Ekspertyza. Automatyka w sterowaniu mikroklimatem w wybranych obiektach rolniczych

Transkrypt

1 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego AGROINŻYNIERIA GOSPODARCE Ekspertyza Automatyka w sterowaniu mikroklimatem w wybranych obiektach rolniczych prof. dr hab. Ewa Wachowicz Politechnika Koszalińska Wydział Mechaniczny, Katedra Automatyki Koszalin 2011 Publikacja dostępna w serwisie:

2 Spis treści 1. Wstęp Budowa i funkcjonowanie układu automatycznej regulacji Związki pomiędzy technologią przechowalnictwa ziemniaków... 7 oraz zadaniami i strukturą układów automatycznej regulacji Aktualnie stosowane układy sterowania parametrami mikroklimatu...12 w specjalistycznych obiektach rolniczych Układy regulacji dwupołożeniowej Układy regulacji ciągłej Przykładowy system sterowania parametrami mikroklimatu w...19 specjalistycznym obiekcie rolniczym Literatura

3 1. Wstęp Automatyka to dziedzina wiedzy zajmująca się możliwościami ograniczenia lub wyeliminowania udziału człowieka z czynności związanych ze sterowaniem różnorodnymi procesami technologicznymi, także procesami inżynierii rolniczej. Sterowanie to oddziaływanie na dany proces w sposób zamierzony, mający doprowadzić do osiągnięcia ściśle określonego celu, np. zapewnienia stałej wartości lub żądanego przez technologa przebiegu parametru technologicznego. Ze sterowaniem mikroklimatem mamy do czynienia w wielu specjalistycznych obiektach rolniczych. Należą do nich m.in.: szklarnie, pieczarkarnie, przechowalnie: owoców, warzyw oraz ziemniaków, magazyny zbożowe, a także budynki inwentarskie takie, jak kurniki czy obory. Przy czym pod pojęciem mikroklimat należy rozumieć nie tylko temperaturę oraz wilgotność względną powietrza wewnątrz przechowalni, ale także skład tego powietrza. Przykładowo w procesach inżynierii rolniczej celem sterowania może być zapewnienie: wymaganych w danym etapie i fazie uprawy roślin przebiegów: temperatury i wilgotności względnej powietrza wewnątrz szklarni lub wewnątrz tunelu foliowego, zawartości dwutlenku węgla w tym powietrzu oraz temperatury i zawartości wody w podłożu uprawowym, wymaganych w danym etapie i fazie uprawy grzybów przebiegów: temperatury i wilgotności względnej powietrza wewnątrz hali uprawowej, zawartości dwutlenku węgla w tym powietrzu oraz temperatury i zawartości wody w podłożu uprawowym w pieczarkarni, wymaganych w różnych etapach przechowywania przebiegów: temperatury i wilgotności względnej powietrza wewnętrznego oraz temperatury płodów rolnych w przechowalniach warzyw lub ziemniaków, a także w przechowalniach owoców bez kontrolowanej atmosfery, wymaganego przez technologów składu atmosfery (zawartości dwutlenku węgla oraz zawartości tlenu) w przechowalniach owoców z kontrolowaną atmosferą. wymaganej przez technologów temperatury i wilgotności względnej powietrza wewnątrz magazynu zbożowego itp. Zarówno wymogi odnośnie mikroklimatu w każdym z budynków, jak również realizujące te wymogi wyposażenie techniczne budynków jest różne. Działalność natury technicznej, ekonomicznej i organizacyjnej zmierzająca do wprowadzenia praw, metod i urządzeń automatyki w rozmaite dziedziny życia nosi nazwę automatyzacji. Automatyzację obiektów rolniczych przeprowadza się w celu: minimalizacji strat technologicznych magazynowanych płodów rolnych, zwiększenia plonu uprawianych roślin lub grzybów, zachowania lub poprawy jakości finalnego produktu procesu technologicznego (np. poprawy lub zachowania jakości przechowywanych zbóż, zachowania naturalnych własności przechowywanych płodów rolnych lub uzyskania wysokiej jakości uprawianych roślin lub grzybów) dzięki precyzji w realizacji procesu technologicznego, minimalizacji zużycia energii, zmniejszenia kosztów pracy ludzkiej, poprawy bezpieczeństwa pracy, eliminacji monotonnych, nużących czynności wykonywanych przez obsługę procesu. Pozwala to: sprostać rosnącym wymaganiom konsumentów odnośnie jakości produktów rolniczych, obniżyć koszty produkcji, podnieść konkurencyjność rynkową firmy. Automatyzacja procesów technologicznych ściśle związana jest z koniecznością wyposażenia technicznego obiektów w układy automatycznej regulacji. 3

4 2. Budowa i funkcjonowanie układu automatycznej regulacji Aby można było mówić o budowie i funkcjonowaniu układów automatycznej regulacji (w skrócie UAR), konieczna jest znajomość specjalistycznej terminologii z zakresu automatyki. Terminologia ta omówiona zostanie z wykorzystaniem rysunku 1 na przykładzie przechowalnictwa ziemniaków. Na rysunku 1 pokazano schemat blokowy układu automatycznej regulacji, nazywanego także układem sterowania, układem zamkniętym lub układem z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. z REGULATOR ELEMENT y o + e u ' WYKONAWCZY u _ OBIEKT STEROWANIA R EW OS y y m ELEMENT POMIAROWY EP Rys. 1. Schemat blokowy układu automatycznej regulacji Układ automatycznej regulacji zbudowany jest z bloków funkcjonalnych, pełniących ściśle określone funkcje. Bloki te na schematach blokowych układów mają postać prostokątów i noszą następujące nazwy: regulatora R, elementu wykonawczego EW, obiektu sterowania OS, elementu pomiarowego EP. Układ składa się z dwóch gałęzi: toru głównego, złożonego z regulatora R, elementu wykonawczego EW oraz obiektu sterowania OS. pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego z elementem pomiarowym EP. Warunkiem automatycznej (tzn. bez udziału człowieka) pracy układu jest obecność w strukturze układu pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. W pętli tej sygnał z wyjścia układu przesyłany jest za pośrednictwem elementu pomiarowego EP na jego wejście ze znakiem minus. Na schematach blokowych układów automatycznej regulacji (rys. 1) sygnały (nazywane również wielkościami), przepływające z jednego elementu funkcjonalnego do drugiego, oznaczone są liniami. Strzałki wskazują kierunek przepływu sygnałów. W układach elektrycznych sygnały mają postać natężenia lub napięcia, w układach pneumatycznych ciśnienia powietrza, zaś w układach hydraulicznych ciśnienia oleju. Sygnały noszą następujące nazwy: y 0 wielkość zadana, e uchyb (odchyłka, błąd) regulacji, u sygnał sterujący na wyjściu regulatora, u sygnał sterujący, z zakłócenie, y wielkość regulowana, y m wielkość regulowana zmierzona przez element pomiarowy. Blokiem, bez którego nie mógłby istnieć układ regulacji jest obiekt sterowania OS. Pod pojęciem obiekt sterowania OS rozumieć należy proces technologiczny, podlegający regulacji. Przykładem obiektu sterowania jest proces przechowalnictwa ziemniaków, podczas realizacji którego sterujemy temperaturą ziemniaków, a także temperaturą i wilgotnością względną powietrza wewnętrznego. Parametry te są sygnałami wyjściowymi y z układu 4

