植物园温室弱电系统

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  摘要:目前温室智能控制系统,是在数字网络的应用逐渐广泛的情况下提出来的,基于此而研制出的一套用于温室环境监测和控制的管理系统,主要控制监测如(温度、湿度、光照和二氧化碳气体等)。该系统实现对温室的各项设备的监视、控制、环境数据的不间断采集、整理、统计。
  
  关键词:植物温室;弱电;系统;
  中图分类号:J522.3 文献标识码:A 文章编号:
  
  1 温室发展情况
  温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的特定场所。实现温室环境智能控制的目的是主动地调节温度、湿度、光照和二氧化碳气体浓度等环境因素,以满足植物最佳生长环境的要求。其中,温度是最重要的环境因数。温室环境控制在所有室内环境控制中是最困难的,除了要监控温度和湿度外,还需兼顾土壤水分、光照度、CO2浓度、EC值和pH值等。由于温室环境控制的对象种类繁多,在不同生长阶段的需求也各不相同,而且受资金、能源、劳动力等资源的限制及市场与天气变化的影响,温室环境控制必须在极有效率的状态下进行。因此,要建立一个好的温室环境控制系统,就必须要有一个好的系统控制方案。
  上海辰山国家植物园中的亮点——展览温室——面积达数万平方米,温室内部可形成八种气候条件,满足不同类型植物的生长环境的要求。它包括室内花园、沙漠花园、热带花园等三个独立温室、一个加顶棚的室外共享空间区以及一个地下的设备和办公区。三个独立温室采用独立分区的智能环境控制系统自动调整与启动各种设备装置,调节温度、湿度、光照条件等。
  植物园温室采用自动化的设备和温室设施可完全由环控系统监控,如以下的设备系统:
  开窗机系统
  温室在春、夏、秋季主要采用自然通风方式以满足植物对生长环境的要求,控制方式成组分区控制。
  温室A:0-4米高处,约310扇。温室顶部,约409扇。中部12米开气流扰动窗,约58扇。
  温室B:0-4米高处,约270扇。温室顶部,约243扇。
  温室C:0-4米高处,约141扇。温室顶部,约129扇。
  
  
  图1、开窗机系统示意图一
  
  
  温室由于室内和室外有温差比较,必须通过自然排风改善温室里的温度和湿度的平衡。
  遮阳系统主要功能有:夏季遮阳、降温,冬季保温;通过调节幕布开合,以满足不同植物对阳光的需求。
  
  
  图2、遮阳帘示意图三
  保温形式遮荫网设备可降低温室内的能源流失,可以减至40%。除此之外,遮荫网设备可以用来控制光照的强度,潮湿度,和植物本身的温度。由于温室的面积非常大,可能会接受不均匀的阳光照射,我们对遮阳系统采取分段控制。
  送排风系统:送排风的目的是排除室内的余热和余湿,补充新鲜空气,和维持室内的气流场。
  加温系统:温室的加温通过散热器向温室提供热量,有效的补充因各种因素所损失的温度。
  循环风系统
  在4-12米高处,沿温室玻璃幕墙每隔5-6米安装1台温室专用风机,用以搅动室内空气,减少温度梯度。
  喷雾系统:在温室上部空间按跨度3米间距3米安装喷雾装置,以达到温度和湿度的控制.
  2 温室系统控制方案
  温室自控并与楼宇自控不同,它们之间最重要的区别就是楼宇自控的设计主要是控制空气温度和以及人类适应的通风带的设计,而温室控制系统主要设计怎样控制可以促进植物更好更快地生长,以及设计植物生长的环境,条件以及过程。它们的能力远远超出空气温度管理和通风,直接控制生物生长参数。因此,温室的智能化控制是通过收集专业的技术数据构建系统,以建立植物生长的参数为理论依据,开发出的一种适合不同植物生长的温室控制系统。这种智能化的控制技术将园林与温室自动控制技术相结合,以温室综合环境因子作为采集与分析对象,通过系统的判断,得出植物生长所需要的最佳环境参数,并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行处理,自动选择合理、优化的调整方案,控制执行机构的相应动作,实现温室的智能化管理。
  
  表1:上海辰山国家植物园展览温室的控制参数
  
  
  
