Автоматизированная система управления тепличным комплексом

ВВЕДЕНИЕ 3
1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 5
1.1 Автоматическое и автоматизированное управление 5
1.2 Анализ существующих решений 18
1.3 Основные элементы автоматизированной системы 26
2. РЕАЛИЗАЦИЯ АСУ ТЕПЛИЧНЫМ КОМПЛЕКСОМ 36
2.1 Разработка структурной схемы автоматизированной теплицы 36
2.2 Подбор компонентной базы 38
2.3 Разработка функциональной схемы автоматизации 51
2.4 Разработка принципиальной электрической схемы устройства 53
3 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 56
3.1 Разработка алгоритмов программы в виде блок-схем 56
3.2 Разработка программного обеспечения 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 69
ПРИЛОЖЕНИЕ А 71
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 72
ПРИЛОЖЕНИЕ В 73
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 74

Весь текст будет доступен после покупки

В условиях растущего спроса на сельскохозяйственную продукцию, ограниченности природных ресурсов и влияния климатических изменений особую актуальность приобретает развитие высокотехнологичных решений в агропромышленном комплексе. Одним из ключевых направлений является автоматизация процессов выращивания растений в защищённом грунте, в частности – в тепличных комплексах. Автоматизированные системы управления (АСУ) позволяют обеспечить оптимальные условия для роста растений, повысить урожайность, снизить затраты труда и энергоресурсов, а также минимизировать влияние человеческого фактора. В связи с этим разработка эффективной, надёжной и масштабируемой системы автоматизации теплиц становится важной инженерной задачей.
Целью настоящей работы является проектирование и реализация автоматизированной системы управления тепличным комплексом на основе современных микроконтроллерных технологий, обеспечивающей непрерывный контроль и регулирование микроклимата в соответствии с биологическими потребностями растений.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
– провести анализ предметной области, включая существующие решения в области автоматизации теплиц;
– определить основные элементы и принципы функционирования автоматизированных систем управления;
– разработать структурную, функциональную и принципиальную электрическую схемы системы;
– выполнить подбор компонентной базы с учётом технических требований и условий эксплуатации;
– разработать алгоритмы управления и программное обеспечение для микроконтроллера Raspberry Pi 3 Model B;
– обосновать практическую применимость и эффективность предложенного решения.
Объектом исследования выступает процесс управления микроклиматом в тепличном комплексе, а субъектом – автоматизированная система управления, построенная на базе одноплатного компьютера и набора датчиков, исполнительных механизмов и контроллеров.
В ходе исследования применялись такие методы, как системный анализ, структурное проектирование, функциональное моделирование, алгоритмическое программирование, а также анализ технических характеристик оборудования. Особое внимание уделено соответствию проектной документации нормативным стандартам, в том числе ГОСТ 21.208-2013 при разработке функциональной схемы автоматизации.
Практическая значимость работы заключается в создании работоспособной, модульной и масштабируемой системы автоматизации, пригодной для использования в малых и средних тепличных хозяйствах. Предложенное решение позволяет оперативно реагировать на изменения параметров окружающей среды (температура, влажность, освещённость, уровень CO?, влажность почвы), управлять исполнительными устройствами (полив, вентиляция, обогрев, досветка, подача углекислого газа) и поддерживать стабильные условия выращивания растений. Реализация системы способствует повышению эффективности аграрного производства, снижению зависимости от ручного труда и внедрению цифровых технологий в сельское хозяйство.

