B
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE
AUTOMATIZACE ÍZENÍ A MONITOROVÁNÍ PROST EDÍ VE SKLENÍKU GREENHOUSE AUTOMATION AND CLIMATE CONTROL
DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER’S THESIS
AUTOR PRÁCE
BC. PAVEL RATAJ
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2015
DOC. ING. JOSEF ŠT TINA, PH.D.
AA Diplomová práce se zabývá m ením a návrhem optimalizace stávajícího systému vytáp ní a v trání skleníku Arboreta v Brn . Skleník slouží k p stování orchidejí. V rámci práce bylo v objektu provedeno dlouhodobé m ení. Výsledkem této práce jsou nam ená data a jejich rozbor, návrh na vylepšení celého systému m ení a regulace. Sou ástí dokumentu je také numerická simulace sou asného stavu prost edí ve skleníku.
ABSTRACT
This master’s thesis occupies with measurements and a proposal of optimization the current heating and ventilation system of the greenhouse in Arboretum of Brno. The greenhouse is determined for growing orchids. There were taken long-term measurements in this compound. End results of this master’s thesis are measured data and their analysis, the suggestion for improvement of the whole measurement and regulation system. The part of the document is the numerical simulation of the current environment state in the greenhouse.
KLÍ OVÁ SLOVA skleník, Arboretum , M ení , Regulace
KEY WORDS greenhouse, arboretum, measurement, regulation
! RATAJ, P. Automatizace ízení a monitorování prost edí ve skleníku. Brno: Vysoké u ení technické v Brn , Fakulta strojního inženýrství, 2015. 59 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Josef Št tina, Ph.D.
"estné prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval zcela samostatn za pomocí zdroj uvedených v p íloze této práce.
V Brn dne 29. 5. 2015
………………………………………. Bc. Pavel Rataj
P#$ kování D kuji panu doc. Ing. Josefu Št tinovi, Ph.D., za odborné vedení mé práce a cenné rady pi hledání výsledného ešení. Dále d kuji panu Ing. Pavlovi Charvátovi, Ph.D. za technickou podporu p i práci se softwarem TRNSYS. Rovn ž d kuji za odbornou pomoc panu Ing. Janu Vidímovi z firmy Domat Control System. Moc rád bych také pod koval kolektivu pracovišt Arboreta, jmenovit paní Ing. Ann Buchtové, za cenné konzultace i trp livost p i realizaci této diplomové práce v prost edí skleníku. V neposlední ad pat í pod kování rodin za veškerou podporu v dob studia, zvlášt pak mé snoubence, která mi byla velkou psychickou podporou.
E%&'(&)*+,- ./)01
Obsah 1. Úvod…………………………………………………………………………. 13 2. Teoretická ást………………………………………………………………. 15 2.1. Úvod do teoretické ásti ………………………………………………... 15 2.2. Historie areálu Arboretum Brno ………………………………………… 15 2.3. Popis areálu Arboretum Brno ….……………………………………….. 15 2.4. Popis m eného sektoru ……………………………………….………... 16 2.5. P stební skleníky ……………………………………….………………. 16 2.5.1. Historie stavby skleník ………………………………………… 16 2.5.2. Funkce skleník ………………………………………………… 17 2.5.3. Radia ní p enos tepla …………………………………………… 18 2.5.4. Skleníkový efekt ………………………………………………… 20 2.6. Použité m icí metody ……………………………………….………. 21 2.6.1. M ení teploty ………………………………………………...… 21 2.6.2. M ení vlhkosti …………………………………………………. 21 2.6.3. M ení osvitu …………………………………………………… 21 2.6.4. M ení koncentrace CO2 …………...…………………………… 22 2.6.5. Metoda m ení CO2 NDIR ……………………………………… 22 2.7. Další použitá za ízení …………………………………………………… 23 2.7.1. Procesní stanice IPLC 301 ……………………………………… 23 2.7.2. Podstanice Domat MCIO 2 …………………………………….. 24 2.7.3. Podstanice Domat M 500 ………………………………………. 24 2.8. Vizualiza ní a programovací prost edí …………………………………. 25 2.8.1. SoftPLC IDE ……………………………………………………. 25 2.8.2. RC Ware Vision ………………………………………………… 26 2.8.3. Simula ní prost edí TRNSYS ………………………………...… 28 3. M icí ást …………………………………………………………………... 29 3.1. Návrhy na vylepšení z praxe ……………………………………………. 29 3.2. Sou asný stav MaR ……………………………………………………... 30 3.2.1. Tepelné ztráty …………………………………………………… 31 3.2.2. Otopný systém s t lesy ………………………………………….. 32 3.2.3. Regulace ………………………………………………………… 32 3.3. Instalovaná m icí soustava …………………………………………….. 33 3.3.1. Rozmíst ní jednotlivých senzor ……………………………….. 33 3.3.2. Rozvad s vyhodnocovacími prvky ………………………….… 34 3.4. Programy m icí soustavy ………………………………………….....… 35 3.4.1. M ící program IDE ……………………………………………. 35 3.4.2. Vizualiza ní program RC Ware ………………………………... 36 3.4.3. Použitý materiál ………………………..…………………….…. 36 3.5. Nam ené hodnoty………………………………………………….…… 37 3.5.1. Podrobn zpracované dny………………………..……………… 37 3.5.2. Vzájemné ovlivn ní hodnot ………………………………..…… 40 3.6. Slovní zhodnocení výsledk ……………………………………….…… 44
11
234564789:; <=7>? 4. Regula ní a simula ní ást……………………………………………..…… 4.1. Problémy s regulací systému………………………………………….… 4.2. Návrh nového systému regulace………………………………………... 4.3. Simulace aktuálního stavu skleníku v programu TRNSYS………….…. 5. Záv r ………………………………………………………………………...
45 46 47 50 53
Seznam zdroj a literatury……………………………………………………… 55 P íloha . 1………………………………………………………………….…... 57 P íloha . 2 ……………………………………………………………………… 59
12
@CDFGDHIJKL MNHOQ 1 ÚVOD Diplomová práce se zabývá monitorováním, návrhem vylepšení a optimalizací stávajícího ídicího systému prost edí ve skleníku. Skleník je sou ástí komplexu Arboreta, které sídlí v m stské ásti Brno-Královo Pole. V objektu je instalována dvoutrubková vytáp cí soustava využívající plynové kotle jako zdroj vytáp ní. V zimních a jarních m sících roku 2015 bylo ve skleníkovém sektoru . 3 provedeno dlouhodobé m ení. Na n kolika místech byly nam eny parametry vnit ního i venkovního prost edí (vlhkost, teplota, intenzita osvitu, hodnota CO2). Cílem výzkumu bylo získání jasn jší p edstavy o chování celého systému prost edí ve skleníku a shromážd ní dat pro návrhové simula ní ešení. Teoretická ást diplomové práce se obecn zabývá použitým m icím systémem, popisem vlastního pot ebného prost edí skleníku a systémy m ení. M icí ást se zabývá vlastním m ením a vyhodnocením dat. Regula ní ást navrhuje režimy na vylepšení systému regulace. Pomocí numerické simulace v programu TRNSYS nam ené hodnoty porovnává s hodnotami získanými b hem m ení v objektu, a to p i snaze zachovat stejné okrajové podmínky.
RSTUVTWXYZ[ \]W^_
`abcdbefghi jkelm 2 Teoretická ást 2.1 Úvod do teoretické ásti Teoretická ást práce se obecn zabývá nejen skleníky pro p stování rostlin, ale také použitým m icím systémem, jeho historií a popisem konkrétních m icích typ . Dále se rovn ž snaží objektivn porovnat použité m icí systémy. V dnešní dob , kdy spole nost stále klade vyšší d raz na ekonomii i ekologii provozu vytáp cího systému a jeho regulaci, se jeví jako zcela nezbytné ešit problematiku „inteligentního“ regulujícího systému. S tímto požadavkem souvisí zapojení vhodných m icích prvk , které zaru í co nejlepší popis daného prost edí. Díky tomuto popisu pak m žeme získat požadovaný tepelný komfort v objektu. Ve skleníku jde o velice specifické prost edí, jež vyžaduje jak výrazn vyšší teploty, tak i vyšší vlhkosti, než v b žných provozech. Jedná se o velmi málo teoreticky propracovanou oblast, p estože zde m že jít o vysoké tepelné ztráty i zisky na daném objektu.
