XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

С ростом населения мира и увеличением потребности в продовольствии, эффективные методы сельского хозяйства становятся все более актуальными. Умные теплицы, использующие автоматизированные системы управления, позволяют значительно повысить урожайность и качество продукции за счет точного контроля за параметрами окружающей среды. Однако, как и любое технологическое решение, АСУ подвержены сбоям, что может негативно сказаться на производительности. Поэтому проектный расчет надежности АСУ является важной задачей.

Умная теплица представляет собой автоматизированную систему, которая обеспечивает оптимальные условия для роста растений. В автоматизированную систему управления (АСУ) умной теплицей входит комплекс аппаратных и программных средств, предназначенных для управления процессами в различных системах при выращивании растений в тепличных условиях. Основные определения систем и понимание процессов, происходящих в них, необходимы для разработки и проектирования надёжной АСУ, обеспечивающей точное и эффективное управление тепличным хозяйством.

АСУ ТП теплицы разрабатывается с учетом физиологических потребностей выращиваемых растений. Задача системы управления процессами теплицы заключается в строгом поддержании оптимальных технологических параметров, необходимых для роста тепличной продукции. Система упрощает управление такими процессами как полив, освещение, рост и питание тепличной продукции и др.

Автоматизированная система управления (АСУ) - система технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления технологическим процессом. [6]

Элементами АСУ являются: датчики, измеряющие конкретные параметры, поступающие в систему управления, исполнительные механизмы, выполняющие команды управления; контроллер- центральный элемент, принимающий данные от датчиков и отправляющий команды на исполнительные механизмы; пользовательские интерфейсы, системы отчетности и базы данных. В связи с этим АСУ ТП делят на три уровня: верхний, средний и нижний, графически представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Автоматизированная система управления

Системы управления процессами в умной теплице

Система мониторинга окружающей среды осуществляет сбор и передачу значений показаний всех используемых датчиков.

Система контроля микроклимата осуществляет управление:

-температурой воздуха и грунта посредством регулирования отопления и охлаждения в зависимости от заданных параметров и текущих показателей, поступающих от датчиков температуры, расположенных в разных частях теплицы, обеспечивают точный мониторинг;

-влажностью почвы и воздуха посредством регулирования вентиляции и полива в зависимости от заданных параметров и текущих показателей, поступающих от датчиков влажности, расположенных в разных частях теплицы, обеспечивают точный мониторинг;

-уровнем СО2 посредством поступающих данных о концентрации углекислого газа с датчиков и регулирования его уровня с помощью вентиляционного оборудования или применения СО2-генераторов.

Система управления поливом осуществляет управление:

- капельным поливом посредством равномерного распределения воды в зависимости от заданных параметров и команд, поступающих от системы контроля микроклиматом. Датчики влажности почвы активируют полив только тогда, когда это необходимо, предотвращая переувлажнение и пересыхание;

-применением удобрений посредством дозирования удобрений в процессе полива, обеспечивая растения необходимыми питательными веществами в нужных количествах.

Система освещения осуществляет управление:

-регулированием светового режима посредством контролирования искусственного освещения, включая его интенсивность и продолжительность, в зависимости от времени года и потребностей растений. Используются светодиоды (LED), которые могут регулироваться по спектру и интенсивности;

-регулированием затемнения посредством управления теневыми шторами.

Система вентиляции осуществляет управление:

-естественной вентиляцией посредством открытия и закрытия окон и вентиляционных систем в зависимости от температуры и влажности, поступающих команд от системы управления климатом, обеспечивая приток свежего воздуха и удаление избыточной влаги;

-принудительной вентиляцией посредством регулирования работы вентиляционного оборудования.

Система энергетического менеджмента осуществляет управление:

-оптимизацией потребления электроэнергии посредством контроля использование электроэнергии, включая управление солнечными панелями и другими возобновляемыми источниками энергии, что позволяет снижать затраты и минимизировать углеродный след;

-управления нагрузкой включая автоматическое отключение несущественных потребителей в пиковые часы.

Система безопасности осуществляет управление:

-мониторингом безопасности посредством обеспечения контроля за доступом к теплице и мониторинга состояния оборудования, что позволяет предотвращать кражи и повреждения;

-защитой от вредителей посредством интегрирования с системами мониторинга вредителей и болезней, позволяя оперативно реагировать на угрозы.

Система резервирования осуществляет управление:

-резервным оборудованием с целью повышения надежности системы в случае наступления нештатной ситуации. В случае отказа основного элемента, резервный элемент автоматически активируется.

Система мониторинга и управления может состоять из интерфейса пользователя, уведомлений и отчетов. Обычно имеется веб-интерфейс или мобильное приложение, позволяющее пользователю контролировать и управлять системой удаленно. Система может отправлять уведомления о состоянии теплицы и генерировать отчеты о производительности.

