Разработка автоматизированной системы управления теплицой

 – для 

Рис.7. Характеристики преобразования датчика влажности Honeywell

при различных  температурах

 

Модели HIH-3602-L и HIH-3602-L-CP выполнены  в корпусе TO-39 со щелевым отверстием. Они предлагают оптимальное соотношение  цена/надежность. Эти датчики нашли  широкое применение в метеорологическом  оборудовании и системах климат-контроля.

2.2. Датчик расхода воды на распыление

 

Рис.8. Внешний вид датчика.

Датчик ДРК-4 предназначен для измерения расхода и объема воды в трубопроводах и имеет  следующие технические характеристики:

1) Измеряемая среда – вода с параметрами:

– температура от 1 до 150°С;

– давление до 2,5 МПа;

– вязкость до 2·10⁶ м²/с

2) Диаметр трубопровода  D_у 80...4000 мм

3) Динамический диапазон 1:100

4) Пределы измерений  2,7...452 400 м³/ч

5) Выходные сигналы: токоимпульсный (ТИ); унифицированный токовый 0…5, 4…20 мА ;

6) Предел допускаемой относительной погрешности измерений объема и расхода по импульсному сигналу и индикатору:

±1,5% при скоростях потока 0,5...5 м/с;

±2,0% при скоростях 0,1≤V<0,5; 5<V≤10 м/с.

7) Предел допускаемой  относительной погрешности измерения

времени наработки ±0,1%;

8) 1 или 2 канала измерения расхода;

9) Формирование почасового архива значений объема и расхода;

10) Самодиагностика.

Рис.9. Блок-схема датчика.

 

Принцип действия датчиков ДРК-4 основан на корреляционной дискриминации времени прохождения случайными, например, турбулентными флуктуациями расстояния между двумя парами ультразвуковых акустических

преобразователей АП1-АП4, АП2-АП3. Это время транспортного запаздывания и является мерой расхода контролируемой среды, движущейся по трубопроводу. Во

время работы акустические преобразователи (АП1-АП4), возбуждаемые генераторами ультразвуковой частоты (ГУЧ1 и ГУЧ2), излучают ультразвуковые колебания. Эти колебания, пройдя через поток жидкости, порождают вторичные электрические колебания на АП. Из-за взаимодействия встречных ультразвуковых лучей с неоднородностями потока, обусловленными, например, турбулентностью этого потока, электрические колебания на АП оказываются модулированными. Эти колебания поступают на фазовые детекторы (ФД1 и ФД2) и далее на корреляционный дискриминатор (КД), управляемый микропроцессором.

В результате корреляционной обработки определяется время транспортного запаздывания, по которому микропроцессор производит вычисление периода

выходных импульсов и  их формирование. Далее КД определяет объем нарастающим итогом, мгновенный расход, время наработки и выводит информацию на индикатор. Выходные импульсы преобразователя

ДРК-4ЭП могут передаваться для дополнительной обработки на тепловычислитель, счетчик-интегратор либо оконечный преобразователь ДРК-4ОП, который формирует унифицированный токовый выходной сигнал 0…5, 4…20 мА, пропорциональный мгновенному расходу.

Конструктивно датчик ДРК-4 состоит из комплекта первичных преобразователей ДРК$4ПП, электронного преобразователя ДРК-4ЭПХХ и оконечного преобразователя ДРК-4ОП. Комплект первичных преобразователей состоит из 4-х акустических преобразователей ДРК-4АП с соединительными кабелями длиной 3 м и 4-х штуцеров для монтажа их на трубопроводе.

Контроллер блока индикации  суммирует входные импульсы, вычисляет накопленный объем нарастающим итогом и мгновенный расход, выводит эту информацию на индикатор, формирует двоичный код, характеризующий

мгновенный расход, который  вводится в ЦАП, формирует архив.

