Модель системы управления комбинированным отоплением

ISSN 2072-9502. Âåñòíèê ÀÃÒÓ. Ñåð.: Óïðàâëåíèå, âû÷èñëèòåëüíàÿ òåõíèêà è èíôîðìàòèêà. 2015. ¹ 2
УДК [631.171:004.946]:[631.544.41/.42:631.344.8]
С. А. Иванов, И. Ю. Квятковская, А. Ф. Дорохов, Н. Д. Шишкин
ÌÎÄÅËÜ ÑÈÑÒÅÌÛ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß
ÊÎÌÁÈÍÈÐÎÂÀÍÍÛÌ ÎÒÎÏËÅÍÈÅÌ ÒÅÏËÈÖÛ
 ÓÑËÎÂÈßÕ ÇÀÊÐÛÒÎÃÎ ÃÐÓÍÒÀ
ÍÀ ÁÀÇÅ ÌÈÊÐÎÊÎÍÒÐÎËËÅÐÀ RASPBERRY PI
В основу работы современных систем управления микроклиматом положен принцип
PI-контроля, при котором система управления стремится достичь стационарного состояния
при помощи воздействия на управляющие элементы и измерения нестабильных величин (температура воздуха и почвы, относительная влажность, концентрация углекислого газа, интенсивность освещения), но с учётом компенсации накопленных интегральных погрешностей.
При поддержании оптимального микроклимата в теплице для успешного генеративного развития растений важным параметром является температура воздуха и почвы. Цель исследования –
обоснование выбора параметров работы оборудования для создания модели управления комбинированным отоплением теплицы при выращивании растений в закрытом грунте. Были выполнены расчёты потребления тепла системами закрытого грунта, рассчитаны варианты использования разных видов отопления теплицы. Согласно результатам расчётов, для малых
и средних систем выращивания овощей в закрытом грунте оптимальным вариантом отопления
является комбинированное. Для управления системой выбран одноплатный компьютер, построена структурная схема управления. Компьютер поддерживает среду разработки на базе
языка Python, работает с протоколами Ethernet и может управляться дистанционно. Построена
математическая модель системы управления комбинированным отоплением, которая включает
в себя большое количество параметров. Для комплекса автоматизированной системы необходимо учитывать также влажность и искусственное освещение в теплице.
Ключевые слова: микроклимат теплицы, комбинированное отопление, автоматизация,
закрытый грунт.
Введение
«Если ты хочешь узнать, какой из двух городов богаче, определи, каким количеством
профессий владеют его жители. Чем больше профессий, тем богаче город» – так была описана
новая экономическая модель в XVI в. мыслителем и экономистом Антонио Серра, которая положила начало развитию идей капитализма. Основной отличительной чертой современного разделения труда на международной арене является модернизация и совершенствование мировой
системы товарных отношений. Развитие производственных мощностей государства – приоритет
в стратегии развития каждой страны [1].
Учитывая текущую ситуацию в международных отношениях, Россия в последние годы
делает ставку на импортозамещение – внедрение собственных технологий вместо зарубежных.
Сама по себе стратегия импортозамещения опирается на развитие всего производства, повышение качества производимого товара, внедрение передовых наукоёмких технологий. И это особенно актуально для страны, уровень производственных отраслей которой отстает от уровня
государств, с которыми она экономически взаимодействует.
В суровой климатической зоне России тепличное производство сельскохозяйственной
продукции играет стратегически важную роль. Несмотря на серьёзный кризис 1990-х гг., когда
сельское хозяйство в России пребывало в стагнации, с 2000-х гг. рынок технологий для выращивания овощей в закрытом грунте стал быстро развиваться.
Цель исследования – обоснование выбора параметров работы оборудования для создания
модели управления комбинированным отоплением теплицы при выращивании растений в закрытом грунте.
Обзор экономической и технической составляющих исследуемой области
Качество продукции, производимой в России, достаточно высоко, при этом её стоимость
значительно ниже зарубежной. Объём площадей закрытого грунта на сегодняшний день по федеральным округам (ФО) распределяется следующим образом:
− Приволжский ФО – 25,4 %;
32
Óïðàâëåíèå, ìîäåëèðîâàíèå, àâòîìàòèçàöèÿ
− Сибирский ФО – 24,8 %;
− Центральный ФО – 17,5 %;
− Уральский ФО – 8,6 %;
− Северо-Кавказский и Южный ФО в сумме – 11,5 %.
Самыми инвестиционно привлекательными округами для строительства крупных промышленных теплиц по-прежнему остаются Северо-Кавказский и Южный ФО. Юг России относится к территориям, где строительство промышленных теплиц ведется наиболее интенсивно.
