Система управления микроклиматом теплицы.

Технологические требования к микроклимату в помещениях. Для нормального течения физиологических процессов в организме животных и птицы необходим чистый воздух в помещении по своим физико-химическим свойствам, близкий к атмосферному.

Крупный рогатый скот, содержащийся в помещениях с нерегулируемым микроклиматом, снижает продуктивность. У молочных коров при температуре выше 23 ос уменьшается УДОЙ, выше 26 ос - содержание жира в молоке, у жи­вотных учащается пульс и дыхание, затрудняется теплоотдача. С понижением температуры до минус 5 ос потребление кормов увеличивается в 1,5-2 раза.

Повышенная влажность воздуха также отрицательно сказывается на продуктивности. Установлено, что при повышении влажности на каж­дые 5% выше 85% у высокопродуктивных коров суточный удой уменьшается на 1,22-1,43 кг. Влияние температуры и влажности воздуха может усиливаться или ослабляться в зависимости от скорости воздуха.

Высокая влажность и повышенная концентрация вредных газов в Поме­щениях снижают резистивность организма. Животные чаще заболевают ту­беркулезом, стригущим лишаем и др.

Молодняк особенно чувствителен к условиям микроклимата. Резкие ко­лебания температуры, сквозняки и сырость в телятниках и родильных отде­лениях животноводческих ферм вызывают большую смертность телят, осо­бенно в первые недели жизни. При температуре выше 25 ос снижаются при­весы, замедляется рост и развитие молодняка. Влажность в помещениях 90% и выше предрасполагает телят к заболеванию легких.

В одинаковых условиях кормления, но при пониженной температуре, высокой влажности и большой скорости движения воздуха привесы молод­няка снижаются на 15-20%.

Температура воздуха в помещении - важнейший фактор, определяю­щий физиологическое состояние свиней. При снижении температуры в сви­нарниках на 8-1О о С ниже оптимальной, среднесуточные привесы откормоч­ного поголовья уменьшаются на 40-60 г, а расход корма повышается на0,3-0,5 корм. ед. Неблагоприятна для взрослых свиней и высокая температу­ра. Если в помещении выше 21 о с, снижается темп роста, а выше 32 о с ­

животные резко худеют. Поэтому летом, особенно в жаркие дни, следует ув­лажнять полы и кожный покров свиней, усиливать в помещении скорость движения воздуха дополнительным вентилятором. Поросята, наоборот, очень нуждаются в тепле. В первую неделю их жизни температура должна поддер­живаться на уровне плюс 30 о с, ВО вторую - плюс 26 о с, в третью - плюс24 о с, в четвертую - плюс 22 о с.

Если не соблюдать правильный температурный режим в промышленных комплексах на 100 тысяч откармливаемых свиней в год, потери могут дости­гать 12-15 т в сутки, что составляет ежегодно более 4 000 т мяса.

Другой параметр микроклимата - влажность воздуха. Зимой при содержа­нии в неблагоприятных сырых помещениях свиньи заболевают бронхитами, вос­палением легких, мышечным ревматизмом, расстройством пищеварения, осо­бенно страдают молодые и ослабленные животные. При большой влажности воздуха в свинарниках увеличивается число патогенных микроорганизмов, гриб­ков, плесени. Поверхность тела свиней бывает мокрой и грязной.

Очень важно соотношение между температурой воздуха в помещении и скоростью его движения. Воздух одной и той же температуры ощущается хо­лодным, если он движется со скоростью более 1 м/с и нормальным при ско­рости движения 0,2-0,25 м/с.

В помещениях для свиней содержание в воздухе углекислоты, аммиака,

сероводорода не должно превышать максимально допустимых концентраций. Птица отличается от животных более интенсивным обменом веществ.

Цыплята на 1 -кг массы выделяют теплоты и поглощают кислорода примерно в 5-6 раз больше, чем крупный рогатый скот. В помещениях с неудовлетворительным микроклиматом привесы бройлеров уменьшаются на 6-7%, возникают заболевания органов дыхания, зрения, сердца, печени, крови и птица гибнет. Продуктивность кур снижается до 40-50%, расход кормов на единицу продукции повышается на 30-40%, за­болеваемость, особенно молодняка, увеличивается в 3-4 раза.

