Автоматизована термогідромеліоративна система поверхневого обігріву грунту із використанням безпровідних мереж

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизована термогідромеліоративна система поверхневого обігріву грунту із використанням безпровідних мереж

Баховець Б.О.

Пропонується конструкція автоматизованої термогідромеліоративної системи поверхневого обігріву ґрунту із використанням безпровідних каналів зв'язку та мікропроцесорних пристроїв керування.

The construction of soil's surface heating's automatically thermohydromelioration system with using wire-free canals of communication and microprocessor devices of control are introduced.

Виробництво продукції у окремих галузях народного господарства пов'язане з наявністю значної кількості скидного низькопотенціального тепла. За об'ємами забору та використання води одне з перших місць посідають підприємства енергетичної галузі (АЕС, ТЕС, ТЕЦ і ін.). І враховуючи той факт, що на території західних областей України розташовані дві АЕС - Рівненська та Хмельницька, а також ряд великих промислових підприємств, проблема утилізації скидної теплої води для нашого регіону, як одна з низки екологічних проблем, що виникають в процесі функціонування підприємств, є надзвичайно актуальною.

Для вирішення цієї задачі в НУВГП була розроблена технологія використання низькопотенціального тепла промислових підприємств у сільському господарстві. Суть винаходу зводиться до того, що тепла скидна вода, проходячи через рукави-теплообмінники із гнучких полімерних матеріалів, що розташовані на поверхні ґрунту, охолоджується, віддаючи тепло ґрунту і повітрю та створюючи оптимальні умови для вирощування сільськогосподарських рослин [1,2]. В конструктивному плані технологія може бути реалізована, як термогідромеліоративна система (ТГМС) поверхневого обігріву грунту рукавами-теплообмінниками (рис.1).

Проблема утилізації вторинного тепла, і в тому числі, скидних теплих вод промисловості, є актуальною для будь-якої розвиненої країни і набула сьогодні важливого значення. Вирішенням цієї проблеми займаються вчені провідних країн світу: США, Франції, Німеччини, Росії, а також України. Про це свідчить значна кількість наукових досліджень з означеної проблеми [3,4,5,6]. З наукових позицій ця проблема має комплексний міждисциплінарний характер і підлягає всебічному аналізу фахівцями різних галузей. Аналіз проведених у цьому напрямку досліджень свідчить про недостатнє комплексне наукове обґрунтування шляхів вирішення цієї проблеми, зокрема автоматизації процесів водоподачі, водорозподілу і керування. термогідромеліоративний обігрів ґрунт автоматизований

1 - канал теплої води;

2 - насосна станція;

3-магістральний трубопровід;

4 - розподільчий трубопровід;

5 - збірний трубопровід;

6 - регулюючий вузол;

7 - скидний трубопровід;

8 - блок-модулі;

9 - скиди охолодженої води;

10 - теплообмінники-рукави.

Рис. 1. Конструктивна схема ТГМС з поверхневим обігрівом грунту водонаповненими рукавами-теплообмінниками

Термогідромеліоративна система поверхневого обігріву грунту водонаповненими рукавами-теплообмінниками одночасно вирішує проблему утилізації скидної теплої води промислових підприємств і сприяє оптимізації умов вирощування с/г рослин. Та разом з тим невирішеним залишається питання розробки системи керування ТГМС, з метою оперативного управління та внесення корективів в роботу при конкретних ґрунтово-кліматичних умовах.

ТГМС, як об'єкти управління, відзначаються великими постійними часу, наявністю неконтрольованих збурень внаслідок різкої зміни метеорологічних умов, розподіленням регульованих параметрів за просторовими координатами та віддаленістю від пунктів централізованого управління. Моніторинг, дистанційний контроль, диспетчерське і автоматичне керування ТГМС потребує наявності ефективної багаторівневої розподіленої системи керування. Розробка та впровадження сучасних автоматизованих систем управління ТГМС є важливим та актуальним науково-технічним завданням.

Проблемними та найбільш дорогими компонентами розподілених систем керування і збору даних є канали передачі інформації. Через технологічні особливості експлуатації ТГМС прокладати провідні лінії зв'язку недоцільно. Бурхливий розвиток фізики напівпровідників, електроніки та мікросхемотехніки дав поштовх до розробки комунікаційного обладнання для безпровідних мереж, яке зручно використовувати у мікропроцесорних системах.