2.2 Historie areálu Arboretum Brno Botanická zahrada je výukové a ú elové za ízení Mendelovy univerzity v Brn . P vodn p edstavovala jen malou plochu poblíž areálu školy, která obsahovala taxony bylin se zam ením na zem d lskou produkci. V návaznosti na tuto zahradu bylo prof. Ing. Antonínem Bayerem v roce 1938 založeno Arboretum pro pot eby výuky lesních inženýr . Areál byl z p vodní rozlohy 2 ha rozší en na sou asnou plochu 11 ha. Prostor je roz len n na ásti venkovní a vnit ní (skleníky). V roce 1967 byl objekt p esunut a rozší en do stávající lokality a byl obohacen o p vodn soukromou sbírku orchidejí Ing. Ji ího Duška a doc. Jana K ístka, která ítala 350 druh orchidejí. Zahrada byla budována dle plán prof. Ing. Ivara Otruby. V roce 1995 byl již stav skleník neúnosný, jak z hlediska bezpe nosti, tak z hlediska spot eby energie. Proto bylo p istoupeno k rekonstrukci a dobudování objektu do dnešní podoby [1].
2.3. Popis areálu Arboretum Brno [1] Zahrada leží v nadmo ské výšce 220–250 m n. m. v oblasti s pr m rným úhrnem srážek 547 mm/rok a pr m rnou ro ní teplotou 8,4 °C. Sbírky celého Arboreta zahrnují na 4 000 taxon orchidejí, 300 tillandsií, 2 000 trvalek, 350 kultivar velkokv tých kosatc , 500 skalni ek a 4 000 d evin. V p stebních sklenících se nacházejí p evážn orchideje.
nopqrpstuvw xysz{
Obr. 1 Orienta ní mapa ( ervená te ka ozna uje skleník) [20]
2.4 Popis m eného sektoru Práce se zabývá situací v jednom ze 7 skleník , ve kterém jsou umíst ny kultury orchidejí. Skleník ze t í stran sousedí s jiným skleníkem, pouze jedna strana sousedí s venkovním prost edím. Kostra lod skleníku je postavena z hliníkových profil , které jsou vypln ny jednovrstvým sklem. Vypln ny t mito panely jsou ze t í stran, v etn venkovní (severní strana) a konstrukce stropu. Pouze z jedné strany sousedící se skleníkem . 7 je st na vypln na áste n i polykarbonátem. U polykarbonátové st ny je umíst n sb ra , napájený z kotelny, a veškeré rozvody pro vytáp ní skleníku.
2.5 P stební skleníky
2.5.1. Historie stavby skleník [2]
Hlavním p edpokladem vzniku skleníku, bylo nutné vynalézt sklo. To bylo poprvé vyrobeno 1500 p . n. l. Avšak tabulové sklo tak, jak bylo pot eba ve skleníku, se vynalezlo až mnohem pozd ji (14. století). Skleníky se ve v tší mí e za aly používat až po átkem 17. století, kdy si bohatá šlechta cht la uchovat vzácné exotické rostliny i v nep vodním prost edí. Ambicí šlechty bylo také mít tzv. sezónn -místní rostliny celoro n k dispozici. Z po átku tedy nešlo o klasické prosklené prostory, ale spíše o vytáp né prostory, které umož ovaly p ezimování rostlin. K použití skleník pro p stování rostlin dochází poprvé ve 2. pol. 18. století, protože bylo pot eba poskytnout rostlinám nejen teplo, ale i dostatek sv tla. Pozd ji se za aly konstrukce zdokonalovat nap íklad kovovým skeletem, do n jž se skla vsazovala. Nejstarší dochovaný skleník tohoto typu se nachází na jižní Morav v areálu Státního zámku Lednice.
|}~~
2.5.2. Funkce skleník
Základním principem fungování skleníku je všeobecn známý tzv. skleníkový efekt. Jde o jev, který využívá toho, že p ed pr chodem sv telného zá ení p es sklo (nebo jiný pr hledný materiál) má sv tlo krátkou vlnovou délku. P i dopadu na sklo se ást paprsk odrazí a ást projde dovnit . P i tomto procesu se ást zá ení p em ní na tepelné zá ení, které má ale dlouhou vlnovou délku a oknem zp t ven již neprojde. Hromadí se proto uvnit a okolní vzduch zah ívá. Skleník se pak samovoln ochlazuje díky p enosu tepla. Je to dáno, jak tepelnou vodivostí materiál , tak sáláním p enášejícím tepelnou energii z teplejšího místa na studen jší. K zajišt ní maximálního pr niku slune ních paprsk p es sklo je zapot ebí zajistit úhel, který zaru uje kolmé dopadání slune ního zá ení. To je komplikováno tím, že se slunce na obloze pohybuje v závislosti na ase (ro ní období, ást dne). Sklo má tu nevýhodu, že propouští málo UV zá ení, které k r stu rostliny (zejména kultury orchidejí) nejvíce pot ebují. Proto se v t chto p stebních sklenících áste n používají nap íklad polykarbonátové desky, které toto zá ení áste n propoušt jí. Jednou ze základních výb rových vlastností skleníkového skla je také jeho propustnost sv tla.
Obr. 2 Rozklad zá ení [21]
Obr. 3 Odraz dopadajícího zá ení [22]
2.5.3. Radia ní p enos tepla [3]
Obr. 4 Elektromagnetické zá ení [23] Zá ivá energie dopadající na povrch každého t lesa m že být z ásti odražena, z ásti pohlcena a áste n jím m že projít. Vzájemný pom r musí však dohromady dát vždy 1 neboli 100 % dopadající energie (r + a + t = 1). V závislosti na druhu materiálu se pak pom r jednotlivých druh energie m ní (nap . pro absolutn erné t leso platí že a = 1, r = t = 0) (1.1) kde je celková dopadající energie, r [-] je odražená energie (reflexe), a [-] je absorbovaná energie, t [-] je procházející energie (transmitovaná). Pro energii dopadající na jakýkoliv povrch existují 2 typy odrazu. Pokud je úhel odrazu roven úhlu dopadu, jde o tzv. „zrcadlový“ odraz. Jestliže je dopadající parsek rovnom rn odražen do všech sm r , jedná se o odraz „difuzní“.
Obr.5 Zrcadlový a difuzní odraz [24]
Obr. 6 Druhy zá ení [25]
¡ ¢£¤¥ Dle Stefan – Boltzmannova zákona je definován pojem zá ivost erného t lesa E0. Zá ivost je úm rná tvrté mocnin absolutní teploty povrchu t lesa. (1.2) kde E0 [W] je zá ivost t lesa, T [K] je termodynamická teplota povrchu a s = 5,67.10-8 W.m-2K-4 Obecn tedy platí, že zá ivost t lesa E je energie emitovaná t lesem o dané teplot na jednotku plochy a za jednotku asu (Js-1/m-2). Absorptance a je tedy podíl energie pohlcené daným povrchem k energii dopadající na tento povrch. Jde o pom r energie emitované z daného povrchu a energie emitované z tohoto povrchu, pokud by byl erný, a ob t lesa m la stejnou povrchovou teplotu. Tento pom r dvou zá ivostí definujeme jako pom rnou zá ivost neboli emisivitu . (1.3) kde [-] je emisivita t lesa, Eo emitovaná energie z povrchu a E je emitovaná energie z daného povrchu. Z dané rovnice plyne, že a = , tento fakt je nazýván Kirchhofovým zákonem. Jde pouze o íselnou rovnost, nikoliv o rovnost fyzikální.
Obr. 7 Proud ní tepla [25]
Obr. 8 Hustota energie [25]
¦§¨©ª¨«¬®¯ °±«²³ 2.5.4. Skleníkový efekt [3]
Každý povrch o dané teplot emituje elektromagnetické zá ení, jehož sou ástí je i zá ení tepelné. Toto zá ení je emitováno prakticky v celém rozsahu vlnových délek. P itom ale pro každou hodnotu vlnové délky je emitována jiná hodnota zá ivé energie. Nap . pro velmi krátké vlnové délky je emitovaná energie nízká, s rostoucí vlnovou délkou energie roste a po dosáhnutí svého maxima a s dalším r stem vlnové délky vyza ovaná energie klesá. Zá ivost E je tedy funkcí vlnové délky λ. Zá ivost erného t lesa vztažená na jednotku vlnové délky je ozna ována jako monochromatická zá ivost. Z uvedeného grafického znázorn ní je patrné, jak se maximum v pr b hu zá ivosti s vyšší teplotou posouvá k nižším vlnovým délkám. Toto maximum je vyjád eno Wienovým posunovacím zákonem. Wien v posunovací zákon:
´µ¶·¸ kde ¹º »¼½¾»¿ ÀÁ¼Âà ÄÃÅÆÄà ÇȺÂÉÊ¿¼½Ë ÌÍÇɾÉÎ »ÎÏà ování, T je teplota t lesa a b je Wienova konstanta, jejíchž hodnota je 2879 µm.K.