  注a:图中,上述控制参数可以根据实际的控制效果加以修正。
  
  2.1系统的自动化控制主要分成3个工况:春秋、夏季、冬季。
  春秋:室外最低温度大于 15℃或室外最高温度小于30℃;
  夏季:室外最高温度大于30℃;
  冬季:室外最低温度小于15℃。
  ①春秋季节控制方式:
  仅采用可开启外窗进行自然通风。
  当低区温度大于25℃时开启喷雾系统和50%的遮阳帘降低室温。天窗和侧窗设有自动雨量感应器。
  当气候条件为雨天时,窗会自动关闭;当气候条件为大风时,为保护侧窗和天窗不受损坏,受系统的控制,侧窗和天窗也会自动关闭,在侧窗和天窗关闭的条件下,如低区温度大于25℃应开启垂直机械循环通风系统,将室内的高温高湿空气排出室外。
  ②夏季控制方式:
  采用可开启外窗进行自然通风,全角度开启侧窗和天窗,下、中部侧窗为进风,顶部天窗为排风,使室外风能通过温室植物区,带走热量。
  从上午7:00~下午7:00之间开启接力循环风机,加快空气的流动。
  当气候条件为晴天或多云、室外温度大于25℃时,开启50%的顶部遮阳帘,当室外温度大于30℃时,开启100%的顶部和下部遮阳帘。
  当高区温度大于40℃时,开启喷雾系统,利用水的汽化吸热降低温度。如植物区的温度大于30℃,喷雾系统继续运行,如植物区的温度小于30℃,将根据各个植物区的湿度要求判断是否继续运行该系统。
  天窗和侧窗设有自动雨量感应器,当气候条件为雨天时,窗会自动关闭;当气候条件为大风时,为保护侧窗和天窗不受损坏,受系统的控制,窗亦会自动关闭。此时应开启垂直机械循环通风系统,将室内的高温高湿空气排出室外。
  ③冬季控制方式:
  白天在有日照的條件下垂直机械循环通风系统吸入高区的高温空气下部低位送出,降低制热系统的能耗,为了保证高区形成高温空气,顶部的天窗应关闭。室内的温度梯度不宜大于10℃,当顶部的温度大于下部温度10℃时,喷雾系统运行降温,顶部天窗应开启30%,下部天窗部分开启,垂直机械循环通风系统应低吸高送,排除温室顶部的高温空气。
  在使用垂直机械循环通风系统时要结合熵值图防止温室内部结露。
  如天气晴朗,适当开启南侧的下、中部侧窗,流入一定量的室外空气。
  水平循环风机全天24h开启,尤其保证温室无自然通风情况下,保持室内有风速流过植物叶片,满足植物叶片蒸发的要求。
  2.2极端状况设定为3个
  春夏之交的黄梅天为极端高湿度。
  夏季无风晴朗时气温大于35℃为极端高温。
  冬季阴天时气温低于0℃为极端低温。
  极端高湿度控制方式:
  极端高湿度是指长江中下游地区特有的黄梅天,此时室外温度不会很高,但是室内湿度很高,由于温室内无除湿系统,在此状况下运行下部侧窗处和道路下部的新风送风系统、垂直机械循环通风系统和水平接力循环风机,加大空气的流动, 带走植物叶片表面的蒸发水分。
  如为雨天,侧窗和天窗应处于关闭状态。遮阳帘应处于关闭状态。喷雾系统应关闭。
  极端高温控制方式:
  极端高温一般出现在夏季无风晴朗的时段,此时光照充足,室外气温大于35℃。温室内部高区和低区的温度梯度越大,自然通风的效果越好,为提高高区空气的温度,适当关闭一定数量的温室顶部的天窗,当温度梯度大于20℃时,顶部天窗全开,当温度梯度小于10℃时再次关闭一定数量的顶部天窗。下、中部的侧窗全角度开启。
  水平接力循环风机全天24h运行。垂直机械循环通风系统全天24h运行,向外排风。日出时段开启100%的低部遮阳帘和部分顶部遮阳帘。由于喷雾系统从高区向下喷雾会降低高区的温度,降低温度梯度,影响自然通风的效果,故喷雾系统关闭。下部侧窗和道路下部新风系统的加湿系统开启,向植物区的地区大量送入高湿度新风来降低室温,还可开启移动式大风量电扇,尽可能提高换风量。
  极端低温
  极端低温是指温室室内低区北侧温度低于5℃。在此条件下采暖水系统开启,提高温室低区的温度。
  3 温室系统的合成调试
  3.1温室系统的设计施工
  线槽、线管的设计与安装
  水平系统管线连接、垂直系统管线连接的整体设计遵从综合布线的主线槽的设计方案,部分支管线路根据现场实际情况为由。
  从控制站至现场控制器之间采用专用的通讯电缆沿镀锌钢管敷设,控制器至执行机构采用屏蔽线,在线缆集中的地方采用金属线槽进行敷设,其它零散测点线缆较少的地方采用穿镀锌钢管进行敷设。
