Аппаратные средства автоматизации гелиоводоподогрева сельскохозяйственных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аппаратные средства автоматизации гелиоводоподогрева сельскохозяйственных объектов

Введение

гелиоводоподогрев автоматизация микроконтроллер

Эффективность и экономическая целесообразность применения гелиосистем [1-6] для покрытия нужд сельского хозяйственных объектов, как удалённых, так и имеющих постоянную связь с энергосетями, обуславливается наличием постоянного контроля над качеством их работы. Мониторинг основных показателей эффективности при помощи автоматизированных систем позволяет вести дальнейшую настройку оборудования, подстраивая её под климатическую зону, в которой она расположена с целью максимизации получения солнечной энергии и сокращению тепловых потерь. Накопление информации позволяет составлять отчётность по итогам работы за год и использовать полученную информацию в научных работах.

Значительный прогресс в области микроэлектроники за последние десятилетия способствует росту общей автоматизации современных устройств. В первую очередь следует отметить микроконтроллеры, как наиболее универсальное средство автоматизации, поскольку они способны выполнять программы, что позволяет реализовывать различные по назначению устройства с использованием одной и той же элементной базы.

Прогресс в технологиях производства интегральных схем позволил значительно снизить их стоимость. Тем не менее, в связи с усложнением самих интегральных схем, и переходом на программируемые микросхемы (микроконтроллеры), квалификация персонала, осуществляющего разработку устройств с применением микроконтроллеров, должна быть значительно выше. Кроме знаний и навыков в области электроники им так же необходимы знания в области программирования, поскольку такие устройства без программ бесполезны.

Вместе с указанными издержками у микроконтроллерных систем есть так же неоспоримые преимущества:

· универсальность -- использование одной и той же элементной базы позволяет реализовывать различные устройства автоматизации;

· гибкость -- при проведении разработки устройства в ходе испытаний образцов нередко выясняются дополнительные аспекты функционирования, которые требуют изменения поведения устройства; в случае с микроконтроллером часто это может быть выполнено изменением управляющей программы без изменения схемы;

· дешевизна -- реализация устройства со сложным алгоритмом управления может быть выполнена на небольшом числе элементов, в то время как реализация подобного алгоритма на микросхемах низкой или высокой степени интеграции требует гораздо большего числа элементов и отличается более высоким энергопотреблением;

· энергоэффективность -- сложность устройства микроконтроллера компенсируется возможностью снизить энергопотребление переводом его в «спящий» режим, что снижает энергопотребление на работу компонентов микроконтроллера (в современных микроконтроллерах ток в режиме «сна» может быть менее 80 нА [7]).

· аппаратная совместимость -- широкий список встроенных периферийных модулей позволяет уже внутри устройства реализовывать интерфейсы шин передачи данных, аналого-цифровое преобразование, цифро-аналоговое преобразование и другие операции.

Таким образом, вышеизложенные позиции делают микроконтроллерные устройства крайне полезными не только при проведении автоматизации установок, но и для сбора данных в целях научных исследований.

1. Аппаратные средства

1.1 Общие принципы построения системы

Система автоматики осуществляет управление подачей воды через солнечный коллектор, накопление воды в баке и контроль качества воды, отбираемой из бака, а так же контроль поступающего солнечного излучения. Принципиальная электрическая схема приведена на рисунке (рис.1).

Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема устройства автоматизации гелиоводоподогрева сельскохозяйственных объектов

Вся установка разделена на несколько взаимосвязанных частей:

· блок нагрева воды (солнечный коллектор);

· блок накопления воды (бак с нагревателями);

· блок измерения параметров окружающей среды.

В блок нагрева воды входят:

· датчики температуры холодной и горячей воды (DA2-DA3, R1-R2);

· оптический модуль контроля количества воды (U2, R25-R26);

· блок управления электромагнитным клапаном (R7-R8, TV, KM, VD6).

В блок накопления воды входят:

· датчик уровня воды в баке (DA10);

· датчик температуры воды в баке (DA4, R3);

· блок управления ТЭНом (U1, R9).

· блок подсчёта количества отобранной воды (DA5, R4, U3, R27-R28).