Весь текст будет доступен после покупки

АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ
1.1 Автоматическое и автоматизированное управление
Целенаправленные процессы, выполняемые человеком для удовлетворения различных потребностей, представляют собой организованную и упорядоченную совокупность действий, называемых операциями. Операции делят на два класса: рабочие операции и операции управления.
К рабочим операциям относят действия такого рода, как, например, снятие стружки при обработке детали на станке, перемещение груза и т.п. Замена человека механизмом в рабочих операциях называется механизацией.
Для правильного и качественного выполнения рабочих операций необходимо направлять их действиями другого рода – операциями управления, посредством которых в соответствующие моменты обеспечивается начало, порядок следования и прекращение отдельных рабочих операций. Процессу придаются нужные показатели – по направлению, скорости, ускорению рабочего инструмента, температуре, давлению и т.д. Совокупность управляющих операций образует процесс управления.
Замена труда человека как в рабочих операциях, так и в операциях управления действиями технических устройств называется автоматизацией.
Совокупность технических средств – машин, орудий труда, средств механизации – при этом является объектом управления.
Совокупность устройств управления и объекта управления образует систему управления.
Система, в которой все рабочие и управленческие операции выполняются техническими устройствами, называется системой автоматического управления (САУ).
Система, в которой автоматизирована только часть управленческих операций, а другая их часть (обычно наиболее ответственная) выполняется людьми, называется автоматизи- рованной системой управления (АСУ).
В ходе развития систем управления менялось соотношение между этими видами управления. Автоматизированное управление на определенном этапе считалось высшим уровнем автоматического. По мере совершенствования алгоритмов АСУ появились типовые алгоритмы управления, автоматизирующие сбор, обработку информации и принятие типовых решений в условиях определенности. Значит, в этой области автоматическое управление является верхним пределом автоматизированного управления. Но если взять весь комплекс задач функционального управления производством, то видно, что автоматизированное управление не может быть преодолено из-за необходимости принятия творческих решений в условиях неопределенности.
По виду объекта управления АСУ делятся на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) и автоматизированные системы управления производственно- хозяйственной деятельностью (АСУПХД), примерами которых являются автоматизированные системы управления предприятием (АСУП).
У этих видов АСУ имеется единая основа, которая заключается в процессе обработки информации. Это делает возможным построение интегрированных систем управления, где обрабатываются как данные о технологических процессах, так и данные о производственно- хозяйственной деятельности.
АСУТП по виду производства делятся на АСУ непрерывным производством и АСУ дискретным производством.
Технологический процесс включает переработку, транспор- тировку и хранение. Производство бывает дискретное и непрерывное. Дискретное – производство, в котором переработка осущест- вляется в несколько этапов, и от одной ее фазы к другой обязательно осуществляется транспортировка.
Непрерывное – производство, в котором обработка ведется на фоне транспортировки.

Весь текст будет доступен после покупки

1. ГОСТ 2.702-2016 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Правила выполнения электрических схем. – Взамен ГОСТ 2.702-2011; введ. 2017-07-01. – М. : Стандартинформ, 2016. – 35 с.
2. ГОСТ 21.408-2013 Система проектной документации для строительства (СПДС). Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов. – Введ. 2014-11-01. – М. : Стандартинформ, 2013. – 53 с.
3. ГОСТ IEC 61082-1-2014 Подготовка документов, используемых в электротехнике. Часть 1. Правила выполнения. – Введ. 2016-01-01. – М. : Стандартинформ, 2014. – 118 с.
4. Белов, М. П. Программируемые логические контроллеры в автоматизированных системах управления : учебное пособие для вузов / М. П. Белов. – 2-е изд., испр. и доп. – М. : Юрайт, 2023. – 238 с.
5. Гаврилов, С. А. Автоматизация технологических процессов и производств : учебник для СПО / С. А. Гаврилов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Юрайт, 2022. – 411 с
6. Конструирование цифровых устройств на базе микрокомпьютера Raspberry Pi : учебное пособие / М. И. Пушкарев, А. С. Фадеев, С. В. Ефимов, Е. В. Коновалов. – Томск : Томский политехнический университет, 2018. – 96 с.
7. Молдабаева, М. Н. Автоматизация технологических процессов и производств : учебное пособие / М. Н. Молдабаева. – М., Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. – 224 с.
8. Пырицкий, А. Б. Датчики и первичные преобразователи : учебно-методическое пособие / А. Б. Пырицкий. – М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2021. – 48 с.
9. Ротач, В. Я. Теория автоматического управления : учебник для вузов / В. Я. Ротач. – 4-е изд., стер. – М. : Издательский дом МЭИ, 2020. – 398 с.
10. Семеновых, В. И. Проектирование автоматизированных систем : учебное пособие / В. И. Семеновых, А. А. Перминов. – М., Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 116 с. – ISBN 978-5-9729-1060-1.

Весь текст будет доступен после покупки