы,
Датчики 9 температуры теплоносителя в контурах обогрева,
Датчик 10 температуры внешнего воздуха,
Датчик 11 интенсивности радиации солнечного излучения,
Датчик 12 скорости и направления ветра,
Датчик 13 давления теплоносителя в общих для всей теплицы прямой и обратной трубах 14 и 15,
Датчик 16 концентрации углекислого газа CO 2 .
Датчики подключены к интерфейсной части блока 3 контроллера. Выходы блока 4 управления соединены с ИУ: по меньшей мере, один привод фрамуги 17, по меньшей мере, один вентилятор 18 для циркуляции воздуха в теплице 1, по меньшей мере, один привод экрана (затеняющего или термического) (не показан), привод регулятора 19 подачи углекислого газа и узлы, по меньшей мере, одного контура 20 обогрева: насос 21, смесительный клапан 22. Теплица может содержать от 1 до 5 контуров 20 обогрева, каждый из которых соединен с прямой и обратной трубами 14 и 15 и включает насос 21 и смесительный клапан 22 для смешивания нагретой воды и холодной для регулирования температуры обогрева. Теплица также может содержать в качестве ИУ один или более воздушных нагревателей (не показаны), а также подсистему испарительного охлаждения и доувлажнения (не показана), включающую клапаны и форсунки для распыления воды под давлением.
Предложенная система для управления микроклимата в теплице предназначена для
Контроля микроклимата и отслеживания внешних метеоусловий,
Программного задания суточного цикла изменения параметров микроклимата в теплице,
Анализа получаемых данных,
Поддержания заданного микроклимата в теплицах.
В основу управления микроклиматом в теплице лежит контроль и управление температурой и влажностью воздуха и концентрацией в ней углекислого газа СО 2 . Система может осуществлять управление микроклиматом в одной или двух независимых теплицах, каждая из которых имеет до 5 контуров обогрева, две группы фрамуг, подсистему подачи CO 2 , подсистему управления экраном (зашторивания) и другие подсистемы. Система может также осуществлять управление микроклиматом в одной теплице, состоящей из двух, трех или четырех отделений, каждое из которых может иметь настраиваемое количество общих или отдельных контуров обогрева, общие или отдельные группы фрамуг, общие или отдельные подсистемы подачи СО 2 , управления экраном, управления циркуляцией воздуха, воздушного обогрева и испарительного охлаждения и доувлажнения.
В процессе эксплуатации системы агрономы и инженеры в табличной форме формируют стратегию управления микроклиматом. С помощью установленных в теплице 1 датчиков 5-8 производится постоянное измерение температуры воздуха в теплице 1 в нескольких точках, влажности воздуха, содержания углекислого газа и других параметров воздуха в теплице.
Кроме того, в системе с помощью датчиков 10-12 измеряются внешние метеорологические параметры: температура воздуха, интенсивность солнечного излучения, скорость и направление ветра. Для каждого измеряемого внутри теплицы 1 параметра можно установить две контрольные и две аварийные границы, что позволит автоматически отслеживать состояние микроклимата в теплице 1 и своевременно сигнализировать об отклонениях от оптимального состояния.
Все данные о состоянии и динамике микроклимата в теплице 1 периодически передаются в программу, которая в текущий момент времени используется контроллером блока 3 контроллера. Заданный в программе режим микроклимата может автоматически корректироваться в зависимости от значения параметров, например от интенсивности солнечного излучения. В процессе работы контроллер блока 3, согласно заданной программе с учетом внешних условий (солнечного излучения, внешней температуры, скорости и направления ветра), производит согласованное регулирование температуры теплоносителя, используемого при обогреве, управляет состоянием форточной вентиляции - положением фрамуг 17 в теплице 1, положением защитного экрана, режимами работы вентиляторов 18. Микроклимат в теплице 1 программируется, как правило, на сутки (можно и на любое другое время) с помощью блока 2 мониторинга, включающего персональный компьютер диспетчера (на чертежах не показан).
Управление исполнительными механизмами в теплице 1 производится через блок 4 управления - блок релейной коммутации ИУ.
Система для управления микроклиматом в теплице функционирует следующим образом.
Микроклимат в теплице 1 может поддерживаться путем управления интенсивным водяным обогревом, осуществляемым с помощью контуров 20 обогрева, положением фрамуг 17, подачей углекислого газа (CO 2), зашториванием экрана, работой подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения, осуществлением включения вентиляторов 18 и воздушного обогрева. Поддержание заданной температуры воздуха в теплице 1 производится согласованным управлением температурой теплоносителя, поступающего из трубы 14 подачи воды и уходящего в трубу 15. Вентиляция осуществляется, как правило, с помощью открытия/закрытия фрамуг 17 (тепличных форточек). Уровень CO 2 поддерживается с помощью включения специальных горелок либо с помощью управления подачей концентрированного CO 2 через регулятор 19. Зашторивание экрана позволяет уменьшать потери тепла в теплице (термический экран, горизонтальный и/или вертикальный) и ограничивать поступление солнечной радиации как по величине, так и по времени (затеняющий или затемняющий экран). Наличие и тип экрана определяется конструкцией теплицы и климатической зоной расположения теплицы.
