автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Автоматизированные энергосберегающие технологии и система электрооборудования линий первичной обработки молока на фермах

Российская академия сельскохозяйственных наук

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ)

^ъ/ъг^гтпттт^ На правах рукописи

Учеваткин Александр Иванович Г3 Г б ОД УДК 621.31:658.516:637.113

" 6 ДВГ 1538

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЛИНИЙ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА НА ФЕРМАХ

Специальность 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного

производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ)

Научные консультанты: доктор технических наук, профессор

А.М.МУСИН

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Ю.А.ЦОЙ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

A.А.ГЕРАСЕНКОВ

доктор технических наук, профессор

B.Н.РАССТРИГИН

доктор технических наук, профессор

C.А.РАСТИМЕШИН

Ведущая организация: Московский государственный проектный

и научно - исследовательский институт по сельскому строительству (МОСГИПРОНИИСЕЛЬСТРОЙ)

Защита диссертации состоится "22 " сентября 1998 г. в 10.00 час на заседании Диссертационного совета Д 020.15.01 по присуждению ученой степени доктора технических наук Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, дом 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИЭСХа.

Автореферат разослан " / " ¿хоО-^^^ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Переход сельскохозяйственного производства к рыночным отношениям объективно изменил условия технологического и технического оснащения сельского хозяйства. Нарушение паритета цен на реализуемую продукцию животноводства и промышленности привели к резкому росту затрат, сокращению объемов и эффективности производства молочной продукции. Опережающий рост цен на промышленную продукцию, энергоресурсы, монополизм переработчиков молочной продукции, производителей сельхозтехники привели к неконкурентоспособности отечественных продуктов питания и как следствие к невыгодности производства молока. В результате за 1991-1996 г. произошел спад производства молока на 36%. В этих условиях хозяйства-производители молока вынуждены искать более выгодные способы и пути реализации своей продукции путем организации собственной переработки молока непосредственно в хозяйствах. Доля таких хозяйств уже составляет 40%. Однако, из-за низкого технологического уровня большинства животноводческих ферм и отсутствия по ряду процессов современного оборудования, качество получаемого молока на фермах остается еще неудовлетворительным, а его обработка - энергоемким и трудоемким процессом. В целом по России производится до 74% молока I сортом, 22% молока - II сортом и 4% молока -несортовым, из них менее 50% - охлажденным. При этом затраты энергии на обработку 1 т молока составляют 30...35 кВт.ч, а затраты рабочего времени оператора на управление процессом обработки - более 2500 часов в год. Поступление сыропригодного молока составляет от 10 до 30% от общего поступления. Отмечены большие потери молочного жира в процессе обработки молока на фермах, что наносит большой ущерб хозяйствам.

Передовой отечественный и зарубежный опыт развития электрифицированных машинных технологий показал, что повышение качества молока при одновременном снижении энергоемкости и трудоемкости процесса обработки требует соответствующей функционально-структурной перестройки технологических систем на основе новых энергосберегающих, информационных технологий и технических средств. Особую актуальность приобретает разработка и внедрение энергосберегающих систем и установок с использованием естественного природного холода, а также электрифицированных технических средств, унифицированной системы электрооборудования (СЭ) и вычислительной техники для управления производственными процессами в оптимальных режимах, обеспечивающих снижение энергоемкости процесса обработки молока и максимальное замещение ручного труда.

Применение энергосберегающих технологий и технических средств существенно изменяют структуру технологических линий и СЭ, режимы их работы и методы управления ими. Количество типоразмеров технологического оборудования, машин и систем управления значительно увеличилось, что привело к расширению функций управления и росту разнотипного электрооборудования и как следствие - к усложнению алгоритмов управления процессом обработки молока и соответственно систем автоматики. Существующая СЭ не обеспечивает комплектацию линий нового поколения. Эффективность этой СЭ снижается номенклатурной избыточностью, устаревшей элементной и конструктивной базой. Ее функциональные возможности не позволяют повысить уровень автоматизации линий и интенсифицировать процесс обработки молока.

Возросшие требования к качеству молока, электрооборудованию, сложность и многообразие автоматизируемых энергосберегающих процессов, систем и технических средств, потребовали создания единой методологической базы синтеза унифицированных систем, разработки методических подходов и практических методов обоснования и построения этих систем, максимально учитывающих сложность и особенности объекта управления. Поэтому научные исследования, направленные на разработку теоретических

основ и практических методов синтеза энергосберегающих технологий, технических средств и унифицированной СЭ, обеспечивающих интенсификацию процесса обработки молока на фермах при улучшении его качества, а также энергетических, экологических и эксплуатационных характеристик технологических линий актуальны и имеют важное народнохозяйственное значение.

Связь выполненных исследований с государственными программами. ' Исследования выполнены в соответствии с Государственной программой ГКНТ.СССР на 1981...1985 гг. и 1986...1990 гг. по решению научно-технической проблемы 0.51.21 "Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства", задание 04 "Разработать унифицированные системы управпения • технологическими процессами и поточными линиями сельскохозяйственного производства, обеспечивающие переход от автоматизации отдельных машин и агрегатов к полной автоматизации отдельных цехов и предприятий"; ГНТП "Высокоэффективные процессы производства продовольствия" по тематике ГКНТ СССР ферма-завод "Агроноосфера-2000"; Республиканской (федеральной) целевой научно-технической программы на 1992... 1995^г "Разработать научно-обоснованные технологии производства продуктов питания для здоровых и больных детей различных возрастных групп на молочной, мясной, ^рыбной и плодоовощной основе ("Детское питание")"; отраслевой научно-технической ¡программой 0.СХ.71 на 1986...1990 гг. "Осуществить поиск и разработку высокоэффективных методов и средств рационального использования электроэнергии в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения"; "Федеральной программы машиностроения для АПК России" (в том числе программы "Фермер"); планами НИР ВИЭСХа на 1977...1997 гг., выполняемых по государственному заказу с Россельхозакадемией (ВАСХНИЛ) и Минсельхозпродом России (МСХ СССР);

Цепь и задачи исследований. Разработка научно-методических основ и практических методов синтеза автоматизированных энергосберегающих технологий, технических средств и унифицированной системы электрооборудования (СЭ) технологических линий обработки молока, обеспечивающих интенсификацию процесса обработки молока на фермах при улучшении его качества, а также энергетических, экологических и эксплуатационных характеристик.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

1. Обосновать и разработать принципы построения и функционально-структурной организации автоматизированных энергосберегающих технологических систем и технических средств по модульном у принципу, позволяющие формировать гибкие энергосберегающие линии обработки молока с требуемыми параметрами и характеристиками для любых типов животноводческих ферм с потенциальным расширением их функциональных возможностей при изменении технологических задач.

2. На основании математического моделирования процессов аккумулирования холода и охлаждения молока разработать практический метод обоснования параметров и инженерного расчета комбинированных автоматизированных энергосберегающих систем охлаждения с использованием естественного и искусственного холода для всех типов технологических линий обработки молока животноводческих ферм. Создать опытные образцы новых систем охлаждения молока сезонного и круглогодового действия для регионов России с умеренным климатом и провести их испытания в производственных условиях.

3. На основе исследования технологических линий обработки молока как объектов управления обосновать контролируемые и регулируемые параметры процесса обработки, определить структуру СЭ и комплекс технических средств для получения информации о состоянии объекта управления, выявить их влияние на показатели качества молока, энергетические, экологические и эксплуатационные характеристики линий.

4. Разработать метод синтеза унифицированной СЭ, позволяющий на основе формирования типовых алгоритмов управления базовых элементов (субблоков) и многократного их применения строить унифицированные низковольтные комплектные устройства управления (НКУ) и СЭ технологических линий обработки молока с гибкой иерархической структурой по блочно-модульному принципу без номенклатурной избыточности и перестраивать их при изменении технологических задач.

5. Разработать технические требования на типоразмерный ряд "унифицированных НКУ, провести их испытания и дать технико-экономическую оценку.

Методологическая база и методы исследования. В основу разработки автоматизированных энергосберегающих технологий, технических средств и унифицированной СЭ положен методологический прием, в соответствии с которым энергосберегающие технологические линии рассмотрены как единая сложная система взаимодействия множества элементов - технологических, энергетических, эксплуатационных факторов, влияющих на качество молока и на технико-экономические показатели фермы.

Поставленные задачи решены с позиций системного подхода с использованием теории операций, теории вероятностей и математической статистики, теории автоматического регулирования, математического и физического моделирования, анализа и синтеза СЭ. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современной измерительной и вычислительной техники на действующих автоматизированных энергосберегающих технологических линиях первичной обработки молока ферм в путем непосредственных измерений и сравнения сданными теоретических исследований.