Следует принять во внимание и поддержку малых теплиц в крестьянско-фермерских хозяйствах, которые оказывают местные органы власти. Уральский, Сибирский, Дальневосточный
и Северо-Западный ФО еще не настолько привлекательны для потенциальных инвесторов, чтобы вкладывать значительные средства в развитие тепличного овощеводства или цветоводства.
Их совокупная доля в общем количестве тепличных проектов – 23,5 %.
Государство выделяет выращивание овощей в закрытом грунте как стратегически важную
задачу развития экономики России. Так, согласно Государственной программе развития сельского хозяйства от 19 декабря 2014 г., предусмотрено возмещение до 20 % затрат при строительстве и модернизации тепличных комплексов [2].
Несмотря на выделяемое финансирование, по данным аналитической компании «Global
Reach Consulting», потенциальный объём рынка тепличных овощей в России составляет примерно
150 млрд руб., в то время как фактическое насыщение этого рынка не превышает 40 %. Значительно затрудняет работу аграриев использование зарубежных разработок в отсутствии конкурентоспособных российских аналогов. Таким образом, по ряду инвестиционных проектов доля импортных комплектующих достигает 60–90 %, в частности при строительстве теплиц – 80 % [3].
В то же время потребительский рынок тепличных овощей непрестанно растёт. По данным
портала профессионалов фруктово-овощного рынка к 2020 г. Россия планирует увеличить производство овощей, выращенных в закрытом грунте, в 3,5 раза. Среди регионов, которые благодаря своему мягкому климату идеально подходят для этого вида сельскохозяйственной деятельности, выделяют Астраханскую, Волгоградскую области, а также Ставропольский край.
Современные технологии выращивания овощей, рассады, цветов требуют постоянного поддержания определённого микроклимата в системах закрытого грунта – автоматизированных теплицах.
В основу работы современных систем управления микроклиматом положен принцип
PI-контроля, при котором система управления стремится достичь стационарного состояния при
помощи воздействия на управляющие элементы и измерения нестабильных величин (температура воздуха и почвы, относительная влажность, концентрация углекислого газа (CO2), интенсивность освещения), но с учётом компенсации накопленных интегральных погрешностей.
При поддержании оптимального микроклимата в теплице для успешного генеративного
развития растений важным параметром является температура воздуха и почвы.
Расчёт потребления тепла для поддержания микроклимата
При большом многообразии конструкций теплиц и отопительного оборудования, не всегда удаётся подобрать оптимальный вариант, который одновременно будет и энергоэффективным (экономически выгодным), и сможет обеспечивать необходимые условия выращивания
растений в закрытом грунте.
Поддержание определённой температуры в закрытом грунте складывается из параметров
конструкции теплицы, обеспечивающей естественное накопление тепла, и мощности используемого отопительного оборудования [4].
Расход тепла, необходимого для функционирования системы закрытого грунта, определяется по формуле:
Q = 1,1⋅ L ⋅ F ⋅ K ⋅ K1 ⋅ (t1 − t2 ) ккал/ч,
(1)
где L – коэффициент ограждения, т. е. отношение поверхности ограждения сооружения к его площади, варьируется для разных видов конструкций от 1 до 2,5, по среднему значению 1,75;
F – инвентарная мощность, м2 – площадь, ограниченная проекцией бокового ограждения (полная
площадь); K – коэффициент теплопередачи используемого покрытия; t1 – температура внутри сооружения; t2 – температура наружного воздуха; K1 = 1,25 – коэффициент инфильтрации.
33
ISSN 2072-9502. Âåñòíèê ÀÃÒÓ. Ñåð.: Óïðàâëåíèå, âû÷èñëèòåëüíàÿ òåõíèêà è èíôîðìàòèêà. 2015. ¹ 2
В настоящее время наиболее распространёнными покрытиями для теплиц являются полиэтиленовая плёнка, акрил, белый поликарбонат, агротекстиль, оргстекло.
Соответственно, при расчётах необходимо учитывать все варианты покрытия теплицы. Для
удобства расчёта нужно взять среднюю величину коэффициента теплопередачи как 5,02 (теплопередача полиэтиленовой плёнки Kmin = 4,1, оргстекла Kmax = 5,5). Температура, поддерживаемая
внутри теплицы, зависит от вида выращиваемых растений. Для усреднения данных для вычислений нами была выбрана средняя температура t1 = 24º C от рекомендуемой (18–30º C).