С помощью подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения можно повышать влажность воздуха в теплице 1 и проводить его охлаждение.
Циркуляционные вентиляторы 18 позволяют проводить выравнивание температуры воздуха внутри теплицы 1 и в определенной степени понижать влажность воздуха. Воздушные нагреватели (не показаны) на основе электрических нагревателей и циркуляционных вентиляторов располагаются группами соосно вдоль длинных сторон теплицы и обеспечивают, в случае необходимости, быстрый дополнительный подогрев воздуха в теплице.
Контроллер блока 3 управляет микроклиматом согласно суточному заданию, которое устанавливается для температуры воздуха внутри теплицы 1. Также устанавливаются основные характеристики используемых исполнительных устройств (ИУ).
В процессе эксплуатации для теплицы 1 в контроллере доступна корректировка множества параметров, которые позволяют производить тонкую подстройку управления и, в конечном итоге, определяют качество поддержания микроклимата.
Для анализа работы системы контроллер блока 3 с заданным диспетчером периодом в диапазоне от 20 секунд до 2 минут посылает в персональный компьютер (ПК) диспетчера (блок 2 мониторинга) информацию, получаемую с измерительных датчиков 5-8 регистрации параметров микроклимата в теплице, а также промежуточные данные, которые необходимы для управления микроклимата.
Управление микроклиматом в теплице 1 в течение суток производится путем установки набора параметров, далее называемых заданием, состоящим из набора программ, каждая из которых действует в течение установленного времени. Для смены программы управления микроклиматом в теплице 1 устанавливается другое задание. Контроллер автоматически обеспечивает путем линейного интерполирования плавность изменения параметров микроклимата между временами действия соседних по времени программ. Параметры задания и само задание можно корректировать в любое время с ПК диспетчера.
Стратегией управления в блоке 3 задается ряд параметров, определяющих выбранную на основе экспертных оценок общую для теплицы 1 или для нескольких зон в теплице 1 стратегию управления микроклиматом в зависимости от агротехнических, экономических и теплотехнических требований. Стратегия управления микроклиматом задается в виде двумерной таблицы, левая колонка которой содержит определяющие действия, производимые исполнительными механизмами (ИМ) соответствующих подсистем управления.
В ячейках таблицы задаются величины в баллах в диапазоне от 0 до 100 баллов с учетом заложенных дополнительных ограничений на их диапазон в зависимости от вида действия, отражающие экспертную оценку влияния каждого действия ИУ на определяющие характеристики стратегии управления по отношению друг к другу. Все задаваемые величины рассматриваются только относительно друг друга.
Управление контурами 20 обогрева теплицы осуществляется следующим образом. Блок 3 контроллера анализирует данные с датчиков и вычисляет температуру теплоносителя по степени рассогласования расчетных и измеренных данных с учетом последующего влияния быстроизменяющихся факторов, таких как солнце, внешняя температура, ветер, осадки, что позволяет предсказывать изменение температуры в теплице и вовремя противодействовать этим изменениям.
Первый контур 20 обогрева - это, как правило, контур надпочвенного обогрева. Второй контур 20 обогрева - это, как правило, контур верхнего обогрева теплицы (шатровый) (может отсутствовать). Третий и четвертый контуры 20 могут использоваться как контуры подпочвенного или подсубстратного обогрева или как контуры, работающие синхронно с первым контуром 20 и выравнивающие тепловое поле теплицы (могут отсутствовать). Пятый контур 20 обогрева - это контур подлоткового обогрева для обеспечения снеготаяния (может отсутствовать).
Управление работой контуров 20 обогрева осуществляется путем управления смесительными клапанами 22.
Согласно заданной программе с заданным диспетчером периодом в диапазоне от 20 секунд до 2 минут блок 3 контроллера определяет требуемую рабочую температуру теплоносителя - прямой воды (воды в прямой трубе 14). Температура теплоносителя сравнивается с заданными минимальными и максимальными значениями и при выходе за допуски ограничивается. Далее она используется для управления смесительным клапаном 22 соответствующего контура 20 обогрева.
Смесительный клапан 22 контура обогрева управляется по требуемой рабочей температуре прямой воды. По заданной и измеренной температуре воды контроллер блока 3 с заданным периодом изменяет положение смесительного клапана 22 так, чтобы измеренная температура прямой воды в контуре 20 обогрева сравнялось с заданным значением. Настройка качества управления контура производится с учетом времени работы смесительного клапана 22 в зависимости от рассогласования заданной и измеренной температуры теплоносителя.