Научная новизна исследований. Разработаны научно-методические основы и практические методы синтеза автоматизированных энергосберегающих систем, электрифицированных технических средств и унифицированной СЭ технологических линий обработки молока, обеспечивающих интенсификацию процесса обработки молока на фермах при улучшении его качества, а также энергетических, экологических и эксплуатационных характеристик.

Предложен метод построения и функционально-структурной организации автоматизированных энергосберегающих систем охлаждения с использованием естественного холода и технических средств, позволяющий формировать по модульному принципу гибкие энергосберегающие линии с требуемыми параметрами и характеристиками для любых типов животноводческих ферм с учетом изменения и расширения их функциональных возможностей при изменении задач.

Разработаны математические модели процессов аккумулирования холода и охлаждения молока водо-ледяными аккумуляторами сезонного и круглогодового действия. Теоретически и экспериментально исследованы и обоснованы эффективные режимы аккумулирования естественного и искусственного холода. Разработана обобщенная методика расчета и обоснования параметров и режимов работы системы охлаждения молока с использованием естественного и искусственного холода на базе установок сезонного действия, комбинированного действия и аккумуляторов-льдохранилищ. Даны рекомендации для количественной оценки и выбора наиболее эффективной энергосберегающей системы охлаждения молока, обеспечивающей максимальное использование потенциала природного холода и рациональное сочетание естественною и искусственного холода в технологических линиях в суточном и годовом циклах. Обоснованы типовые схемы комбинированных энергосберегающих систем охлаждения круглогодового действия и разработан типоразмерный ряд водо-ледяных аккумуляторов естественного и искусственного холода с распылительными блоками в сочетании с подзарядными холодильными установками.

Предложен метод исследования технологических пиний обработки молока как объектов управления, позволяющий на основе математического моделирования технологи-

ческих режимов работы линий обосновать контролируемые и регулируемые параметры процесса обработки, определить структуру СЭ и комплекс информационных технических средств и выявить их влияние на качество молока,- энергетические, экологические и эксплуатационные характеристики линий. Разработаны математические модели временных и энергетических режимов работы, влияния параметров и режимов работы электрооборудования на показатели качества обрабатываемого молока и структуру затрат рабочего времени оператора на управление процессом обработки молока.

Разработана методика блочно-модульного принципа построения унифицированной СЭ, позволяющая обосновать типовые алгоритмы управления исполнительными механизмами звеньев базовых элементов (субблоков) и на основе многократного их применения сформировать унифицированные низковольтные комплектные устройства управления (НКУ) и СЭ линий обработки молока с гибкой иерархической структурой без номенклатурной избыточности с возможностью ее перестройки при изменении технологических задач. Обоснована двухуровневая иерархическая структура унифицированной СЭ, обеспечивающая комплексную автоматизацию процесса обработки молока на фермах.

На основе проведенных исследований предложены и разработаны энергосберегающие технологии, новые технические средства и типоразмерный ряд унифицированных НКУ, которые серийно выпускаются в Российской Федерации и странах СНГ.

Достоверность теоретических положений подтвердилась длительной эксплуатацией на фермах и государственными испытаниями разработанных опытных партий и серийно выпускаемых технических средств и оборудования.

Новизна технических решений подтверждена 14 авторскими свидетельствами СССР, 16 патентами России и 12 положительными решениями на изобретения.

Практическая ценность диссертации - в создании научно-методических основ, практических методов расчета и принципов построения систем, позволяющих проектировать и формировать по модульному принципу гибкие автоматизированные энергосберегающие технологические линии обработки молока с унифицированной СЭ для любых типов животноводческих ферм и климатических регионов страны, применяемых в типовых и экспериментальных проектах ферм и снижать затраты на их разработку и внедрение; в разработке и внедрении новых эффективных технических средств, обеспечивающих проведение основных технологических операций: индивидуальный, групповой и общий (коммерческий) учет молока, очистку, охлаждение молока естественным и искусственным холодом, аккумулирование естественного и искусственного холода, кратковременное хранение, а также промывку оборудования; в разработке комплекта электрооборудования, состоящего из типоразмерного ряда унифицированных НКУ и централизованного устройства дистанционного контроля и управления (ЦУДКУ), построенных по блочно-модульному принципу без номенклатурной избыточности и унифицированных на уровне деталей и сборочных единиц. Разработанный унифицированный комплект электрооборудования позволяет формировать СЭ для любых типов и вариантов технологических линий обработки молока на фермах и комплексах.

Применение новых разработанных технических средств и комплекта унифицированной СЭ в технологических линиях позволяет сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение молока в холодное время до 10 раз, уменьшить установленную мощность электрооборудования и хладопроизводительность холодильных установок до 3 раз, материалоемкость аккумуляторов естественного и искусственного холода до 6 раз, повысить аккумулирующую способность системы не менее, чем в 2 раза. Новые технические средства обеспечивают обработку молока в закрытом потоке без накопительно-регулирующих емкостей, изолированно от окружающего воздуха. Это дает возможность на ферме с поголовьем 800 коров при годовом надое 3000 т молока увеличить количест-

во сдаваемого высшим сортом молока не менее, чем на 80 т в год, на 0,18 т снизить потери молочного жира, на 90% сократить требуемую производственную площадь и металлоемкость оборудования для приема и учета молока, на 50% сократить непроизводительные затраты рабочего времени оператора на управление и эксплуатацию линией. При этом уровень автоматизации линий повышается не менее, чем на 50%.

Внедрение результатов исследований. В, результате проведенных исследований, включающих в себя теоретическое обоснование параметров и режимов работы автоматизированных энергосберегающих систем, технических средств и унифицированной СЭ, разработку опытных образцов и их производственные испытания на молочных фермах, разработаны и утвер>кдены исходные требования {технические задания) на 28 различных технологических систем, установок, устройств и унифицированных НКУ для технологических линий первичной обработки молока.: По исходным требованиям (техническим заданиям) организации промышленности выполнили ОКР, разработали промышленные образцы и провели хозяйственные, ведомственные и государственные испытания с рекомендациями серийного производства и широкого внедрения на животноводческих фермах и комплексах страны. По большинству разработок начато серийное производство в России и странах СНГ.

Результаты исследований включены в Систему машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1981...1995 гг., ч. II Животноводство. Они составили научную базу для разработки:

"Рекомендаций по автоматизации производственных процессов для объектов сельскохозяйственного назначения"; "Рекомендаций по разработке линий обработки молока с энергосберегающими технологиями для доильно-молочных блоков животноводческих ферм и комплексов; "Рекомендаций и руководства по привязке установок сезонного действия для систем охлаждения молока естественным холодом на фермах"; "Рекомендаций по изготовлению и использованию установок естественного холода для охлаждения молока; 'Технических требований и технико-экономических обоснований на серийное производство унифицированной СЭ для технологических линий обработки молока на предприятиях Минэлектротехпрома", на основе которых начато серийное производство комплектов унифицированного электрооборудования для технологических машин.

Разработанные автоматизированные энергосберегающие технологии, технические средства и унифицированный комплект НКУ прошли длительную проверку в производственных условиях на молочных фермах, неоднократно экспонировались на международных, всесоюзных и всероссийских выставках и отмечены 5 золотыми, 7 серебряными медалями и дипломами ВДНХ СССР и ВВЦ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Метод построения и функционально-структурной организации автоматизированных энергосберегающих технологических систем и технических средств, обеспечивающий повышение адаптивных свойств систем при изменении внешних условий и параметров.

2. Прикладные методы обоснования параметров и инженерного расчета энергосберегающих комбинированных систем охлаждения молока и технических средств с использованием естественного и искусственного холода, обеспечивающих сокращение удельных затрат электроэнергии на охла>едение молока, установленной мощности электрооборудования и хладопроизводительности холодильных установок, а также материалоемкости оборудования.

3. Методология исследования технологических линий обработки молока как объектов управления, основанная на анализе материальных потоков линии, временных, энергетических и аварийных режимов работы звеньев, структуры затрат рабочего времени на управление линией, влияния режимов работы электрооборудования на качественные по-"

казатепи молока и позволяющая обосновать контролируемые и регулируемые параметры процесса обработки молока, структуру СЭ и комплекс информационных технических средств.

4. Математические модели, устанавливающие количественные взаимосвязи режимов работы электрооборудования и звеньев линии с показателями качества обрабатываемого молока, энергетическими, эксплуатационными характеристиками линий, обеспечивающие возможность создания прямоточных линий обработки молока.

5. Методика синтеза и построения унифицированной СЭ, основанная на разделении объекта управления на отдельные звенья и исполнительные механизмы, а электрооборудование на функциональные узлы - субблоки, позволяющая формировать типовые алгоритмы управления субблоков, как базовых элементов СЭ и строить унифицированные НКУ и СЭ технологических линий обработки молока без номенклатурной избыточности и с возможностью ее адаптации к изменяющимся условиям.