Obr. 9 Zá ivost [3]
Obr. 10 Transmisivita vzduchu [26]
Grafické zobrazení vysv tluje poznatek, že p i teplotním ádu 500 °C se významné zá ení projevuje v oblasti infra erveného zá ení na vlnových délkách, které jsou p íliš dlouhé na to, aby byly viditelné lidským okem. Jakmile teplota povrchu vzr stá, energetické rozložení se posouvá do oblasti kratších vlnových délek, takže p i teplot 2000 °C už povrch velmi jasn zá í. Tyto zm ny rozložení energie ve spektru vlnových délek mají zna ný praktický význam. Práv sklo je b žn transparentní na zá ení krátkých vlnových délek, jako slune ní (UV) a nepr chodné pro zá ení na dlouhých vlnových délkách z nízkoteplotních zdroj (IR). Z toho vyplývá istý tepelný efekt zahradních skleník .
ÐÑÒÓÔÒÕÖ×ØÙ ÚÛÕÜÝ 2.6 Použité m icí prvky a metody Všechny použité m icí prvky byly zap j eny firmou Domat Control System s.r.o. M ící prvky se b žn používají k m ení daných veli in pro pot eby MaR. Všechny senzory byly napájeny 24 V stejnosm rného nap tí.
2.6.1. M ení teploty [19]
K m ení teploty bylo použito n kolika typ m idel vždy podle toho, zda nebyly zárove na stejném míst m eny i další veli iny. Všechny druhy ale dodávaly získané nam ené výsledky v hodnotách 0-10 V, které se poté v softwaru transformovaly na požadovanou veli inu. Všechny typy senzor byly vybaveny m icím senzorem typu Pt 1000. K m ení venkovní teploty byl použit senzor typu AFTF-U. Tento senzor má krytí IP 65. Toto idlo má nastavitelný teplotní m icí rozsah, v uvedeném p ípad byl nastaven na rozsah - 35-50 °C. Rozm r celého senzoru je 108 x 75 x 70 mm. K m ení vnit ní teploty byl použit senzor typu UT051. Tento senzor má krytí IP 43. idlo má teplotní m ící rozsah – 20 – 70 °C. Rozm r celého senzoru je 115 x 90 x 30 mm. Hodnota odporu p i 0 °C je 1000 Ohm. Rovnice nejistoty m ení t ídy B je: T= ± (0,30 + 0,005 | t |). K m ení vnit ní teploty byl použit také senzor typu UT090. Tento senzor má krytí IP 20. idlo má teplotní m icí rozsah 0 – 50 °C ± 0,5 °C. Rozm r celého senzoru je 115 x 90 x 30 mm. Hodnota odporu p i 0 °C je 1000 Ohm.
2.6.2. M ení vlhkosti [19]
K m ení vlhkosti bylo použito pouze jednoho typu m idla. Získané nam ené výsledky byly v hodnotách 0–10 V, které se poté v softwaru transformovaly na hodnotu vlhkosti. K m ení venkovní i vnit ní vlhkosti byl použit senzor typu AFTF-U. Tento senzor má krytí IP 65. Toto idlo m í v m icím rozsahu 0 – 95 % Rh. Chyba m ení je ± 5 %, pouze p i teplot 20 °C je 3 %. Rozm r celého senzoru je 108 x 75 x 70 mm.
2.6.3. M ení osvitu [19]
K m ení venkovního osvitu bylo použito pouze jednoho typu m idla. Získané nam ené výsledky byly v hodnotách 0 – 10 V, které se poté v softwaru transformovaly na požadovanou veli inu. K m ení venkovního osvitu byl použit senzor typu AHKF. Tento senzor má krytí IP 65. Toto idlo bylo nastaveno na m icí rozsah 0 – 500 Lx. Chyba m ení je ± 10 % max. hodnoty, pouze p i teplot 20 °C je ± 3 %. Rozm r celého senzoru je 108 x 75 x 70 mm.
Þßàáâàãäåæç èéãêë 2.6.4. M ení koncentrace C02 [19]
K m ení koncentrace CO2 bylo použito m idla typu UT090. Získané nam ené výsledky byly v hodnotách 0-10 V, které se poté v softwaru transformovaly na požadovanou veli inu v jednotkách koncentrace ppm. Senzor má krytí IP 20. Toto idlo bylo nastaveno na m icí rozsah 0–2000 ppm metodou CO2 NDIR (Non-dispersive Infra Red). Chyba m ení je ± 30 ppm ± 5 % nam ené hodnoty, nezávisle na teplot . Rozm r celého senzoru je 115 x 90 x 30 mm.
2.6.5. Metoda m ení C02 NDIR (Non-dispersive Infra Red)
K m ení koncentrace ppm bylo použito výše zmín né idlo, které využívalo metodu NDIR, což je infra ervené optické m ení absorpce. K m ení se používá oxid zinku, jde o polovodi . Senzor pracuje na principu vyza ování infra erveného sv tla, které je sm rováno p es komoru s plynem sm rem k detektoru. Vedle je referen ní komora s uzav eným plynem (dusíkem). Plyn v komo e vzorku zp sobuje absorpci ur itých vlnových délek. Útlum t chto vlnových délek se m í pomocí detektoru pro stanovení koncentrace plynu. Detektor s optickým filtrem absorbujícím plyn eliminuje veškeré sv tlo až na ur itou vlnovou délku. Nevýhodou této metody je, že m že tuto absorpci v ur itých vlnových délkách ovlivnit i jiný plyn, a tak zkreslit výsledky [11].
Obr. 11 Schéma NDIR senzor [12]
ìíîïðîñòóôõ ö÷ñøù 2.7 Další použitá za ízení 2.7.1. Procesní stanice IPLC 301 [19]
Stanice (MASTER) slouží k ízení celé sestavy na rozhraních RS 485, RS 232. Regulátor obsahuje vlastní realtimový opera ní systém (RunTime), který se spouští s aplika ním programem. Systém je vybaven hodinami reálného asu zálohovanými bateriemi, softwarov ovladatelnou akustickou signalizací (Alarm), pam tí FLASH a tzv. Watchdogem. Pro komunikaci s ostatními za ízeními lze využít Ethernet, nebo sériové rozhraní RS 485. Pro indikaci komunikace po RS 485 slouží vždy dv LED u p epína e ukon ování sb rnice. Program se m že nahrávat, bu to pomocí vývojového nástroje SoftPLC IDE, nebo pomocí protokolu FTP p es Ethernetové rozhraní. Stanice obsahuje 6 podsv tlených tla ítek a displej. Menu displeje lze konfigurovat p i tvorb aplika ního programu vytvo ením stromové struktury a umož uje jak zobrazování hodnot, tak i jejich editaci. Hodnoty jsou v sekcích libovoln p ístupné, p ípadn heslované. Modul je ur en pro montáž na standardní DIN lištu v rozvad i. Vybrané technické údaje: Napájení
10 V ÷ 35 V ss, 14 V ÷ 24 V st
Spot eba
1.7 VA
Pracovní teplota modulu Pam
0 ÷60°C
64MB RAM, 32 MB Flash, 128 kB
LCD displej 3 ádky x 16 znak , podsvícení Rozm ry
105 (d) x 90 (š) x 58 (v) mm
Obr. 12 Schéma modul IPLC301 [12]
úûüýþüÿ
ÿ
2.7.2. Podstanice Domat MCIO 2 [19]
Kompaktní I/O modul slouží pro sb r dat a ízení jednotlivých proces pomocí analogových vstup a výstup . Modul komunikuje s nad azenou procesní jednotkou (Master) po sb rnici RS 485 protokolem ModBus RTU. Modul obsahuje indika ní LED diody o stavu digitálních vstup a také diody ur ující stav daného za ízení. Všechny obvody jsou mezi sebou galvanicky odd leny. Modul umož uje upevn ní na DIN lištu v rozvad i a umož uje napájení 12 – 24 V st ídavého i stejnosm rného nap tí.[12] Lze zapojit 8 analogových vstup , 6 analogových výstup , 8 digitálních vstup a 6 digitálních výstup . Modul má rozm ry 217 x 115 x 40 mm.[12]
Obr. 13 Modul MCIO2 [19] Obr. 14 Schéma vstup /výstup modulu MCIO2 [19]
2.7.3. Podstanice Domat M 500 [19]
Kompaktní I modul slouží pro sb r dat pomocí analogových vstup . Modul komunikuje s nad azenou procesní jednotkou (Master) po sb rnici RS 485 protokolem ModBus RTU. Všechny obvody jsou mezi sebou galvanicky odd leny. Modul umož uje upevn ní na DIN lištu v rozvad i a umož uje napájení 12 – 24 V st ídavého i stejnosm rného nap tí. Lze zapojit až 8 analogových vstup .Modul má rozm ry 71 x 90 x 58 mm.
