Комплекс АСУ "ТеПлица" для управления и контроля климата в тепличных хозяйствах

Описание "Комплекс АСУ "ТеПлица" для управления и контроля климата в тепличных хозяйствах"

Все необходимые технологические режимы работы теплицы задаются оператором непосредственно с АРМ (АРМ - Автоматизированное Рабочее Место) и оперативно контролируются в зависимости от протекающих производственных процессов. Предлагаемая система автоматизированного контроля климата тепличного хозяйства позволяет:
Повысить:
1. оперативность в обслуживании и управлении;
2. надёжность и безопасность работы оборудования;
3. точность поддержания климата;
Обеспечить:
1. регистрацию и отображение значений контролируемых параметров (температуры и влажности воздуха, температуры воды в контурах отопления, положения регулирующих клапанов и т.д.);
2. создание архивов измеряемых параметров;
3. непрерывный контроль действующего оборудования;
4. оперативное дистанционное переключение на резервное или автономное энергоснабжение теплиц при отключении или выходе из строя основного;
5. постоянный учёт расхода теплоносителей и электроэнергии;
6. своевременное обнаружение сбоев, предаварийных и аварийных ситуаций в работе действующего оборудования;
7. снижение вероятности преждевременного выхода оборудования из строя;
8. экономичное использование тепло-, водо- и энергоресурсов;
9. Повышение рентабельности производства тепличного комплекса.

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И СТРУКТУРА УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА АСУ "ТеПлица"
Предлагаемая структура системы мониторинга, диспетчеризации и автоматизации тепличного хозяйства построена по принципу максимального приближения локальных управляющих устройств к объекту управления и называется распределённой системой. Распределённая система позволяет значительно снизить затраты на монтажные работы, кабельную продукцию и время проведения работ. Персональные компьютеры АРМ операторов, руководителя и микроконтроллеры через блоки согласования объединены в общую сеть и работают под управлением интерфейса RS-485. Блок согласования подключается к последовательному порту компьютера и выполняет функции преобразователя интерфейсов RS-485 в RS-232 и наоборот. По интерфейсу RS-485 происходит опрос входных параметров сетевых контроллеров для диспетчеризации и управления.
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО (АРМ)
Диспетчерский пункт располагается в месте, указанном заказчиком, и представляет собой Автоматизированное Рабочее Место (АРМ) оператора. АРМ оператора представляет собой персональный компьютер с установленным на него программным обеспечением класса SCADA "ДНК-2002".
В число основных функций АРМ оператора входят:
· опрос удаленных контроллеров и прием информации о текущем состоянии объекта диспетчеризации, выдача команд оперативного управления оборудованием объекта диспетчеризации на контроллеры, а также их диагностика;
· предоставление оператору эффективного пользовательского интерфейса, включающего средства визуального представления отдельных подсистем объекта диспетчеризации, сигнализацию аварийных ситуаций на объекте, средства управления удаленным оборудованием и быстрого доступа к требуемой информации и т.д.;
· протоколирование и архивирование всех событий, происходящих на объекте диспетчеризации (в том числе аварийных), а также действий диспетчера, связанных с эксплуатацией системы; вывод информации диспетчеру о текущей или возникшей аварийной ситуации с выдачей необходимых рекомендаций в создавшейся ситуации. Вывод сообщений возможен звуковыми (в виде сирены), речевыми, световыми и текстовыми (мерцание) сообщениями или по желанию их комбинацией.
· Диспетчерский комплекс "ДНК - 2002" (далее ПО "ДНК'2002") создан в ЗАО "НАНКО" и представляет собой программное обеспечение класса SCADA, работающее в среде операционных систем Windows 95/98/NT/XP и предназначено для создания верхнего уровня систем сбора информации и управления удаленным оборудованием. ПО "ДНК'2002" позволяет строить (АРМ) операторов автоматизированных систем управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. В ПО "ДНК'2002" входит: программный модуль "ALARM", который обеспечивает взаимодействие с микропроцессорной техникой нижнего уровня - контроллерами "НАНКО", а также удобную пользовательскую оболочку "ДНК'2002", включающую полный и исчерпывающий набор средств создания АРМ-ов перечисленных выше систем. ПО "ДНК'2002" позволяет постепенно наращивать в сети аппаратные объекты контроля и управления, обеспечивая тем самым контроль до 11.000 параметров.
Нами разработаны и применяются две версии "ДНК'2002" - локальная и сетевая. Каждая из версий, поставляемая заказчику для мониторинга различного оборудования, позволяет в дальнейшем расширять начальный проект.