Совокупность сформулированных и обоснованных научных положений и результаты их внедрения представляют собой теоретическое обобщение и практическое решение актуальной научной проблемы по разработке научно-методических основ и метода синтеза автоматизированных энергосберегающих технологий, технических средств и унифицированной СЭ для технологических линий обработки молока, обеспечивающих интенсификацию процесса обработки молока на фермах при улучшении его качества, а также энергетических, экологических и эксплуатационных характеристик, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Апробация полученных результатов и практической ценности работы: Диссертационная работа обсуждена и одобрена на совместном заседании секций Ученого Совета ВИЭСХ "Электрификация и энергетика АПК" и "Автоматизация АПК и электромеханизация животноводства*. Выполненные разработки по теме диссертации и отдельные материалы, входящие в диссертацию, в течение 1979... 1938 гг. доложены, обсуждены и одобрены на международных, всесоюзных, всероссийских, республиканских совещаниях, на заседаниях кафедры автоматизированного электропривода и Ученого Совета МИИСП, научно-технического совета (НТС) Минсельхозпрода России, Главных управлений Минсельхозпрода России: науки и технического прогресса, механизации и электрификации животноводства, детского питания, департамента ветеринарии Минсельхозпрода России, Республиканского научного хозрасчетного инновационного центра агропромышленного комплекса Минсельхозпрода России, НТС ГУП "Мосгипронисельстрой", АО ВНИИКОМЖа, ГипроНИИсельхоза и Московского специализированного комбината холодильного оборудования (МСКХО).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 63 печатных работах, в том числе в 14 авторских свидетельствах СССР, 16 патентах России и 12 положительных решениях на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация обстоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и 13 приложений: Ее содержание изложено на 373 стр., включая 70 таблиц, 71 рисунок и библиографию из 335 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы и краткое изложение работы. Сформулированы научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние проблемы и постановка задач исследований"

проведен аналитический обзор, анализ тенденций развития и пути совершенствования

энергосберегающих технологических пиний обработки молока, проанализированы существующие технологии обработки молока, электрифицированные технические средства и система электрооборудования (СЭ). Сформулированы требования к современным энергосберегающим технологиям обработки молока с использованием естественного и искусственного холода, техническим средствам его обработки и унифицированной СЭ, показаны тенденции развития этих систем и пути их совершенствования.

Затратный характер энергопотребления сохраняется во всех отраслях с.х. производства, в т.ч. молочном животноводстве. Молочное оборудсвание на фермах имеет большой износ. Свыше 40% холодильных установок работают сэерх эксплуатационного срока. Новые холодильные установки на фермах составляют лишь около 7%. Особенно обострился вопрос в настоящее время, когда основные заводы изг тговители холодильного, технологического оборудования и НКУ (Одесхолодмаш, Мелитопольхолодмаш, Рижское ГСКБ, завод доильных установок г. Резекне, Луцкий ЭАЗ, Вс рошиловградский ЭАЗ и др.) оказались на территории стран ближнего зарубежья. В связи с этим остро встал вопрос разработки и производства оборудования и средств автомат пси на заводах России в модернизированном виде, с улучшенными характеристиками и с учетом современных требований с.х. производства в условиях рыночной экономики.

Дальнейшее наращивание производства молока и повышение эффективности процесса его обработки в условиях нынешнего материально-энергетического обеспечения хозяйств требуют вовлечения в энергетический баланс природных естественных источников энергии, создания и внедрения гибких энергосберегающих линий с различным уровнем автоматизации в зависимости от типоразмера ферм, принятой технологии \>. географии расположения ферм.

Использованию естественного холода для охлаждения и хранения молока и других с.х. продуктов посвящено большое количество работ. В этом направлении большой вклад внесли такие ученые, как А.В.Гольденфанг, В.С.Горбачев, В.А.Бобков, И.Н.Босин, Л.Ф.Волконович, А.И.Зеленцов, Б.Т.Маринкж, О.Г.Марьяхин, А.М.Мусин, Ю.А.Цой, и др.

Исследования показали, что выполненные разработки в большинстве случаев носили некомплексный характер. Не нашли должного отражения вопросы эффективности совместного использования для охлаждения молока источников естественного и искусственного холода. В условиях больших колебаний независимых входных параметров (температура воздуха и воды, количество охлаждаемого молока и его начальная температура) повысить эффективность функционирования подобных систем без автоматизации невозможно.

Технологический процесс обработки молока и существующая СЭ на фермах не отвечают современным требованиям по ресурсо- и энергосбережению, уровню автоматизации и унификации. СЭ, включающая типовые устройства управления серии РУС, не обеспечивает полноценную комплектацию линий нового поколения. Ее ограниченные функциональные возможности из-за несоответствия алгоритмов управления для 80% машин не позволяют реализовать энергосберегающие технологии и повысить эффективность процесса обработки молока. Проведенный анализ СЭ и технологического оборудования типоразмерного ряда линий обработки молока показал, что количество типоразмеров и типоисполнений НКУ быстро растет, при этом около 60% электрифицированных машин комплектуются разнотипными шкафами, щитами, пультами и ящиками управления с различным электрооборудованием. Номенклатурная избыточность составляет 5...15%. Разветвлённая номенклатура типоразмеров и модификаций НКУ с низким уровнем унификации ограничивает возможности организации специализированного производства и тем самым определяет высокий уровень затрат в сфере производства, а также снижает надежность работы электрифицированных машин в целом и усложняет их эксплуатацию. При формировании технологических линий, охватывающих несколько десятков машин,

число вариантов систем управления резко возрастает и решение задачи разработки сложной СЭ возможно лишь путем создания унифицированных НКУ для всей номенклатуры технологических линий. В связи с этим остро встала проблема унификации электрооборудования на уровне схемные решений, элементной и конструктивной базы, построение СЭ по блочно-модульному принципу. Это позволит значительно сократить количество типоразмеров и типоислолканий НКУ. Вместе с тем, существующий комплекс контролируемых и регулируемых гзраметров и технических средств не позволяет повысить уровень автоматизации энергосберегающих систем и интенсифицировать процесс обработки молока на фермах. Для эффективного управления процессом обработки молока, необходимо иметь полную и достоверную информацию о состоянии контролируемых и регулируемых параметр.« звеньев линии, характеризующих технологический процесс. Это требует проведежа комплексных исследований технологических линий как объектов управления для полу 1ения и обработки информации, необходимой для создания энергосберегающих технологических систем и разработки унифицированной СЭ и обоснования ее параметров.

Отсутствие методологии и принципов построения автоматизированных энергосберегающих систтм и синтеза унифицированной СЭ препятствует созданию единого комплексного повода к исследованию технологических линий как объектов управления и разработке сообщенных методик, рекомендаций и практических методов построения и инженерногл расчета энергосберегающих систем, позволяющих учесть все многообразие сложных взаимосвязей меэеду звеньями и СЭ. Известные методы и существующие методики расчета и обоснования параметров и режимов работы технических средств, техно-логичег.сих линий и синтеза унифицированной СЭ используют невзаимосвязанные модели, отражающие различные стороны функционально-структурной организации линий и СЭ Раз должного отражения концепции развития систем. Большинство моделей не учи-тыгают основного свойства разрабатываемых энергосберегающих технологических систем и СЭ - целостности в функциональном и структурном аспектах.

Установлено, что повышение уровней автоматизации, унификации, улучшение энергетических, экологических и эксплуатационных характеристик линий, сокращение времени на обнаружение аварий и восстановление систем может быть достигнуто функционально-структурной организацией линий по модульному принципу и созданием унифицированной СЭ с гибкой иерархической структурой, позволяющей интенсифицировать процесс обработки молока и обеспечить комплексную автоматизацию ферм и комплексов. Реализация такого подхода требует совершенствования существующих и разработки новых методов синтеза автоматизированных энергосберегающих систем, технических средств и унифицированной СЭ технологических линий обработки молока.

Во второй главе "Принципы построения автоматизированных энергосберегающих технологических процессов линий обработки молока на фермах и методы их инженерного расчета" изложены технологические основы и методы построения автоматизированных энергосберегающих технологических систем и математического описания объектов управления с новыми техническим средствами, разработаны математические модели процессов аккумулирования холода и охлаждения молока водо-ледяными аккумуляторами сезонного и круглогодового действия в теплообменниках проточного и емкостного типов, исследованы и обоснованы режимы аккумулирования естественного и искусственного холода, сформулированы требования к типоразмеру установок для охлаждения молока с использованием естественного и искусственного холода, приведена методика расчета и обоснования параметров и режимов работы системы охлаждения молока с использованием естественного и искусственного холода на базе установок сезонного действия (УСД), круглогодового комбинированного действия (УКД) и аккумуляторов-льдохранилищ (ЛХ).