Широке розгортання GSM-мереж відкриває перспективи їх використання у системах керування [7]. Особливістю використання GSM-мереж, на відміну від УКХ-радіостанцій, є відсутність поняття ”дальності” зв'язку, тут фігурує поняття ”покриття”. Це означає, що доступ до елементів мережі відкривається з будь-якої точки, в якій наявне ”покриття” національних операторів мобільного зв'язку, або будь-якого іншого іноземного оператора при використанні роумінгу. Тобто фактично отримуємо глобальну мережу управління. При цьому використовується існуюча інфраструктура стільникових операторів. Стільникові модеми дозволяють здійснювати обмін даними в різних режимах, внаслідок чого споживач може вибрати оптимальне співвідношення оперативності доставки і вартості експлуатації каналу зв'язку. Особливо перспективним є використання GPRS-технології передачі даних.

Модульна структура ТГМС передбачає контроль та управління великою кількістю параметрів від різних секції ТГМС. Для реалізації локальної системи управління доцільно також використовувати безпровідні канали зв'язку на основі УКХ-модулів. Зручними для використання в мікропроцесорних пристроях є модулі RTFQ4-433.92 та RRFQ2-433.92 фірми Telecontrolli. Це високотехнологічні радіомодулі з використанням частотної модуляції (ЧМ) цифрового радіосигналу, що дозволяють здійснювати передачу інформації на відстань до 300-400 м без використання додаткових підсилювачів, репітерів та напрямлених антен. RRFQ2-433.92 - ЧМ супергетеродинний радіоприймач з попереднім підсилювачем і ПАВ-фільтром, стабілізований кварцевим резонатором. Чутливість -102 дБм, максимальна швидкість прийому даних - 4,8 кбіт/с. RTFQ4-433.92 - ЧМ радіопередавач, стабілізований кварцевим резонатором. Вихідна потужність +7 дБм, максимальна швидкість передачі даних - 9,6 кбіт/с.

На рис. 2 зображена функціональна схема автоматизації (ФСА) ТГМС з використанням безпровідних мереж.

Рис.2. ФСА ТГМС з використанням безпровідних мереж.

ТЕ - давач температури; ME - давач вологості; РЕ - давач тиску; FE - давач витрати; BE - давач наявності опадів; АД - асинхронний двигун приводу насоса подачі теплої скидної води; ПЧ - частотний перетворювач

Структурна схема запропонованої трирівневої автоматизованої системи управління (АСУ) ТГМС та функціональне призначення кожного рівня наведені на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Структурна схема АСУ ТГМС

Локальні керуючі пристрої (ЛКП) здійснюють управління кожною окремою секцією ТГМС. Основою кожного ЛКП є 8-бітний RISC мікроконтролер PIC18F1320. Даний мікроконтролер характеризується оптимальним співвідношенням ціна/функціональні можливості для запропонованих пристроїв. Мікроконтролер випускається в корпусі 18 PDIP, має 16 портів вводу/виводу, в тому числі 7 каналів 10-розрядного АЦП. Максимальна продуктивність МК 10 MIPS, пам'ять програм 4 кбайт, пам'ять даних 256 байт, енергонезалежна пам'ять даних 256 байт, наявний послідовний інтерфейс EUSART, багатофункціональний ШІМ-модуль, 4 таймери, внутрішній RC-генератор, сторожовий таймер, інтерфейс ICSP для внутрішньосхемного програмування. МК здійснює вимірювання та регулювання температури і вологості ґрунту по ПІД-закону. Керуючий вплив може здійснюватись виконавчими механізмами (ВМ) із аналоговим, імпульсним або ШІМ-входами.

Як мережевий інтерфейс, ЛКП використовують дозволену для малопотужних радіопередавачів частоту 433,92 МГц. Кожний ЛКП містить радіопередавач RTFQ4-433.92 та радіоприймач RRFQ2-433.92 фірми Telecontrolli. Для реалізації мережевих функцій пропонується використовувати протокол типу ModBus. Використання 8-бітної адреси дозволить працювати з 256 ЛКП. Завадостійкості та надійності сприятимуть використання частотної модуляції сигналу з манчестерським кодуванням та використання контрольних сум. ЛКП можуть працювати з датчиками з уніфікованими аналоговими сигналами 0-5 В, 0-10 В, 0-20 мА, 4-20 мА. Оскільки МК, що виконаний за технологією NanoWatt, та радіомодулі мають мале енергоспоживання, ЛКП живляться від малогабаритних високоємнісних АКБ, що забезпечує функціонування ЛКП протягом довгого періоду. При розряді батареї до певного значення, ЛКП сигналізує про це на ЦПУ. Всі настроювання регуляторів, калібровочні константи, мережева адреса пристрою зберігаються в енергонезалежній пам'яті.