  现场设备施工安装
  为控制器配置的控制柜可提供控制器工作所必需的电源、接线端子、继电器板等,控制器内置于控制柜中。控制柜安装在被控对象附近,便于操作及施工,每台现场控制柜需提供一个220v,1000w的电源,或在附近留有电源插座。需要控制设备的配电柜内需设置手自动转换开关,转换开关置于手动状态时,用手动启停按扭控制该设备;转换开关置于自动状态时,由现场控制机提供的无源常开触点控制设备。被控设备配电柜需提供一对常开无源辅助触点,留有现场控制使用,以检测设备的运行状态。
  传感器、执行器安装在工艺管道上面,每个元件需要的电缆视不同产品而有所不同。当风道温度传感器与湿度传感器一同安装时,温度应置湿度传感器上测。电动阀门驱动器安装,注意阀的实际开启方向与驱动器指示方向相符。流量计一定要注意于直管段竖直安装,流量计前至少要有10倍流量计通径的距离;流量计以后至少要有5倍流量计通径的距离。
  3.2温室系统的功能检测
  空调通风系统功能检测
  对空调系统进行温度自动控制、预定时间表自动启停、节能优化控制功能检测,着重检测其测控点与被控设备的随动性和实时性,检查运行工况,测定控制精度,并检测设备连锁控制的正确性。对试运行中出现故障的系统要重点测试。
  检测方法:在工作站或现场控制器模拟测控点数值或状态改变,或人为改变测控点状态时,记录被控设备动作情况和响应时间;在工作站或现场控制器改变时间设定表,记录被控设备启停情况;在工作站模拟空气环境工况的改变,记录设备运行状态变化,也可根据历史记录和试运行记录对节能优化控制做出判定。
  对各类传感器、执行器和控制设备的运行参数、状态、故障的监测、记录与报警进行检测时,通过工作站数据读取、历史数据读取、现场测量观察和人为设置故障相结合的方法进行,同类设备检测数量不低于20%抽检,被检设备合格率为100%时为检测合格。
  现场设备安装质量检查
  传感器:每种类型传感器抽检10%,传感器少于10支时全部检查。
  执行器:每种类型执行器抽检10%,执行器少于10台时全部检查。
  控制柜:各类控制柜抽检20%,少于10台时全部检查。
  检查合格率达到100%时为检查合格。
  现场设备性能测试
  接入率及完好率测试,按照设计总数的20%进行抽检,合格率达到100%时为检测合格。
  模拟信号通道的检测精度测试,按照设计总数的10%进行抽测,合格率达到100%时为检测合格。
  模拟信号通道的检测精度测试,按照设计总数的10%进行抽测,合格率达到100%时为检测合格。
  控制设备性能测试,包括电动风阀、电动水阀等。主要测定控制设备的有效性、正确性和稳定性;测试核对电动调节阀和变频器在行程处对控制指令的一致性、响应速度和控制效果;测试结果应满足合同技术文件及控制工艺对设备性能的要求。检测为20%抽测,检测合格率达到100%时为检测合格。
  4 总结
  该系统温室内部采用带空气循环的温湿度传感器、二氧化碳传感器、土壤湿度传感器;温室外在空旷区域设置气象站,装设温度传感器、自动雨量感应器、风速仪,可提供全方位的气候控制,强大的控制软件支撑使这套系统能与温室特有的设备配套,可按不同区域不同种植物的要求考虑各环境因子之间的相互关系,从而进行自动调节与控制。该监控软件具有很好的开放性,便于系统扩充,且具有人机界面友好、查看灵活和易于维护等特点。该系统实现了测量、管理、控制一体化的信息集成,具有自测、自检、自校准功能。
  
  参考文献:
  
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  [4] Roger W.Haines,Douglas C.Hittle..Control Systems for Heating,Ventilating,and Air Conditioning[ M].Springer,2006:269-327.
  作者簡介:
  殷敏/汉/中国上海/1980年8月28日生/男/土建工程师/同济大学土木工程系毕业/佳程集团/电子
  王顺/汉/中国上海/男/弱电工程师/佳程集团/
  金灵钢/汉/中国上海/男/安装工程师/上海建工(集团)总公司
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