Благоприятное или неблагоприятное действие температуры на орга­низм зависит от ее интенсивности, длительности, а также от сочетания с другими факторами внешней среды.

При клеточном содержании кур в птицеводческих хозяйствах на про­мышленной основе особенно нежелательны резкие колебания температуры.

Источником повышения влажности в птичниках являются: легочное ды­хание птицы, испарение влаги с поверхности поилок, мокрого пола, корму­шек и других конструкций помещения.

Поскольку влажность воздуха как фактор микроклимата неразрывно связана с температурой и движением воздуха, то и влажность в птичниках может повышаться или понижаться. С повышением влажности воздуха испа­рение влаги органами дыхания птицы уменьшается. Кроме того, влага, на­сыщая воздух птичника, изменяет его теплоемкость и теплопроводность.

Высокая влажность воздуха в птичнике способствует снижению перева­риваемости питательных веществ корма, понижению отложения азота и уменьшению содержания гемоглобина в крови. Поэтому пребывание птицы в помещениях с высокой влажностью и низкой температурой часто вызывает простудные заболевания. При высокой влажности и температуре теплоотдача у птиц сильно затруднена, вследствие чего наступает перегревание организма и тепловой удар.

Воздух влажностью 50% считается сухим, вызывает раздражение слизи­стых оболочек дыхательных путей и глаз птицы, повышает хрупкость пера, усиливает потерю влаги организмом.

Синтез системы управления микроклимата в животноводческих помещениях и птичниках

К системам вентиляции предъявляются определенные требования - они должны создавать в различные периоды года, необходимый воздухообмен на единицу живой массы, животных (птицы) и обеспечивать равномерное распределение и циркуляцию воздуха внутри помещения, чтобы не было мест застоя и скопления влажного запрещенного воздуха («мертвых зон»).

Режимы работы вентиляционно-отопительного оборудования на протяжении всего года принято условно делить на три периода.

Холодный период охватывает сезон, когда вследствие низкой температуры наружного воздуха, тепла, вырабатываемого животными и птицей, не хватает для поддержания в помещениях необходимой температуры воздуха. С целью экономии тепла воздухообмен должен быть минимальным. Вследствие низкого влагосодержания холодного наружного воздуха в помещении наблюдается малая относительная, влажность. Воздухообмен определяется по условию удаления углекислоты, и лишь при небольших холодах - избытков влаги.

Переходный период охватывает весенний и осенний сезоны, в течение которых относительная влажность воздуха увеличивается по сравнению с холодным периодом. Температура принимает значение в промежутках от 0 до плюс 10°С. В этот период в зависимости от вида и возраста животных и птицы может наблюдаться как дефицит, так и избыток тепла, следовательно, действие дополнительного обогрева может иметь как регулярный, так и непостоянный характер, или отопительная система может не использоваться вовсе. Вследствие увеличенного влагосодержания наружного воздуха воздухообмен в переходный период определяется из условий удаления избыточной влаги или излишков тепла.

Теплый период соответствует летнему сезону, когда помещение не требует дополнительного обогрева, а, наоборот, в таких помещениях образуются излишки тепла, которые необходимо удалять при помощи резкого увеличения воздухообмена.

В дополнение к сказанному в таблице 11 приведены данные по воздухообмену в птичнике на 12 тысяч кур несушек.

Из чего следует, что при температуре наружного воздуха ниже 0 °С воздухообмен в животноводческих помещениях и птичниках минимальный, постоянный и определяется из условий удаления углекислоты. В переходный период воздухообмен плавно увеличивается и в начале периода определяется из условий удаления влаги, а в конце - из условий удаления тепла. В теплый период года воздухообмен резко увеличивается и определяется по температурному режиму внутри помещений. Так, увеличение воздухообмена для птичников по сравнению с зимним периодом 6-8. кратное, для свинарников 2,5-3 кратное.