5 i noszą nazwę wielkości regulowanych. Wielkości regulowane y to wielkości fizyczne charakteryzujące proces technologiczny. Informację o wymaganych przez technologów wartościach lub przebiegach wielkości regulowanych y wprowadza się na wejście układu automatycznej regulacji w postaci wielkości zadanych y o. Na przebieg lub stan wielkości regulowanych y możemy w sposób celowy wpływać przy pomocy sygnałów sterujących u. Dzięki oddziaływaniom tych sygnałów wielkości regulowane y są w stanie osiągnąć wymagany przez technologów przebieg lub stan. Przykładowo w przechowalni ziemniaków pożądane przebiegi wielkości regulowanych y w postaci temperatury ziemniaków oraz temperatury lub wilgotności względnej powietrza wewnętrznego uzyskuje się poprzez nawiew powietrza (atmosferycznego lub wewnętrznego lub mieszanego (zewnętrznego z wewnętrznym)) o odpowiedniej temperaturze lub wilgotności względnej. Parametry termiczno wilgotnościowe nawiewanego powietrza to wielkości sterujące u. Aby móc w sposób celowy wpływać na wielkości regulowane y, oprócz znajomości wielkości zadanych y o, gdzie zawarta jest informacja o tym, jakie są wymagania technologiczne odnośnie wielkości regulowanych, konieczna jest także informacja o tym, ile te wielkości regulowane w rzeczywistości wynoszą w danej chwili. Zadaniem bloku element pomiarowy EP jest dostarczanie tej informacji. Blok element pomiarowy zawiera bowiem czujniki pomiarowe tych parametrów procesu technologicznego, którymi sterujemy. Ponadto w bloku tym mogą znaleźć się dodatkowe czujniki pomiarowe parametrów, które mają wpływ na przebieg procesu i które technolog chciałby kontrolować. Przykładowo w przechowalni ziemniaków podczas sterowania mikroklimatem wystarczający jest pomiar w jednym punkcie: temperatury ziemniaków, temperatury i wilgotności względnej powietrza wewnętrznego oraz temperatury powietrza zewnętrznego (atmosferycznego). Dodatkowo technolog może chcieć kontrolować temperaturę ziemniaków w różnych miejscach warstwy bulw czy temperaturę i wilgotność względną powietrza nawiewanego w kanale wentylacyjnym. Standardowymi sygnałami, wykorzystywanymi najczęściej w układach automatycznej regulacji są napięcie lub natężenie prądu. Ponieważ temperatura, ani wilgotność względna nie są standardowymi sygnałami, w skład elementu pomiarowego, oprócz czujnika, musi wchodzić przetwornik pomiarowy. Przetwarza on sygnał, o danej naturze fizycznej, uzyskiwany z czujnika, w sygnał elektryczny, o postaci wymaganej przez układ automatyki. Sygnał wyjściowy z elementu pomiarowego musi mieć bowiem postać i zakres zmienności zgodny z wymaganiami stawianymi sygnałom wejściowym współpracujących urządzeń. Większość elementów pomiarowych to urządzenia analogowe. Jeśli chcemy, by analogowy element pomiarowy współpracował z regulatorem cyfrowym w postaci sterownika mikrokomputerowego lub komputera, wówczas konieczne jest zastosowanie dodatkowo przetwornika analogowo-cyfrowego. Zmierzona przez czujnik pomiarowy wartość wielkości regulowanej y w węźle sumacyjnym (oznaczonym symbolem żarówki) porównywana jest z wartością wielkości zadanej y o. Jeśli wielkości te nie są sobie równe, wówczas istnieje rozbieżność pomiędzy tymi wielkościami nazywana uchybem (błędem, odchyłką) regulacji e, przy czym e = y o y. Regulator R jest urządzeniem zastępującym operatora, który realizował ręczne sterowanie procesem technologicznym. Funkcję regulatora może pełnić sterownik mikroprocesorowy lub komputer z odpowiednim oprogramowaniem sterowniczym. Na podstawie informacji uzyskiwanej z czujników pomiarowych regulator podejmuje decyzję o potrzebie (lub braku takiej potrzeby) załączeń odpowiednich urządzeń wykonawczych. Jeśli wartość parametru technologicznego, którym sterujemy posiada wymaganą przez technologa wartość (tzn. że e = 0), wówczas regulator wyłącza urządzenia wykonawcze. Jeśli natomiast sterowany parametr nie posiada wymaganej przez technologa wartości (tzn. gdy uchyb regulacji e posiada wartość różną od zera) działanie podejmuje regulator R. 5

6 Regulator wytwarza sygnał sterujący u na swoim wyjściu. Sygnał ten załącza odpowiednie urządzenia, zlokalizowane w bloku elementy wykonawcze EW. Zadaniem elementów wykonawczych EW jest takie oddziaływanie na proces technologiczny, by uchyb regulacji został zminimalizowany, a tym samym aby spełnione zostały wymogi technologiczne. Blok elementy wykonawcze układach sterowania mikroklimatem najczęściej stanowią urządzenia wentylacji (np. wentylator, przepustnice powietrza wraz z siłownikami, które je otwierają i zamykają) lub urządzenia klimatyzacji (np. nagrzewnice powietrza, komory mieszania, agregaty chłodnicze, parowniki, urządzenia nawilżające powietrze). Jeśli regulator jest urządzeniem cyfrowym, zaś element wykonawczy urządzeniem analogowym, wówczas konieczne jest zastosowanie w układzie dodatkowo przetwornika cyfrowoanalogowego, aby możliwe było załączenie analogowych urządzeń wentylacji i klimatyzacji. Funkcjonowanie elementów wykonawczych zależy od zastosowanego w regulatorze, zaproponowanego przez automatyka, sposobu sterowania tymi urządzeniami, nazywanego algorytmem sterowania. Wielkościami fizycznymi, które powodują odchylenia wielkości regulowanych y od wymaganych przez technologów wielkości zadanych y o są zakłócenia z. Opisują one wpływ otoczenia na obiekt sterowania. W przechowalniach ziemniaków zakłóceniami są temperatura i wilgotność względna powietrza na zewnątrz budynku. Opisane wyżej działanie układu automatycznej regulacji to działanie układu sterowania jednym parametrem technologicznym. Podczas sterowania mikroklimatem w specjalistycznych budynkach rolniczych mamy do czynienia z zainstalowanymi kilkoma układami automatycznej regulacji, tworzącymi system sterowania mikroklimatem. Tych układów automatycznej regulacji jest tyle, ile dla danego procesu jest parametrów technologicznych, których wartości są ściśle określone przez technologa i którymi należy sterować. Przykładowo w pieczarkarni mamy do czynienia z układami automatycznej regulacji: temperaturą powietrza wewnętrznego, wilgotnością względną powietrza wewnętrznego, temperaturą podłoża, zawartością wody w podłożu uprawowym, zawartością dwutlenku węgla w powietrzu wewnątrz hali uprawowej. W programie sterującym, wprowadzanym do pamięci sterownika lub komputera, pełniącego funkcję regulatora zapisane jest współdziałanie tych układów, ich wzajemne korelacje, hierarchia ważności itp. Stosowane w specjalistycznych obiektach rolniczych systemy sterowania, oprócz opisanych wyżej działań sterowniczych, realizują także: 1. monitoring i wizualizację ważnych dla technologa parametrów procesu technologicznego, zarówno tych które podlegają regulacji, jak i dodatkowych, których znajomość pozwala wnioskować o prawidłowości lub nie przebiegu procesu technologicznego. Przykładowo jeśli właściciel przechowalni ziemniaków lub warzyw chciałby otrzymywać informację o tym, jaka jest temperatura w różnych punktach warstwy magazynowanych płodów, jest to możliwe. Wymaga jedynie zainstalowania w warstwie dodatkowych czujników temperatury. Wizualizacja procesu może być przykładowo realizowana w ten sposób, że na ekranie komputera sterującego mikroklimatem w szklarni może znaleźć się schemat ideowy szklarni z umieszczonymi na nim wszystkimi urządzeniami wentylacji i klimatyzacji oraz automatyki. Przy czujnikach pomiarowych mogą być wyświetlane aktualne wskazania, zaś przy urządzeniach wykonawczych aktualne stany pracy; 2. archiwizację i rejestrację danych, uzyskiwanych z czujników pomiarowych oraz archiwizację stanów pracy urządzeń wykonawczych. Dane powyższe mogą być gromadzone, przetwarzane, przedstawiane w postaci wykresów lub drukowane. Dzięki temu możliwa jest analiza poprawności przebiegu procesu inżynierii rolniczej przez technologa i wyciągnięcie wniosków na przyszłość; 3. sygnalizację: włączenia zasilania systemu sterowania; 6