СПОСОБЫ И КАНАЛЫ СВЯЗИ УПРАВЛЯЮЩЕГО КОМПЛЕКСА АСУ "ТеПлица"
Основными средствами связи, используемыми в управляющем комплексе АСУ "ТеПлица", являются промышленные протоколы PROFIBUS (RS - 485) и TCP/IP.
Контроллеры, используемые в системе управления, являются адресными устройствами и объединяются в единую сеть по интерфейсу RS - 485. Допускается объединение до 255 адресных устройств в одной сети. Протяжённость такой сети может достигать до 1300 м. Для передачи информации на большие расстояние необходимо применять репитеры.
АРМ оператора и главных специалистов объединены в локальную сеть по протоколу TCP/IP. Для реализации этой возможности мы предлагаем сетевую версию ПО "ДНК'2002". Скорость обмена текущей информацией между контроллерами и программным обеспечением верхнего уровня-9600 бит/сек. Сеть подключается к последовательному порту IBM PC RS-232 через адаптер "НАНКО-12.4", образуя канал связи контроллеров с АРМ диспетчера.
Передача информации на удаленные объекты возможна по следующим каналам связи:
· телефонным линиям через модемы;
· радиоканалу через радиомодемы;
· сотовой связи через модемы сотовой связи.

ФУНКЦИИ КОНТРОЛЛЕРОВ "НАНКО"
Управляющие контроллеры выполняют следующие функции:
· опрос датчиков, формирование информационных пакетов и их передача на АРМ оператора;
· выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства в соответствии с логикой своей программы, а также по командам оперативного управления оператора;
· диагностика подключенных датчиков и исполнительных устройств.
Каждый локальный контроллер на позиции автономен и способен выполнять заложенную программу. Программа, выполняемая контроллерами, не зависит от сбоев компьютера на АРМе оператора и обрыва сети протокола RS-485. Время опроса одного контроллера программным модулем "ALARM" составляет не более 100 мс.

