Автоматизация управления технологическим процессом хранения картофеля на основе микропроцессорных систем

Одним из основных путей снижения потерь сельскохозяйственной продукции является обеспечение оптимальных температурно-влажностных режимов в хранилищах. Для осуществления необходимых технологических операций и поддержания требуемых режимов в хранилищах используются системы автоматического контроля и управления технологическим оборудованием.

Как показывают анализы В. И. Зуева, И. Л. Волкинда/1, 2/ и данные работы В. 3. Жадана /3/, потери от несоблюдения температуры и скорости охлаждения картофеля достигают 3−11%, а снижение относительной влажности воздуха в лечебный период увеличивает потери массы в 5 раз /1, 4, 5, 6/. При этом, по данным Н. Н. Рослова /7/ и В. 3. Жадана /8/, убыль массы при относительной влажности воздуха 90.95% по сравнению с влажностью 85.87% и 73,.75% сокращается соответственно в 2 и 2,5 раза, а прибавка урожая составляет от 2,7 до 4,2 т/га.

Существующие в нашей стране системы автоматического контроля температурно-влажностного режима в картофелехранилищах, как правило, основаны на аналоговых системах. С их помощью невозможно осуществлять расчеты по ходу выполнения программы и на основе этих расчетов корректировать работу оборудования. Несмотря на то, что эти системы не решают ряда задач, связанных с поддерживанием регламентированных современными агротехническими требованиями параметров режимов хранения, они все еще используются в ранее построенных хранилищах с массивными ограждающими конструкциями в связи с отсутствием новых систем автоматаки /4, 9/. В таких хранилищах колебания температуры наружного воздуха сказываются на параметрах режима через длительный промежуток времени, измеряемый часами, а возмущающее воздействие компенсируется включением отдельных элементов инженерного оборудования средствами автоматики, реагирующими на отклонение заданных параметров от полученных значений.

В последнее время все больше строится хранилищ с ограждающими конструкциями из трехслойных панелей с низкой теплоустойчивостью. В таких сооружениях колебания температуры наружного воздуха быстро (в течении нескольких минут) вызывают отклонения параметров от ряда предписанных значений на величины, значительно превышающие допустимые по агротехническим требованиям, что отражено в работах И. Л. Волкинда, В. Н. Богословского, H. Н. Рослова /4, 7, 10/. Только применение систем автоматического регулирования, реализующих математическое описание физических процессов, проходящих в хранилищах и основанных на использовании мини-ЭВМ и микропроцессоров, позволит решить задачу регулирования параметров режимов хранения в картофелехранилищах такой конструкции. Кроме того, микропроцессорная система, в отличие от аналоговой должна поддерживать разные температурно-влажностные параметры для различных режимов хранения, а отклонение температуры и относительной влажности в массе продукции не должно превышать соответственно + 1 °C и 3% ог заданных значений.

Зарубежные фирмы, поставляющие системы автоматики для хранилищ (ААТО ОКСАНЕН ОЮ Итумик, ВЕ automatik a/s и другие), широко применяют микропроцессорные системы в управлении микроклиматом/4, 11/ хранилищ.

Тем не менее, имея преимущества перед аналоговыми, эти системы автоматики не в полной мере реализуют вычислительные возможности компьютерной техники. В процессе эксплуатации хранилища постоянно меняются температура наружных стен и покрытия, а также поверхностного слоя массы картофеля. Однако известные системы автоматики не обеспечивают контроль за этими температурными параметрами и не учитывают их влияния на улучшение качества продукции.

Вместе с тем, имеется возможность более строго подойти к вопросу управления микроклиматом, постоянно определяя температурные параметры внутренней поверхности ограждений в зависимости от температуры наружного воздуха и температуры воздуха, подаваемого в воздушную прослойку. Определяя температуру внутренней поверхности наружного ограждения в каждый конкретный момент времени и сравнивая эти значения с температурой точки росы, можно обеспечивать необходимую температуру наружных ограждающих конструкций, исключающую выпадение конденсата. Более точное регулирование температур позволит улучшить условия хранения картофеля, уменьшить потери и понизить энергозатраты.