7 trybu pracy systemu sterowania (tryb ręczny czy automatyczny); załączenia lub wyłączenia urządzeń wykonawczych (urządzeń wentylacji i klimatyzacji); zagrożenia prawidłowości przebiegu procesu technologicznego wskutek przekroczenia przez parametr technologiczny dopuszczalnych wartości. Przykładowo system sterowania mikroklimatem w przechowalni ziemniaków może sygnalizować, że w jakimś punkcie warstwy bulw temperatura ziemniaków jest wyższa np. o 3 o C w porównaniu z temperaturą w innych punktach warstwy. Oznacza to, że mamy do czynienia z ogniskiem gnilnym w warstwie bulw; stanów awaryjnych urządzeń, wchodzących w skład systemy sterowania itp. 3. Związki pomiędzy technologią przechowalnictwa ziemniaków oraz zadaniami i strukturą układów automatycznej regulacji Automatyzacja procesu technologicznego wymaga dobrej znajomości tego procesu. Oznacza to, że projektant układu automatycznej regulacji automatyk musi zapoznać się z tym procesem lub musi korzystać z wiedzy o procesie posiadanej przez technologa. Zatem na etapie projektowania konieczna jest bardzo dobra współpraca automatyka z technologiem. Dzięki temu możliwe jest: poprawne sformułowanie, wynikających z technologii, zadań sterowniczych, które musi wykonać układ automatyki, zaprojektowanie wymaganej struktury układu automatyki, gwarantującej realizację techniczną zadań sterowniczych. Poniżej na przykładzie sterowania temperaturą ziemniaków omówione zostaną związki pomiędzy technologią przechowalnictwa ziemniaków oraz strukturą i zadaniami układu automatycznej regulacji. Jak wiadomo, celem przechowywania ziemniaków jest minimalizacja strat technologicznych oraz zachowanie jakości magazynowanych płodów. Aby możliwe było zrealizowanie tego celu konieczna jest znajomość procesów, które powodują straty technologiczne i pogarszanie się jakości płodów. Jest to ważne, gdyż pozwoli przeciwdziałać niekorzystnym skutkom, jakie procesy te powodują. Do czynników powodujących straty ziemniaków należą procesy: oddychania, transpiracji wody z bulw, kiełkowania, a także choroby przechowalnicze. Im większa intensywność wymienionych wyżej procesów, tym straty technologiczne wyższe. Przyczyną pogarszania się jakości ziemniaków podczas ich magazynowania są procesy biochemiczne, zachodzące w bulwach. Poniżej przykładowo omówione zostaną dokładniej dwa procesy, a mianowicie procesy oddychania oraz transpiracji wody z bulw, a także wynikające z tych procesów zadania sterownicze i wyposażenie przechowalni w urządzenia automatyki. Oddychanie ziemniaków Jak wiadomo, oddychanie to reakcja chemiczna polegająca na powolnym utlenianiu cząsteczek glukozy. Proces oddychania może przebiegać w warunkach beztlenowych (oddychanie anaerobowe) lub tlenowych (oddychanie aerobowe). Oddychanie anaerobowe występuje wówczas, gdy w powietrzu wewnątrz przechowalni stężenie tlenu jest za niskie. Bulwy, w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w ich wnętrzu, są w stanie wytworzyć tlen. Jednakże trwający przez dłuższy czas proces oddychania anaerobowego jest niedopuszczalny, gdyż pociąga za sobą fermentację i gnicie ziemniaków w przechowalni. Oddychanie aerobowe (tlenowe) przebiega zgodnie z wzorem: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O ,8 kj ciepła (1) 7

8 Do oddychania aerobowego bulw ziemniaka niezbędny jest tlen. Tlen ten zawarty jest w powietrzu, otaczającym ziemniaki. Niepożądanymi w przechowalni produktami oddychania są natomiast: dwutlenek węgla, para wodna oraz ciepło. Ponieważ w wyniku procesu oddychania spalane są cząsteczki glukozy, zatem proces ten jest przyczyną strat suchej substancji (nazywanej też suchą masą), zawartej w bulwach. Magazynowane ziemniaki są organizmami żywymi, które muszą oddychać, aby mogły istnieć. Zatem procesu oddychania nie można wyeliminować. Można jedynie próbować zmniejszyć jego intensywność. Aby precyzyjnie kontrolować straty technologiczne bulw ziemniaka, spowodowane oddychaniem, należałoby zatem mierzyć intensywność oddychania bulw oraz nią sterować. Jednakże w chwili obecnej nie istnieje aparatura pomiarowa, mierząca bezpośrednio intensywność oddychania bulw. O tej intensywności, można mieć informację uzyskaną jedynie pośrednio poprzez pomiar ilości wydzielanego przez bulwy ciepła lub pomiar ilości wydzielanego przez bulwy dwutlenku węgla. Wiadomo, że o intensywności oddychania decydują następujące czynniki: temperatura bulw, czas przechowywania, odmiana, stopień dojrzałości bulw, uszkodzenia mechaniczne, kiełkowanie. Podczas przechowywania automatyk ma wpływ jedynie na temperaturę ziemniaków w przechowalni w różnych etapach przechowywania i poprzez zmiany temperatury może pośrednio wpływać na intensywność procesu oddychania, a tym samym na wysokość strat suchej masy bulw ziemniaka. Zalecany przez technologów przechowalnictwa przebieg temperatury ziemniaków, gwarantujący najniższe straty, spowodowane oddychaniem pokazano na rysunku 2. Jak wiadomo, podczas przechowywania ziemniaków wyróżnić można cztery etapy o zróżnicowanych wymaganiach odnośnie temperatury: I etap - gojenie ran i korkowacenie naskórka bulw (10 dni), II etap - schładzanie ziemniaków (2 tygodnie), III etap - długotrwałe składowanie (6-9 miesięcy), IV etap - rekondycjonowanie bulw (10 dni). t zi [ 0 C] Iet.II etap III etap IV etap X XI XII I II III IV V Czas przechowywania [miesiące] Rys. 2. Wymagany przez technologów przebieg temperatury ziemniaków w różnych etapach przechowywania 8