Процент открытия смесительного клапана 22 пересчитывается в длительность его открытия или закрытия с помощью заданных времен их полного открытия/закрытия.
Для увеличения устойчивости регулирования смесительными клапанами 22 и уменьшения динамических нагрузок на них введена временная задержка между изменениями положения смесительных клапанов 22 для каждого контура 20 обогрева.
Управление вентиляцией в системе производится следующим образом.
Вентилирование используется для удаления теплого воздуха из теплицы и замены его на более холодный воздух внешней среды, а также для снижения относительной влажности внутри теплицы. Скорость теплообмена зависит от разницы температур внутри и снаружи теплицы, наличия осадков и скорости ветра.
В программе введено понятие «температура вентиляции» - заданная температура воздуха в теплице 1, выше которой следует осуществлять открытие вентиляционных фрамуг 17. При этом программа при работающих фрамугах 17 начинает поддерживать температуру воздуха в теплице 1, равной именно температуре вентиляции. Так как, как правило, температура вентиляции выше заданной температуры воздуха, а контур обогрева 20 включается лишь тогда, когда температура воздуха опустится до этой заданной величины, то поддержание температуры воздуха в теплице 1, равной температуре вентиляции, в солнечный день может в основном осуществляться фрамугами 17 без использования контуров 20 обогрева. Тем самым неизбежные флуктуации температуры воздуха в теплице 1 при управлении только фрамугами 17 не будут приводить к периодическим включением контуров обогрева и, соответственно, к ненужным энергозатратам.
В суточной программе для разного времени суток можно задать 3 режима работы форточной вентиляции. В режиме «0» - фрамуги 17 полностью закрыты; в режиме «1» - фрамуги 17 с подветренной стороны принудительно устанавливаются в заданное в суточной программе минимальное положение, а с наветренной стороны закрыты; в режиме «2» фрамуги 17 работают в автоматическом режиме. В автоматическом режиме, как уже ранее упоминалось, управление вентиляцией осуществляется с помощью изменения положения фрамуг 17 в зависимости от климата в теплице и внешних метеоусловий.
В системе введены ограничения при ее функционировании.
К примеру, если задана защита от мороза, то при понижении внешней температуры фрамуги 17 закроются, независимо от расчетов и установленного минимального положения фрамуг 17.
При полностью закрытых фрамугах 17 процесс открытия всегда начинается с подветренной стороны, при полностью открытых фрамугах процесс закрытия начинается с наветренной стороны. Для простоты расчетов принято, что полностью открытая подветренная сторона соответствует 100% открытия фрамуг 17, полностью открытые подветренная и наветренные стороны соответствуют 200% открытия фрамуг 17.
Управление относительной влажностью воздуха система осуществляет следующим образом.
Для поддержания расчетной влажности воздуха требуется согласованное управление системой обогрева и вентиляции. Следует учитывать, что на влажность воздуха в теплице уже будут влиять задания в программе микроклимата, т.е. следует адекватно задавать в программе минимальную температуру теплоносителя в первом контуре 20 обогрева и минимальное положение фрамуг 17. Если в суточной программе микроклимата есть ненулевое задание для поддержания относительной влажности воздуха в теплице, то в процессе работы контроллер анализирует измеренные значения температуры воздуха и относительной влажности и их заданной стратегии управления. Если измеренная относительная влажность воздуха ниже заданной, а температура воздуха в норме или ниже заданной, то фрамуги 17 открываются на меньшую величину и, соответственно, уменьшается количество удаляемого водяного пара. При меньшем открытии фрамуг 17 автоматически снижается температура теплоносителя для того, чтобы не возрастала температура воздуха в теплице.
При высокой относительной влажности воздуха фрамуги 17 открываются на больший угол. Происходит более интенсивное удаление влаги. При этом с учетом значения температуры внешнего воздуха и скорости ветра (датчики 10, 12) автоматически возрастает температура теплоносителя для поддержания заданной температуры воздуха в теплице 1.
Так как изменение положения фрамуг 17 влияет на температуру и относительную влажность гораздо быстрее, чем изменение температуры теплоносителя, применяется ограничение частоты включения фрамуг 17 для предотвращения автоколебаний.
Подсистема испарительного охлаждения и доувлажнения может использоваться при необходимости для дополнительного увлажнения воздуха в теплице и для его охлаждения. При распылении воды происходят охлаждение воздуха за счет испарения воды и частичное повышение его влажности.
Система может обеспечивать управление, по меньшей мере, одним из следующих экранов: 1) термический (энергосберегающий) горизонтальный экран - для снижения потери тепла через верхнее остекление теплицы; 2) термический (энергосберегающий) вертикальный экран - для снижения потери тепла через боковое остекление теплицы; 3) затеняющий горизонтальный экран - для затенения от избыточной солнечной радиации. В последнем случае затеняющий экран можно использовать в качестве затемняющего экрана для регулирования фотопериода растений.