Другим недостатком существующих систем автоматики является использование для контроля относительной влажности пленочных и волосяных гигрометров, точность которых мала и колеблется в пределах ±3.6% /4/. Процессор позволяет получать расчет относительной влажности помещения хранения без использования датчиков влажности и на основе этих результатов регулировать влажность в помещении хранения.

Применение микропроцессорных систем управления микроклиматом в хранилищах сдерживается из-за отсутствия достаточного количества научных разработок, программного обеспечения и устройств управления, что делает задачу проведения научных исследований в этом направлении очень актуальной.

Основой для разработки систем управления в первую очередь должен послужить алгоритм, реализующий все технологические требования для картофелехранилища и способный осуществлять управление оптимальным набором оборудования. В свою очередь алгоритм, как специальное математическое обеспечение систем управления, по определению М. И. Гвардейцева /12/ станет основой для разработки программы управления микроклиматом в картофелехранилище.

В этой связи целью настоящей работы является создании более эффективных автоматических систем управления режимами хранения картофеля.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить анализ существующих параметров технологического хранения картофеля, применяемых систем контроля и управления микроклиматом в картофелехранилищах и их функциональных возможностей;

2) разработать теоретические основы контроля температурных параметров воздушной прослойки и верхней зоны хранилища;

3) создать алгоритмы функционирования отопительно-вентиля-ционного оборудования картофелехранилища;

4) разработать модели работы системы управления технологическим процессом на персональной ЭВМ;

5) разработать методику расчета размерных и режимных параметров системы управления микроклиматом в хранилищах;

6) выполнить производственную проверку и внедрение системы управления микроклиматом в картофелехранилище.

На защиту выносятся:

1) математическая модель регулирования параметров температуры и влажности в воздушной прослойке и в верхней зоне картофелехранилища в зависимости от температуры наружного воздуха;

2) научное обоснование выбора отопительно-вентиляционного оборудования в картофелехранилище;

3) алгоритмы контроля и управления основным технологическим процессом и оборудованием картофелехранилищ;

4) система управления и контроля технологического процесса, реализующая разработанные алгоритмы, на основе микропроцессорной техники.

Математическая модель управления технологическими режимами подтверждается и согласуется с результатами экспериментальной проверки в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность полученных в работе результатов. Результаты моделирования управления технологическими режимами подтверждаются результатами экспериментальной проверки в лабораторных и производственных условиях.

Научная новизна. Установлена функциональная связь между тем-пературно-влажностными параметрами воздушной прослойки и верхней зоны картофелехранилища с режимами работы отопительно-вентиляционного оборудования. Выявлена зависимость температурно-влажностных параметров воздушной прослойки и верхней зоны картофелехранилища от воздействия внешних факторов.

Разработаны алгоритмы функционирования инженерного оборудования в картофелехранилищах, для управления технологическим процессом хранения картофеля.

Создана математическая модель, позволяющая в лабораторных условиях моделировать работу отопительно-вентиляционного оборудования.

Практическая ценность. Разработана и рекомендуется к производству более эффективная система автоматизации технологии хранения картофеля на основе микропроцессорной техники.

Работа выполнялась в соответствии с Постановлением Совета Министров от 5.05.84 г. № 413 «Об организации промышленного производства и ввода в эксплуатацию хранилищ из легких металлических конструкций для картофеля, овощей и фруктов в 1986;1990 годах», планами и программами научно-исследовательских работ отраслевой лаборатории Орловской Государственной сельскохозяйственной академии.

Практическая реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на базе торгово-распределительного центра совхоза им. 1 Мая, (Московская область).

Решением межведомственной комиссии (протоколы от 20, 23 декабря 1988 года и акт от 22 декабря 1988 года) микропроцессорная система управления микроклиматом принята в опытную и промышленную эксплуатацию.

Отдельные положения диссертации используются в учебном процессе в Орловской Государственной сельскохозяйственной академии.

Апробация работы. Основные положения диссертации были обобщены и получили положительную оценку ученых и производственников на III съезде «Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике» (Москва, 1993), на международной научно-практической конференции «Совершенствование хранилищ для картофеля, овощей и плодов и их инженерного оборудования на основе современных достижений техники и технологии» (Орел, 1993), на международном семинаре «Современные системы и элементы инженерного оборудования, сельскохозяйственных производственных зданий «(Орел, 1994), на научно-практической конференции «Внедрение достижений науки в производство и учебный процесс в условиях перехода к рыночной экономике» (Орел, 1995).