Исходя из вышесказанного, оптимальная по технологическим и экономическим критериям будет являться САУ, представленная на рисунке 22, где воздухообмен в помещениях обеспечивается: в зимний период посредством датчика QE и регулирующего прибораQ C концентрации СО 2 в помещениях; в переходный период посредством датчикаME и регулирующим приборомMC влажности воздуха и в летний период посредством датчикаТЕ и регулирующего прибора температурыТС .

Рисунок 22 – САУ микроклимата

Способ регулирования (позиционное или непрерывное) определяется:

– технологическими требованиями к качеству регулирования;

– динамическими характеристиками ОУ;

– типом управляющего; устройства, допускающим позиционное или плавное управление регулирующим органом (РО).

Позиционные регуляторы являются наиболее простыми и удобными, поэтому им отдается предпочтение в случаях, если они удовлетворяют качеству регулирования.

Комплекты вентиляционного оборудования «Климат-2» и «Климат-З»

предназначены для систем воздушного обогрева и вентиляции жи­вотноводческих и птицеводческих помещений.

В состав комплекта оборудования входят две приточные отопительные вентиляционно-увлажнительные установки ПОВУ А 76-8 (ПОВУ А 76-1 О) или две приточные отопительно-вентиляционных установки ПОВА76-8 (по­ВА76-10) регулирующие клапаны (только для «Климат») 25ч931нж с приво­дом от электрического исполнительного механизма ПР-IМ для автоматиза­ции регулирования подачи воды в водяные калориферы.

Водяные калориферы подбирают по пpoeкту системы регулирования мик­роклимата конкретного помещения.

Калорифер от замерзания защищают входящим в комплект датчиком ТУ-Э-2 с пределами регулирования от О до 100 ос. Датчик монтируют на трубопроводе обратной воды. Наружный воздух проходит последователь­но секцию нагрева, жалюзийный клапан и увлажнитель. На нагнетании вентилятора установлен каплеуловитель.

Увлажнение воздуха осуществляется путем распыления воды, подавае­мой из напорного бака самотёком через электромагнитный клапан СВМ-25 на диск, приводимый во вращение с частотой 3000 мин -1.

Вентиляционные установки оснащены трёхскоростными электродвигате­лями обеспечивающими изменение воздухопроизводительности.

Частота вращения вентиляторов автоматически устанавливается про­порционально температуре в венmлируемом помещении, причем устрой­ство ТСУ-2-КЛ-УЗ

«Климатика-l» обеспечивает плавное регулирование вы­ходного напряжения в диапазоне

Комбинированные приmочно-вытяжные, установки ПВУ-М объеди­няют в одной конструкции систему удаления загрязненного и систему подог­рева и подачи в помещение чистого воздуха.

Основой конструкции ПВУ -М (рис. 4.77) является вентилятор с рабочим колесом 2, имеющим два ряда лопаток. Внутренние" лопатки обеспечивают удаление загрязненного воздуха по внутреннему воздуховоду 3 (вытяжной ка­нал), а наружные-подачу в помещение наружного воздуха по кольцевому ка­налу между корпусом 5 и внутренним воздуховодом 3 (приточный канал).

Требуемая температура приточного воздуха обеспечивается теплообме­ном между удаляемым и приточным воздухом через гофрированную стенку внутpeннeгo воздуховода и за счет включения электродвигателей 4. Если этого оказывается недостаточно - включается рециркуляция, т.е. подмешивание удаляемого воздуха к нагнетательному в помещение. Рециркуляция осуществ­ляется через клапаны в теле вытяжного воздуховода, причем количество ре­циркуляционного воздуха может устанавливаться в диапазоне - 0-50% с по­мощью специального механизма.

Приточно-вытяжная установка состоит из секций: воздухораспределения, электронагревателей, промежуточных и оголовка.

Секция воздухораспределения (для обслуживания может откидываться на специальных шарнирах) имеет в нижней части 8 каналов распределения при­точного воздуха в радиальном направлении, причем сечение этих каналов мо­жет изменяться с помощью поворотных заслонок.

В корпусе секции электронагревателей, кроме смесительных клапанов и шести электронагревателей, находится флажковый выключатель, отключаю­щий питание нагревателей при выходе из строя вентилятора.