9 Wynikające z analizy procesu oddychania ziemniaków w przechowalni zadania układu sterowania to: 1. Zapewnienie wymaganego stężenia tlenu w powietrzu wewnątrz przechowalni, aby nie dopuścić do wystąpienia oddychania anaerobowego, 2. Usuwanie z przechowalni niepożądanych produktów oddychania tlenowego w postaci ciepła i dwutlenku węgla, 3. Zapewnienie wymaganego, pokazanego na rysunku 2, przebiegu temperatury ziemniaków podczas ich magazynowania. Aby można było zrealizować technicznie wymienione zadania, konieczne jest wyposażenie przechowalni ziemniaków w (Rys. 3): instalację wentylacyjną (realizacja zadania 1 i 2). W skład instalacji powinny wejść następujące urządzenia: czerpnie powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, wyrzutnia powietrza wylotowego, przepustnice powietrza zewnętrznego, wewnętrznego i wylotowego wraz z siłownikami, główny kanał wentylacyjny oraz system kanałów rozprowadzających powietrze z kanału głównego do magazynowanych ziemniaków, wentylator; układ automatycznej regulacji temperatury ziemniaków (realizacja zadania 3). Układ ten powinien być złożony z czujników temperatury ziemniaków, rozmieszczonych w różnych punktach warstwy oraz czujników temperatury powietrza: wewnętrznego, zewnętrznego i nawiewanego. Układ regulacji temperatury ziemniaków podczas swego funkcjonowania będzie wykorzystywał urządzenia wentylacji: wentylator, siłowniki przepustnic powietrza, realizując wentylację powietrzem zewnętrznym, wewnętrznym oraz mieszanym (zewnętrznym i wewnętrznym). Urządzenia wchodzące w skład instalacji wentylacyjnej na rysunku 3 oznaczono kolorem żółtym, zaś urządzenia układu regulacji temperatury kolorem niebieskim. Rys. 3. Urządzenia wchodzące w skład instalacji wentylacyjnej (kolor żółty) oraz układu automatycznej regulacji temperatury ziemniaków w przechowalni (kolor niebieski) 9

10 Transpiracja wody z bulw ziemniaka Z oddawaniem wody z bulw ziemniaka do powietrza, a tym samym ze stratami masy ziemniaków podczas ich przechowywania, mamy do czynienia wówczas, gdy wilgotność względna powietrza różni się od wilgotności równowagowej. Wilgotność równowagowa to wilgotność względna powietrza wewnątrz przechowalni, przy której nie występuje wymiana masy pomiędzy ziemniakami i powietrzem. Utrata wody przez magazynowane w przechowalni bulwy jest ponadto niepożądana, gdyż pociąga za sobą pomarszczenie skórki bulw, utratę przez nie turgoru oraz utratę walorów handlowych. Rys. 4. Zależność wilgotności równowagowej φ pw od temperatury powietrza wewnętrznego t pw oraz zawartości wody w bulwach ziemniaka u r Wilgotność równowagowa zależy od temperatury powietrza wewnątrz przechowalni oraz zawartości wody w bulwach. Związki pomiędzy wymienionymi wyżej wielkościami pokazano na rysunku 4. Na rysunku 4 widać, że przy stałej zawartości u r wody w bulwach w zależności od temperatury powietrza t pw w przechowalni, zmienia się wymagana wilgotność względna φ pw powietrza wewnętrznego (wilgotność równowagowa), przy której nie występuje utrata wody przez bulwy. Przykładowo, przy zawartości wody w bulwach wynoszącej u r = 0.7 kg H2O /kg i temperaturze powietrza wewnętrznego t pw = 15 C, wilgotność względna φ pw powietrza wewnętrznego wynosić powinna 90%. Natomiast gdy temperatura powietrza wewnętrznego t pw = 4 C, wówczas wilgotność względna φ pw powietrza wewnętrznego wynosić powinna 96%. Z rysunku 4 wynika, że podczas procesu przechowywania ziemniaków wymagana wilgotność względna powietrza wewnętrznego nie powinna mieć stałej wartości, ale w zależności od zawartości wody w bulwach oraz etapu przechowywania powinna się zmieniać. W różnych, wydanych w latach dziewięćdziesiątych i wcześniej podręcznikach, dotyczących problematyki przechowalnictwa płodów rolnych autorzy podają niższe (na poziomie 80%, 85%), stałe wartości wymaganej wilgotności względnej powietrza w przechowalni. Moim zdaniem wynika to stąd, że do niedawna zakres pomiarowy dostępnych i stosowanych w przechowalniach ziemniaków czujników wilgotności względnej powietrza wynosił od 0 do 85%. Nie był zatem możliwy pomiar, a zatem niemożliwe także było sterowanie wilgotnością względną powietrza wówczas, gdy jej wymagana wartość przekraczała 85%. Wynikające z analizy procesu transpiracji wody z bulw ziemniaka zadanie systemu sterowania mikroklimatem to zapewnienie wymaganego przebiegu wilgotności względnej powietrza wewnątrz przechowalni równego wilgotności równowagowej. Aby możliwa była realizacja techniczna tego zadania, konieczne jest wyposażenie przechowalni ziemniaków w układ sterowania wilgotnością względną powietrza wewnątrz 10

11 przechowalni. Na rysunku 5 pokazano system sterowania mikroklimatem w przechowalni ziemniaków, złożony z przedstawionego na rysunku 3 układu automatycznej regulacji temperaturą ziemniaków i instalacji wentylacyjnej, uzupełniony układem automatycznej regulacji wilgotnością względną powietrza wewnętrznego. Urządzenia wchodzące w skład układu automatycznej regulacji temperaturą ziemniaków oznaczono kolorem niebieskim, urządzenia wentylacji - kolorem żółtym, zaś urządzenia układu automatycznej regulacji wilgotnością względną powietrza wewnętrznego oznaczono kolorem zielonym. Rys. 5. System sterowania temperaturą ziemniaków i wilgotnością względną powietrza wewnątrz przechowalni ziemniaków wraz z urządzeniami wentylacji Układ regulacji wilgotnością względna powietrza wewnętrznego powinien być złożony z czujników wilgotności względnej powietrza: wewnętrznego, zewnętrznego i nawiewanego. Układ ten podczas swego funkcjonowania będzie wykorzystywał urządzenia wentylacji: wentylator, siłowniki przepustnic powietrza, realizując wentylację powietrzem zewnętrznym, wewnętrznym oraz mieszanym (zewnętrznym i wewnętrznym) oraz nawilżacz nawiewanego powietrza. Informacje uzyskiwane z czujników pomiarowych temperatury oraz wilgotności względnej przesyłane są do regulatora, np. do sterownika mikroprocesorowego lub komputera, wyposażonego w oprogramowanie sterujące. Sterownik po analizie informacji uzyskanych z czujników podejmuje decyzje o załączeniu odpowiednich urządzeń wentylacji i klimatyzacji. Aby możliwa była współpraca analogowych czujników pomiarowych z urządzeniem cyfrowym sterownikiem, konieczne jest przetworzenie sygnałów analogowych, uzyskiwanych z czujników, w sygnały cyfrowe w dodatkowych urządzeniach przetwornikach analogowo-cyfrowych. Również wysyłane przez sterownik sygnały cyfrowe muszą zostać przetworzone przez przetworniki cyfrowo-analogowe w sygnały analogowe, załączające urządzenia wentylacji lub klimatyzacji. 11