Публикации по работе. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах среди которых два авторских свидетельства, один патент и одно положительное решение о выдаче патента.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Текст изложен на 137 страницах, включает.

42 рисунка и 21 таблицу.

Список литературы

составляет 112 наименований.

Во введении рассмотрены актуальность и выбор темы диссертационной работы сформулированы цель и задачи исследования, основные положения выносимые на защиту и практическая значимость работы.

В первой главе дан анализ существующих в нашей стране и за рубежом систем и методов управления микроклиматом в картофеле-овощехранилищах. Дается краткое описание основных систем автоматики. Приведены сравнительные характеристики близких по технологическим параметрам схем микропроцессорной и аналоговой систем управления. На основе проведенного анализа выявлены их недостатки и преимущества, поставлена цель исследования.

Во второй главе дан расчет основных параметров тепломассооб-менного процесса в картофелехранилище. Эти расчеты явились основой создания алгоритмов функционирования инженерного оборудования картофелехранилища, которые позволяют разработать систему автоматики для управления технологическим процессом хранения картофеля.

В третьей главе приводится описание технологических алгоритмов функционирования отопительно-вентиляционного оборудования, приведены структурные схемы и дается краткое описание работы алгоритмов по каждому режиму хранения. Учитывая созданные алгоритмы разработана математическая модель, позволяющая на персональной ЭВМ смоделировать и проанализировать процессы протекающие в картофелехранилище при различных параметрах и оценить, правильность учета алгоритмом возможных ситуаций. Программа включает 4 режима хранения картофеля и позволяет проследить работу исполнительных механизмов по обеспечению оптимальной для данной ситуации температуры вентиляционного воздуха, невыпадения конденсата на поверхности ограждающих конструкций и в насыпи продукции. Она позволяет проверить правильность выбора той или иной подпрограммы при различных соотношениях между температурами наружного воздуха и продукции, наружного воздуха и температуры воздуха в помещении хранения, температуры продукции и температуры воздушной прослойки. Программа предусматривает управление следующими исполнительными механизмами: вентилятор и смесительный клапан, увлажнитель вентиляционного воздуха, холодильная машина вентиляционного воздуха, холодильная машина в верхней зоне, обогреватель верхней зоны, обогреватель воздушной прослойки, увлажнитель верхней зоны, обогреватель вентиляционного воздуха.

В четвертой главе приведены методика проведения экспериментальных исследований и результаты работы микропроцессорной системы автоматического управления технологическим оборудованием картофелехранилища. Приведена оценка продукции в ходе эксперимента и анализ ее качества.

В приложениях к диссертации приведены температурно-влажностные параметры исследования математической модели системы автоматики, протоколы и акт приемки в промышленную эксплуатацию микропроцессорной системы управления микроклиматом в картофелехранилище.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1). На основании выполненных исследований и обобщений решена задача разработки более эффективной технологии хранения картофеля в хранилищах на основе микропроцессорной техники.

2). Установлена функциональная связь между температурно-влажностными параметрами воздушной прослойки, верхней зоны и режимами работы отопительно-вентиляционного оборудования.

3). Разработана математическая модель автоматической системы управления микроклиматом картофелехранилища, учитывающая влияние температурно-влажностных параметров на работу отопительно-вентиляционного оборудования. Математическая модель позволила создать систему управления технологическим оборудованием для различных режимов хранения картофеля. Подтверждена адекватность качественных показателей модели и технологии хранения картофеля в производственных условиях управления микроклиматом.

4). Подобрана комплектация отопительно-вентиляционного оборудования картофелехранилища.

5). Разработаны алгоритмы функционирования инженерного оборудования в картофелехранилищах для управления микроклиматом по всем режимам хранения картофеля.

6). На основе разработанных алгоритмов выбраны микропроцессорные системы автоматики для управления технологическим процессом и контроля параметров температурно-влажностного режима.

7). Проведены испытания системы управления микроклиматом. Показано, что в течение сезона хранения естественные потери массы картофеля составили в среднем 2,46%. Картофель был сухой. На поверхности стен и покрытия конденсат отсутствовал.

8). Итоги исследований и методика расчета и проектирования микропроцессорной системы управления внедрены в производство.