Obr. 15 Modul M500 [19]
Obr. 16 Vstupy/výstupy modul M500 [19]
2.8 Vizualiza ní a programovací prost edí [19] Jako ovládací a vizualiza ní software bylo využito prost edí SoftPLC IDE, RCWare a RCWare Vision. Ob tyto aplikace byly vyvinuty pro pot eby firmy Domat spole ností Energocentrum Plus, s.r.o. Pro simulaci daných stav skleníku bylo poté použito programové prost edí Simulation Studio.
2.8.1. SoftPLC IDE [19]
Programové prost edí slouží k ovládání, konfiguraci, programování a oživování programovatelných automat ady MiniPLC. Programová logika se zapisuje do programu pomocí funk ních blok , které reprezentují stavy a r zné logické funkce. Navzájem jsou pospojovány vstupy s výstupy pomocí nakreslených spoj , které propojují funk ní bloky se vstupy a výstupy na jednotlivých stranách prost edí. Aplikace SoftPLC se skládá ze dvou hlavních komponent a to z Runtime a aplika ního programu. Runtime je program instalovaný v MiniPLC. Zpracovává danou aplikaci, která je do podstanice nahrána a ur uje aktuální stav programu. Aplikace také umož uje data online sledovat a n které vlastnosti i nastavovat online.
Každý projekt obsahuje 3 základní položky v menu: FUPLA Zkratka pro název FUnction PLAn. Jde o grafickou reprezentaci funkcí vlastního programu, který se skládá z prom nných (hardwarové i softwarové), funk ních blok (bloky vykonávají a zpracovávají danou logickou funkci a zapisují výsledky do výstupních prom nných). HW Zde probíhá vlastní konfigurace hardwaru procesní stanice a jednotlivých I/O modul . Osazují se zde jednotlivé sériové linky a sí ové kanály. Lze zde také konfigurovat typy a adresy I/O modul , jejich nastavení a další parametry. Pro moduly s komunikací ModBus má konfigurátor funkci tzv. autodetekce, což znamená, že na sb rnici najde adresy a typy jednotlivých p ipojených modul . VARIABLES Tato položka obsahuje seznam všech vytvo ených (hardwarových i softwarových) prom nných, které jsou v daném programu použity. Jednotlivé prom nné lze nejen monitorovat, ale také p ehledn po typech provozn nastavovat. Pro rychlé vyhledávání požadovaných prom nných jsou zde funkce t íd ní a filtrování.
!"#
Program IDE má na dnešní dobu zanedbatelné systémové požadavky: Pentium 1 GHz, RAM 512 MB, Ethernet port, USB port, Windows XP, 7, 8 a nainstalované prost edí pro b h aplikací (Microsoft.NET Framework).
Obr. 17 Ukázka vývojového prost edí IDE
2.8.2. RC Ware Vision [12]
Jde o vizualiza ní systém s možnostmi integrace r zných komunika ních sb rnic. Systém je modulární, což usnad uje vytvá ení jak t ch nejjednodušších vizualizací nam ených hodnot, tak i velkých integrovaných systém . Program se snaží o vysokou spolehlivost, rychlé vytvá ení aplikací a relativn snadné ovládání. Pro základní modifikace a tvorbu grafiky posta ují základní znalosti práce s po íta em, není nutné být programátorem. Pozadím vizualizací jsou vytvo ené obrázky, na které se v programu skládají viditelná ( i neviditelná) tla ítka propojená s p íslušnými prom nnými. Program umož uje monitorování všech možných subsystém pomocí jediného uživatelského rozhraní. Aplikace je zárove i navržena pro rozsáhlé dispe erské systémy a obsahuje všechny pot ebné kroky pro zpracování získaných nam ených dat. Programové nároky na obsluhu tohoto programu jsou stejné jako u IDE, dokonce existují i ve verzi pro DOS systém.
$%&'(&)*+,- ./)01
Každý projekt obsahuje 3 základní položky zobrazení a editace: EDITOR DATOVÝCH BOD Editor slouží k vytvá ení datových bod , které umožnuje propojit se SW i HW prom nnými využívanými v nad azeném IDE. Každý datový bod lze libovoln konfigurovat a zvláš archivovat ve speciálním souboru. V této sekci se také nastavuje jeho speciální adresa, která umož uje datové body nejen logicky t ídit, ale zajiš uje i to, že daná jedna prom nná z IDE m že být i vícekrát použita v projektu RCWare. Adresování je 3 kanálové (první íslo udává projekt, druhé sekci použití, t etí po adí zadání v této sekci). Díky tomuto adresování datové body nejsou závislé na svých názvech a m žeme tedy dle názvu prom nné jednotliv spojovat i kopírovat mezi sebou. SCHÉMATA TECHNOLOGIE V této ásti (vlastní vizualizace) se graficky datové body vytvo ené v editoru umis ují na podkladový obrázek a nastavuje se jejich funk nost (typ zobrazení, nastavení, viditelnost). Tato ást poté slouží pro monitoring a p ehlednou ovladatelnost funk ního cyklu. GRAFY NAM
ENÝCH HODNOT
Tato ást slouží k p ehlednému a okamžitému zobrazení nam ených hodnot v grafu. Používají se zde libovolné kombinace dat. Jejich vzájemnou závislost je možné v online provozu regula n doladit pro celý systém a výsledky nastavení ihned online posuzovat.
Obr. 18 Prost edí datových bod RC Ware Vision [19]
234564789:; <=7>?
2.8.3. Simula ní prost edí Simulation Studio TRNSYS [13]
Program slouží pro 2D simulaci navrženého systému. Umož uje nasimulovat hodnoty reálného objektu (budova, automobil), nastavovat nejr zn jší okrajové podmínky a p ehledn zpracovávat jednotlivé návrhy ešení pro daný systém. Program pracuje na principu spojování jednotlivých funk ních blok spojovacími leny. Ve funk ních blocích se definují požadované vlastnosti.
Obr. 19 Ukázka prost edí TRNSYS (model objektu)
@ABCDBEFGHI JKELM
3 M icí ást 3.1 Návrhy vylepšení z praxe Všechna zpracování návrhu na vylepšení regulace a ovládání skleníku byla konzultována s pracovníky Arboreta tak, aby jim pokud možno byla uleh ena obsluha celého systému. Se zam stnanci byly rovn ž konzultovány jejich požadavky na vylepšení systému regulace z uživatelského hlediska. P i návrhu celého systému vylepšení se také muselo p ihlížet k tomu, že každá rostlina p stovaná ve skleníku je originálním druhem se specifickými pot ebami. Navrhovaný zp sob regulace na požadovanou teplotu a vlhkost bude tedy vždy kompromisem mezi možným a žádaným ideálním stavem. Nejvíce požadavk zam stnanc Arboreta se týkalo hlavn absence idla na m ení CO2. Hodnota CO2 je z hlediska ízení prost edí ve skleníku velice d ležitá, nebo rostliny CO2 spot ebovávají p i tvorb fotosyntézy a ke svému zdravému vývoji. Vzniká zde opa ný problém než v b žné oblasti techniky prost edí, kdy je spíše pot eba hladinu CO2 korigovat na nižší. Dále pak vznikl požadavek na m ení vlhkosti vzduchu, která je z hlediska simulace tropického prost edí pro v tšinu exotických rostlin také velice d ležitá. Tento parametr m ení ve skleníku momentáln rovn ž chybí. Dalším p áním bylo, aby vyh ívání jedné sekce teplotn neovliv ovalo sekce sousední. Tento nedostatek ale vycházel z konstruk ního ešení. Celá soustava skleník je totiž napájena pouze jedinou v tví v koteln . Dochází tedy k tomu, že když p ijde požadavek na vytopení sekce 3, vytápí se i všechny ostatní sekce, které jsou po potrubní cest k sekci 3. Plynou z toho nežádoucí situace, kdy v sekci 3 je zima a je pot eba p itáp t, zatímco v p edešlé sekci je už dávno dostate né teplo. Z tohoto d vodu se otev ou sv tlíky na v trání, které jsou v každé sekci ízeny samostatn a nezávisle na vytáp ní. Tento problém není ale jednoduše odstranitelný, nebo by se musela mnohonásobn zvýšit velikost a kapacita kotelny. Celý projekt vytáp ní by se musel upravit. Navrženo bylo také umíst ní vyššího po tu idel teploty. V každé sekci je pouze jedno teplotní idlo a jak je vid t z výsledk m ení, teplota se v r zných místech skleníku znateln m ní (místy až o 5 °C). Tento problém se dá jednoduše napravit zvýšením po tu idel. Pro vytáp ní pak bude brána nap íklad pr m rná hodnota všech idel. Pracovníky byla p ipomenuta také absence senzoru osv tlení. Celkov zazníval požadavek na sjednocení celého systému regulace. Od vodn ním byla nap íklad skute nost, je vlh ení a mlžení vzduchu probíhalo zcela odd lené od zbylé regulace na základ nastaveného asového programu, nebo dle uvážení obsluhy. Tyto nasbírané zkušenosti pracovník byly východiskem pro tuto práci a budou postupn rozebírány podrobn ji s návrhy ešení v novém instalovaném ídícím programu (po rekonstrukci).