В данной системе экранами можно управлять как по времени суток, так и по погодным условиям. В соответствии с заданной программой микроклимата в любое время суток экран может находиться в 3-х положениях: а) полностью открытым; б) полностью закрытым; и в) в автоматическом режиме, когда его положение определяется заданными установками. Один и тот же экран может выполнять функции затеняющего и термического экрана.
Вводится переменное ограничение максимального закрытия термического экрана в зависимости от температуры стекла. Для исключения образования области холодного воздуха между экраном остеклением теплицы 1 при снижении температуры стекла величина максимального закрытия уменьшается до рассчитываемой величины в зависимости от заданных параметров.
Для экрана также используется программа микроклимата, где задается время суток, в течение которого допускается автоматическое закрытие экрана, и установка уровня освещенности, при которой закрывается экран. В случае, если интенсивность солнечного излучения превышает заданную установку и в задании микроклимата установлен автоматический режим работы экрана, произойдет закрытие экрана.
Как и для термического экрана, для затеняющего введено пороговое значение температуры внешнего воздуха, при котором он должен закрываться, что позволяет его использовать в качестве термического экрана в случае отсутствия последнего.
Также как для термического экрана, так и для затеняющего экрана можно использовать установки постепенного открытия и закрытия экрана.
Термические экраны (вертикальные) управляются с учетом влияния внешней температуры и солнечной радиации. Для вертикальных экранов важен учет влияния ветра. Поэтому вводится дополнительное промежуточное пороговое значение интенсивности солнечной радиации, разрешающее открытие всех сторон, кроме наветренной. Увеличение скорости ветра также приводит к повышению значения температуры внешнего воздуха, при которой вертикальный экран закрывается.
Управление подачей углекислого газа СО 2 в системе производится следующим образом.
Управление CO 2 может осуществляться с помощью регулятора 19 двух видов: 1) пропорциональной заслонки, степень открытия которой может меняться от 0 до 100%, - так называемая задвижка; 2) закрывающегося клапана с двумя состояниями - открыто и закрыто. В последнем случае регулирование подачи СО 2 осуществляется путем регулирования изменения скважности чередования периодов закрытия и открытия клапана.
С заданным периодом контроллер блока 3 вычисляет относительное положение задвижки, выраженное в процентах, в зависимости от рассогласования между заданной и измеренной концентрацией СО 2 в теплице.
Включение циркуляционных вентиляторов 18 в теплице 1 применяется для выравнивания теплового поля внутри теплицы 1, т.е. для уравнивания температуры воздуха во всех точках теплицы 1. Режим работы вентиляторов 18 задается в суточном задании. В суточном задании для любого периода в течение суток можно задать три режима работы вентиляторов: включен, выключен и автоматический. В 1-ом режиме работы вентилятор 18 постоянно выключен. Во 2-ом режиме вентиляторы 18 работают либо постоянно, либо импульсно. Частота включения вентиляторов 18 задается с помощью установок. При этом можно указать время работы вентилятора 18 и время паузы. При работе в 3-ем режиме для включения вентиляторов 18 необходимо, чтобы разность между показаниями контрольными датчиков 5 температуры воздуха в теплице 1 превысила определенную величину, которая задается. Если условие включения выполняется, то вентиляторы 18 включаются на установленное время с последующей паузой.
После включения система функционирует следующим образом.
Блок 3 контроллера в непрерывном режиме производит сбор данных с датчиков 10-12, характеризующий метеорологическую обстановку. К этим данным относятся температура внешнего воздуха, интенсивность радиации солнечного излучения, скорость и направление ветра. В это же время с датчиков 5-8 регистрации параметров микроклимата в теплице в блок 3 контроллера поступают данные о температуре воздуха в теплице, относительной влажности воздуха в теплице, температуре внутренней поверхности остекления теплицы, температуре поверхности листа растения, температуре почвы, температуре теплоносителя в отопительных трубопроводах и концентрации углекислого газа в теплице. В блоке 3 контроллера в определенные моменты времени включаются в действие с помощью ПК диспетчера определенные программы управления микроклиматом в теплице 1. При этом данные программы в конкретные моменты времени могут иметь свои определенные алгоритмы, которые варьируются в зависимости от параметров окружающей среды, а также от условий внутри таблицы 1. В зависимости от программы, реализуемой блоком 3, последний выдает на своем выходе сигналы, которые поступают на вход блока 4 управления - блока релейной коммутации исполнительных устройств. Блок 4 под воздействием поступающих на его вход сигналов переходит в один из своих режимов, который предусматривает подключение в работу насосов 21 и смесительных клапанов 22 контуров обогрева 20, регулятора 19 подачи углекислого газа и/или приводов перемещения фрамуг 17, экранов, и/или вентиляторов 18. При этом блок 4 управления генерирует сигналы, которые поступают на соответствующие ИУ. Включение и выключение соответствующих ИУ дает возможность управлять микроклиматом в теплице. Следует особо подчеркнуть, что ввод в действующую в блоке 3 программу информации о необходимом положении фрамуг 17, экранов, задвижек, а также о необходимых режимах работы отопительных циркуляционных насосов 21 и смесительных клапанов 22, вентиляторов 18, регулятора 19 подачи углекислого газа, приводов перемещения фрамуг 17, экранов позволяет оперативно изменять микроклимат в теплице 1 и позволяет наиболее эффективно выращивать растения в теплице.