Для расчёта отопления системы закрытого грунта необходимо проследить изменение
внешней температуры воздуха в течение года. На основании данных сайта «Погода и Климат»
[5] нами были отобраны средние значения температуры воздуха в Астраханской области в каждом квартале за последние пять лет. Данные представлены в таблице.
Средняя температура в Астраханской области
Год
2010
2011
2012
2013
2014
Среднее значение
1 квартал, Q1
– 3,1ºC
– 3,2ºC
– 5,7ºC
+ 0,7ºC
– 1,1ºC
– 2,5ºC
2 квартал, Q2
+ 19ºC
+ 17,4ºC
+ 21,1ºC
+ 19,2ºC
+ 19,2ºC
+ 19,2ºC
3 квартал, Q3
+ 25,4ºC
+ 23,7ºC
+ 23,9ºC
+ 22,2ºC
+ 23,7ºC
+ 23,8ºC
4 квартал, Q4
+ 7,2ºC
+ 2,8ºC
+ 13,8ºC
+ 4,7ºC
+ 2,3ºC
+ 6,2ºC
Исходя из приведённых данных, можно вычислить потребление тепла системой в течение
года в каждом квартале: Q1 = 2328 ккал/ч; Q2 = 464 ккал/ч; Q3 = 19 ккал/ч; Q4 = 1720 ккал/ч.
Модель управления комбинированным отоплением
Самым экономически выгодным является воздушное отопление. Оно имеет ряд преимуществ: высокий КПД всей системы обогрева теплицы, низкая инерционность, равномерный
обогрев теплицы по всему объёму, недорогое оборудование. Но, вместе с тем, воздушное отопление в чистом виде употреблять не рекомендуется, т. к. для поддержания необходимой температуры в холодное время года создаются быстрые потоки воздуха, негативно влияющие
на рост и развитие растений. В свою очередь, водяное отопление является более дорогостоящим, но позволяет избежать существенного недостатка воздушного.
Пусть существует некоторая теплица площадью S, отопление которой обеспечивается
устройством с расходом тепла Q, тогда необходимо построить модель системы управления, выраженную матрицей U = [ui], где ui = 0, если работает воздушное отопление, и ui = 1, если работает водяное отопление, при ограничениях на модель расчёта Q в виде неравенства t1 – t2 < 0.
Необходимо рассчитать затраты на водное и воздушное отопление в зависимости от средней температуры воздуха снаружи в каждом квартале.
Для водяного отопления предлагается использовать гладкотрубные отопительные приборы.
Рассчитывать количество выделяемого тепла через площадь поверхности отопительного прибора
неудобно, поэтому для расчётов используется эквивалентный квадратный метр (ЭКМ) – единица
измерения, которая предназначена указать тепловые потери к площади отопительного прибора
[6]. 1 ЭКМ – площадь нагревательного прибора, которая за 1 час отдаёт 435 ккал тепла при разнице температур 64,5º C, и расходе воды 17,4 л/ч.
При условии, что разность температур теплоносителя и воздуха составляет 64,5º C, следует, что 1 ЭКМ = 506 Вт. Приведём расчёт объёма воды, который необходимо нагреть для поддержания нужной температуры в каждом квартале:
V=
Q
⋅17, 4 .
435
При этом V1 = 94 л; V2 = 19 л; V3 = 0,76 л; V4 = 68,8 л.
Мощность котлов для обогрева теплиц составляет от 20 кВт/ч до 1 мВт/ч в зависимости от
площади закрытого грунта. Для теплицы с минимальной площадью 8 м2 нами был выбран двухконтурный котёл SLIM 2.300 i с мощностью P = 26 кВт/ч.
Из расчётов видно, что необходимость круглогодичной работы системы водяного отопления во 2 и 3 кварталах минимальна. Как было сказано выше, водяное отопление более дорого34
Óïðàâëåíèå, ìîäåëèðîâàíèå, àâòîìàòèçàöèÿ
стоящее, чем воздушное. Чтобы исключить все недостатки, предлагается использовать в автоматизированной теплице комбинированное отопление. Для этого нами был выбран газовый
конвектор «РОСС» мощностью 2,5 кВт/ч.
Для разработки математической модели была выбрана точка переключения от воздушного
отопления к водяному, которая определяется минимальной мощностью водного котла – 26 кВт/ч
или 22 356 ккал/ч.
Математическая модель системы управления выглядит следующим образом:
Q = 12 ⋅ F (t1 − t2 ),

Q < P, K = 0,
Q > P, K = 1,

где Q – необходимое количество тепла для обогрева системы закрытого грунта; F – площадь
теплицы; t1 – температура воздуха внутри; t2 – температура воздуха снаружи; K – управляющий
оператор; P – минимальная мощность котла.