В зависимости от принципа действия и способа использования естественного и искусственного холода системы охлаждения молока и установки, аккумулирующие холод в виде льда и ледяной воды, делятся на две группы: сезонного (УСД) (рис.1), и круглогодового действия. Установки круглогодового действия делятся в свою очередь на комбинированные установки (УКД) (рис.2) и аккумуляторы -льдохранилища (ЛХ) (рис.3). Установки сезонного действия функционируют только в холодное время года и представляют собой секционированный приемник - аккумулятор естественного холода устанавливаемый снаружи около помещения для обработки и хранения молока. В холодное время года вода насосом подается в проточный теплообменник. Внутри УСД размещена система труб и перегородок, обеспечивающая циркуляцию воды при образовании льда.

В установках комбинированного действия (УКД) применяется как естественный, так и искусственный холод. В зимний период она работает как УСД, в летний период - подза-рядная холодильная установка во время пауз мемеду дойками заряжает холодом УКД, который затем используется для охлаждения молока. В качестве подзарядных могут использоваться холодильные установки типа АВ-30, ТХУ-23, ТХУ-14, МВТ-20, МВТ-14, МКТ-20, УВ-10, ОТ-Ю, ФУ-40 и др.

В аккумуляторах-льдохранилищах подзарядные холодильные установки не используются. В холодный период лед накапливается путем послойного его намораживания, а в теплое время года его используют для охлаждения молока.

Применение энергосберегающих систем и технических средств с использованием естественного холода, характеризующееся качественными изменениями в технологии охлаждения, сопровождается усложнением функционально-структурной организации линий и алгоритма управления технологическим процессом обработки молока. Многообразие возмущений, изменяющихся в процессе функционирования системы по случайному закону (например, интенсивность потоков молока <3п и хладоносителя Ох, температура молока fu1, хладоносителя и окружающего воздуха Л>, и др.), и сложные взаимосвязи в ходе процесса обработки между звеньями и СЭ порождают множество энергетических и информационных потоков в системе. При этом возрастает количество контролируемых и регулируемых параметров и соответственно логических операций, которые необходимо выполнять при осуществлении управления процессом обработки молока. В связи о расширением номенклатуры машин и оборудования, а также разнообразием технологических схем, большое значение приобретает типизация и унификация алгоритмов управления, технических средств и электрооборудования технологических линий.

Так как основной технологический процесс обработки молока остается, то и технологическая схема в своей основе остается прежней. На отдельных участках и операциях она изменяется либо дополняется новыми участками. В таких условиях наилучшим решением является дополнение основных технологических схем специализированными конструктивными модулями, предназначенными для улучшения качества функционирования по технологическим, энергетическим, экологическим и эксплуатационным характеристикам или устранения определенного вида возмущения. Такие модули обладают гибкой структурой и хорошо сопрягаются с основным оборудованием без его существенной переделки. На рис.4 представлена структура энергосберегающей технологической линии первичной обработки молока на фермах о центральной молочной, построенная на основе типовых технологических участков и операций и дополненная конструктивными модулями (выделено жирными линиями), содержащими одну или несколько операций, например, перекачка молока и его учет, аккумулирование естественного и искусственного холода, распыление хладоносителя и т.п.

В соответствии с модульным принципом функционально-структурной организации технологических систем новое оборудование представлено и реализовано в виде

Рис. 1. Технологическая схема энергосберегающей системы охла>кдения молока с использованием установок сезонного действия (УСД)

1 - проточный охладитель; 2 - насос; 3 - промежуточный резервуар; 4 - распылительный блок аккумулятора естественного холода (АЕХ); 5 - верхний резервуар АЕХ; 6 - средний резервуар АЕХ; 7- нижний резервуар АЕХ.

—»- хладоноситель;----> - хладоиоситель от холодильной установки.

Рис. 2. Технологическая схема энергосберегающей системы охлаждения молока с использованием установок комбинированного действия (УКД)

1 - проточный охладитель; 2 - насос; 3 - промежуточный резервуар; 4 - распылительный блок; 5 -распылительные трубы с аэродинамическими пластинами; 6 - аккумулятор естественного и искусственного холода.

—»- хладоноситель; ■»»»» - воздух;----> - режим аккумулирования искусственного холода;

Рис. 3. Технологическая схема энергосберегающей системы охлаждения молока с использованием аккумулятора -льдохранилища (ЛХ)

1 - проточный охладитель; 2 - насос; 3 - вентилятор; 4 - распылительный блок; 5 - распылительные трубы; 6 - льдохранилище. —> - хладоноситель; «••« > - воздух.

г

из,системы_

водоснабжения

на технология.

нужды фермы

Рис. 4. Структура автоматизированной энергосберегающей технологической линии обработки молока для ферм с центральной молочной:

1 - молокопровод; 2 - молокосборник-воздухоразделитель; 3 - молочный насос; 4 - счетчик молока; 5 - проточный охладитель; 6 - резервуар-термос; 7 - емкость для охлаждения конденсатора хопо-дильной установки (ХУ); 8,9 - теплообменники первой и второй ступени; 10 - резервуар теплой воды с поплавковым регулятором; 11- водонагреватель; 12 - водяной насос; 13 - аккумулятор естественного и искусственного холода (АЕИХ); 14 - испаритель ХУ; 15 - насос хладоносителя; 16 - компрессор ХУ; 17 - конденсатор ХУ; 18 - насос системы охлаждения конденсатора ХУ; 19 - секционный аккумулятор естественного холода (АЕХ); 20 - распылительный блок.

—> молоко;.....хладоноситеяь от АЕХ;----хладоноситель от холодильной установки и АЕИХ;

-х-х-х-х-х - оборотная вода системы охлаждения конденсатора; > м> хладоагент.

конструктивного модуля - элемента технической системы, обладающей технологической и функциональной завершенностью, универсальностью применения и совместимостью с другими модулями. Модульный принцип функционально-структурной организации технологических систем и технических средств дзет возможность использовать преимущества блочной унификации и позволяет формировать гибкие энергосберегающие линии обработки молока с требуемыми параметрами и характеристиками для любых типов животноводческих ферм с потенциальным расширением их функциональных возможностей при изменении задач. При этом существенно упрощаются расчеты и количественная оценка отдельных звеньев и линии в целом и тем самым резко снижается трудоемкость поиска оптимальных решений.

В основу математического описания функционально-структурной организации системы положено обобщенное дерево функций и структура автоматизированных энергосберегающих линий обработки молока с учетом вариантов комплектации техническими средствами и существующими типовыми схемами. В результате сформированы основные типовые варианты автоматизированных энергосберегающих технологических линий для различных ферм и комплексов, отличающихся поголовьем и продуктивностью коров, принятой технологией, а также архитектурно-планировочными решениями. Эти варианты являются модификацией известных типовых вариантов, в которые добавлены новые модули (звенья), в т.ч. использующие естественный холод. Унифицированный комплект электрооборудования таких линий позволит перекрыть все возможное многообразие и множество технологических вариантов, оборудования, действующего на территории России и стран СНГ.

Для обеспечения функционирования линии в оптимальном энергетическом режиме

с новыми техническим средствами и обоснования основных параметров энергосберегающих систем охлаждения молока, разработаны математические модели процессов аккумулирования холода и охлаждения молока водо-ледяными аккумуляторами сезонного и круглогодового действия в теплообменниках проточного и емкостного типов. Исследованы и обоснованы эффективные способы и режимы аккумулирования естественного и искусственного холода, приведена методика расчета и обоснования параметров и режимов работы системы охлаэедения молока с использованием естественного и искусственного холода на базе установок сезонного действия (УСД), комбинированного действия (УКД) и аккумуляторов-льдохранилищ (ЛХ) (рис.1...3). Теоретически и экспериментально исследованы два основных режима функционирования и подзарядки установок: режим смешивания, при котором происходит перемешивание хладоносителя с отепленной водой и температура хладоносителя во всем объеме быстро выравнивается; режим вытеснения, при котором, хладоноситель, подаваемый снизу, не перемешиваясь с теплой, вытесняет ее. Температура воды в верхних слоях оказывается выше, чем в нижних.

Для рационального сочетания использования естественного и искусственного холода в различных климатических зонах России разработана методика расчета и обоснования параметров и режимов работы системы охлаждения молока, позволяющая определить наиболее эффективный вариант энергосберегающей системы охлаждения в зависимости от варианта комплектации линии оборудованием (техническими средствами) Ne и средней годовой температуры наружного воздуха А"С в зоне расположения объекта. Степень использования потенциала природного холода и рациональное сочетание естественного и искусственного холода в технологических линиях в суточном и годовом циклах определены при помощи энергосберегающего модуля Kw и номограммы, построенной в координатах Kw - па -А0С (рис.5)

Kw — Qu f Qex , (1)

где Qu.Qex - хладопроизводительноспь соответственно источника искусственного и естественного холода, кВт.