1. Система для управления микроклиматом в теплице, содержащая блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные устройства (ИУ), подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице, по меньшей мере, один датчик температуры поверхности листа и датчики параметров окружающей среды, которые подключены к входам блока контроллера, в качестве ИУ система включает, по меньшей мере, один привод фрамуги, по меньшей мере, один вентилятор, по меньшей мере, один привод экрана, регулятор подачи углекислого газа и узлы, по меньшей мере, одного контура обогрева, выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров, а вход блока управления соединен с выходом блока управляющего контроллера.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок контроллера соединен с блоком мониторинга параметров микроклимата в теплице, выполненным на базе персонального компьютера, обеспечивающего ввод в кодированном виде задания на поддержание заданных параметров воздуха и почвы в теплице, всех дополнительных служебных параметров для настройки процесса поддержания параметров воздуха, стратегии управления микроклиматом в теплице и режимов работы ИУ.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок управления представляет собой блок релейной коммутации, включающий релейные ключи для управления ИУ.
4. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ИУ она включает также насос и клапаны подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения.
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ИУ она включает также, по меньшей мере, один воздушный нагреватель.
Похожие патенты:
Изобретение относится к растениеводству, в частности для укоренения зеленых черенков и выращивания рассады стевии (Stevia rebaudiana (Bertoni) Hemsley) без использования стимуляторов роста гетероуксиновой природы за счет создания оптимальных микроусловий (постоянная влажность воздуха - эффект "влажной камеры") для укоренения зеленых черенков, и может быть использовано как в условиях теплицы, так и вне защищенного грунта.
Изобретение относится к сельскому хозяйству в части энергоснабжения и орошения теплиц с целью оптимизации энергозатрат на отопление и освещение тепличного помещения, а также внутрипочвенного терморегулируемого орошения корнеобитаемой области выращиваемых культур
Группа изобретений относится к области сельского хозяйства и электричества. Модульная система включает корпус, который содержит: ряд светоизлучающих диодов (СИД), по меньшей мере, двух различных цветов для генерации света в пределах цветового спектра, при этом СИД смонтированы, предпочтительно с фиксацией при защелкивании, на пластине, предпочтительно теплопроводящей, или рядом с ней, которая оборудована средствами охлаждения СИД с помощью охладителя; процессор для регулирования величины тока, подаваемого на ряд СИД, так, чтобы величина подаваемого на них тока определяла цвет освещения, генерируемого рядом СИД, и плоский светопроницаемый элемент, содержащий связанные с СИД светопроницаемые линзы, для управления углом рассеяния света, излучаемого каждым СИД, для равномерного освещения поверхности; при этом корпус снабжен каналом для приема трубки для подачи питания и, как вариант, охладителя для системы СИД. Система включает закрытый фотобиореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1. В способе экранирования для оптимального освещения растительный материал помещают в биореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1, и измеряют скорость образования СО2 в растительном материале под действием света различной интенсивности. Система управления включает фотобиореактор, со средствами экранирования фотосинтетической активности, который освещается модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету; компьютер для обработки данных, полученных от средств экранирования фотосинтетической активности, который позволяет экранировать фотосинтетическую активность растительного материала фотобиореактора, освещенного светом различных длин волн и интенсивности; измерять поступающий солнечный свет и, если его интенсивность уменьшается, увеличивать интенсивность СИД; и управлять освещением растений в парнике путем освещения растений светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обеспечивают наивысшую фотосинтетическую активность в фотобиореакторе. В способе управления с помощью фотобиореактора экранируют фотосинтетическую активность растительного материала, помещенного в реактор, который освещают модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету; с помощью компьютера обрабатывают данные, полученные от средств экранирования фотосинтетической активности; причем фотобиореактор экранирует фотосинтетическую активность материала, освещенного светом различных длин волн и интенсивности, а компьютер управляет освещением растений в парнике, освещая растения светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обеспечивают наивысшую фотосинтетическую активность. Парниковая система включает: модульную систему СИД по любому из пп.1-11 внутри парника для роста растений; средства измерения для измерения одной или нескольких переменных величин, которые прямо или косвенно связаны с ростом, развитием растений; средства управления, выполненные с возможностью управления освещением в зависимости от выходных сигналов средств измерения. Реактор включает один или несколько отсеков для хранения жидкости, содержащей культуру фототрофных микроорганизмов; впускной патрубок для подачи потока газа, содержащего CO2, в один или несколько отсеков; выпускной патрубок для удаления газа из одного или нескольких отсеков; средства регулирования температуры культуры фототрофных микроорганизмов, и модульную систему СИД по любому из пп.1-11. Группа изобретений позволяет обеспечить равномерное освещение поверхности. 7 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.