12 4. Aktualnie stosowane układy sterowania parametrami mikroklimatu w specjalistycznych obiektach rolniczych Aktualnie do sterowania parametrami mikroklimatu w specjalistycznych obiektach rolniczych najczęściej wykorzystywane są dwa rodzaje układów automatycznej regulacji. Są to: układy regulacji dwupołożeniowej, układy regulacji ciągłej. Układy te różnią się zastosowanymi regulatorami oraz sposobami załączania przez regulatory urządzeń wykonawczych w postaci urządzeń wentylacji i klimatyzacji czyli różnią się algorytmami sterowania. Poniżej dokładniej omówione zostaną budowa i funkcjonowanie tych układów Układy regulacji dwupołożeniowej Układy regulacji realizujące algorytm sterowania dwupołożeniowego noszą nazwę układów regulacji dwupołożeniowej lub układów regulacji dwustanowej lub układów regulacji dwuwartościowej. Ze względu na swoje zalety, są jednymi z najczęściej stosowanych układów automatycznej regulacji. Wykorzystywane są m.in. do sterowania: temperaturą, wilgotnością względną powietrza, poziomem, ciśnieniem. Często posługujemy się nimi. W naszych domach służą do sterowania temperaturą m.in. w: lodówce, pralce, bojlerze, żelazku. Stosowane są także do sterowania temperaturą silnika w samochodzie. Charakteryzuje je: prostota budowy, niezawodność, niska cena oraz łatwość obsługi. Regulacja dwupołożeniowa znajduje zastosowanie tam, gdzie nie jest wymagana duża dokładność regulacji parametrem mikroklimatu. Schemat blokowy układu regulacji dwupołożeniowej pokazano na rysunku 6. Rys. 6. Schemat blokowy układu regulacji dwupołożeniowej Cechą charakterystyczną układów regulacji dwupołożeniowej jest to, że funkcję regulatora R w tych układach pełni nieliniowy element bistabilny. Elementem bistabilnym może być na przykład: przekaźnik, stycznik, tyrystor. Sygnał sterujący u na wyjściu dwustanowego regulatora R przyjmować może jedynie dwie wartości: wartość u = u min (stan logiczny 0 styki przekaźnika lub stycznika otwarte) lub u = u max (stan logiczny 1 styki przekaźnika lub stycznika zamknięte). Dlatego układy te nazywane są układami regulacji dwuwartościowej. Ze względu na to, że sygnał sterujący u na wyjściu regulatora R może posiadać dwie wartości, element wykonawczy EW (urządzenie wentylacji lub klimatyzacji) może przyjmować jedynie dwa stany pracy. Stąd bierze się inna nazwa układów regulacji dwupołożeniowej układy regulacji dwustanowej. Jeśli na wyjściu regulatora jest odpowiednio stan logiczny 0 lub stan logiczny 1, element wykonawczy w systemach sterowania mikroklimatem np. 12

13 wentylator jest odpowiednio wyłączony lub załączony, zawór na dopływie wody w nawilżaczu powietrza jest odpowiednio zakręcony lub odkręcony, przepustnica powietrza jest odpowiednio zamknięta lub otwarta. Dostępne w handlu regulatory dwustanowe (zwane dwupołożeniowymi, dwuwartościowymi) często złożone są (Rys.6) z elementu pomiarowego EP wielkości regulowanej y czyli czujnika parametru mikroklimatu oraz z elementu bistabilnego (regulatora R) w postaci stycznika lub przekaźnika. Handlowa nazwa regulatorów wykorzystywanych podczas regulacji temperatury to termostaty, ciśnienia presostaty, wilgotności higrostaty, wilgotności względnej powietrza humidistaty. Funkcję regulatora dwustanowego może pełnić także sterownik mikroprocesorowy, posiadający wyjścia binarne. Układy regulacji dwupołożeniowej od innych rodzajów układów automatyki różnią się przebiegiem wielkości regulowanych y czyli przebiegiem regulowanych parametrów technologicznych. W wyniku regulacji parametru mikroklimatu z wykorzystaniem układu regulacji dwupołożeniowej przebieg tego parametru (wielkości regulowanej y) jest oscylacyjny, piłokształtny. Jest to ważna cecha charakterystyczna tych układów. To powoduje, że układy te mogą znaleźć zastosowanie tylko wówczas, gdy jest dopuszczalna przez technologa odchyłka od wymaganej wartości lub wymaganego przebiegu parametru mikroklimatu podczas realizacji procesu technologicznego inżynierii rolniczej. Zasadniczy wpływ na funkcjonowanie układów regulacji dwupołożeniowej, a tym samym na przebieg regulowanego parametru mikroklimatu, w tym układzie mają: właściwości dynamiczne procesu technologicznego (obiektu sterowania), charakterystyka statyczna elementu bistabilnego. Właściwości dynamiczne procesu technologicznego (obiektu sterowania OS) W specjalistycznych budynkach rolniczych, gdzie steruje się mikroklimatem, mamy do czynienia z procesami wymiany ciepła i masy. Właściwości dynamiczne tych procesów opisane są transmitancją G(s): (2) We wzorze 2 k to współczynnik wzmocnienia obiektu sterowania, T o opóźnienie czasowe, T to stała czasowa tego obiektu, zaś s to operator Laplace a. Charakterystykę czasową skokową obiektu sterowania o transmitancji (wzór 2) pokazano na rysunku 7. Rys. 7. Charakterystyka czasowa skokowa procesów technologicznych (obiektów sterowania) typowych dla inżynierii rolniczej 13