Основные преимущества:

• отсутствие сопротивления потоку и потерь давления;
• возможность монтажа первичных преобразователей на трубопроводе при любой ориентации относительно его оси;
• коррекция показаний с учетом неточности монтажа первичных преобразователей;
• сохранение информации при отключении питания в течение 10 лет;
• беспроливной, имитационный метод поверки;
• межповерочный интервал - 4 года.

 

2.3. Исполнительный механизм

 

В качестве исполнительного механизма  синтезируемой системы используется миниспринклер 4191 компании  JHi I.S., который специально разработан для поддержания постоянной влажности, уменьшения высоких температур в жарком климате за счет испарения и для орошения растений в специальных условиях.Миниспринклер обеспечивает туманообразование с очень мелким размером капелек - приблизительно от 50 до 250 микрон при давлении 3.0 Атм. Уникальная конструкция исключает образование крупных капель и капание на растения при размещении спринклеров сверху. Миниспринклер  работает в широком диапазоне давления воды. Поднимая давление и используя спринклеры с меньшим расходом воды, можно получить минимальный размер капель. Минимальное давление, при котором закрывается предохранительный клапан, равно приблизительно 2.5 Атм. Миниспринклеры могут устанавливаться как на стойках, так и подвешиваться в случае верхней разводки воды.

Рис.10. Внешний вид и работа миниспринклера в режиме туманообразования.

Материал	Полиацетат
Расход воды	12,20,35,50,70,90,160,180 литров в час
Рабочее давление	1,0…4,0 атм.
Диаметр орошения	2,0…4,0 м
Угол раскрытия факела воды	Круговой, примерно 310°
Направление распыления	Горизонтальное/вертикальное
Размер капель	крон при давлении 3,0 атм.

3. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ

3.1. Разрядности АЦП и ЦАП

 

 Рассчитываем  допустимое значение погрешности  вычисления управляющего воздействия при значении коэффициента точности управляющего кода :

В

 Рассчитываем  разрядность АЦП:

Таким образом, АЦП должен иметь не менее 8-ми разрядов.

Находим коэффициент  пересчета АЦП:

(1/% RH)

Определяем  величину младшего разряда АЦП:

(% RH)

Вычисляем разрядность  ЦАП:

Получили, что ЦАП должен иметь не менее 8-ми разрядов.

Находим коэффициент  пересчета ЦАП:

(В)

Таким образом, коэффициент  пересчета от входа АЦП до выхода ЦАП:

(В/% RH)

 

3.2. Трансформированная погрешность

Рассчитываем трансформированную погрешность, которая обусловлена  трансформацией погрешностей входных  переменных, по которым определяется управление для ПИ закона. Для этого используем ряд конечных разностей

и расчётную формулу  трансформированной погрешности

Если вычисление интеграла  было выполнено по формуле трапеций, то погрешность определяется как:

Получили величину трансформированной погрешности, которая в два раза превосходит допустимую. Для её уменьшения введём экспоненциальное сглаживание с коэффициентом ослабления , тогда:

В

 

3.3. Инструментальная погрешность

 

Для оценки инструментальной погрешности выбираем разрядность  АЛУ микроконтроллера на 4 разряда  больше, чем в АЦП, и рассчитываем величину младшего разряда.

(В)

Теперь для оценки инструментальной погрешности, которая обусловлена  ограниченной длиной разрядной сетки  вычислителя, необходимо подсчитать количество округлений в алгоритмах проверки на достоверность, сглаживание и ПИ-закона управления:

Полная инструментальная погрешность определяется как

,

где дисперсия единичного округления в АЛУ с учётом равномерного закона распределения определяется в виде:

Итак, имеем:

(В)

Находим методические погрешности  интегрирования и дифференцирования  на интервале  с помощью моделирования в пакете Simulink замкнутой системы:

  В

Среднеквадратическое значение ошибки управляющего воздействия составляет:

(В²)

Из выполненных расчётов видно, что обеспечить заданную допустимую погрешность вычислений В можно, выбрав коэффициент ослабления помех равный , АЦП и ЦАП 8-ми разрядными, а количество разрядов АЛУ не менее 12-ти.