Группа изобретений относится к области сельского хозяйства. Способ включает выращивание растений в движущихся емкостях, расположенных в оранжерее со светопропускающими стенами на вертикально установленном замкнутом конвейере с возможностью его непрерывного вертикального перемещения относительно рамы, и уход за растениями, включающий регулирование освещенности, температуры, влажности помещения и подачи питательного раствора. При этом выравнивают равномерность освещенности растений по всему объему помещения посредством дополнительного непрерывного горизонтального перемещения емкостей с растениями за счет вращения рамы конвейера в горизонтальной плоскости. Установка включает расположенный на фундаментном основании вертикальный каркас, покрытый светопропускающим материалом. Внутри каркаса расположен не менее чем один конвейер замкнутого типа с приводом непрерывного вращения относительно вертикальной рамы и установленными на нем емкостями для выращивания растений. При этом установка включает систему регулирования освещенности, температуры, влажности и подачи питательного раствора. Установка снабжена расположенным на фундаментном основании опорно-поворотным механизмом с приводом горизонтального вращения. Группа изобретений способствует повышению однородности среды внутри установки и равномерности освещения растений, улучшению условий выращивания сельскохозяйственных культур. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 44 ил.
Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения и может быть использовано для сооружений, обогреваемых за счет солнечной энергии. Теплица содержит светопрозрачный корпус. В подстилающей поверхности под корпусом теплицы заглублен воздуховод-теплообменник. Воздуховод-теплообменник с одной стороны соединен с установленным внутри теплицы патрубком, а с другой стороны соединен с выходящей наружу у противоположного торца теплицы вытяжной шахтой. Для обеспечения тяги вытяжная шахта снабжена дополнительным светопрозрачным корпусом, установленным с зазором относительно вытяжной шахты. Для сбора сконденсированной влаги имеется емкость. Емкость соединена с воздуховодом-теплообменником в нижней точке его поверхности. Такое конструктивное решение направлено на повышение интенсивности нагрева почвы, а также на расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Предложена теплица, включающая фундамент, каркас и крышу. Фундамент выполнен с образованием воздушной прослойки между, как минимум, двумя горизонтами. Стены и крыша теплицы выполнены двойными. Между стенами и крышами создано герметичное или почти герметичное пространство для принудительного воздухообмена во время сильных холодов. Такое конструктивное выполнение теплицы позволит снизить теплопотери, а также предотвратить обрушение крыши под тяжестью снега. 3 ил.
Теплица с коньковой фрамугой может быть использована для выращивания сельскохозяйственных овощных, фруктовых, лекарственных и цветочных культур в условиях естественной вентиляции замкнутого объема со светопрозрачным покрытием. Теплица с коньковой фрамугой содержит каркас, который образует боковые и торцевые стенки, двускатную крышу с коньковой балкой, светопрозрачный материал, ограждающий каркас снаружи и имеющий фрамугу. В коньке крыши и по обе стороны от него выполнен вентиляционный проем, перекрытый коньковой фрамугой, которая имеет тот же профиль, что и крыша, и опирается на крышу по периметру фрамуги и вентиляционного проема. Фрамуга связана с устройством ее перемещения наружу от конька крыши. Использование данного изобретения позволит повысить эффективность системы вентиляции теплицы. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к к области лабораторного оборудования и может быть использовано для выращивания растений. Шкаф содержит остекленную рабочую камеру с остекленной передней дверью для наблюдения за растениями, блок управления и блок подготовки воздуха. Шкаф оснащен также источниками света, расположенными с внешней стороны рабочей камеры. Блок подготовки воздуха сообщен с рабочей камерой посредством отверстий в общей стенке, являющейся его потолком и дном рабочей камеры. Задняя остекленная стенка рабочей камеры выполнена двойной таким образом, что образуется полость для нагнетания в нее воздуха из блока подготовки воздуха, а ее внутреннее стекло имеет щель в верхней части для выхода циркулирующего воздуха в рабочую камеру и далее в блок подготовки воздуха через отверстия в дне рабочей камеры. Такое конструктивное выполнение позволит обеспечить равномерное распределение температуры воздуха по объему рабочей камеры. 1 ил.
Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице
В отечественной и зарубежной практике используют автоматические СУ только температурными режимами в овощехранилище. Автоматическое регулирование влажности применяют редко из-за отсутствия датчиков, работающих при относительной влажности воздуха более 90 %. При необходимости влажностью управляют вручную, включая вытяжные вентиляторы.
Рис. 9.1. Технологическая схема автоматического управления температурным режимом в овощехранилище:
1 - подогреватель; 2, 5- соответственно приточная и вытяжная шахты; 3- смесительный клапан; 4- исполнительный механизм.
Для управления микроклиматом в овощехранилищах используют оборудование типа ОРТХ и систему «Среда».
Оборудование для регулирования температуры хранилищ типа ОРТХ обеспечивает технологически обоснованные температурные режимы приточного воздуха, массы хранимой продукции и воздуха верхней зоны без искусственного охлаждения в хранилищах вместимостью до 1000 т с числом вентиляционных камер не более двух.
В оборудование типа ОРТХ входят следующие основные устройства (рис. 9.1): смесительный клапан 3 с подогревателем 1 и исполнительным механизмом 4, приточная 2 и вытяжная 5 шахты, два рециркуляционно-отопительных агрегата б, вентиляционно-распределительный канал 7, вентилятор 8 приточной системы и шкаф автоматического управления системой активного вентилирования (ШАУ-АВ). В шкафу размещены регуляторы температуры Р1...Р5, программное реле времени КТ, ключи и кнопки управления. В связи с неблагоприятными для работы аппаратуры условиями предусмотрен автоматический обогрев шкафа от электроподогревателя ЕК, действием которого управляет контактное термореле SK через промежуточное реле KV1 (рис. 9.2). Температуру контролируют датчики ВК...ВК5 (см. рис. 9.1) - терморезисторы и термометры сопротивления, а замеряет логометр Р. Система активного вентилирования может работать в режиме ручного дистанционного или автоматического управления.
В ручном режиме переключатели SA1 и SA2 ставят в положение Р и кнопками SB1 и SB2 управляют вентиляторами и калориферами двух рециркуляционно-отопительных систем, кнопками SB3 и SB4-подогревателем смесительного клапана, кнопками SB5 и SB6- приточной вентиляцией. В этом режиме при помощи регулятора Р4 (типа ПТР-2) автоматически может отключиться только приточный вентилятор, когда температура наружного воздуха снизится до минимально допустимого значения. При допустимой температуре контакт Р4 замкнут.
В автоматическом режиме переключатель SA1 переводят в положение А. Последовательность работы схемы зависит от периода хранения.
В режиме «Лечение» переключатель SA2 ставят в положение Л, а переключатель SA3 - в положение N (нейтральное), в результате чего действует только приточный вентилятор, который периодически включается и отключается магнитным пускателем КМ4, управляемым контактами AT программного реле времени и регулятора Р4. Программное реле КТ настраивают на шестиразовое включение приточного вентилятора в сутки в каждом случае на 30 мин. Перед этим режимом исполнительный механизм ИМ через контакты КМ4:4 закрывает смесительный клапан полностью,
А вентиляция картофеля осуществляется рециркуляционным воздухом.
В режиме «Охлаждение» переключатель SA2 ставят в положение 0 и в работу вводится дифференциальный терморегулятор Р1, который при помощи датчиков ВК и ВК1 сравнивает температуры наружного воздуха и в массе хранимого продукта. Если разница между ними больше так называемого дифференциала (2...3 °С), то срабатывает терморегулятор Р1 и включает промежуточное реле KV2. Контактами KV2:1 реле KV2 вводит в работу терморегулятор РЗ (типа ПТР-2), а затем контактом РЗ вводится в работу регулятор Р4. В результате этого пускатель КМ4 включает приточный вентилятор. Контактами KV2:2 включается пропорциональный терморегулятор Р5, который посредством датчика ВК5 и исполнительного механизма ИМ управляет температурой воздуха в системе вентиляции.
При отклонении этой температуры от заданной терморегулятор Р5 своими замыкающими Р5:2 и размыкающими Р5:1 контактами включает исполнительный механизм, поворачивающий заслонку смесительного клапана в такое положение, при котором устанавливается необходимая температура смешанного наружного и рециркуляционного воздуха. Охлаждение продолжается до тех пор, пока температура в массе хранимого продукта не достигнет заданного значения, после чего посредством датчика ВКЗ и контактов РЗ терморегулятора РЗ отключается магнитный пускатель КМ4 приточного вентилятора. Если температура наружного воздуха длительное время превышает температуру в массе продукта, то вентиляция ведется только рециркуляционным воздухом. Сигнал на включение магнитного пускателя КМ4 вентилятора подается от программного реле времени через контакты КТ. В этом случае смесительный клапан закрыт и теплый наружный воздух в хранилище не поступает.