14 Charakterystyki statyczne elementów bistabilnych Elementy bistabilne są urządzeniami posiadającymi nieliniowe, niejednoznaczne charakterystyki statyczne. Charakterystyki statyczne to zależności funkcyjne sygnałów wyjściowych od sygnałów wejściowych urządzeń. Charakterystyki statyczne elementów bistabilnych, wyznaczane dla rosnących sygnałów wejściowych e, różnią się od charakterystyk statycznych mierzonych wówczas, gdy sygnały wejściowe maleją. Miarą tej niejednoznaczności charakterystyk jest histereza H = e 2 e 1. Na rysunku 8 pokazano przykładowy przebieg charakterystyki statycznej elementów bistabilnych. Rys. 8. Charakterystyka statyczna elementu bistabilnego Funkcjonowanie układu regulacji dwupołożeniowej Funkcjonowanie regulatora dwustanowego oraz układu regulacji dwupołożeniowej omówione zostanie na przykładzie prostego układu regulacji temperatury powietrza nawiewanego do silosu zbożowego, w którym możliwe jest suszenie zboża ogrzanym powietrzem. Na rysunku 9 pokazano schemat ideowy tego układu. Układ złożony jest z obiektu sterowania wnętrza silosu 1, termostatu 2 (regulatora dwustanowego, złożonego z czujnika temperatury oraz stycznika) oraz elementów wykonawczych w postaci nagrzewnicy powietrza 3 i wentylatora 4 Każdorazowo wraz z załączeniem nagrzewnicy załączany jest także wentylator, nawiewający do silosu ogrzane powietrze. Poniżej omówiony zostanie wpływ właściwości dynamicznych obiektu sterowania oraz charakterystyki statycznej regulatora dwustanowego, zastosowanego w układzie regulacji dwupołożeniowej, na przebieg temperatury powietrza nawiewanego do silosu (wielkości regulowanej y), a tym samym na funkcjonowanie układu. Rys. 9. Dwupołożeniowy układ regulacji temperatury powietrza, nawiewanego do silosu zbożowego z sitowym, płaskim dnem. Oznaczenia: 1 wnętrze silosu, 2 termostat, 3 nagrzewnica powietrza, 4 wentylator, 5 dno sitowe, 6 wylot powietrza 14

15 Na rysunku 10 pokazano przebiegi sygnałów, typowe dla układów regulacji dwupołożeniowej. Rys. 10. Przykładowe, typowe przebiegi dla układów regulacji dwupołożeniowej: a) charakterystyki statycznej regulatora dwustanowego (termostatu), b) wielkości regulowanej y b) (temperatury powietrza nawiewanego do silosu), c) sygnału sterującego u na wyjściu regulatora dwustanowego (załączającego przy u max i wyłączającego przy u min nagrzewnicę powietrza oraz wentylator) Rysunek 10 obrazuje przykładowe przebiegi: charakterystyki statycznej regulatora dwustanowego (termostatu) (Rys.10 a); wielkości regulowanej y w postaci poddawanego regulacji parametru mikroklimatu (Rys.10 b). W naszym przykładzie parametrem tym jest temperatura nawiewanego do silosu powietrza; sygnału sterującego u na wyjściu regulatora dwustanowego (termostatu), załączającego urządzenia wentylacji lub klimatyzacji, zainstalowane w specjalistycznym obiekcie rolniczym (Rys.10 c). W naszym przykładzie urządzeniami tymi są wentylator i nagrzewnica powietrza. Działanie regulatora dwustanowego (rys. 10a) jest następujące: jeśli temperatura powietrza nawiewanego do silosu zbożowego y < y 1, wówczas sygnał sterujący na wyjściu regulatora dwustanowego wynosi u max nagrzewnica i wentylator są załączone; jeśli natomiast y > y 2, wówczas sygnał sterujący u = u min nagrzewnica i wentylator są wyłączone; działanie regulatora w przedziale y 1 < y < y 2 zmienności temperatury nawiewanego powietrza nie jest jednoznaczne. Jeśli temperatura rośnie od wartości y 1 do y 2, wówczas sygnał sterujący u na wyjściu regulatora wynosi u max nagrzewnica i wentylator są załączone. Jeśli natomiast temperatura maleje od y 2 do y 1, mamy do czynienia z wyłączeniem nagrzewnicy i wentylatora, gdyż sygnał sterujący u na wyjściu regulatora dwustanowego wynosi u = u min. Analizując przebiegi pokazane na rysunku 10 można stwierdzić, że: 1. Przebieg temperatury powietrza nawiewanego do silosu zbożowego (przebieg wielkości regulowanej y) pokazanej na rysunku 10 b ma charakter piłokształtny. Przebieg temperatury nawiewanego powietrza oscyluje wokół żądanej przez technologa wartości y o. Krawędzie zębów piły są zaokrąglone, takie, jak wykres charakterystyki czasowej skokowej (Rys. 7) procesu technologicznego (obiektu sterowania); 15

16 2. Jeśli wystąpi uchyb regulacji e > 0, następuje załączanie elementów wykonawczych w postaci nagrzewnicy i wentylatora (Rys. 10c kolor czerwony). Temperatura nawiewanego powietrza (przebieg oznaczony kolorem czerwonym) rośnie (Rys. 10b). Wyłączanie nagrzewnicy i wentylatora ma miejsce zawsze wtedy, gdy temperatura przekroczy wartość y 2. Kolejne załączenia urządzeń wykonawczych mają miejsce wówczas, gdy temperatura nawiewanego do silosu powietrza (wielkość regulowana y) spadnie poniżej wartości y 1 ; 3. Należy zwrócić uwagę na fakt (Rys.10 b), że pomimo wyłączenia nagrzewnicy temperatura powietrza nawiewanego do silosu narasta przez czas T o. Czas ten nazywa się czasem opóźnienia obiektu sterowania. Zjawisko występowania podczas regulacji dwupołożeniowej czasu opóźnienia, a także wartość tego czasu zależy od właściwości dynamicznych procesu technologicznego. Właściwości te opisuje transmitancja obiektu sterowania (wzór 2). W przypadku silosu zbożowego opóźnienie czasowe związane jest z bezwładnością cieplną obiektu; 4. Wartość amplitudy oscylacji temperatury nawiewanego do suszarni powietrza (wielkości regulowanej y), rzutująca na dokładność regulacji, zależy tu od wartości histerezy H regulatora dwustanowego oraz opóźnienia czasowego T o obiektu sterowania; 5. Zmniejszenie wartości amplitudy oscylacji wielkości regulowanej y i poprawę dokładności regulacji, można uzyskać poprzez zmniejszenie histerezy H przekaźnika lub stycznika wbudowanego do termostatu. Pociąga to jednak za sobą wzrost częstotliwości przełączeń styków stycznika, a tym samym wzrost częstotliwości załączeń nagrzewnicy; 6. Częstotliwość przełączeń styków stycznika nie może być zbyt duża, gdyż może spowodować to szybsze zużywanie się styków lub wystąpienie zjawiska migotania styków. Ze względu na bezwładność poruszających się styków stycznika, przy dużej częstotliwości przełączeń, styki mogą nie nadążać za poleceniami ich otwierania i zamykania. Po pewnym czasie na stykach powstaje łuk elektryczny i następuje spalenie stycznika; 7. Zmiana wartości zadanej y o (żądanej wartości nawiewanego do silosu powietrza) ma wpływ na przebieg wielkości regulowanej y (Rys. 10b). Przy wyższej wartości wielkości zadanej y o wydłuża się czas narastania t 1 i skraca się czas opadania t 2 oscylacji wielkości regulowanej y (przebieg oznaczony kolorem niebieskim) w porównaniu z przebiegiem tej wielkości dla y o (przebieg oznaczony kolorem czerwonym). Tym samym zmienia się kształt zębów piłokształtnego przebiegu wielkości regulowanej y oraz przebieg sygnału sterującego u (kolor niebieski) na wyjściu regulatora (Rys. 10 c), załączającego nagrzewnicę i wentylator Układy regulacji ciągłej Funkcję regulatora w układach regulacji ciągłej pełni regulator PID (proporcjonalnocałkująco różniczkujący). W układach regulacji ciągłej parametrami mikroklimatu regulatorem PID może być: mikroprocesorowy regulator PID, sterownik mikroprocesorowy lub komputer, do których pamięci wprowadzono algorytm sterowania PID. Cechą charakterystyczną tych układów jest to, że sygnał sterujący u na wyjściu regulatora PID może przyjmować dowolną wartość z przedziału zmienności od u min do u max. Oznacza to, że urządzenia wykonawcze (urządzenia wentylacji i klimatyzacji w systemach sterowania mikroklimatem) mogą posiadać wiele stanów pracy. W opisanych w punkcie 4.1 układach regulacji dwupołożeniowej wentylator posiadał tylko dwa stany pracy. Mógł być załączony lub wyłączony. Przepustnica powietrza mogła być zamknięta bądź otwarta. W układach regulacji ciągłej możliwe jest nie tylko załączenie lub wyłączenie wentylatora, ale także sterowanie jego wydajnością. W przypadku przepustnic powietrza, możliwe jest ich otwarcie, zamknięcie, ale także nastawianie dowolnego stopnia otwarcia podczas regulacji 16