Требуемая мощность подззрядной холодильной установки Nu источника искусственного холода Qu в зависимости от вместимости аккумуляторов естественного и искусственного холода Vax, определена из номограммы, построенной в координатах Qu-Nu- Vax (рис. 6).

Для обоснования параметров и эффективных режимов работы энергосберегающей системы охла>кдения с УСД, УКД и ЛХ исследованы два основных режима:

- режим охлаждения молока с использованием аккумуляторов естественного и искусственного холода (АХ)

Ka я f (i°u1, fu2, t°el, fe 2, t°o, qax, То, Mm), (2)

где Ka - соотношение (кратность) количества воды (хладоносителя) в аккумуляторе холода Vax к количеству охлавдаемого молока Mm; fui - начальная температура молока, до охлаждения, °С; fu2- конечная температура молока, после охлаждения, °С; fe1 - температура хладоносителя на входе теплообменника (охладителя) или на выходе аккумулятора холода и испарителе холодильной установки, "С; fa2 - температура хладоносителя на выходе из теплообменника молока, °С; to -температура атмосферного (наружного) воздуха, "С; Qax - производительность насоса хладоносителя АХ, (м3/ч); Та - время охлаждения молока, ч; Мт - количество охлаждаемого молока, м3;

- режим аккумулирования естественного и искусственного холода

Qc-f (t°u1, t°e1, t°a2, Го, qax, Tn, Ta, Mm, a ,b, h), (3)

где Qc - хладопроизводительность системы: ЛХ или лодзарядной холодильной установки, тыс.ккал/ч; Тп - время паузы между дойками, ч; Та - время аккумуляции холода, ч; а и Ь - соответственно, длина и ширина зеркала ЛХ, м; h - толщина намораживаемого слоя льда, м;

-А •3 -2 -1

1

I 2

/ 3

1____.

1 —- 4 Д°С

I 1 .(. Км

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,8 0,7 0,8 0,9 1,0 о.в

Рис. 5. Номограмма выбора модуля энергоснабжения К„ системы охлаждения технологических линий обработки молока с использованием естественного и искусственного холода

Рис. 6. Номограмма выбора установленной мощности подзарядной холодильной ! установки для системы охлаждения технологических линий обработки молока с использованием естественного и искусственного холода

При реализации на ЭВМ математических моделей процессов аккумулирования холода и охлаждения молока водо-ледяными АХ установлены количественные взаимосвязи между температурами обрабатываемого молока (fui, fu2), хладоноси-теля (Cef, t°e2), атмосферного воздуха ta, временем охлаждения То и аккумуляции холода Та и конструктивно-технологическими параметрами АХ: в линиях с проточными теплообменниками:

- режим смешивания хладоносителя в АХ

Кв -Vax /Mm = [Iti(fu1 - f о - 2J/(f°mí - fe 1 - 2)Г1>2,95; при Í°m1 =Í5°C, Í°m2 ¿ 6°C; feí = fu1-2- -fo-2) ехр(-1/Ke)~2,4°C; fe2 = (f/ní + 2<°ef - 2J/3; f4J

</ax = Кв-Мт 14 [In (fei ■ 2)/(fa1 - 2j] » 2Afm ;

- режим вытеснения хладоносителя в АХ Ке = Vax JMm = [3(fu1 - 6y<r«í - fe1-2)]= 2,45; при Гм1 =75°С, Гм2 S 6°С/ Í°eí = 2°С; Св2= (?м1 + 2í°o -2)/3- для первого цикла охлаждения; f"e2 = 1/3[{fu1-2)(1+ 2/3 + ?/32+...+2n'2/3n'2)Hful + í°o - 2) 2"'2/Зл"2 » 5,б°С; л = ("2, 3, 4, 5...) - циклы функционирования qax = Vax! Та = Кв-Мт/Та - 2,45Mml4 = 0,61-Мт.

Удельная хладопроизводительность подзарядной холодильной установки Qx :

- для типовой системы охлаждения (То = Та = 2 ч) Qx = Mm (f*»í - Cm2J / То = 4,5 п\ыс.ккап/ч\

-с аккумулированием холода в АХ между дойками (Та = Юч, Va = 4 ч) (6)

Qx = Mm (ful - t°u2) / Ta = 0,9 тыс.юсал/ч - для двухразовой дойки; Qx = Mrn (ful • fu2) / T*<? = 2,25 тыс.ккал/ч - для трехразовой дойки;

в линиях с емкостными теплообменниками:

- режим смешивания хладоносителя в АХ /Се ¿ 3, при (°мГ = Í5°C, í°m2<r б°С;

То = 2 ч, при fei =2,4°С] Мт = 1,25 т; (7)

qax = 2 Af3/w, при То = 2 ч, tu2¿ 6°С, Та à 4 ч;

- режим вытеснения хладоносителя в АХ

Кв = qx To/Mm ¿2,92, при ful = Í5°C, t°M2 í 6°C; То = 2 ч, при fei = 2°С; Afm = í,25 m;

fe2 = ffvi + 2-fo - 2// 3 - для первого цикла охлаждения; (8)

fe2 = 1/3t(fMi-2; f"í + 2/3 + 22/32+...+2n'2/3',"V(t0Mi + fo - 2)-2n'2/3n"2; n = (2, 3, 4, 5...) - циклы функционирования; qax = 0,6 ms/4, при То = 2 ч, Г°м2 5 6°С, Та > 4 ч.

Хладопроизводительность подзарядной холодильной установки Qx:

- для типовой системы охлаждения (То =Та = 2 ч, Mm = f,25 m ) Qjr = Mm (fui - fM2) J То = 5, 62 тыс.ккал/ч ;

- с аккумулированием холода в АХ между дойками (Га =10 ч; Т*а = 4ч, Mm = 1,25m) (9) Qx = Mm (ful - fu2) /Та - 1,13 тыс.ккал/ч - для двухразовой дойки;

Qx = Mm (ful - ?м2) / Т*а =2,8 тыс.ккап/ч - для трехразовой дойки.

В табл.1 приведены сравнительные характеристики параметров аккумулятора холода (АХ) в зависимости от способа охлаждения молока и режимов аккумулирования естественного и искусственного холода. Установлено, что наиболее эффективным является режим вытеснения хладоносителя в АХ, позволяющий аккумулировать холод до более низкой температуры {fei =2°С) при минимальной кратности объемов хладоносителя к молоку (Кв -2,Щ. По сравнению с режимом смешивания, режим вытеснения хладоносителя в АХ позволяет не менее, чем в 3 раза уменьшить хладопроизводительностъ подзарядной холодильной установки Ох и соответственно производительность насоса хладоносителя да* в режиме аккумуляции холода.

Таблица 1

Сравнительные характеристики параметров аккумулятора холода в зависимости от способа охлаждения молока и режимов аккумулирования естественного и искусственного холода

I Параметры аккумулятора I холода Способ охлаждения

Проточный охладитель Емкостной охладитель

Смешивание Вытеснение Смешивание Вытеснение

K« 2,95 2,45 3,0 2,92

fei, °о 2,4 2,0 2,4 2,0

Чах, М3/Ч 2- Мт 0,61 Мт 2,0 0,6

В результате реализации математических моделей процесса охлаждения молока установками сезонного и комбинированного действия в теплообменниках проточного и емкостного типов обоснованы технические и конструктивные параметры и режимы работы системы охлаждения, определены эффективные вместимости аккумуляторов Vax и секций п, их аккумулирующая способность №а и время между дойками Гп, обеспечивающие охлаждение разового надоя молока Мт и зарядку холодом от атмосферного воздуха. Получено выражение, позволяющее определять температуру охлаждения молока fui при последовательном подключении отдельных секций п в контур охлаждения в функции температуры атмосферного наружного воздуха fo

t°U2= ta»i n"/(n+e)n+Ke/(n+Ke) [nn-1/(n+Ke)n-1+nn 2/(n+Ke)"-2...J t0o (10)

В табл.2 и 3 представлены результаты расчета температуры охлаждения молока fui при различных конструктивных значениях л, Кв и температуры наружного воздуха fo.

Как видно из табл. 2, при fo = 2°С только при п = 4 можно охладить молоко до 6°С и дальнейшее увеличение числа секций п мало влияет на показатели работы системы охлаждения. Эффективность охлаадения существенно возрастает с использованием системы предварительного охлаждения молока. Даже при f о = 4°С и л = 2 температура охлажденного молока fui будет ниже 6°С (табл. 3).

Длительные испытания аккумуляторов холода в технологических системах показали, что они обеспечивают охлаодение молока до 6°С при fo = 4...-27°С. При этом удельные затраты электроэнергии на охлаждение молока в зимнее время составили 1,7...3,8 кВт.ч / т.