Технологический процесс умной теплицы представляет собой интеграцию различных технологий и систем, направленных на создание оптимальных условий для роста растений. Автоматизация процессов и использование датчиков позволяют значительно повысить эффективность и устойчивость сельскохозяйственного производства, снижая затраты и улучшая качество продукции. Базовые элементы системы, управление которыми может осуществляться с помощью программируемого логического контроллера (ПЛК) представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема управления процессами в умной теплице

Этапы реализации процесса проектного расчет надежности АСУ ТП.п

При проведении проектного расчета надежности АСУ ТП выделяют целый ряд этапов:

1. Этапы проектирования

1.1 Определение требований

На первом этапе проектирования необходимо четко определить требования к надежности АСУ. Это включает в себя анализ функциональных задач, которые система должна выполнять, и условий эксплуатации. Важно учитывать не только технические характеристики, но и внешние факторы, такие как климатические условия и типы растений, что может существенно повлиять на надежность системы. Требования к работоспособности: Установите минимально допустимое время безотказной работы для каждой системы.[1]

1.2 Выбор компонентов

Выбор компонентов системы должен основываться на их надежности и совместимости. Bспользование проверенных и сертифицированных компонентов, таких как датчики, исполнительные механизмы и контроллеры, позволяет снизить вероятность отказов. Необходимо также учитывать возможность резервирования критически важных узлов, что увеличивает общую надежность системы.[2]

1.3 Разработка архитектуры системы

Разработка архитектуры системы включает создание схемы взаимодействия всех компонентов. Важность создавать модульную архитектуру, которая позволяет легко заменять или обновлять отдельные элементы системы без значительных затрат времени и ресурсов. Это также способствует повышению устойчивости системы к сбоям.[4]

2. Расчет надежности

2.1 Моделирование системы

Моделирование системы является ключевым шагом в проектном расчете надежности. Создание математических моделей, описывающих работу всех компонентов системы, позволяет предсказать поведение системы в различных условиях. Это может включать как статические, так и динамические модели, которые учитывают изменения в окружающей среде и нагрузках на систему.[3] На данном этапе создается структурная схема АСУ, включающая все основные компоненты и их взаимосвязи. Проводится идентификация компонентов. Определяются все ключевые компоненты системы (датчики, контроллеры, исполнительные механизмы и т.д.) и их характеристики.

2.2 Расчет вероятности отказов

Расчет вероятности отказов можно осуществить с использованием методов, таких как FMEA (анализ видов и последствий отказов) и FTA (анализ деревьев отказов). Применение этих методов позволяет выявить потенциальные точки отказа в системе и оценить их влияние на общую функциональность. Это дает возможность заранее разработать меры по минимизации рисков.[5]

После запуска в действие и некоторого периода функционирования системы осуществляется анализ отказов. Используются методы анализа отказов такие как FMEA - анализ видов и последствий отказов. для определения вероятностей отказов каждого компонента. В течение всего процесса функционирования системы происходит сбор статистических данных о надёжности используемых компонентов (например, время наработки на отказ).

3. Моделирование отказов

На данном этапе осуществляется моделирование различных сценариев отказов для оценки воздействия на общую производительность системы и рассматриваются возможности и способы использования резервных систем для повышения надежности.

4. Оценка рисков

Для проведения оценки рисков необходимо провести их анализ, чтобы определить, какие отказы могут иметь наибольшее влияние на работу теплицы, и разработайте меры по их минимизации.

5. Тестирование и валидация

После завершения проектирования и расчета надежности необходимо провести тестирование системы в реальных условиях эксплуатации. Тестирование должно включать как функциональные испытания, так и стресс-тесты, которые помогут выявить слабые места системы. Это также позволит оценить, насколько проектные решения соответствуют реальным условиям.[1]

Валидация системы включает в себя сравнение результатов тестирования с проектными требованиями. Успешная валидация подтверждает надежность системы и ее готовность к эксплуатации. В случае выявления несоответствий необходимо внести изменения в проект или провести доработку системы.[2]

6. Документация

На данном этапе готовится отчет, в котором будут представлены результаты расчетов, анализов и тестирования, а также рекомендации по улучшению надёжности системы.

Проектный расчёт надёжности АСУ для умной теплицы — это комплексный процесс, который требует тщательного анализа всех компонентов системы и их взаимодействий. Правильный подход к проектированию и оценке надёжности поможет обеспечить стабильную работу теплицы и оптимальные условия для роста растений.

Список используемых источников

1. Кузнецов, А. И., & Петров, В. Н. (2020). "Надежность автоматизированных систем управления в агрономии". Агроинженерия, 3(45), 12-18.

2. Сидоров, И. В., & Смирнов, А. П. (2019). "Умные теплицы: современные технологии и их применение". Вестник сельскохозяйственной науки, 5(25), 45-52.

3. Васильев, Е. А. (2021). "Моделирование и анализ надежности автоматизированных систем". Журнал системного анализа и управления, 2(34), 78-85.

4. Лебедев, С. И. (2022). "Проблемы и решения в области автоматизации сельского хозяйства". Сельскохозяйственная техника и технологии, 1(12), 22-30.

5. Федоров, Р. М. (2023). "Инновационные технологии в умных теплицах: надежность и эффективность". Научные труды по агрономии, 7(19), 56-64.

6. Легков К.Е., Скоробогатова О.А. Основные направления развития автоматизированных систем управления специального назначения и требования, предъявляемые к ним системой управления. Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2013. Т. 5. № 1. С. 40-45. [Электронный ресурс]. – URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_22880022_85633675.pdf (Дата обращения: 14.09.24).

7. ГОСТ Р 50.1.001-2012 – "Системы управления. Общие требования к надежности". Этот стандарт устанавливает общие требования к надежности систем управления, включая АСУ ТП.

8. ГОСТ Р 50.1.002-2015 – "Системы управления. Оценка надежности". Стандарт описывает методы оценки надежности систем управления, что важно для АСУ ТП.

9. ГОСТ Р 50779.12-2016 – "Системы автоматизации. Часть 12. Надежность. Общие требования". Этот стандарт определяет требования к надежности систем автоматизации, включая методы расчета и оценки.

10. ГОСТ 34.601-90 – "Системы программирования. Общие требования к надежности". Стандарт описывает требования к программному обеспечению, используемому в АСУ ТП.

Код для цитирования: Скопировать