NOPQRPSTUVW XYSZ[
3.2 Sou asný stav MaR [9] Veškeré rozvody vytáp ní a MaR jsou z roku 1997 a dokumentace i funk nost tomu tedy odpovídají. Dokumentace je psána na psacím stroji a technická dokumentace kreslena ru n . Dokumentace tedy neexistuje v digitální podob (zdigitalizována byla až díky této diplomové práci). Zakázku vyprojektovala firma Rego Brno a hlavním projektantem byl pan Ing. Milan Zábranský. Správu a údržbu systému má na starosti stále stejná firma pod vedením pana Hrubého. Všechny skleníky jsou vytáp né jednou v tví z rozd lova e, který je umíst n v koteln , nacházející se v samostatné budov blízko skleníku. V koteln se vyskytuje rozd lova i sb ra , do kterého se sbíhají celkem 4 v tve. První v tev zajiš uje vytáp ní skleník , druhá v tev vytápí východní ást budovy, 3. v tev západní ást budovy a 4. oh ívá topnou vodu (TV) v zaizolované nádob (bojleru) o objemu 200 l. Každá v tev ur ená k vytáp ní je opat ena trojcestnými sm šovacími ventily, které dle požadované teploty sm šují vstupní a výstupní v tev do rozvad e. Ob h ve vytáp né soustav je zajišt n ob hovým erpadlem zna ky Wilo. Všechny okruhy jsou vytáp ny plynovými kotly Buderus se systémem Master/Slave.
Obr. 20 Schéma stávající kotelny [9]
\]^_`^abcde fgahi
Soupis za ízení za ízení
zna ka
typ
max. výkon napájení objem
Plynový kotel (Master)
Buderus
G524LZ/244
244 kW
Plynový kotel (Slave)
Buderus
Ob hové erpadlo
230 V
-
Logano G334 71 kW
230 V
-
Wilo
TOP-S40/7
180 W
230 V
-
Sm šovací ventil
Belimo
SM24A
-
24 V
-
Expanzní nádoba (2x)
KD Dukla
70675
-
-
280 l
Bojler
Buderus
S200
-
-
200 l
Tab. 1 Stávající za ízení kotelny [9]
3.2.1. Tepelné ztráty [9]
Výpo et tepelných ztrát pro návrh ÚT byl proveden pro venkovní výpo tovou teplotu -12 °C a pro konkrétní požadovanou vnit ní teplotu dle jednotlivých sektor v souladu s platnými normami. Ve výpo tu byl uvažován jednoduchý prosklený pláš (1 tabulové sklo), u p í ných p í ek odd lujících jednotlivé sektory byly instalovány polykarbonátové kom rkové desky o tl. 6 mm, u svislých obvodových st n bylo instalováno izola ní dvojsklo Diterm o tl. 20 mm. tepelné ztráty sektor
pož. teplota
bez tep. clony
s tep. clonou
ti (0C)
Q (kW)
Q (kW)
P
18
41,6
37
A
15
47,1
40,8
1
15
45,4
39
2
18
44,9
38
j
kl
ml
jnop
4
15
21,5
18,3
5
5
17,5
15
263
225,9
celkem
Tab. 2 Vypo tené tepelné ztráty uvedené v projektu [9]
qrstusvwxyz {|v}~
3.2.2. Otopný systém s t lesy [9]
Otopný systém je navržený s nuceným ob hem s p ipojenými jednotlivými vytáp nými sektory. Potrubí je provedeno z hladkých ocelových bezešvých trubek o DN 65 (viz p íloha projektové dokumentace). Tlakový spád (ztráta) je vypo ten na 30 kPa. Otopná t lesa jsou sestavena z hladkých ocelových bezešvých a žebrovitých trubek. Jsou zav šena na speciální ocelové konstrukci nebo podpírána zabetonovanými podp rami ze zem . Potrubí je ve skleníku opat eno jak odvzduš ovacími, tak vypoušt cími prvky.
3.2.3 Regulace [9]
Na p ípojné potrubí (rozvád ) je p ipojena regula ní stanice pro jednotlivé sektory. Ak ními leny regulace jsou trojcestné sm šovací elektroventily RV 103. Sm šovací ventily v závislosti na MaR (závisí na požadované teplot ve vytáp ném prostoru) mísí topnou vodu z kotle s ob hovou vodou v jednotlivé v tvi. Systém MaR je ízen regulátory SAUTER EY 2400 a je rozd len na n kolik podstanic RSE dle jednotlivých sekcí skleníku. Na toto za ízení je p ipojen vizualiza ní systém pro pohodln jší regulaci, kdy v jedné místnosti je umíst no PC s vizualiza ním programem a programem umož ujícím dálkový p ístup do systému p es vzdálenou plochu. V této vizualizaci je možné regulovat pouze teploty, zjiš ovat stav venkovního prost edí a stav erpadel v jednotlivých topných uzlech. Ve vizualizaci však nijak nelze ovládat ani pozorovat zavlažování a otevírání oken.
Obr. 21 Ukázka instalovaného vizualiza ního programu [9]
3.3 Instalovaná m icí soustava Soustava byla instalována v pr b hu prosince roku 2014. Kompletn zprovozn na byla na po átku února 2015. M ení probíhalo s menšími p estávkami (technické problémy, výstavy) do poloviny kv tna 2015. Celý systém m ení byl navržen tak, aby se všechna nam ená data ukládala každých 10 minut do speciálního souboru. Data byla p evedena do .xlsx souboru, kde poté došlo k jejich uspo ádání a analýze. Umíst ní senzor , rozvád e s vyhodnocovacími prvky a kabeláže bylo provedeno s ohledem na provoz celého Arboreta, jelikož jde o skleník s ve ejným p ístupem a celoro ním provozem. Umíst ní senzor bylo zvoleno dle domluvy a konzultace s obsluhou skleníku. Všechna m icí a vyhodnocovací za ízení byla zap j ena a konzultována také s firmou Domat.
3.3.1 Rozmíst ní jednotlivých senzor
Snahou bylo aplikovat znalosti ze studia oboru Technika prost edí na rozmíst ní senzor . Vliv na kone né rozhodnutí p i umíst ní všech za ízení m li ale pracovníci Arboreta. Bylo nutné vymyslet vedení kabeláže a umíst ní tak, aby nep ekáželo jak esteticky, tak také funk n (zavlažování, stín ní atd.). Bylo snahou m it také osvit uvnit skleníku, nicmén po konzultaci o umíst ní a s omezenou délkou kabelu m icího senzoru bylo od tohoto návrhu upušt no. Venkovní m ení teploty, vlhkosti a osvitu bylo limitováno hlavn problematickým pr chodem p es sklen nou konstrukci skleníku. Po konzultaci se správcem skleníku, byly fináln senzory umíst ny tam, kde již n která m ení probíhala v minulosti. Jednalo se ale o zapojení až na druhém konci skleníku. P dorys s umíst ním m icích senzor se nachází v p íloze . 1.
Obr. 22 Rozd lení svorek na m icí kart
3.3.2 Rozvád
s vyhodnocovacími prvky
Celý rozvad , ve kterém byla umíst na vyhodnocovací za ízení, je autorská konstrukce. Skelet je sestaven z OSB d ev ných desek o rozm rech 40 x 60 x 20 cm (výška x ší ka x hloubka). Na vrchní ásti jsou namontovány plastové pr chodky, umož ující zabezpe ení každého rozvodného kabelu. Uvnit rozvád e je pak upevn na DIN lišta. Na této lišt jsou umíst ny vyhodnocovací prvky (dle popisu v teoretické ásti). Dále se v rozvád i nachází zásuvka na st ídavých 230 V a trafo, které toto nap tí p evádí na stejnosm rné nap tí 24 V. Tímto nap tím jsou poté napájeny všechny p ístroje v etn rozmíst ných senzor . Veškeré kabelové rozvody jsou ukon eny ve svorkách. Z nich jsou poté tenkými kabelovými trasami (zakrytovanými) rozvád ny do jednotlivých svorek a umíst ných m icích prvk . Všechno je tedy provedeno tak, že je možné rozvád celý se zapojením odejmout a p esunout na jiné místo m ení. Pouze se zapojí do zásuvky na 230 V a p ípadn také do zásuvky se sítí Ethernet. Po ukon ení m ení v tomto skleníku m že tedy m ení pokra ovat v úpln jiném skleníku (libovolném prostoru), pouze se rozvede p íslušná kabeláž k senzor m, napájení a sí . Rozvád byl umíst n a ukryt pod stolem u zdi v m eném sektoru s ohledem na bezpe nost za ízení, jak z hlediska vlhkosti a prašnosti, tak i p ípadného mechanického poškození.