В технологических системах охлаждения с использованием аккумуляторов-льдохранилищ (ЛХ) обоснованы контролируемые и регулируемые параметры и режимы ускоренного послойного намораживания льда в холодное время года и его использования в летний и весенний периоды, определены эффективные значения требуемых емкостей ЛХ Мп для молочных ферм с различными годовыми удоями.

Установлено, что для ускоренного намораживания монолита льда необходимо контролировать толщину слоя намораживаемого льда h, длину а и ширину b зеркала ЛХ и регулировать средний расход подачи хладоносителя (порции) qx на наморозку в функции температуры наружного воздуха fo и скорости потока холодного воздуха над поверхностью намо-

Таблица 2

Распределение температуры охлаждаемого молока tu2 при последовательном поочередным подключением секций я АХ. Температура молока поступающего на охлаждение tul = 35°С

Температура окружающей среды ' ful = 35°C, Кв = 3

n = 2 r* = 3 n = 4 п « 5 n = 6

t°o=0°C 5,60 4,37 3,73 3,34 3,07

t°o=2°C 7,28 6,13 5,57 5,04 4,69

t°o=4°C 8,96 7,86 7,29 6,74 6,37

Таблица 3

Распределение температуры охлаждаемого молока (иг при последовательном поочередным подключением секций п АХ. Температура поступающего на охлаждение молока fut = 15°С

Температура окружающей среды f«f= Í5°C, Ke=3

n = 2 n = 3 n = 4 n = 5

t°o=0°C 2,40 1,88 1,60 1,43

t°o=2°C 4,08 3,62 3,38 3,23

t°0 =4°C 5,76 5,38 5,16 5,03

t°0 = 6°C 7,44 7,13 6,94 6,83

Таблица 4

Зависимость времени паузы Тп от температуры наружного воздуха Ра

j Температура наружного воздуха t°0, °C Расчетное время паузы ТЫ, ч при подаче воды из нижней части ЛХ (1°,,=1-2°С) Расчетное время паузы Тш, ч при -2°С и работе двух осевых вентиляторов Р,=1 кВт

-6 3,3 1,3

-10 1,7 0,65

-15 1,0 0,38

-20 0.7 0,27

-25 0,3 0,13

раживания. При этом эффективный процесс наморозки монолита льда достигается при температуре атмосферного воздуха - 6°С и ниже (Л> £ - 6°С) и подачи хладоносителя из нижней зоны ЛХ при включенных вентиляторах. Время включения (работы) Тн и паузы 7л насоса хладоносителя определены из выражений

Тн = a-b-h /qx, (11)

Тп = K1K2-Tni, (12)

где а и Ь - соответственно, длина и ширина зеркала ЛХ, м; h - толщина намораживаемого слоя льда (принимается в среднем 0.005 м); qx - средний расход подачи хладоносителя, м3/ч; Ki и Кз- соответственно, коэффициенты учитывающие температуру воды подаваемой на наморозку и скорость движения воздуха подаваемого на поверхность ЛХ. Значения Кил Кг при температуре воды равной 1...2°С и работающих вентиляторов принимается равным 0,5; Tni- расчетное время паузы при температуре воды подаваемой на намораживание 1...2°С и скорости воздуха над поверхностью намораживания равной 0 (табл. 4); Рв*1 кВт - установленная мощность электродвигателей осевых вентиляторов.

Эффективные значения расхода льда за сезон Мс и вместимость ЛХ Ми определены из выражений

Мс = Мл/Рл, (13)

Ул = Кзл- Мл / Кзл ■ Мо , (14)

где Мс - масса льда, израсходованная за сезон на охлаждение молока, т Мл -суммарный расход холода за сезон, т; Рл = 80000 ккал/т - хладопроизводительность 1т льда; Кзл = 1,2 - коэффициент запаса льда (коэффициент потерь); Кзл = 0,9 - коэффициент заполнения ЛХ льдом с учетом пустот; Мо = 0,85 - объемная масса льда, т/м3.

Требуемое количество льда Мл определено из условия, что на весенний и летний период приходится в среднем 70% годового надоя Vs и общее количество молока, требующего охлаждения от ЛХ, составляет 0,7-Va. Если также учесть запас холода в воде, имеющей температуру 0°С, при ее нагреве до 5°С, то количество льда Мл для охлаждения 1 т молока с 15°С до 5°С, составит в среднем 82 кг

Мл = 0,7 Va- (15е - 5°)/Рл = 0,7-Va- 10/ 80 = 0,0S2- Vz, и3. (15)

Обоснование эффективного режима зарядки АХ от подзарядной ХУ при минимальном расходе электроэнергии и материалоемкости УКД проведены на основе разработанной математической модели процесса аккумулирования искусственного холода. В результате определен комплекс контролируемых и регулируемых параметров и технических средств, обеспечивающий автоматизацию процесса аккумулирования холода между дойками и управление временем аккумулирования -г (работы подзарядной ХУ) и регулирование уставкой времени fY в зависимости от количества охлаждаемого молока Мт. Основными параметрами контроля и регулирования являются время аккумулирования т* и температура хладоносителя fx в АХ в зависимости от количества охлаждаемого молока Mm.

Зависимость температуры хладоносителя fx в аккумуляторе холода (АХ) от времени зарядки т при режиме смешивания представляет собой экспоненту (рис.7)

t°x = t°e1exp (-т/Т), (16)

где fei - начальная температура хладоносителя, "С; т-время, ч; Т-постоянная времени АХ.

В свою очередь,

Г = Vax/qix, (17)

Способ управления работой АХ существенно влияет на его вместимость Vm, а следовательно и на металлоемкость. Регулятор температуры имеет уставку срабатывания fy и зону нечувствительности 4f°y. Датчик температуры подает сигнал на отключение при температуре f = fy± Afy. Соответственно моменты времени отключения подзарядной холодильной установки (ХУ) будут fi и т*2.

t°

Область не полной I зарядки АХ \ \ \ \ Область перезарядки АХ

V Äty

àl>

1 2

x*

I TT T*a T*2

Рис. 7. График изменения температуры хладоносителя в автоматизированном аккумуляторе холода (АХ).

Если погрешность срабатывания регулятора температуры имеет знак "+", то отключение ХУ произойдет при температуре t% = t'y + At°y, если же "-", то при температуре Iе.- t'y -4l'y. В первом случае АХ будет недозаряжен, т.к. его температура будет выше расчетного значения, а во втором случае - перезаряжен. Во втором случае время зарядки существенно увеличится, т.к. рабочая точка будет располагаться на пологой части экспоненты.

В период зарядки АХ мощность ХУ не изменяется. Поэтому расход электроэнергии определяется временем ее работы. Требуемый запас холода пропорционален количеству обрабатываемого молока, поэтому время работы ХУ должно автоматически изменяться 8 соответствии с графиком поступления молока. Если количество охлаждаемого молока меньше расчетного значения, которое принимается равным максимальному разовому Aim« поступлению молока, то при охлаждении молока хпадоноситель в АХ не нагревается до расчетной температуры fei. Поэтому зарядка АХ начинается с температуры fei < fei. Соответственно, для охлаждения хладоносителя за счет ХУ требуется меньшее время. Пропорционально этому времени уменьшается расход электроэнергии. Наличие зоны нечувствительности приводит к нарушению постоянства соотношения между количеством обрабатываемого молока и временем зарядки АХ.

Из уравнения (16) время зарядки АХ при погрешности равной нулю (fy = 0) запишется следующим образом

т*„ = г „ /Г = In [(t°e 1- t°o)/(t"y - t°o)]. (18)

При отрицательной (fy < 0)

t*(-) = In [(t°e1- t°o)/(t°y -At°y-t°o)]. (19)

При положительной (ty>0)

T*(+)= In [(t°ai -t°o)/(t0y~At0y-t0o)]. (20)

При охлаждении постоянного количества молока в режиме смешивания хладоносителя, при tei-4°С, Л>=1°С, fy=2°С, âfy-0,5°С. Подставляя значения в (18)... (20), получим

г*о = 1,1; ?'(-)= 1.79; т*(+) = 0,69. (21)

Если взять за базу т*0, то при отрицательном отклонении происходит увеличение времени зарядки по сравнению с идеальным регулированием (dfу = 0) на 63%, при положительном - уменьшение на 37% и температура молока вместо требуемого значения (6°С) будет равна 8,25°С. Таким образом, при отрицательном отклонении от расчетной кривой (fy < 0) будет значительный перерасход электроэнергии, а при положительном (fy >0)- недоохлаждение молока.