В блок измерения параметров окружающей среды входят:

· датчики температуры воздуха внутри солнечного коллектора и снаружи (DA6-DA7, R5-R6);

· датчик освещённости (R20-R21);

· пиранометр (PR, DA9, R18-R19).

Другие вспомогательные блоки устройства:

· блок питания (FU, TV, VD1-VD5, C1-C2, DA1);

· блок взаимодействия с пользователем и вывода информации (HG1-HG2, R10-R17, R22-R24, SB1-SB3).

1.2 Измерение температуры

Измерение температуры осуществляется с помощью датчиков температуры марки 18B20 фирмы Dallas Semiconductors. Согласно [8] точность измерения температуры с помощью этого датчика составляет , при этом рабочий диапазон температур составляет . Указанный диапазон температур позволяет эксплуатировать установку круглосуточно, и не проводить дополнительные консервационные операции на период холодного времени года.

Максимальная разрешающая способность датчиков составляет 12 бит и разрешающая способность по температуре составляет 0,0625єС. Время измерения температуры при этом составляет не более 0,8 С.

1.3 Измерение расхода воды

Количество воды, прошедшей через коллектор, и отобранной из бака, измеряется с помощью счётчиков воды СГВ-15, предназначенных для учёта количества горячей воды температурой до 90єС с максимальным расходом 1,5 м³/час. Данные счётчики оборудованы оптическим колесом, позволяющим осуществлять измерение количества прошедшей воды с помощью оптической пары с открытым каналом, собранных на элементах U1-U2 и R25-R28. При этом на один импульс приходится объём воды в V_имп=8,14 мл. При максимальном расходе частота следования импульсов составит:

.(1)

Для того, чтобы упростить программный код, можно воспользоваться одним из встроенных в микроконтроллер восьмибитных счётчиков, измерение показаний которых производится каждую секунду. Из предыдущих расчётов ясно, что переполнения счётчика в этом случае не происходит. Разрешающая способность по расходу при измерении количества импульсов за одну секунду составляет:

.(2)

Поскольку порог чувствительности счётчика составляет не более 15 л/ч [7], то следует использовать метод нагрева воды, при котором нагретая в солнечном коллекторе вода заменяется на холодную воду циклически. При этом для обеспечения качества выходящей воды установлен температурный гистерезис, рассмотренный ниже.

1.4 Измерение уровня воды в баке

Уровень воды в баке измеряется с помощью герметичного ультразвукового измерителя расстояния DA10 HC-SR04. Измерение производится путём определения расстояния от места установки датчика до зеркала воды в баке определением времени прохождения ультразвуковых колебаний, при этом в [9] указано, что расстояние до объекта в сантиметрах определяется с помощью уравнения:

,(3)

где Т_изм--интервал времени между восходящим фронтом импульса старта измерений на входе TRIG и восходящим фронтом импульса на выходе ECHO, мкс.

Также в технической документации указано, что погрешность измерений не превышает dL=3мм.

Применение встроенного аппаратного шестнадцатиразрядного таймера так же позволяет упростить процедуру измерений. Таймер запускается одновременно с подачей на вход импульса начала измерений, и останавливается при изменении состояния на измерительном входе микроконтроллера (режим «Gate Control»), то есть при появлении высокого уровня на выходе ECHO измерительного устройства.

Таким образом, в таймере по возвращении сигнала будет присутствовать интервал времени между посылкой сигнала начала измерений и появлением сигнала ECHO, обработка которого согласно формуле (3) позволит получить расстояние до зеркала воды. Далее объём воды в баке определяется следующей формулой:

,(4)

где S_осн--площадь основания бака, м2;

L_бак--высота установки датчика уровня воды относительно дна бака, м.

Предел измерений таймера составляет 65536 мкс, в то время как измерение максимального расстояния в 4,00 м занимает:

,(5)

что меньше предела измерения таймера, поэтому переполнения таймера в нормальном режиме произойти не может. Его переполнение может произойти только в случае отказа датчика, что может быть использовано для диагностирования неполадки в системе.

В инструкции [10] так же отмечено, что плоский угол излучения при измерении составляет не более б=30є, поэтому для устранения ошибки, вызванной отражением излучаемого сигнала от стенок зоны измерения, необходимо, чтобы излучённый сигнал в первую очередь достигал поверхности, до которой производится измерение расстояния, то есть поверхности воды (рис.2).