Если K = 0, то работает воздушное отопление, если K = 1 – водяное. Также следует проверить условия разницы температур. Если t1 − t2 < 0 , то отопление отключено.
Для управления системой необходимо выбрать микроконтроллер. Среди большого количества аналогов нами был выбран одноплатный компьютер Raspberry PI, удовлетворяющий минимальным характеристикам. Выбор был сделан в первую очередь из-за низкой стоимости – 2 тыс. руб.
Компьютер поддерживает среду разработки на базе языка Python, работает с протоколами
Ethernet и может управляться дистанционно. Структурная схема управления представлена
на рисунке,
Г В
ОУ
ΔT
УУ
Система управления
где ОУ – объект управления (теплица), УУ – управляющее устройство (одноплатный компьютер), Г, В – коммутирующее устройство переключения между воздушным и водным (газовым
и водным) отоплением в теплице, ΔT – разность температур.
Заключение
Из проведённых расчётов можно сделать вывод, что для малых и средних систем выращивания овощей в закрытом грунте оптимальным вариантом отопления является комбинированное. Цена за электроэнергию для промышленных объектов в разных регионах составляет
в среднем 2,5 руб. за 1 кВт/ч. Используя переключение между разными системами отопления,
можно добиться существенной экономии.
Приведённая математическая модель системы управления комбинированным отоплением
включает в себя большое количество параметров. Для комплекса автоматизированной системы
необходимо учитывать также влажность и искусственное освещение в теплице.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурко Р. А. Роль импортозамещения в экономике России / Р. А. Бурко // Молодой ученый. 2013.
№ 11. С. 301–303.
35
ISSN 2072-9502. Âåñòíèê ÀÃÒÓ. Ñåð.: Óïðàâëåíèå, âû÷èñëèòåëüíàÿ òåõíèêà è èíôîðìàòèêà. 2015. ¹ 2
2. Постановление Правительства РФ от 19.12.2014 № 1421 «О внесении изменений в Государственную программу развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013–2020 годы» // URL: file:///C:/Users/user/Downloads/Gosprogramma_PP1421.pdf.
3. Бизнес-план тепличного хозяйства по выращиванию овощей 2014 // URL: http://www.globalreach.ru/
reports/biznes-plan-teplichnogo-hozyajstva.html.
4. Лукоянов О. Автоматика для теплиц и парников (полив, проветривание, освещение, отопление) /
О. Лукоянов // URL: http://svoitomaty.ru/avtomatika-dlya-teplic.
5. Средняя годовая температура в Астраханской области в течение года. Погода и климат // URL:
http://www.pogodaiklimat.ru/climate/34880.htm.
6. Путилин С. С. Квалиметрические модели контроля эксплуатационных параметров аммиачной
холодильной установки / С. С. Путилин, В. Ф. Шуршев // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2012. № 1. С. 131–135.
Статья поступила в редакцию 14.03.2015
ÈÍÔÎÐÌÀÖÈß ÎÁ ÀÂÒÎÐÀÕ
Èâàíîâ Ñåðãåé Àëåêñàíäðîâè÷ – Ðîññèÿ, 414056, Àñòðàõàíü; Àñòðàõàíñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò; àññèñòåíò êàôåäðû «Èíôîðìàöèîííûå òåõíîëîãèè;
kemsit@mail.ru.
Êâÿòêîâñêàÿ Èðèíà Þðüåâíà – Ðîññèÿ, 414056, Àñòðàõàíü; Àñòðàõàíñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò; ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð; çàâ. êàôåäðîé «Èíôîðìàöèîííûå òåõíîëîãèè»; i.kvyatkovskaya@astu.org.
Äîðîõîâ Àëåêñàíäð Ô¸äîðîâè÷ – Ðîññèÿ, 414056, Àñòðàõàíü; Àñòðàõàíñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò; ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð; ïðîôåññîð êàôåäðû
«Ñóäîñòðîåíèå è ýíåðãåòè÷åñêèå êîìïëåêñû ìîðñêîé òåõíèêè»; dorokhovaf@rambler.ru.
Øèøêèí Íèêîëàé Äìèòðèåâè÷ – 414056, Ðîññèÿ, Àñòðàõàíü; Àñòðàõàíñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò; ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð; çàâ. ëàáîðàòîðèåé
íåòðàäèöèîííîé ýíåðãåòèêè Ñàðàòîâñêîãî íàó÷íîãî öåíòðà Ðîññèéñêîé àêàäåìèè íàóê
ïðè Àñòðàõàíñêîì ãîñóäàðñòâåííîì òåõíè÷åñêîì óíèâåðñèòåòå; n.shiskin@astu.org.