В режиме вытеснения хладоносителя датчик температуры срабатывает в зависимости от перемещения границы между теплой и холодной водой, т.е. фактически от уровня холодной воды в АХ. При этом уставка и погрешность датчика температуры не влияют на время зарядки. Работа АХ всегда происходит при постоянном объеме холодной воды. Поэтому вместимость АХ Va* приходится рассчитывать по максимальному количеству

охлаждаемого молока Мтах. При малых количествах молока будет наблюдаться повышение удельного расхода электроэнергии. Если выбрать в качестве управляемого и контролируемого параметра время зарядки т, то при постоянном его значении также будет перерасход электроэнергии. Полного соответствия между временем зарядки АХ г и количеством охлаждаемого молока Мт можно добиться, если в зависимости от количества молока Мт и его температуры fui будет изменяться уставка времени зарядки, при этом будет достигнут минимальный удельный расход электроэнергии. Для реализации такого закона регулирования используется разработанный микроконтроллер УМ-1ВИЭСХ, который контролирует учет молока и управляет его обработкой. Длительные испытания и эксплуатация УМ-1 ВИЭСХ на ферме подтвердили, что управление временем работы подзарядкой ХУ и регулирование уставкой времени в зависимости1 от' количества охлаждаемого молока Мт обеспечивает зарядку АХ до 3...4°С при минимальном расходе электроэнергии и при минимальной кратности объемов хпадоноси-теля к молоку (Ке =2,45...3). Удельные затраты электроэнергии на охла>кдение молока в холодное время составили 1,7...3,8 кВт.ч / г, в теплое время года 7,8...12,7 кВт-ч.

В результате проведенных исследований энергетических характеристик и потоков линий установлено, что наиболее эффективными энергосберегающими системами охлаждения молока технологических линий являются комбинированные системы круглогодового действия модульного типа, включающие приемники естественного холода с унифицированными многоступенчатыми распылительными блоками, водо-ледяные аккумуляторы естественного и искусственного холода в сочетании с холодильио-компрессорными ' подзарядными агрегатами парокомпрессионного типа. Результаты длительных производственных испытаний на фермах подтвердили, что по сравнению с традиционным способом охлаждения молока использование разработанной комбинированной системы охлаждения позволяет сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение в холодное время до 10 раз, установленную мощность электрооборудования и хлздопроизводи-тельность холодильных установок до 3 раз, материалоемкость аккумуляторов до 6 раз, повысить аккумулирующую способность системы не менее, чем в 2 раза.

На основе результатов исследований сформулированы требования к типоразмеру установок для охлаждения молока с использованием естественного и искусственного холода, предложены типовые технологические схемы энергосберегающих систем охлаждения и разработана обобщенная методика расчета и обоснования параметров и режимов работы системы охлаждения молока с использованием естественного и искусственного холода на базе установок сезонного действия (УСД), комбинированного действия (УКД) и аккумуляторов-льдохранилищ (ЛХ). -: -

В третьей главе "Исследование технологических линий обработки молока как объектов управления" изложены методологические основы исследований технологических линий обработки молока как объектов управления и обоснования ее параметров. Приведен метод обоснования основных параметров автоматизированных энергосберегающих технологических линий обработки молока, предусматривающий разработку математических моделей и исследование материальных потоков, временных, энергетических и аварийных режимов работы звеньев линии, влияния режимов работы электрооборудования на качественные показатели молока, структуры затрат рабочего времени на управление линией. В результате использования этого метода разработаны алгоритм и методика исследований технологической линии обработки молока как объекта управления и разработки унифицированной СЭ, обоснованы контролируемые и регулируемые параметры процесса обработки молока, определена структура СЭ, выбран комплекс технических средств для получения информации о состоянии объекта управления, выявлено их количественное и качественное влияние на показатели качества молока, энергети-

ческие, экологические и эксплуатационные характеристики линий, обеспечивающих комплексную автоматизацию процесса обработки.

Возможность улучшения показателей и характеристик линии заложена в совершенствовании технологии, машин и оборудования. Задача СЭ заключается в том, чтобы максимально реализовать эти потенциальные возможности за счет улучшения взаимодействия отдельных звеньев и повышения уровня автоматизации линии в целом. Поэтому к СЭ предъявляются повышенные требования по обеспечению и согласованию материальных потоков подачи и расхода, поддержанию заданных режимов с требуемым быстродействием.

Для повышения качества функционирования линии и СЭ смоделированы и оценены временные режимы работы звеньев и линии в целом с последующим обоснованием алгоритмов управления и технических средств, обеспечивающих сокращение непроизводительных или трудоемких операций по управлению линией. Конечная цель исследований -оценка времени и характера рабочего цикла СЭ звеньев линии в целом в их взаимосвязи. Установлено, что время работы регулируемых и нерегулируемых звеньев технологических линий, работающих по энергосберегающим технологиям в рабочем цикле являются случайными величинами, распределенными по закону, близкому к нормальному. Определение и анализ характеристик величин времени проведен на основе информации, полученной при проведении хронометража работы звеньев исследуемых линий.

Для обеспечения автоматизированного управления разработанной системой аккумулирования холода и охлаждения молока искусственным и естественным холодом и функционирования линии в оптимальном энергетическом режиме исследованы энергетические характеристики технологических линий. Исследование проведено путем количественной оценки и сравнения энергетических потоков и режимов работы СЭ типовой линии и линии с автоматизированной системой охлаждения молока естественным и искусственным холодом. Оценка выполнена на основании уравнений энергетического баланса технологической линии как единой системы.

Анализ уравнений энергетического баланса показывает, что на типовой линии затраты энергии на охлаждение 1 т молока составляют 30...35 кВт-ч, при этом тепловая энергия молока не используется. На линии с энергосберегающей технологией за счет аккумуляции холода и использования тепловой энергии молока и теплоты конденсации хпадоагента ХУ в сутки регенерируется в теплый период - 600, а в холодный 290 кВт-ч энергии, которая используется для нагрева воды, идущей на технологические нужды фермы. Кроме того в холодное время года использование только УСД, аккумулирующих естественный холод для охлаждения молока на фермах, расположенных на широте Москвы и севернее, позволяет работать без холодильных установок в течение 5...6 месяцев в году и более, что экономит не менее 282 кВт-ч электроэнергии в сутки. В теплое время года только за счет предварительного охлаждения молока расход энергии на его охлаждение уменьшается на 50...65%, а хладопроизаодительность и установленная мощность холодильных установок в 2...2,5 раза, что позволяет сэкономить не менее 155 кВт-ч электроэнергии в сутки. В результате в теплый период года затраты энергии на охлаждение 1 т молока составляют 8... 13 кВт-ч, а в холодный -1.8...4 кВт-ч.

При обосновании параметров и структуры энергосберегающих технологических линий обработки молока и СЭ с целью повышения надежности процесса обработки молока анализировался технологический ущерб от потерь молока и снижения его качества, что является одной из основных составляющих экономического критерия, определяющего выбор варианта технологической системы, а также конструктивного исполнения, схемного решения, элементной базы и структуры СЭ. Анализ ожидаемого ущерба от наиболее вероятных аварийных ситуаций, вызванных отказом различных звеньев и блоков СЭ, проведен методом имитацион-

ного моделирования аварийных; ситуаций и по данным хозяйств. Установлено, что к наибольшим технологическим ущербам приводят отказы ХУ и их систем управления. Анализ отказов реально функционирующих технологических звеньев линий обработки мопока и СЭ показал, что для повышения надежности систем охлаждения и обработки молока целесообразно использовать системы естественного холода, автоматизированные регулируемые звенья и двухуровневую унифицированную СЭ, что позволяет существенно упростить структуру технологических линий и обеспечить повышение вероятности безотказной работы линий не менее, чем в 2 раза.

Для оценки влияния режимов работы электрооборудования на показатели качества обрабатываемого молока исследовались зависимости потерь молочного жира Дб и сортности от площади контакта с поверхностью накопительно-регулирующих емкостей (НРЕ) 5о и окружающим воздухом вз. В качестве критерия сортности принималась бактериальная обсеме-ненность мопока. Исследования проведены на типовой линии, оснащенной нерегулируемыми звеньями (рис.8), и на линиях с энергосберегающей технологией, оснащенных соответственно автоматизированными регулируемыми звеньями с дискретно-регулируемым электроприводом (рис.9) и устройством контроля и регулирования потоков (рис.10).

Применение автоматизированных звеньев с дискретно-регулируемым электроприводом для учета и перекачки молока (рис.9) и устройства для' контроля и регулирования потоков молока (рис.10) вместо молочных весов СМИ-500 и молокоприемного бака БМ-1000 (рис.8), позволило объединить доильную, установку и линию в. единую поточно-транспортную систему, обрабатывать молота в закрытом потоке изолированно от окружающего воздуха, сократить площадь контакта молока с молочным оборудованием и окру-, жающим воздухом по сравнению с типовой линией, соответственно: 50 с 10,04 до 0,4 м2, ' 5а: с 3,95 до 0,46 мг (рис.9); 50 с 10,04 до О м2, 5а: с 3,95 до 0 м* г(рис. 10). При этом время обработки молока за счет уменьшения емкостного запаздывания сократилось до 5 раз.