Рисунок 2 - Распространение ультразвуковой волны

Расчёты показывают, что при измерении максимального расстояния L_max=0,5 м диаметр окружности основания бака (или диаметр вписанной окружности в случае бака с другой формой основания) составляет:

,(6)

площадь основания которого составит:

.(7)

Таким образом для указанного бака объёмом:

,(8)

точность измерения объёма воды составляет:

.(9)

Успешное вычисление объёма воды в баке на основании измерении уровня воды ультразвуковым датчиком возможно при соблюдении условия:

(10)

В качестве бака для проведения исследований используется цилиндрический бак с диаметром основания D=70 см и высотой H=57 см, для которого условие (10)

(11)

выполняется. Допустимый объём воды в баке составляет:

,(12)

L_min--минимальное расстояние от ультразвукового датчика до измеряемого объекта, L_min=0,02м,

а разрешающая способность по объёму составит:

,(13)

что составляет 1,15/211=0,54% объёма бака.

1.5 Измерение уровня солнечного излучения

Уровень солнечного излучения измеряется с помощью двух устройств: пиранометра PR, операционного усилителя DA9 и резисторов обратной связи R18-R19 и фоторезистора R20, включенного в цепи делителя R20-R21. Измерение значений напряжения осуществляется с помощью встроенного в микроконтроллер аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Установлено, что величина выходного напряжения пиранометра не превышает U_пр=200 мВ (что соответствует интенсивности солнечного излучения около 1500 Вт/м²), при этом без учёта температуры пиранометра его разрешающая способность по мощности солнечного излучения составляет:

.(14)

Разрешающая способность аналого-цифрового преобразователя составляет 10 бит. В случае использования в качестве опорного напряжения питания устройства U_оп = U_пит = 5В и отсутствии усиления сигнала пиранометра разрешающая способность АЦП по напряжению составит:

,(15)

а разрешающая способность по интенсивности солнечного излучения в Вт/м² составит:

.(16)

Поскольку величина выходного сигнала пиранометра PR невелика, подключим его к входу операционного усилителя, включенного по схеме не инвертирующего усилителя, выходной сигнал которого поступает на вход микроконтроллера. Тогда допустимый коэффициент усиления операционного усилителя DA9, определяемый резисторами R18-R19, составляет:

.(17)

В качестве опорного напряжения могут быть выбраны [1]:

· питающее напряжение;

· внешнее опорное напряжение, которое должно быть ниже питающего напряжения;

· стабилизированное напряжение от внутреннего стабилизатора: 1,024 В, 2,048 В или 4,096 В.

Используем в качестве опорного напряжения наибольшее напряжение внутреннего стабилизатора, то есть 4,096 В, тогда допустимый коэффициент усиления составит

.(18)

Использование внутреннего источника опорного напряжения приводит к разрешающей способности по напряжению АЦП

,(19)

Поскольку резисторы обладают отклонением параметров в пределах, определяемых допустимыми отклонениями, после сборки печатной платы может быть проведена калибровка цепи измерения путём подключения вместо пиранометра источника образцового напряжения.

После введения операционного усилителя с ограничением коэффициента усиления величиной 20 в цепь измерений разрешающая способность по интенсивности солнечного излучения в Вт/м² составит:

.(20)

1.6 Управление заполнением бака

Управление пропусканием воды через коллектор осуществляется с помощью электромагнитного клапана, катушка KM которого управляется транзистором TV. Диод VD6 служит для защиты транзистора от самоиндукции катушки KM, а резисторы R7-R8 задают рабочий режим транзистора.

Регулирование осуществляется с помощью датчиков температуры воды в солнечном коллекторе DA4-DA5. Для того, чтобы обеспечить надёжность работы системы, введён регулируемый гистерезис по температуре. В качестве опоры нельзя использовать объём солнечного коллектора, поскольку при подаче холодной воды неизбежно произойдёт смешивание её с горячей водой, кроме того, в результате циркуляции воды её температура в верхней части коллектора будет выше, чем в нижней.

Электромагнитный клапан подачи воды открывается, когда температура воды в баке превышает заданный уровень на величину гистерезиса. После того, как температура протекающей воды снижается до величины заданной за вычетом гистерезиса, подача воды прекращается.