Obr. 23 Zapojení m icích modul
¡¢£¤ ¥¦ §¨
3.4. Programy m icí soustavy Všechny hodnoty byly m eny na analogových vstupech p ístroj , které poté p es sb rnici ModBus posílají hodnoty do procesní stanice (Master), ve které je nahrán m icí program, vytvo ený v prost edí IDE. Z procesní stanice se již hodnoty zasílají po ethernetovém rozhraní do p ipojeného vyhodnocovacího po íta e, na kterém pracuje vizualiza ní program RC Ware. Po íta , který archivuje data, je p ipojen do sít internetu a je možné se k n mu p ipojit p es vzdálenou plochu po íta e.
3.4.1. M icí program IDE
Program vytvo ený ve vývojovém prost edí Domat IDE. Jde o nijak složitý cyklus, kde se pouze p evádí prom nné p ipojených p ístroj do rozvád e a systému. Tyto prom nné se p evádí na SW prom nné, které poté te a archivuje vizualiza ní prost edí.
Obr. 24 Schéma m ícího programu v IDE Pro správné tení t chto hodnot byla hlavn nutná správná transformace vstupního unifikovaného signálu 0 – 10 V na požadované a pro m ení pot ebné hodnoty.
Obr. 25 Prom nné v IDE
Obr. 26 Nastavení transforma ních k ivek
©ª«¬«®¯°±² ³´®µ¶
3.4.2 Vizualiza ní program RC Ware
Vytvo ený cyklus ve vizualiza ním programu RC Ware Vision slouží k zobrazování aktuálních hodnot na p ipojeném PC. V programu je také nastavený cyklus, který automaticky po 10 minutách každou hodnotu archivuje to externího souboru .txl, tyto hodnoty jsou k dispozici p ímo v b žící aplikaci v zobrazovaných grafech pro p ípadné dimenzování m ených hodnot.
Obr. 27 Ukázka vizualizace
3.4.3. Použitý materiál
K rozvodu m icích signál a napájecího nap tí byl použit kabel typu LAM 6 x 2 x 2x 2,8, celková délka tohoto kabelu byla 48 m. Na rozvad byl p ipojen UTP kabel, který vedl z routeru umíst ného v centrální ásti skleníku, délka tohoto kabelu byla 20 m. Rozvád byl také p ipojen do elektrické zásuvky umíst né vedle rozvád e. Rozvodná sk í byla vyrobena z OSB desek. Ve sk íni jsou 2 ady DIN lišty, na které jsou umíst ny všechny p ístroje. P ívodní kabely jsou napojeny do svorek, ze kterých jsou poté rozvád ny v krycí lišt do všech pot ebných p ístroj . Notebook, na který jsou zasílána data, byl umíst n vedle. Všechny kabely prochází p es pr chodky umíst né na horní ásti rozvad e.
Obr. 28 Venkovní teplota, vlhkost a osvit
Obr. 29 Vnit ní teplota a vlhkost
·¸¹º»¹¼½¾¿À Á¼ÃÄ
3.5. Nam ené hodnoty Kompletní m ení všech nainstalovaných veli in bylo zahájeno po átkem února 2015. M ená data byla archivována v sekvencích po 10 minutách a ukládána do firemního souboru. Odtud byla poté p evedena do .xlsx souboru, kde byla analyzována a zpracována. Data byla náhodn vybrána, dle intenzity osvitu, extrémn vysoké i nízké venkovní teploty, nebo zcela náhodné dny a tyto dny byly zpracovány v korelaci nap íklad s intenzitou osv tlení a dalšími prvky, které souvisely s chováním prost edí ve skleníku. Zajímavé hodnoty pr b h byly také zpracovány celom sí n . Všechny tyto úpravy byly provád ny v programu Office Excel 2013.
3.5.1. Podrobn zpracované dny
Prvním dnem vybraným k podrobnému zpracování byl 11. 3. 2015, jde o pr m rný den s pr m rným jarním pr b hem intenzity ozá ení. Hodnota CO2 [ppm] Ve skleníku jde obecn o velmi malé koncentrace, protože se zde vyskytuje velké množství rostlin, které p i produkování fotosyntézy tento plyn spot ebovávají. V tento den byla ale koncentrace CO2 ve skleníku extrémn nízká, d vodem m že být, že se minimáln v tralo. Z grafu je z ejmé, že po otev ení sv tlík a vyv trání skleníku došlo k navýšení koncentrace, která je dána otev ením sv tlík a vyv tráním skleníku.
' ! +,%( ( )
-
.
' /
!!"#
*
ÅÆÇÆ
$
"%&
' ( )#
Obr. 30 Nam ené hodnoty koncentrací CO2 z 11. 3. 2015
ÈÉÊËÌÊÍÎÏÐÑ ÒÓÍÔÕ
Nam ené hodnoty teplot [°C] V následujícím grafu lze vid t, jak se p es celý den vyvíjel pr b h teplot. Je zde patrné, že za celý den nebylo nikde ve skleníku dosaženo požadované teploty. M žeme z n j také vy íst, jak moc se od sebe lišily nam ené teploty z idel rozmíst ných v r zných ástech skleníku. idlo umíst né ve st edu skleníku bylo umíst no p ímo na úrovni rostlin. Zvýšená intenzita slune ního zá ení m la p ímý vliv na zvýšení teploty ve skleníku v horní partii skleníku.
' ! +,%( !. 2 2
.
' /
0 !.
1 #
*
$
"%&
' ( )#
Ö×Ö
Obr. 31 Pr b h teplot 11. 3. 2015
Obr. 32 Intenzita zá ení 11. 3. 2015 [11]
ØÙÚÛÜÚÝÞßàá âãÝäå
Nam ené hodnoty vzdušné vlhkosti [%] V grafu nam ených hodnot vlhkostí v pr b hu dne lze jednozna n ur it okamžik spušt ní závlahového systému do prostoru skleníku. Po vypnutí závlahy se hodnota ustálí kolem hodnoty 78 % vlhkosti vzduchu.
' ! +,%( .(
5)/ (/
.
3.(
4#
*
$
æçèç
"%&
' ( )#
Obr. 33 Pr b h vlhkosti 11. 3. 2015
' ! +,%( .(
.
' /
3.(
4#
*
æçèçç
$
"%&
' ( )#
Obr. 34 Pr b h vlhkosti 2. 5. 2015
' /
éêëìíëîïðñò óôîõö
3.5 2. Vzájemné ovlivn ní hodnot
Vliv spušt né závlahy na teplotu Z uvedeného grafu lze jasn ur it okamžik spušt ní závlahy systému a její vliv na snížení teploty ve skleníku.
.
% '
.$
0 !.
3.(
1
4#
3567 " 8
$
"%&
' ( )#
÷øùø
Obr. 35 Vzájemné ovlivn ní veli in 11. 3. 2015
úûüýþüÿ ÿ
Vliv teplot na vzdušnou vlhkost Následující graf je ukazuje typický pr b h b hem dne m ení. Je z ejmé, že lze rozeznat jak zvýšení vlhkosti má vliv na pr b hy teplot.
' ! +,%(-
!. -
.(
.
' /
0 !.
3.(
1 4#
*
$
"%&
' ( )#
Obr. 36 Vzájemné ovlivn ní veli in (všechny teploty, vlhkost)
Vliv teplot na koncentraci CO2 Uvedený graf znázor uje pr b h nam ené venkovní teploty, nam ené vnit ní teploty a koncentrace CO2. Vidíme, že se koncentrace tento den držela na podobných hodnotách a dokonce p i otev ených sv tlících mírn klesla, což je vzhledem k množství rostlin ve skleníku celkem výjime ný jev. Jde o jediný den, kdy byl tento efekt zaznamenán. Koncentrace CO2 odpovídá tém pr m rným nam eným hodnotám. Jedním z možných vysv tlení m že být po ádaný den otev ených dve í (vice lidí se pohybovalo v prostorách) a zárove extrémn dobré hodnoty koncentrace CO2 ve venkovním prost edí zp sobené po asím po dešti (tento den opravdu tém celý den pršelo (viz [11]).
' ! +,%(
!. -
.
' /
0 !.
1 #
*
$
"%&
' ( )#
Obr. 37 Vliv koncentrace CO2
!"# $% &'
Vliv venkovních a vnit ních teplot
0 !.