Выращивание в промышленных масштабах тепличной сельхозпродукции в условиях искусственного климата представляет собой непростую технологическую задачу. На урожайность и качество продукции влияет множество факторов. Это температурный режим, освещение, полив, распыление химических реагентов, проветривание. Предлагаемая статья знакомит читателей с работой системы автоматики на базе приборов ОВЕН в тепличном хозяйстве «Нефтекамский».

Отопление теплиц в условиях российского климата - дело не дешевое - энергозатраты на содержание в зимний период значительно превышают затраты на отопление жилых зданий. Поэтому при постройке теплиц весьма актуальны проектировочные решения, позволяющие снизить энергопотребление. В этом вопросе основное место отводится современному автоматическому оборудованию. Для создания оптимальных условий выращивания овощей круглый год в тепличном комбинате «Нефтекамский» была разработана и внедрена в эксплуатацию система автоматизированного регулирования микроклимата теплицы (САР МТ).

Тепло, как летом

Оборудование для отопления теплицы включает в себя систему подогрева воздуха и грунта. Прогрев почвы сельскохозяйственных культур уменьшает срок вегетации растений за счет равномерного развития корневой системы (в среднем на две-три недели) и повышает урожайность (на 35-45 %). Сейчас самыми распространенными являются водяные системы, которые обеспечивают равномерное распределение тепла, что положительно сказывается на росте растений. Схема проста - теплоноситель (вода) нагревается в отопительном котле и с помощью циркуляционного насоса прокачивается по системе трубопроводов через трубные радиаторы, отдавая тепло воздуху и почве. Для наиболее эффективного обогрева всего объема теплицы стальные трубы могут быть размещены в нескольких ярусах. В нефтекамских теплицах - два яруса. Нижний - для прогрева грунта - расположен на уровне почвы между рядами растений (шаг укладки труб определяется теплотехническим расчетом и составляет 20-30 см). Верхний - под покрытием. Важно, чтобы была возможность раздельной регуляции отопительных приборов в разных ярусах. Температура теплоносителя в системе подогрева грунта составляет около 40 °С (чтобы не пересушить корневую систему).

Возможности регулировки

Обеспечить теплицу теплом - это полдела, его еще нужно точно дозировать. Температура внутреннего воздуха в теплице должна изменяться в зависимости от культурооборота и вида овощей, а для одних и тех же овощей - в процессе роста и созревания в зависимости от времени суток. Для огурцов, например, температура воздуха в ночное время (около 18 °С) должна быть ниже, чем в дневное время (около 22 °С). Температура корнеобитаемого слоя почвы должна равняться температуре воздуха (или быть несколько выше).

Контролирование микроклимата наиболее эффективно с использованием электронных устройств, обеспечивающих управление температурой. Регуляция осуществляется несколькими способами - например, автоматическим открытием фрамуг, закрытием термостатов, снижением скорости работы циркуляционных насосов. С внедрением автоматизированной системы на комбинате «Нефтекамский» была проведена работа по разделению контуров обогрева на нижний и верхний. В качестве регулирующих органов были использованы имеющиеся трехходовые регулирующие клапаны. Для создания однородного температурного поля в каждом контуре обогрева установлены циркуляционные насосы TP100 фирмы GRUNDFOS.

Распределенная система управления

Распределенная система управления представляет собой двухуровневую сетевую структуру. Структурная схема САР МТ представлена на рис. 1.

Первый уровень объединяет программируемые контроллеры ОВЕН ПЛК100 (по одному на каждую теплицу) с контроллером верхнего уровня (ПЛК100), операторской станцией и модулями дискретного ввода/вывода ОВЕН МДВВ по сети Ethernet. К процессорным модулям можно подключать различные внешние периферийные устройства по последовательному интерфейсу RS-485/RS-232.

Подобная структура обеспечивает большие коммуникационные возможности, позволяющие с помощью стандартных интерфейсов и протоколов подключиться к управляющему устройству верхнего уровня. Второй уровень АСУ реализован на основе модулей ввода/вывода ОВЕН МВА8, операторской панели ОВЕН ИП320, датчиков температуры, других устройств и интерфейса RS-485/RS-232. Полевая сеть построена с несколькими линиями передачи данных.