В режиме «Хранение» переключатель SA2 ставят в положение X. Приточный вентилятор включается контактами AT программного реле времени 4...6 раз в сутки для снятия перепадов температуры в массе продукта. При этом блок-контактами КМ4:3 магнитного пускателя через переключатели SA1 и SA2 подключаются терморегулятор Р1, реле KV2 и терморегулятор РЗ. В дальнейшем схема действует так же, как и в режиме охлаждения. Если температура в течение заданного при помощи реле времени AT цикла работы не снизилась до нормы, то вентилятор продолжает работать до тех пор, пока не разомкнутся контакты регулятора РЗ. При отключении вентилятора смесительный клапан автоматически закрывается при помощи блок-контактов КМ4:4, управляющих работой исполнительного механизма ИМ. В том случае, когда температура в верхней части хранилища над продуктом оказывается меньше заданной, что может вызвать выпадение конденсата в продукт, от датчика ВК2 срабатывает терморегулятор Р2 и через магнитные пускатели КМ1 и КМ2 включает рециркуляционно-отопительные агрегаты.
Рециркуляционно-отопительные агрегаты работают только при выключенном приточном вентиляторе (блок-контакты КМ4:1 замкнуты), отключение их осуществляется контактом 1 терморегулятора, когда температура верхней зоны равна заданному значению.
Автоматическое управление подогревателем смесительного клапана задают переключателем SA3 (положение А) при снижении наружной температуры до -15 ºС. Он включается магнитным пускателем КМЗ или автоматически от реле КТ, или вручную кнопками SB3 и SB4 (SB3 в положении Р). Желательно включение в состав оборудования хранилища холодильной машины.
Схема ШАУ-АВ предусматривает возможность управления температурой в ручном и автоматическом режимах. При этом в случае повышения температуры в массе продукта выше нормы в момент, когда наружная температура высока, одновременно с включением приточного вентилятора включается и холодильная машина. Тогда температура воздуха, поступающего в магистральный канал, регулируется терморегулятором, входящим в комплект холодильной машины.
Микропроцессорная система управления микроклиматом теплиц «Среда» более совершенна, чем оборудование типа ОРТХ. Как и устройство ШАУ-АВ, она обеспечивает автоматическое пропорциональное регулирование температуры воздуха, направляемого в массу хранимого продукта, двухпозиционное регулирование температуры хранимого продукта и воздуха в верхней зоне хранилища, а также ряд технических измерений, сигнализацию отклонений температуры от заданной в отдельных секциях хранилища и т. д. Система «Среда» может управлять технологическим процессом в восьми секциях хранилища овощей вместимостью до 5000 т. В каждой секции овощехранилища установлены два рециркуляционно-отопительных агрегата, приточный вентилятор, смесительный клапан с приводом от ИМ, обогреватель клапана, несколько датчиков температуры воздуха (в верхней зоне и в магистральном канале), датчики температуры в массе хранимого продукта.
Функциональная схема системы «Среда» показана на рисунке 9.3. В каждой из восьми секций хранилища устанавливают четыре измерительных преобразователя 1: для двухпозиционного регулирования температуры в массе хранимого продукта, надзакромном пространстве и два в магистральном канале (для пропорционального регулирования температуры подаваемого воздуха за счет смешивания холодного наружного и теплого рециркуляционного воздушных потоков). Блоки измерения и задания 2 формируют 32 аналоговых сигнала, пропорциональных текущему
Рис. 9.3. Блок-схема системы «Среда-1» для управления микроклиматом в хранилище:
1 - измерительные преобразователи; 2 - блоки измерения и задания; 3- блоки переключателей; 4 - двухпозиционный регулятор; 5-пропорциональный регулятор; 6- блок синхронизации; 7-блоки управления; 8- исполнительный механизм; 9-регулятор разности температур; 10, 11 - измерительные преобразователи температуры соответственно наружного и внутреннего воздуха; 12-логометр
значению регулируемого параметра. Эти сигналы через блоки переключателей 3 (коммутаторы) в установленной последовательности подаются на вход двухпозиционного 4 или пропорционального 5 регулятора. Также в синхронной последовательности, задаваемой работой электронного блока 6, через блоки управления 7 осуществляется переключение исполнительных цепей регулятора 4 или 5.
Регулятор 9 разности температур наружного 10 и внутреннего 11 датчиков воздуха в случае повышения наружной температуры до заданного уровня переключает систему на вентиляцию продукта внутренним (рециркуляционным) воздухом. Логометр 12, получающий питание, как и все другие элементы схемы, от блока БП, через переключатель S позволяет проконтролировать температуру в 39 точках по объему хранимого продукта.
Алгоритм функционирования системы «Среда» аналогичен описанному ранее алгоритму функционирования устройства ШАУ-АВ.