1 #
V tomto grafu m žeme pozorovat, jak se ve skleníku pohybovala teplota p es celý den v závislosti na nam ené venkovní teplot . Je zde vid t, jak otev ení skleníku p ímo ovlivnilo nam enou teplotu na senzoru, který byl umíst n v prostoru nad rostlinami ve skleníku. Poté, co byly sv tlíky zase uzav eny, tak se teplota op t postupn navyšovala.
$
()(
"%&
' ( )#
Obr. 38 Vzájemné ovlivn ní veli in vnit ních i vn jších teplot
3.5.3 Celom sí ní pr b hy
Koncentrace CO2 V pr b hu koncentrace CO2 po celý duben je jasn vid t kolísání hodnoty podle denních ád , které ve skleníku probíhají (v trání atd.). Pr m rná hodnota koncentrace CO2 byla 456,3 ppm, což je hodnota, která odpovídá erstvému vzduchu v p írod . Z d vodu v tší p ehlednosti je graf umíst n v p íloze . 2.
*+,-.,/0123 45/67
3.6. Slovní zhodnocení výsledk Umíst ní senzor m lo významný vliv na výsledné nam ené hodnoty. N které senzory byly ovlivn ny provozem a údržbou kultur orchidejí ve skleníku. To je nap íklad dob e vid t na teplot , která byla m ena p ímo mezi rostlinami. Pokud bylo v provozu zavlažování, snížila se teplota a samoz ejm zvýšila vlhkost (až na 100 %). Tomuto jevu se bohužel nedalo zabránit, pokud bylo cílem vy íslit hodnoty teplot p ímo mezi kv tinami. Naopak celkem kvalitn a s odpovídající p esností byla nam ena koncentrace CO2, která vícemén odpovídá o ekávaným hodnotám. Lze z nich rozpoznat, kdy bylo ve skleníku v tráno (zvýšila se hladina koncentrace CO2). Zajímavým poznatkem byla relativn nízká hodnota této veli iny v celém pr b hu m ení. Na všechny prvky v systému m lo samoz ejm vliv také chování obsluhy, která se o kv tiny ve skleníku starala.
Obr. 39 Vzájemné ovlivn ní veli in vnit ních i vn jších teplot
89:;<:=>?@A BC=DE
4. Regula ní a simula ní ást Již na úvod této kapitoly nutno p ipomenout, že jde o prost edí, které je vzhledem k požadavk m na prost edí ve skleníku velice komplikované. V silách žádného jakkoliv sofistikovaného za ízení není zajistit samostatnou regulaci a pln autonomní regulaci prost edí. Nejd ležit jším a rozhodujícím lenem celého systému bude vždy pracovník Arboreta, jehož zkušenosti na ochranu a p stování kv tin jsou v tomto ohledu nezautomatizovatelné. Ve skleníku se totiž vyskytují tisíce druh rostlin, které rostou na r zných místech sv ta a nelze p esn ji specifikovat r znorodé prost edí, ve kterém se b žn r zné druhy kv tin vyskytují. Nejde tedy o klasickou regulaci skleníku, v n mž se nachází monokultura rostlin s jasn specifikovatelnými požadavky pro sv j ideální r st. Pro lepší p stování t chto rostlin sta í pouze nap íklad p emístit rostlinu z jedné ásti stejného sektoru na druhou a úpln zm níme prost edí, ve kterém se vyskytuje. Také záleží na stavu a druhu dané kv tiny, nebo nap íklad v jedné ásti roku je v p irozeném prost edí této kv tiny vytrvalý déš (tém 100% vlhkost vzduchu), nebo naopak období sucha, kdy daná rostlina je zvyklá na vlhkost výrazn nižší. V této kapitole jde tedy spíše o doporu ení, jak práci pracovník m více uleh it, nikoliv jak jejich práci nahradit. Prioritou vylepšené regulace je hlavn p ehlednost pro obsluhu, aby m la všechny stavy systému na jednom míst (obrazovce). Každý pracovník si poté m že jednoduše zjistit, co se ve skleníku d je, a okamžit na p ípadnou nutnou zm nu reagovat.
Obr. 40 Stávající jediný senzor teploty ve skleníku (chrán n proti vlivu slun. zá ení)
FGHIJHKLMNO PQKRS
4.1. Problém s regulací systému Na následujícím obrázku (fotografie ze sou asného regula ního systému) je vid t požadovaná teplota, která mimochodem neodpovídá skute né požadované teplot , jde pouze o odzkoušenou teplotu, p i které je ve skleníku teplota doopravdy žádaná. Na grafu je jasn vid t, jak se pohybují skute né teploty ve skleníku. V systému sektoru 5 je nastavená no ní teplota 18 °C, které se za celou noc nedosáhne (nam ená teplota je 21,2 °C), p itom se ve skleníku topí (dle vizualizace), protože ve vedlejším skleníku (sektor 4) je požadovaná teplota 21 °C a je zde teplota pouze 18.9 °C. Topná voda jde pouze jedním nezaizolovaným potrubím, a to i p es sektor 4.
Obr. 41 Nam ené teploty z 19. 5. 2015; 4:00 hod ráno Hlavní d vod tohoto stavu m žeme vid t hned na dalším obrázku.
Obr. 42 Nezaizolovaná topná v tev sektoru 4 umíst ná v sektoru 3
TUVWXVYZ[\] ^_Y`a
4.2 Návrh nového systému regulace Rozd lení na více vytáp cích okruh Základní a z hlediska regulace celkem zásadním nedostatkem pro vytáp ní daných skleník je napájení celé soustavy skleník pouze jedním uzlem z kotelny, zde se tedy nabízí uzel v koteln rozší it a vytáp t soubor skleník alespo áste n samostatn . Celá soustava trpí jak hydraulicky (rázy na potrubí), tak také znemož uje kvalitní regulaci celého systému. Jedním okruhem by se mohly vytáp t sektory pro p stování kultur orchidejí a druhým okruhem ve ejnou ást skleníku, která slouží k prezentaci vyp stovaných druh .
Zaizolování rozvod tepla Všechny rozvody potrubí navrhuji zaizolovat (nap . typ izolace Ekoflex), v etn vedlejších topných uzl .
Kontrola teploty p ed a za topným uzlem Z d vodu zp esn ní stavu jednotlivých topných v tví a možnosti m ení spot eby tepla na jednotlivých sektorech doporu uji snímat teploty p ed a za vedlejším topným uzlem. Ke snímání t chto teplot sta í použít p íložný senzor teploty (nap . Pt 1000).
Obr. 43 P íklad na zjišt ní
T v tve
Sjednotit ovládání zvlh ování vzduchu a zavlažování vzduchu V každém sektoru doporu uji umístit senzor relativní vlhkosti vzduchu a také umístit do p dy jednoho pokusného kv tiná e informativní senzor o vlhkosti p dy. Tyto informace by sloužily ke zp esn ní postupu zavlažování, který se ale bude ídit stále dle provád ného asového plánu. Tyto asy a stavy by m ly být sou ástí nové vizualizace, v níž by se mohly podle aktuálních požadavk m nit. Tato regula ní smy ka by m la obsloužit i zprávu o otev ení nebo uzav ení v tracích sv tlík .
bcdefdghijk lmgno
Zvýšit po et teplom r na jeden regulovaný sektor Ke zvýšení p esnosti regulovaného prostoru doporu uji umístit 5 senzor teploty. ty i senzory teploty doporu uji umístit mezi kv tiny, pátý do volného prostoru. K regulaci by mohla sloužit pr m rná teplota z t chto idel, poté by bylo vhodné ze zkušenosti voliteln m nit váhu vlivu jednotlivých idel na ídicí pr m rnou teplotu (nap íklad zvýšit váhu teploty v nižší ásti skleníku nad teplotou výše ve skleníku). Umíst ní senzor ve skleníku doporu uji do t í poloh (naho e, ve st edu, dole), a to pokud možno r zn rozmíst ných po prostoru skleníku (p ední, st ední a zadní ást). Doporu ená hystereze 2 °C.
Obr. 44 Regula ní podmínková smy ka pro vytáp ní sektoru Prvky k zastín ní V každém sektoru bude také umíst no zasti ovací za ízení, které bude ovladatelné jak voln z vizualizace, tak programov iditelné. Programovací smy ka bude závislá na zm ené intenzit osvitu, která se bude m it zvláš pro každý sektor skleníku vždy nad prosklenou plochou ve st edu daného skleníku.
Kontrola stav , alarmové stavy Každý odpov dný pracovník skleníku ( editel, správce, vedoucí pracovník) bude mít možnost online p ístupu na webový server s vizualizací. Bude mít tedy možnost kontrolovat a m nit stav nezávisle na tom, kde se momentáln nachází (bude pot eba pouze p ipojení na ve ejný internet). Odpov dný pracovník a správce by m l mít možnost také dostávat všechny mimo ádné a d ležité alarmy formou sms zprávy, nebo emailem. Sou ástí vizualizace bude také možnost dlouhodobé evidence stav ve skleníku. Tato historická data mohou po zpracování sloužit nap íklad k vylepšení nastavení regulace.