Для забезпечення повної автономності щодо живлення, пропонується також використовувати сучасні виконавчі механізми для запірних та регулюючих клапанів на секціях ТГМС з напругою живлення 12-24В. ЛКП в герметичних корпусах розміщуються по секціях ТГМС і здійснюють локальне управління. Одночасно всі ЛКП, що працюють як Slave-пристрої мережі, ”прослуховують” радіоефір. При детектуванні своєї адреси, ЛКП здійснює команди, що надійшли з МПУ (передача даних, корекція завдань та настроювань регуляторів, керування ВМ та ін.). Всім іншим ЛКП в цей час передача інформації заборонена.

Місцевий пункт управління (МПУ) є головним Master-пристроєм ТГМС. Він здійснює керування мережею ЛКП, є ”містком” між ЛКП та ЦПУ. МПУ здійснює регулювання тиску в магістральному трубопроводі подачі скидної теплої води на ТГМС. Регулювання тиску здійснюється шляхом зміни обертів асинхронного дивигуна приводу насоса. Для цього використовується частотний перетворювач.

Регулювання тиску необхідне для забезпечення безаварійної роботи рукавів-теплообмінників та стабільної роботи системи зрошення. МПУ також здійснює корекцію завдань для регуляторів температури та вологості ЛКП по значеннях температури навколишнього повітря на ТГМС, температури скидної теплої води, наявності опадів. Ведеться облік витрат на магістральному та скидному трубопроводах. При різкому падінні тиску, зростанні вологості та значній невідповідності витрат на вході і виході системи з врахуванням зрошення, робиться висновок про пошкодження рукавів-теплообмінників, здійснюється сигналізація на ЦПУ та аварійне блокування подачі скидної теплої води на відповідні секції, або всю ТГМС.

Керуючою ЕОМ на МПУ є сучасний високопродуктивний 32-розрядний МК фірми MicroChip PIC32MX340F256H. Даний МК має ядро MIPS32 M4K, максимальну частоту тактування 72 МГц, продуктивність 1.5 Dhrystone MIPS/МГц, 56 портів вводу/виводу, в тому числі 16 каналів 10-розрядного АЦП, пам'ять програм 256 кбайт, пам'ять даних 32 кбайт, наявні два послідовні інтерфейси EUSART, SPI, I²C, IrDA, 5 ШІМ-виходів, 5 таймерів, годинник реального часу, внутрішній RC-генератор, сторожовий таймер. МК здійснює резервне архівування даних на MMC/SD карту пам'яті. Для настроювання МПУ та мережі ЛКП використовується LCD-індикатор та клавіатура. Для повного використання обчислювальних можливостей МК МПУ та забезпечення багатозадачності доцільно використати операційну систему реального часу. МПУ містить радіопередавач RTFQ4-433.92 та радіоприймач RRFQ2-433.92 для зв'язку з мережею ЛКП. Зв'язок із ЦПУ та МТК здійснюється через GSM-модем на основі GSM/GPRS-модулів SIM300 фірми Simcom.

У програмному забезпеченні МК МПУ реалізовано послідовні періодичні опитування ЛКП, обробка та передача інформації в пакетному режимі на ЦПУ, а також у вигляді коротких текстових повідомлень до МТК. Телефонні номери записуються у пам'ять SIM-картки на платі GSM-модема. Зчитування номерів із телефонної книги SIM-картки дозволяє змінювати телефонні номера споживачів інформації без зміни програмного забезпечення мікроконтролера і може бути здійснене, наприклад, із мобільного телефона. При виникненні аварійних або інших нештатних ситуацій, МПУ сигналізує про це на ЦПУ і здійснює терміновий дозвін за вказаними номерами МТК. Зворотній дзвінок із МТК на модем може використовуватися для аварійного вмикання чи блокування дії виконавчих механізмів. Оскільки предача інформації здійснюється періодично, то в програмному забезпеченні передбачена опція, що реалізує передачу інформації за запитом із МТК.