Операторская станция получает данные с контроллеров по сети Ethernet для ведения журнала событий с регистрацией реального времени, сбоях и нештатных ситуациях. На компьютере отображаются все контролируемые параметры теплицы, задаются новые уставки для регуляторов и фрамуг. В качестве OPC-клиента используется SCADA-система. В рамках системы выполнены все задачи по архивации, сигнализации, протоколированию и организации человеко-машинного интерфейса.

Для обмена данными между контроллерами удобным оказался механизм сетевых переменных, благодаря которым оператор, находясь в удаленной теплице, может видеть на панели оператора ИП320 температуру и влажность наружного воздуха, направление и скорость ветра. Датчики, измеряющие эти физические величины, подключены к ПЛК верхнего уровня и доступны всем контроллерам первого уровня посредством простого и быстрого доступа к сетевым переменным.

Контроллер верхнего уровня обеспечивает работу всего тепличного комбината (без учета особенностей каждой теплицы): регулирует температуру и влажность с учетом состояния наружного воздуха, скорости и направления ветра, а также контролирует температуру и давление теплоносителя на входе и выходе.

В контроллерах теплицы решаются задачи автоматического регулирования температуры по двум контурам обогрева, управления циркуляционными насосами и приводами фрамуг, включением/выключением освещения. В теплице применяется двойная регулировка: один термостат установлен на поверхности пола, второй - в верхней точке, под коньком крыши. Щит управления со встроенными ПЛК100 и панелью оператора ИП320 находится в непосредственной близости от входа в теплицу.

Ввод аналоговых сигналов температуры, влажности, указателей положения регулирующих клапанов и фрамуг осуществлялся с помощью модулей МВА8. Для ввода сигналов состояния оборудования и вывода управляющих сигналов используются каналы контроллера ПЛК100, а также каналы модуля МДВВ. Удобной оказалась и панель оператора ИП320. В результате приобретенного опыта ее эксплуатации пришло решение продублировать на ней все функции местного управления, реализованные с помощью традиционных кнопочных постов.

Развитие проекта носит эволюционный характер

В настоящее время отработаны базовые схемы, обеспечивающие хорошее качество, быстродействие и надежность автоматизированной системы. В дальнейшем алгоритмы и решения будут усложняться для повышения качественных показателей САР МТ. Эта задача решаема - потенциал, заложенный в оборудовании ОВЕН, позволяет на это рассчитывать. Сейчас, например, решается проблема тепловой инерционности теплицы, создаваемой из-за неравномерности температурного поля, зависящего от направления и скорости ветра. Для этого к существующей системе двухконтурного обогрева необходимо будет добавить регулируемые тепловые контуры боковины и торца теплицы.

Отдельная задача - это контроль работы привода фрамуг, которые являются важной и ответственной частью тепличного хозяйства. Механизм привода представляет собой распределенную кинематическую схему, состоящую из электроприводов, валов, редукторов, реечных механизмов. При наличии множества механических сочленений, рассредоточенных под поверхностью прозрачного шатра теплицы, в них нередко появляются повреждения. Из-за этого возникают проблемы автоматического управления. А иметь достоверную информацию работы всех элементов привода фрамуг очень важно.

Заключение

На комбинате «Нефтекамский» с минимальными затратами была создана простая в эксплуатации, надежная, с хорошими рабочими характеристиками система. Анализируя данные, автоматика устанавливает такой климат в теплицах, что смена погоды не оказывает негативного воздействия на растения. Система позволяет снизить издержки при выращивании овощей, экономить энергоресурсы, минимизировать влияние человеческого фактора.

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.

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.

Smart house – одна из наиболее популярных на сегодняшний день тенденций. И одна из наиболее важных ее частей – управление микроклиматом дома. Кажется, что это громоздкая и сложная система, однако благодаря современным гаджетам стремительно умнеет даже обычная квартира.