17 ciągłej parametru mikroklimatu. Dzięki temu jakość regulacji jest lepsza. Dlatego układy regulacji ciągłej parametrami mikroklimatem zaleca się stosować tam, gdzie wymagana jest duża dokładność regulacji. Na rysunku 11 pokazano uproszczony schemat blokowy układu regulacji ciągłej. Rys. 11. Schemat blokowy układu regulacji ciągłej. Oznaczenia: y wielkość regulowana, y o wielkość zadana, e uchyb (błąd) regulacji, u sygnał na wyjściu regulatora, u wielkość sterująca (regulująca), y m wielkość regulowana, zmierzona przez element pomiarowy, G(s) z indeksami transmitancje operatorowe poszczególnych elementów funkcjonalnych układu Zadaniem regulatora PID w układzie regulacji ciągłej jest (Rys. 11): 1. porównanie wielkości regulowanej y m (zmierzonej przez element pomiarowy) z wielkością zadaną y o. Na podstawie otrzymanej wielkości uchybu (błędu) regulacji e = y o y m wytworzenie wielkości sterującej u, oddziaływującej na obiekt sterowania w taki sposób, aby błąd regulacji e został zminimalizowany; 2. ukształtowanie własności statycznych i dynamicznych układu regulacji tak, aby układ ten spełniał postawione przed nim wymagania. Wymaga się mianowicie, aby układ był stabilny oraz zapewniał odpowiednią jakość regulacji w stanie ustalonym i przejściowym, przy ograniczeniach nałożonych na przebieg sygnału sterującego. Własności dynamiczne układu regulacji kształtuje się m.in. poprzez zastosowanie regulatora o odpowiednio dobranych przez projektanta układu własnościach dynamicznych. W regulatorach PID zsumowane zostały wszystkie znane automatykom oddziaływania dynamiczne: działanie proporcjonalne P, całkujące I i różniczkujące D. Schemat blokowy regulatora PID pokazano na rysunku E(s) kp 1 T i s U'(s) T d s Rys. 12. Schemat blokowy regulatora PID 17

18 Algorytm sterowania realizowany przez regulator PID można zapisać w postaci równania (wzór 3) (3) lub w postaci transmitancji operatorowej Laplace a (wzór 4). (4) gdzie: k p współczynnik wzmocnienia, T i czas całkowania (czas zdwojenia), T d czas różniczkowania (czas wyprzedzenia), s operator Laplace a. Wielkości k p, T i i T d noszą nazwę nastaw regulatora. Są to parametry nastrajane. Dzięki zmianom wartości nastaw, można zmieniać działanie regulatora. Każdorazowo, indywidualnie uruchamiając układ regulacji m.in. parametrów mikroklimatu, automatyk dobiera nastawy regulatora tak, aby uzyskać własności dynamiczne regulatora odpowiednie dla danego procesu technologicznego. Dzięki temu zagwarantowana jest najlepsza jakość regulacji parametru technologicznego. Przez najlepszą jakość regulacji należy rozumieć wymaganą dokładność regulacji oraz stabilną pracę układu. Poniżej podane zostaną transmitancje operatorowe, opisujące działanie regulatora, uzyskane dla odpowiednio dobranych wartości nastaw T i oraz T d : 1. Regulator o działaniu proporcjonalnym (regulator typu P) dla T i = i T d = 0 (5) 2. Regulator o działaniu całkującym (regulator typu I) dla T d = 0 (6) 3. Regulator o działaniu proporcjonalno całkującym (regulator typu PI) dla T d = 0 (7) 4. Regulator o działaniu proporcjonalno różniczkującym (regulator typu PD) dla T i = (8) Przykładowe przebiegi parametru mikroklimatu, które można uzyskać stosując układ regulacji ciągłej pokazano na rysunku 1. Jeśli porównamy ze sobą przebiegi regulowanego parametru mikroklimatu, uzyskane podczas regulacji dwupołożeniowej (Rys. 10b) i regulacji ciągłej (rys. 13) można zauważyć, że w przypadku regulacji ciągłej jest możliwe uzyskanie wymaganej przez technologa wartości y o przez regulowany parametr mikroklimatu y. Takiej możliwości nie dają układy regulacji dwupołożeniowej, w których wielkość regulowana y oscyluje wokół wartości y o. 18

19 a) b) c) Rys. 13. Przykładowe przebiegi wielkości regulowanej y (parametru mikroklimatu), które można uzyskać podczas regulacji ciągłej z wykorzystaniem regulatora PID 5. Przykładowy system sterowania parametrami mikroklimatu w specjalistycznym obiekcie rolniczym Poniżej przykładowo, bazując na materiałach reklamowych firmy [13], opisany zostanie system sterowania mikroklimatem w pieczarkarni, oferowany jest przez polską firmę LAB EL. System ten współpracuje z oferowanym także przez firmę LAB EL sterownikiem klimatu typu LB 760. System przeznaczony jest do sterowania mikroklimatem tylko w jednej hali uprawowej. Gdyby pieczarkarnia składała się z kilku hal, w każdej z nich należałby zainstalować opisywany system sterowania. Ponadto pieczarkarnia powinna być wyposażona w komputer PC, dzięki czemu możliwe będzie połączenie systemów sterowania w kilku halach we wspólny system. Na rysunku 14 pokazano schemat ideowy pieczarkarni wraz z wyposażeniem technicznym [Sakson 2005]. Na rysunku tym przyjęto następujące oznaczenia: HU - hala uprawowa, PU podłoże uprawowe, A, B, C, D - czujniki temperatury podłoża uprawy, E, F - czujnik temperatury powietrza w centrali klimatycznej, G - psychometr, WN - wentylator, SW silnik, FA falownik, RN - kanał wentylacyjny, DN otwory wylotowe kanału, RW - dysze rozpylające wodę, KM - komora mieszania, CP - czerpnie, PP przepustnice, SP siłownik, CH - chłodnica, NA - nagrzewnica, WW nawilżacz, SO - syfon, ZZ, ZP, ZW - zawory, PS - powietrze świeże, PC powietrze wewnętrzne, WP powietrze wywiewane, WG - woda gorąca, WL - woda lodowata, OW nadmiar wody. 19