 

 

4. ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА

 

При измерении технологических  параметров информация от датчиков поступает  в аппаратуру ввода/вывода в виде унифицированных сигналов (0-10В или  4-20 мА), т.е. реальной физической величине соответствует напряжение или сила тока. В устройствах связи с объектом эти сигналы преобразуются в двоичные коды длиной от 8 до 16 разрядов. Чтобы провести анализ получаемой информации, необходимо преобразовать коды АЦП в масштаб реальных физических величин: % RH, м³/час. К тому же датчики могут иметь статические ошибки, нелинейные характеристики или зашумленный выходной сигнал. 

Для получения корректных значений результатов мониторинга  из двоичных кодов применяют алгоритмы  первичной обработки такие, как  нормализация, пересчет в технические  единицы, проверка на достоверность, сглаживание, проверка на технологические границы. 

В данной работе исследуются такие алгоритмы первичной обработки, как

- проверка на достоверность,

- сглаживание.

Проверка на достоверность. Благодаря её выполнению, обнаруживаются и устраняются импульсные помехи, выявляется обрыв или короткое замыкание в канале связи и формируется сообщение о нарушениях оператору-технологу.

В данной работе в качестве измерительной погрешности учитывается только погрешность датчика. Если выбран датчик с погрешностью , то максимально допустимое значение погрешности измерения определяется как:

Это выражение следует из нормального закона распределения погрешностей измерения, в соответствии с которым максимальное значение случайного сигнала y_max = 3σ_y (σ_y – среднеквадратическое значение). При этом условие проверки на достоверность имеет вид:

.

Проверка сигналов на достоверность  заключается в следующем: если условие не выполняется, то содержимое счетчика нарушений увеличивается на 1, неверное значение показаний датчика заменяется последним достоверным, и проверяется следующее показание датчика. При этом осуществляется переход к меньшему шагу опроса датчика: ( - новое значение шага опроса датчика после обнаружения первого неправильного отсчета). Процедура проверки повторяется. Если трижды подряд с шагом не выполняется условие проверки на достоверность, то по знаку разности ( ) принимается решение об обрыве или неисправности датчика i-го канала. Фиксируется время нарушения, его причина и включается резервный канал или резервный датчик.

Сглаживание. Обычно по ходу технологических процессов возникают помехи с частотами, близкими или равными частотам полезного сигнала. Примером такой помехи могут быть погрешности измерения. Устранить их аппаратными фильтрами не удается, но можно ослабить, и весьма существенно, программным путем, реализуя алгоритм скользящего или экспоненциального сглаживания.

Алгоритм скользящего среднего или скользящего окна имеет вид:

M_i – параметр сглаживания, величина которого определяет количество отсчетов , взятых для вычисления одного сглаженного значения .

Принцип скользящего: для вычисления очередного сглаженного значения записанная в М_i ячейках памяти информация сдвигается влево, и в освободившуюся ячейку заносится новый отсчет датчика. После чего выполняются процедуры суммирования М_i отсчетов и умножения на коэффициент . Из анализа алгоритма ясно, что для его реализации потребуется M_i+2 ячейки памяти, а время готовности алгоритма выдать с заданной точностью 1-е сглаженное значение  составит

.

Величина параметра сглаживания  вычисляется по заданному значению коэффициента ослабления помех , который, в свою очередь,  представляет собой отношение

,

где - среднеквадратическое значение помех в отсчетах датчиков x_ik;  -  среднеквадратическое значение помех в сглаженных, вычисленных в соответствии по алгоритму значений xc_ik.

Значение параметра сглаживания для i–го датчика:

.

Экспоненциальное сглаживание. Его алгоритм имеет вид:

при начальном значении и диапазоне изменения параметра сглаживания: 0<a_i<1.

Величина параметра a определяет длительность переходных процессов и качество сглаживания. Чем меньше a, тем лучше сглаживание, но тем большее время потребуется для получения сглаженного значения с заданным ослаблением помехи .