S. A. Ivanov, I. Yu. Kvyatkovskaya, A. F. Dorokhov, N. D. Shishkin
MODEL OF THE SYSTEM OF CONTROL
OF THE COMBINED HEATING OF THE GREENHOUSE
IN CONDITIONS OF THE COVERED AREA
BASED ON THE MICROCONTROLLER RASPBERRY PI
Abstract. The basis of the modern climate control systems is the principle of PI-control,
in which the control system is always striving to reach a steady state with the help of effects on the
controlling elements and measurements of withstand values (air and soil temperature, specific humidity, carbon dioxide concentration, lighting intensity), but taking into account the accumulated
integral compensation errors. When maintaining the optimal microclimate in the greenhouse for
a successful generative development of plants, the important parameters are air and soil temperatures. The purpose of the study is to give a rational explanation for the choice of the parameters
of the equipment to create a model of control of the combined heating of the greenhouses for growing plants indoors. The calculations of the heat consumption of the systems of indoor growing were
made; different types of options for heating greenhouses were specified. According to the results
of the calculations, for small and medium-sized systems of growing vegetables in greenhouses the
best option is a combined heating. To control the system single board computer is taken, a control
block diagram is built. The computer supports the development environment based on the language
36
Óïðàâëåíèå, ìîäåëèðîâàíèå, àâòîìàòèçàöèÿ
Python, works with protocols Ethernet and can be remotely controlled. The mathematical model
of the control system of the combined heating that includes a greater number of parameters is developed. For the complex automated system, it is also necessary to take into account humidity and
artificial lighting in the greenhouse.
Key words: greenhouse microclimate, joint heating, automation, closed ground.
REFERENCES
1. Burko R. A. Rol' importozameshcheniia v ekonomike Rossii [Role of import substitution in Russian
economy]. Molodoi uchenyi, 2013, no. 11, pp. 301–303.
2. Postanovlenie Pravitel'stva RF ot 19.12.2014 № 1421 «O vnesenii izmenenii v Gosudarstvennuiu programmu razvitiia sel'skogo khoziaistva i regulirovaniia rynkov sel'skokhoziaistvennoi produktsii, syr'ia i prodovol'stviia na 2013–2020 gody» [Resolution of the government of the Russian Federation dated 19.12.2014
N 1421 "On introduction of the amendments to the State program on the development of agriculture and control
of the markets of agricultural production, raw materials and products for 2013–2020"]. Available at:
file://C:/Users/user/Downloads/Gosprogramma_PP1421.pdf
3. Biznes-plan teplichnogo khoziaistva po vyrashchivaniiu ovoshchei 2014 [Business plan of greenhouse
farming of vegetable growing in 2014]. Available at: http://www.globalreach.ru/reports/biznes-plan-teplichnogohozyajstva.html.
4. Lukoianov O. Avtomatika dlia teplits i parnikov (poliv, provetrivanie, osveshchenie, otoplenie) [Automation
for greenhouses and hot beds (water supply, ventilation, lighting, heating)]. Available at: http://svoitomaty.ru/
avtomatika-dlya-teplic.
5. Sredniaia godovaia temperatura v Astrakhanskoi oblasti v techenie goda. Pogoda i klimat [Average
annual temperature in the Astrakhan region. Weather and climate]. Available at: http://www.pogodaiklimat.ru/
climate/34880.htm.
6. Putilin S. S., Shurshev V. F. Kvalimetricheskie modeli kontrolia ekspluatatsionnykh parametrov ammiachnoi kholodil'noi ustanovki [Qualimetric models of control of operational parameters of ammonia refrigerating unit]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2012, no. 1, pp. 131–135.
The article submitted to the editors 14.03.2015
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Ivanov Sergey Aleksandrovich – Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical
University; Assistant of the Department "Information Technologies"; kemsit@mail.ru.
Kvyatkovskaya Irina Yurievna – Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical
University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Information
Technologies"; i.kvyatkovskaya@astu.org.
Dorokhov Alexander Fedorovich – Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical
University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Engineering"; dorokhovaf@rambler.ru.
Shishkin Niñkolay Dmitrievich – 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Laboratory of Alternative Power
Engineering, Power Engineering Department of Saratov Research Center of the Russian Academy of Sciences attached to Astrakhan State Technical University; n.shishkin@astu.org.
37