1.7 Управление температурой воды в баке

Для обеспечения активной стабилизации температуры воды в баке осуществляется с помощью ТЭНов, включаемых через оптосимистор U1. Для обеспечения стабильности температуры воды в баке осуществляется активное регулирование подаваемой мощности. Это регулирование осуществляется путём фазового управления симистором. Информацию о переходе фазы напряжения через нулевую точку, необходимую для фазового управления, микроконтроллер получает путём сравнения уровня напряжения после трансформатора, поступающего на вход микроконтроллера RB0 с заданным базисом.

Поскольку объект управления является инерционным, применяется ПИД-регулятор, что позволяет поддерживать температуру воды с высокой точностью при возникновении возмущающих воздействий: изменении температуры окружающей среды, поступлении воды из солнечного коллектора, отборе воды из бака и других.

1.8 Взаимодействие с оператором

Взаимодействие с оператором осуществляется посредством кнопок управления SB1-SB3 и семисегментного восьмиразрядного индикатора, собранного из двух идентичных четырёхразрядных модулей HG1-HG2.

Кнопки служат для задания параметров работы установки, желаемой температуры воды и др. Вывод текущих значений параметров, состояний установки и возникающих ошибок осуществляется на индикатор.

В нормальном режиме индикатор отображает:

· текущее количество воды в баке;

· расчётное время, за которое бак при текущем поступлении солнечной энергии будет заполнен;

· расчётное время, за которое бак при текущем расходе будет полностью опустошён;

· текущая мощность устройства активной компенсации потерь в процентах полной мощности;

· текущее состояние клапана (открыт/закрыт);

· код ошибки (в случае её возникновения).

Переключение режима работы и настройка устройства осуществляются с помощью кнопок SB1-SB3.

Выводы

гелиоводоподогрев автоматизация микроконтроллер

Рассмотренная система управления и автоматизации гелиоводоподогрева позволяет полностью автоматизировать процесс нагрева воды с помощью солнечного коллектора с последующим поддержанием температуры воды в баке.

Кроме этого, возможность вывода информации посредством USB позволяет осуществлять журналирование операций. Эта особенность установки позволяет проводить на её основе широкий ряд научных исследований, поскольку одновременно в виде явных или косвенных данных собирается информация:

· о поступлении солнечной энергии;

· о работе солнечного коллектора;

· реальный график расхода воды.

Применение микроконтроллера позволяет не только осуществить автоматизацию гелиоводоподогрева, но так же контролировать параметры режимов работы установки и записывать их в журнал для последующего анализа и проведения дальнейших научных исследований, направленных на дальнейшее совершенствование таких систем.

Литература

1. Патент на полезную модель № 146885 РФ, МПК F24 J2/26. Солнечный коллектор/ В.С. Газалов, А.В. Брагинец (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии). - №2014123052/06, заявл.: 05.06.2014, опубл.: 20.10.2014, Бюл. №29. - 2с.: ил.

2. Патент № 2550289 РФ, МПК F24 J2/26. Солнечный коллектор с концентратором для гелиоводоподогрева/ В.С. Газалов, А.В. Брагинец (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии). - №2013146771/06, заявл.: 18.10.2013, опубл.: 10.05.2015, Бюл. №13. - 4с.: ил.

3. Патент №2471129 RU, МПК F24 J2/34. Всесезонный электрогелиоводонагреватель / В.С. Газалов, Е.Ю. Абеленцев (Северо-кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии). - №2011125361/06, заявл.: 20.06.2011, опубл.: 27.12.2012.

4. Патент № 2540192 РФ, МПК F24 J2/26. Модульный солнечный коллектор/ В.С. Газалов, А.В. Брагинец (ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии). - №2013127491/06, заявл.: 17.06.2013, опубл.: 27.12.2014, Бюл. №36. - 4с.: ил.

5. Газалов, В.С. Повышение эффективности поглощения энергии солнечного излучения развитой поверхностью солнечного коллектора / В.С. Газалов, А.В. Брагинец// Инновации в сельском хозяйстве. - 2014. - № 3 (8). - С. 119-123.

Размещено на Allbest.ru