ТИПОВАЯ СХЕМА ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ ОДНОГО БЛОКА ТЕПЛИЦЫ
Типовая схема диспетчеризации представлена на рис. 2. Данная схема предусматривает вывод и отображение на АРМ диспетчера следующих параметров в теплице:
· температура воздуха;
· влажность воздуха;
· температура почвы;
· влажность почвы;
· pH почвы;
· концентрацию CO2;
· температура в трубопроводе прямой воды из котельной в трех контурах отопления (грунт, кровля, периметр);
· температура в трубопроводе обратной воды в котельную по трем контурам отопления;
· контроль положения регулирующих клапанов;
· контроль включения циркуляционных насосов;
Дополнительно можно установить контроль температуры и влажности возле одного или нескольких растений.
Все параметры от соответствующих датчиков передаются на контроллер "НАНКО-053.ХХ" и далее по интерфейсу RS-485 через адаптер "НАНКО-12.4" на АРМ оператора.
Температура воздуха в теплице измеряется шестью цифровыми датчиками, затем усредняется и выводится на АРМ оператора. Оператор имеет возможность контролировать температуру каждого отдельного датчика.
Температуры и другие параметры выводятся на экране в виде таблиц. При отклонении технологических параметров от заданных значений выводятся системное сообщение на экран компьютера и срабатывает звуковая сигнализация.
Параметры, которые регистрируются комплексом АСУ "ТеПлица", необходимы для создания оптимальных условий роста растений. Внешний вид и конфигурация выводимых параметров, таблицы, графики и архивы задаются заказчиком.
В качестве датчиков температуры мы предлагаем использовать цифровые датчики. Цифровые датчики - это датчики для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Точность измерения ± 0.5 °С. Преимуществом данных датчиков является передача сигнала в цифровом виде, при этом канал связи имеет высокую степень защищенности от индустриальных помех. Все цифровые датчики монтируются на один кабель (витая пара 5 категории). Снижению затрат на покупку и прокладку указанного кабеля способствует подключение на один кабель всех датчиков температуры. Для сбора сигналов от датчиков мы предлагаем универсальный программируемый модульный контроллер "НАНКО-053.ХХ".
Функциональные основные возможности универсального, программируемого модульного промышленного контроллера "НАНКО-053.ХХ" строятся на 12 аналого-цифровых входах/выходах и двух входах для цифровых датчиков.
Благодаря модульной структуре системы на основе контроллера "НАНКО-053.ХХ" гибко перестраиваются и расширяются. Контроллер "НАНКО-053.ХХ" программируется непосредственно с АРМ оператора. На рисунке 3 представлена структурная схема нескольких отделений (блоков).
АВТОМАТИЗАЦИЯ ОТДЕЛЕНИЯ ТЕПЛИЦЫ
Типовая схема автоматического контроля и управления предусматривает контроль и регулирование следующих параметров:
· температура воздуха в теплице;
· температура почвы.
Регулирование осуществляется путем управления клапанами РК1-3, форточками и работой циркуляционных насосов. На АРМ оператора поступает информация от тех же датчиков, что и в режиме диспетчеризации. Используемое программное обеспечение контроллеров "НАНКО-ФБД" позволяет осуществлять все основные законы регулирования (П, ПИ и ПИД). ПО "НАНКО-ФБД" имеет встроенные библиотеки стандартных алгоритмов, что дает возможность создания более сложных законов регулирования. Применяя разработки компании "НАНКО", Вы сможете регулировать микроклимат в теплице (температуру воздуха и грунта, влажность, щелочной баланс), обеспечить плавный переход с режима "День" на режим "Ночь" и наоборот. Установленные циркуляционные насосы создают постоянный проток теплоносителя через теплицу, что обеспечивает в ней равномерное тепловое поле.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ СЕРВЕР И АРМ ОПЕРАТОРА
Центральным сервером является Pentium III с тактовой частотой не менее 400 МГц. Требования к компьютеру связаны с большим объемом обрабатываемой информации и необходимостью представления информации графически. LAN связывает АРМ операторов и АРМ главных специалистов (Главный инженер, агроном, начальник службы КИПиА).
Выбрав нужное отделение, оператор или другой пользователь системы имеет возможность переключиться на режим контроля. Оператор переключается на него после выбора необходимого ему отделения.
Журнал системных сообщений необходим при проведении повторных запусков системы, при ее настройке и наладке. Он позволяет отслеживать в режиме реального времени включение датчиков и других устройств системы, производить анализ отказов устройств и их диагностику.
Из окна журнала сообщений пользователь может распечатать все системные сообщения за указанный период времени.
Режим настройки системы параметров регулирования используется при проведении пусконаладочных работ, а также при проведении профилактической работы специалистами службы КИПиА. Он позволяет учесть технологические особенности конкретных исполнительных устройств и устанавливать необходимые поправочные коэффициенты для улучшения качества регулирования. Вход в это окно доступен только для специалистов фирмы "НАНКО" и для службы КИПиА Заказчика.
Таким образом, основными достоинствами информационно-управляющего комплекса АСУ "ТеПлица" являются:
· уменьшение на 15-20% расхода тепло- и энергоносителей;
· точность поддержания температуры воздуха в теплице ± 0,5°С;
· поддержание оптимального микроклимата в теплице и увеличение возможности влияния на урожайность культивируемых культур;
· высокая надежность;
· возможность гибкой настройки системы;
· возможность расширения структуры и функций комплекса;
· оперативность обслуживания;
· возможность глубокого анализа работы всего тепличного хозяйства и его элементов на основе данных диспетчеризации;
· возможность проведения замеров температуры и влажности возле контрольных растений.
ЗАО "НАНКО" рекомендует проводить поэтапную реконструкцию тепличных хозяйств. Это позволит уменьшить первоначальные затраты на проект. Первый этап - диспетчеризация. На этапе диспетчеризации собирается аналитическая и статистическая информация о работе теплицы. После окончания работ по диспетчеризации и анализа информации, полученной при работе с комплексом, выдаются рекомендации по "термодинамике" и гидродинамике в теплице. Это необходимо для обеспечения равномерного теплового поля в теплице и создания оптимальных условий роста растений. Второй этап - поэтапный переход на автоматический контроль и регулирование. Постепенный переход на автоматический контроль и регулирование позволит более гибко подходить к каждой конкретной теплице.
В дополнение к информационно-управляющему комплексу АСУ "ТеПлица" ЗАО "НАНКО" предлагает поставку системы автоматизированного приготовления питательного раствора и управления капельного орошения при малообъемном способе выращивания растений в тепличном производстве. Данная система позволяет организовать индивидуальную дозировку питательного раствора для отдельных фрагментов теплицы по времени полива или по расходу, а также оптимальное распределение полива в течение суток. Управляемая компьютером система дозации жидких минеральных удобрений обеспечивает приготовление подкормочных растворов с точно выдержанной концентрацией питательных веществ и заданной кислотности. ЗАО "НАНКО" является также разработчиком систем цифрового видеонаблюдения. Установив в теплице данные системы, Вы сможете не только сократить потери продукции от хищений, но и улучшить деятельность службы охраны предприятия.
Также компанией "НАНКО" разработаны и успешно внедряются комплексы АСУ ТП "Овощехранилище", АСУ ТП "Зернохранилище" и др. для предприятий агропромышленного комплекса.