Более 50 лет назад в сознании фантастов сформировалась идея дома, который сам заботится о своем хозяине и управляется автоматически. Сейчас умные дома – это реальность. И, пожалуй, первое, что человек настраивает в своем доме под себя – это атмосферу. В общем систему управления климатом в умном доме можно разделить на три блока: , кондиционирование и отопление. Существуют два подхода к «апдейту» микроклимата: рассмотрим оба.

Такой способ «интеллектуализации» предполагает отдельную модернизацию каждого направления с созданием индивидуальных алгоритмов работы для тепла, холода и подачи воздуха. От частей – к целому.

Прежде чем учить вентиляцию новым трюкам, стоит озадачиться ее качеством в общем. Стандартная вытяжка, расположенная в большей части городских квартир, к обучению, к сожалению, не пригодна, так как работает только на вывод отработанного воздуха.Tion работает над решением этой задачи, мы разрабатываем простое и эффективное решение по автоматизации вытяжки. Однако сейчас система умного дома может интегрироваться в существующую вентиляцию, если она установлена. Существующие на рынке решения выглядят следующим образом: Вы можете внедрить «умный» шлюз для соединения с интерфейсом (средняя цена шлюза – несколько сотен евро) или заменить управляющий контроллер на датчик умного дома. Первое решение предполагает капитальные изменения, второе обойдется мелким ремонтом. В дальнейшем предполагается занесение пользователем в интерфейс желаемых параметров воздуха и автоматическое их поддержание, либо возможность дистанционного включения и отключения устройств.

Система охлаждения стандартно внедряется в вентиляцию, присоединяя к воздушному каналу охлаждающее оборудование. Для ее внедрения необходима и сама качественная вентиляция, и дополнительное место в стенах или над потолком – для установки охлаждающих автоматов.

В принципе, схема интеграции в систему отопления сходна с вентиляцией. На стадии ремонта либо постройки дома возможно заложить общий «интеллект» для всей отопительной системы либо оснастить датчиками уже существующую. В большинстве случаев, система управляется с настенной панели-термостата (цифровой или механической) и позволяет выставлять желаемую температуру. Наиболее прогрессивные решения перенесли интерфейс управления в смартфон.

Дедуктивный подход

Система управления климатом в умном доме может быть и совершенно иной – простой и понятной, а ее установка не потребует снесения стен и выселения соседей. Дедуктивный принцип позволяет посмотреть на ситуацию с другой стороны и управлять климатом исходя из состояния помещения, а не настроек работы конкретного оборудования

Система управления климатом в доме основана на одной станции, которая с помощью встроенных датчиков собирает данные о состоянии базовых параметров атмосферы в доме – уровне углекислого газа, температуры и влажности. Все данные передаются на облачный сервер, и посмотреть их можно как на планшете или компьютере в веб-интерфейсе, так и в приложении на смартфоне. Таким образом, станет понятно, жарко или душно в помещении, и какую технику лучше включить – вентиляцию или кондиционер.

Управление климатом осуществляют в данном случае исполнительные приборы: бризеры, кондиционеры, увлажнители и обогреватели – все то, что уже стоит в доме человека, заинтересованного в комфорте личной атмосферы.

Сама система управления климатом интегрируется в эти устройства и автоматически управляет ими. Все просто – в одном интерфейсе задаются нужные параметры для здоровой атмосферы, рекомендации по уровню углекислого газа и влажности Вы найдете в приложении, уровень температуры настраивается под личные предпочтения. В дальнейшем следит за поддержанием этих параметров и при отклонении от Ваших предпочтений сама запускает исполнительные приборы.

Система управления климатом, выстроенная таким образом, имеет, пожалуй, одно основное возражение: базовая станция собирает данные только в одной комнате, для больших квартир и многокомнатных домов такое решение теряет свою привлекательность. Однако эта проблема уже решена – сбор данных в помещении могут проводить специальные , а затем передавать эти данные на базовую станцию для анализа и управления климатом.

Система управления климатом в умном доме действительно должна быть умной. Комплекс устройств Tion легко интегрируется в любую квартиру, позволяет настраивать и поддерживать климат-контроль парой кликов в приложении и стоит меньше, чем крыло от самолета.