Ru ní stavy Všechny ovládací stavy bude možné p epnout z automatického stavu do ovládání pouze ru ního dle pot eby obsluhy.
pqrstruvwxy z{u|}
Programové a asové ovládání sv tlík skleníku Každý sektor skleníku by m l mít umíst n informativní senzor o stavu a hladin koncentrace CO2. Senzor by m l programov nastavenou prioritu (p ed vytáp ním) pro prov trávání v prostoru (otev ení sv tlíku) zp sobenou nízkou koncentrací CO2 (podrobn ji dokládají výsledky m ení). Každý sektor skleníku bude jinak samostatn ovládaný vizualizací dle asového programu prov trávání ( asový program zvláš pro každý sektor skleníku), aktuálního stavu teploty a vlhkosti ve skleníku. Tato regula ní smy ka bude mít také zp tnou vazbu s potvrzením o stavu venkovního prost edí (aktuální rychlost proud ní vzduchu, déš ). Zp tná vazba bude také dávat informaci o stavu sv tlíku. Sv tlík bude mít možnost otev ení na tzv. mikroventilaci, polovi ní otev ení a úplné otev ení. Sektor bude rozd len na dv ovládané ásti, dle sv tových stran (jihovýchodní a severozápadní). K d kladnému prov trání ve skleníku (stav, kdy je teplota ve skleníku vyšší než teplota požadovaná a venkovní) bude možné otev ít ob dv strany skleníku na 100 %.
!
"
#$ %
&'
%
Obr. 45 Podmínky vnit ní vlhkosti vzduchu, vyšší vnit ní teploty
~
4.3 Simulace aktuálního stavu skleníku v programu TRNSYS Cílem této ásti práce bylo v programu TRNSYS 16 nasimulovat vytáp ní, v trání a spot ebu v sektoru 3 skleníku Arboreta Brno. Do simulace byla nahrána reálná nam ená data. Data byla m ena v b eznu tohoto roku. Údaje byly exportovány do textového souboru. V souboru se nacházely, jak nam ené vnit ní teploty z n kolika míst skleníku, tak i nam ená venkovní teplota a nam ená venkovní intenzita slune ního zá ení. K nasimulování objektu skleníku byl použit „Type56b“, ve kterém byly nakonfigurovány st ny dle sv tových stran, nadefinované sousedící skleníky, použité odd lující sklo (dle schématu). Byla navržena regulace dle asového plánu, který se ve skleníku opravdu používal. Za m síc b ezen 2015 docházelo asto nejen k nutnosti vytáp t (viz graf . 1), ale také v trat ( asto byla díky slune nímu zá ení teplota v nasimulovaném skleníku vyšší, než teplota požadovaná a nam ená). Ve skleníku byla tedy nadefinována infiltrace vzduchu, která m la suplovat otev ené sv tlíky v reálném skleníku. Je z ejmé, že muselo dojít k mnoha zjednodušujícím len m (rovný sklen ný strop, intenzita osvitu nam ená pouze na jedné sv tové stran skleníku atd.), výsledný graf se podobá reálnému skleníku, který odpovídá nam eným stav m.
Obr. 46 Simula ní cyklus
(
Obr. 47 Závislost venkovní teploty na zregulované vnit ní teplot (bez infiltrace)
Obr. 48 Závislost venkovní teploty na zregulované vnit ní teplot (nadefinovaná infiltrace)
)
¡¢£ ¤¥¦§
Obr. 49 Otev ení sv tlík (teplota vyšší, než je teplota požadovaná)
V následujícím grafu lze pozorovat spot ebu tepla na vytáp ní v závislosti na nižší vnit ní teplot , než je skute n požadovaná teplota ve skleníku.
Obr. 50 Spot eba tepla v závislosti na vytáp ní skleníku Nastavení v Trnsys Byla použita multizónová budova typu 56b. Nebyly zapo ítány žádné p idané osoby (ve skleníku trvale nikdo nepracuje). Vytáp ní objektu bylo nastaveno na požadovanou denní teplotu 22,5 °C a no ní teplotu 16 °C. Bylo po ítáno s nam enou slune ní intenzitou zá ení. Infiltrace, závisela na vyšší vnit ní teplot . Byla vypo ítána m sí ní spot eba tepla na vytáp ní 30 kW.
!
¨©ª«¬ª®¯°± ²³´µ
5 ZÁV R Cílem p edložené diplomové práce bylo zm it, simulací ov it a navrhnout vylepšení regulace v prost edí skleníku Arboreta Brno. Diplomová práce se zabývala m ením pouze v jednom sektoru celého komplexu skleník . Pro celkovou p edstavu o stavu prost edí ve skleníku je pot eba zpracovat a nam it data v celém komplexu. Z dlouhodobého m ení prost edí skleníku jasn vyplývá nemožnost plnohodnotné samostatné regulace systému. Nam ené hodnoty asto v bec neodpovídají požadovaným, což potvrzuje i obsluha skleníku. Tento stav byl podm tem k hledání ešení, které m lo sloužit jako podklad pro nutnou rekonstrukci komplexu skleník . V ideálním p ípad by rekonstrukce m la zahrnovat rovn ž nové rozvody tepla, nebo stávající rozvody již nevyhovují moderním požadavk m. Pro novou regulaci budou také platit zvýšené požadavky na komunika ní rychlost k ovládání ak ních len ve skleníku. Nam ená data jsou k dispozici zam stnanc m Arboreta, kte í je m žou použít pro své vlastní záv ry. V práci se také vyskytuje programový návrh logiky pro regulaci zásadních vylepšení ve skleníku. Na základ provedeného výzkumu lze doporu it komplexní a ekonomický provoz celého Arboreta. K tomuto provozu by se hodila vzduchotechnická jednotka, která by teplovzdušn vytáp la skleníky a kancelá ské prostory. Tato jednotka by mohla také zajistit ekonomi t jší provoz, kdy by se pro vytáp ní kancelá ských prostor mohl hodit teplý a kvalitní vzduch ve skleníku, který je pot eba pro no ní režim vyv trat. Záv ry této diplomové práce mohou posloužit nejen p i p ípadné rekonstrukci stávajícího systému m ení a regulace ve skleníku Arboreta v Brn , ale obecn budou užite né také k dalším výzkum m v oblasti monitorování a optimalizace ídicích systém pro skleníky.
¶·¸¹º¸»¼½¾¿ ÀÁ»ÂÃ
ÄÅÆÇÈÆÉÊËÌÍ ÎÏÉÐÑ
Seznam zdroj a literatury: ! "
!## $
%%
&
# #"
'() *+,- . / 530) 617 7 1 22 89:;.- < 530) 7
0
! *.0
1- -
! : *<-
2
3
4%
- 2
6
0.=>.- 8 ?4 @ - 6
@ " !A
B
C
4
"
530) 617 7
@(): :*DE- @ & 530) 617 11 1 2 0 *F<.)- > G )8! H B- II -
@ 5):*(@ *. 7 530) 617
,- . ! " " " B % = " - @"
; $ 1
1 :ED * &
0 C 4 "
"
7 F.*L9,- 0 " %4 # 530) 617 7 1 7 6 E+0*.)3,M- < K?- 661 " "
C 4 ' &
"
"
" 4$ K
!N ? & 4 B K J 4
4
#P #) " " $ #
&
Q R
P#%
F R O
&
B
"
#" !##PPP
2 . " !##P $RB
% !"
)) "
#
% P
#
62 !
Q%
Q &$
BQ
&R !
R
#@ G#
&
$
& #
B# !
*+, & # & #Q # &R#"
!##
& !##
B#
Q
&R
7
!@ O C 4
!
&# 7 1
!##PPP
0
-
&Q
!"
"
0 J- G K? K 5
!
'( R # >
! 'B 4- 6
@ " !0 )
$
%&# " !## P & !## $ R
616
-
ÒÓÔÕÖÔ×ØÙÚÛ ÜÝ×Þß
1 "
!##PPP
! R
7 / " !##
#
#R #( E#
#
"% !
%
#
$#"
# Q
#
&
B#
BQ %
6
!" '
!" "
+
"
&R
"
E
!"
"
/ !##
0
&R
4
!##PPP !"
#
#
"%
"
!" !"
%
#
!##PPP
!
2 $ 2 " !##
%#
B
" 1" $ #S
R% &
!##PPP %
!##& %
$#"
# Q
#
2
&
! B#
!##PPP
BQ %
&R
!## % R
&
àáâãäâåæçèé êëåìí
P ÍLOHA . 1
1
îïðñòðóôõö÷ øùóúû
7
üý ýþ ýý
" #$
!