20 Rys. 14. Schemat ideowy pieczarkarni wraz z wyposażeniem technicznym [Sakson 2005] System sterowania mikroklimatem tworzą: 1. Układ regulacji temperatury i wilgotności powietrza w hali uprawowej, 2. Układ regulacji temperatury i zawartości wody w podłożu w hali uprawowej, 3. Układ regulacji stężenia dwutlenku węgla w powietrzu wewnętrznym. Dodatkową funkcją systemu jest możliwość regulacji mikroklimatu w hali uprawowej przy pomocy nawiewu powietrza zewnętrznego, co pozwala na znaczne oszczędności w zużyciu energii (np. chłodzenie zimnym nocnym powietrzem w okresie letnim). System realizuje archiwizację wyników pomiarów parametrów technologicznych pieczarkarni i tworzenie ich historii, pozwala na przeglądanie wyników w postaci wykresów i drukowanie tych wyników na drukarce. Regulator jest wyposażony w wyjście alarmowe (wyjście 6), sygnalizujące stany awaryjne urządzeń (np. uszkodzenia czujników pomiarowych, brak zasilania) lub sygnalizujące stan poważnego zagrożenia uprawy (np. w wyniku znacznego odchylenia zmierzonych warunków klimatycznych w hali od wartości zadanych przez technologa). Do wyjścia alarmowego może zostać dołączony np. dzwonek, który oznajmi dyżurującej obsłudze wystąpienie sytuacji alarmowej. 20

21 Firma LAB EL może dostarczyć użytkownikom jedną z dwóch wersji produkowanych przez siebie regulatorów typu LB 760. Regulatory te różnią się liczbą współpracujących z nimi czujników pomiarowych i rodzajem wyjść sterujących: regulator LB-760 przeznaczony jest do współpracy ze starszymi rozwiązaniami central klimatyzacyjnych (kanałów z wbudowanymi wymiennikami ciepła i wentylatorem). Może być wykorzystany do dwupołożeniowej regulacji parametrów mikroklimatu w pieczarkarni, gdyż posiada wyjścia przekaźnikowe do współpracy z dwustanowymi zaworami do wody gorącej i lodowej (typu zamknij/otwórz); regulator LB-760A - przeznaczony jest do współpracy z najnowszymi rozwiązaniami central klimatyzacyjnych, umożliwiającymi uzyskanie pełniej klimatyzacji hali z wykorzystaniem układów regulacji ciągłej. Posiada oprócz wyjść przekaźnikowych wyjścia proporcjonalne V. Oznacza to że regulator PID działa wówczas jak regulator typu P i umożliwia w sposób płynny (ciągły) otwieranie lub zamykanie zaworów przez współpracujące z nimi siłowniki. Regulator typu LB 760A pokazano na rysunku 15, zaś regulator wraz ze współpracującymi z nim urządzeniami przedstawiono na rysunku16. Rys. 15. Regulator typu LB 760 firmy LAB EL [13] Do współpracy z regulatorami typu LB-760 i LB-760A firma LAB EL może dostarczyć następujące czujniki pomiarowe (Rys. 16): 1. Regulator LB-760: trzy czujniki temperatury podłoża, oznaczone symbolami A, B, C na rysunku 14, realizujące pomiar temperatury w różnych punktach podłoża uprawowego. Wykonane są one w postaci szpilek i ich konstrukcja umożliwia łatwe umieszczenie czujnika w podłożu; sondę psychrometryczną G (Rys.14), służącą do pomiaru wilgotności względnej i temperatury powietrza w hali uprawowej. miernik stężenia dwutlenku węgla, indywidualny (osobno w każdej hali) lub systemowy (jeden na wszystkie hale lub grupę hal). W drugim przypadku powietrze z każdej z hal dostarczane jest wówczas cyklicznie do miernika CO 2 przy pomocy systemu zaworów, rur i pompy powietrza. Działanie takiego systemu pomiarowego musi w sposób ciągły nadzorować komputer. Jest to warunek działania tej instalacji. Zastosowanie takiej metody pomiaru stężenia dwutlenku węgla pozwala na znaczne obniżenie kosztów systemu sterowania, gdyż wymagany jest tylko jeden miernik stężenia CO 2, termohigrometr LB-710, zainstalowany na zewnątrz hali, mierzący temperaturę i wilgotność względną powietrza zewnętrznego. 21

22 Rys. 16. Urządzenia współpracujące z regulatorem klimatu LB-760A: A, B, C i D - czujniki do pomiaru temperatur podłoża, E i F - czujniki do pomiaru temperatury powietrza w centrali klimatyzacyjnej, G - psychrometr do pomiaru temperatury i wilgotności powietrza w hali; urządzenia wykonawcze sterowane proporcjonalnie, urządzenia wykonawcze sterowane przekaźnikami [13] 2. Regulator LB-760A (oznaczenia czujników takie, jak na rysunku 14): cztery czujniki pomiarowe temperatury podłoża (A,...,D) oraz dwa czujniki do pomiaru temperatury powietrza (E, F), umożliwiające pomiar temperatury powietrza w centrali klimatyzacyjnej, sondę psychrometryczną G, służącą do pomiaru wilgotności względnej i temperatury powietrza w hali uprawowej. miernik stężenia CO2, indywidualny (osobno w każdej hali) lub systemowy (jeden na wszystkie hale lub grupę hal), termohigrometr LB-710, zainstalowany na zewnątrz hali w klatce meteorologicznej, w miejscu osłoniętym od bezpośrednich opadów deszczu i promieniowania słońca. Do regulatorów LB-760 i LB-760A mogą być dołączone następujące elementy wykonawcze: Do wentylacji hali przepustnice powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, sterowane proporcjonalnie jednym albo dwoma sprzężonymi elektrycznie siłownikami, Zawór grzania, regulujący dopływ wody gorącej do nagrzewnicy w sposób ciągły (płynny) (dla LB-760A - zaworem z siłownikiem) lub dla LB-760 i LB760A - zaworem typu włącz/wyłącz, Zawór chłodzenia, regulujący dopływ wody lodowej do chłodnicy w sposób płynny (dla LB-760A - zaworem z siłownikiem) lub dla LB-760 i LB760A - zaworem typu włącz/wyłącz, Zawór nawilżania, regulujący dopływ rozpylonej wody (albo pary) w sposób płynny (dla LB-760A - zaworem z siłownikiem) lub dla LB-760 i LB760A - zaworem typu włącz/wyłącz. Przemiennik częstotliwości, tzw. falownik, służący do płynnej zmiany prędkości obrotowej silnika, napędzającego wentylator w hali uprawowej. 22