Користувач МТК має змогу надсилати коди команд у вигляді SMS, за котрими мікроконтролер виконує певну послідовність операцій із занесеної в пам'ять бази даних мікроконтролера. Це може бути звернення до будь-якого із програмно доступних регістрів мікроконтролера, що дає повний контроль над всіма його ресурсами - від елементарних операцій вводу/виводу до складних математичних обрахунків. Для заборони несанкціонованого доступу команди виконуються тільки від тих користувачів, що занесені у телефонну книгу SIM-картки в модемі МПУ. Можливе також використання паролів для доступу користувачів із різними рівнями пріоритетів.

Запропонована трирівнева автоматизована система управління термогідромеліоративними системами з використанням безпровідних мереж має наступні властивості:

- мобільність, гнучкість, легкість монтажу;

- висока надійність завдяки модульній структурі;

- зручність експлуатації через відсутність провідних мереж;

- трирівнева система управління, кожен з рівнів якої може працювати автономно від вищого рівня;

- можливість централізованого управління;

- вибрані безпровідні засоби комунікацій не потребують дозволу на використання відповідних частот;

- не потрібна постійна наявність обслуговуючого персоналу на ТГМС;

- невисока вартість реалізації та експлуатації;

- використання інфраструктури стільникових операторів GSM-мереж;

- висока якість регулювання технологічних параметрів ТГМС;

- автоматична корекція параметрів регуляторів за метеорологічними умовами на ТГМС та за короткотерміновими прогнозами із ЦПУ.

Застосування сучасних мікропроцесорних та комунікаційних засобів у системах автоматизації дозволяє підвищити функціональність систем управління, надійність, експлуатаційні та якісні показники технологічних процесів, вирішувати задачі які раніше взагалі не вирішувалися [8].

Таким чином, запропонована термогідромеліоративна система поверхневого обігріву ґрунту водонаповненими рукавами-теплообмінниками з використанням автоматизованої системи управління дозволяє перейти на якісно новий рівень регулювання параметрів та режимів роботи технологічного об'єкту, що в свою чергу позитивно вплине на умови вирощування сільськогосподарських культур та сприятиме отриманню максимально високих ранніх врожаїв при мінімальних витратах на проектування, будівництво та експлуатацію системи.

Література

1. Пристрій для обігріву захищеного ґрунту низькопотенційним теплом. Декл. пат. на корисну модель № 4149, Україна, А 01 G 9/24/ В.П. Востріков, І.В. Романюк. - № 2004021016; Заявлено 12.02.2004; Опубл. 17.01.2005. Бюл. - № 1. - 3 с.

2. Спосіб улаштування утепленого грунту. Патент на корисну модель № 26715, Україна, А 01 G 9/24/ Востріков В.П., Романюк І.В., Пінчук О.Л. - № заявки u 2007 02839; Заявлено 19.03.2007; Опубл. 10.10.2007. Бюл. - № 16. - 4 с.

3. Солдатов А.И., Скотникова О.Г. Утилизация выбросов АЭС - создание энергобиологического коплекса. - Москва. 1999 г. www. polar. merhi. ru/ru/ conf/1999/ Soldatov-2. Html.

4. Усков А.И. Тепловые мелиорации. - В сб.: Использование сбросных теплых вод атомных и тепловых электростанций для орошения и других сельскохозяйственных нужд. - М.: Изд-во ВНИИГиМ, 1982, - с. 7-12.

5. De Walle D.R. An agro-power-waste water complex for land disposal of waste heat and waste // State univ. instit. For res.on Land and Waster Resources. Rubl. 86, - 1974, - 195 as.

6. Mann E. Nutsung der Kifhlwasserwarme Thermischer Kraftwerke // Energiewirtschaftliche Fagesfragen. - 1983, V. 32. - P. 697-702.

7. Баховець Б.О., Клепач М.І., Мельник В.C. Дистанційний контроль гідромеліоративних об'єктів із використанням GSM-мереж. - Зб.наук.пр. Вісник НУВГП. - Рівне: НУВГП. - 2006. - Вип. № 3(35). с. 254-259.

8. Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бишоп; Пер. с англ. Б.И. Копылова. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2004. - 832 с.

Размещено на Allbest.ru