Зависимость потерь молочного

г 60

ад

20

Д<г

• •

т

* ^^ • Я.

г б э 10 и2

Рис. 11. Зависимость! потерь молочного жира Ав от площади контакта молока с поверхностью молочного оборудования 5„ (СМИ-500, БМ-1000.0БК-250, УКРП) •

жира Лв от площади контакта с поверхностью оборудования и НРЕ Эо определена путем учета количества жира, оставшегося на поверхностях НРЕ. В результате проведенных исследований и обработки экспериментальных данных (рис.11) установлено, что между исследуемыми факторами имеется корреляционная связь и линия регрессии представляет собой прямую вида

; Ав = 6,ЗГ Бо, (22)

где $о - площадь контакта молока с поверхностью НРЕ, м2.

Полученное выражение позволяет определять расчетные значения потерь жира при обработке молока на линиях с различной вместимостью НРЕ. Установлено, что использование автоматизированных звеньев с дискретно-регулируемым электроприводом для учета и перекачки молока вместо нерегулируемого сокращает площадь контакта молока с НРЕ более чем в 25 раз, а потери молочного жира в среднем 60 г на 1 т обрабатываемого молока (табл.5). Применение же устройства для контроля и регулирования потока молока вместо нерегулируемого позволяет исключить НРЕ из технологического-процесса (рис.10), и обеспечить обработку его в закрытом потоке, при этом контакт молока с поверхностью НРЕ Бо и окружающим воздухом 5в по сравнению с типовой линией полностью исключается. Это обеспечило полную сохранность молочного жира в процессе обработки.

Рис. 8. Типовая технологическая линия обработки молока с центральной молочной:

1 - молокосборник-воздухораэделитель; 2, 5 - молочные насосы НМУ-6 или Г2-ОПА; 3 - молочные весы СМИ-500; 4 - молокоприемный бак БМ -1000; б - проточный охладитель ООТ-М; 7- резервуар-термос В2-ОМГ-6.3.

Рис. 9. Технологическая линия, оснащенная автоматизированными звеньями (АЗ) с дискретно-регулируемым электроприводом (ДРЭ)

1 - молокосборник-воздухоразделитель; 2 - молочный насос НМУ-6; 3 - молокоприемный бак типа ОБК-250; 4 - молочный насос-дозатор П8-ОНВ; 5 - счетчик молока; 6 - проточный охладитель ООТ-М; 7 - резервуар-термос В2-ОМГ-6.3.

Рис. 10. Технологическая линия, оснащенная устройством для контроля и регулирования потоков молока (УКРП)

1- молокосборник-воздухораздепитель; 2 - молочный насос НМУ-6; 3 - счетчик молока УКМ-БК (устройство для контроля и регулирования лотохоз молока); 4 - проточный охладитель ООТ-М; 5 -резервуар-термос В2-ОМГ-6.3.

Таблица S

Изменение показателей качества молока при обработке на линиях с различной площадью контакта молока с поверхностью молочного оборудования Эо и окружающим воздухом Эв

Линия Жирность молока, % Бак. обсемененность б/мл

Gn AGo Со AG Bs СЭ ЛВз

Типовая 3,508 63,10"4 3,501 0,006 347-10' 47-103 48-103

A3 с ДРЭ 3,508 3,10" 3,507 299-103 45-10'

с УКРП 3,508 0 3,508 0 249-Ю3 40-10' 98-103

Исследование влияния режимов работы автоматизированных регулируемых звеньев и площади контакта молока с молочным оборудованием So и воздухом Se на сортность молока Bs=f(Sa+Se¡) проведено на основании данных зоослужбы фермы "Гопьево" Красногорского района Московской области. На рис.12 приведены кривые распределения бактериальной обсемененносги обрабатываемого молока на рассматриваемых линиях. Анализ кривых и выполненные расчеты показывают, что при обработке молока на типовой технологической линии (рис.8), количество полученного за год молока, не удовлетворяющего требованиям высшего сорта, при годовом надое 3000 т, может составлять в среднем 80 т, при обработке на линии, оснащенной автоматизированными звеньями с дискретно регулируемым электроприводом (рис.9) - в среднем 35 т, при обработке же на линии, оснащенной устройством для контроля и регулирования потоков молока (рис.10), практически все молоко сдается высшим сортом.

Обоснование структуры унифицированной СЭ и уровня автоматизации линий проведено на основе разработанной математической модели, предусматривающей моделирование и анализ структуры затрат рабочего времени оператора на управление линией и рассматривающей ее как единую систему оператор - технологическая линия - СЭ. Исследовались варианты формирования технологических линий одно и двухуровневой СЭ (рис. 13 и 14). Централизованной системой дистанционного контроля и управления осуществляется контроль и регулирование уровней (hui, Ьиг) и температуры (f„i, fuá иол ока, атмосферного воздуха f0, воды и хладоносителя (tel, f ai), кратности расходов л объемов хладоносителя и молока Ке, времени охлаждения То и аккумуляции холода Га, перемешивания молока Гп в резервуарах молока и хладоносителя в АХ, а также аварийная сигнализация, оповещающая о переполнении емкостей, отказе холодильного и

Рис. 12. Распределение бактериальной обсемененносги молока для типовой линии (1), линии с дискретно-регулируемым электроприводом ДРЭ (2) и линии, оснащенной устройством для контроля и регулирования потока молока УКРП (3)

п - эмпирические и выравнивающие частоты нормального распределения бактериальной обсемененносги молока В,

нку 1 нку 2 нку 3 нку 4 нку 5 нку 6

— L

1 2 3 4 5 Ы 7

Рис. 13. Структурная схема одноуровневой системы электрооборудования технологической пинии обработки мопока с энергосберегающей технологией фермы 800 коров

НКУ 1 - система управления электроприводом (СУЭ) универсального молочного насоса 1; НКУ 2 - СУЗ устройством для контроля и регулирования потоком молока 2; НКУ 3 - СУЭ холодильной установки: насоса хладоносителя 3; насоса системы охлаждения конденсатора 4; компрессора 5; НКУ А - СУЭ автоматизированного аккумулятора естественного и искусственного холода 6; НКУ 5 - СУЗ перемешивающего устройства 7 резервуаров термосов; НКУ 6 - СУЭ устройством для контроля и регулирования потоком молока 8.

Рис. 14. Структурная схема двухуровневой системы электрооборудования технологической линии обработки молока с энергосберегающей технологией фермы 800 коров

ЦУДКУ - централизованное устройство дистанционного контроля и управления; НКУ 1 - система управления электроприводом (СУЭ) универсального молочного насоса 1; НКУ 2 - СУЭ устройством для контроля и регулирования потоком молока 2; НКУ 3 - СУЭ холодильной установки: насоса хладоносителя 3; насоса системы охлаждения конденсатора 4; компрессора 5; НКУ 4 - СУЭ автоматизированного аккумулятора естественного и искусственного холода 6; НКУ 5 - СУЭ перемешивающего устройства 7 резерву аров термосов; НКУ б - СУЭ устройством для контроля и регулирования потоком молока 8.

насосного оборудования, отклонении температуры охлаждения молока, воды и хладоно-сителя от заданных значений.

Затраты рабочего времени оператора на управление линией определены из циклограмм работы оборудования и пооперационного хронометража работы оператора в процессе обработки молока (рис.15). Обоснование структуры затрат рабочего времени оператора на управление всей линией т[Тл] проведено по выражению

'"ЛГл7 = 1ХИГ.]+ш[Г0]);ш[Т1(];т [Ту]; т [Т„],

(23)

¡•1 м

где т[Тв], ш[То], т[Тн], т[Ту], ш[Тп]- оценки математического ожидания суммарных затрат рабочего времени соответственно на включение и отключение /-ой машины /-го звена, на наблюдение за работой /-ой машины звена на выполнение операций управления (переключение кранов, установку, фильтров и т.п.), на переходы при включении, отключении, наблюдении за работой /-ой машины /-го звена и выполнении операций управления; к - количество машин а звене; / - количество звеньев в технологической линии;

Распределение затрат рабочего времени оператора на управление линией, характеризуются структурными коэффициентами, которые определены из выражений

> I ь.1

- г,[т^]...т[гЛ/т[т,};\ (24)

1*1 Ы!

>7 Ы!

=£ 1НтЛтЫ -тЫ-"М/иМ

где кд, к0, кн, ку, кп - структурные коэффициенты, характеризующие доли затрат рабочего времени оператора на управление, соответственно на включение и отключение /-ой машины/-го звена, на наблюдение за работой /-ой машины /-го звена, на выполнение операций управления (переключение кранов, установку, фильтров и т.п.), на переходы при включении, отключении, наблюдении за работой /-ой машины /го звена и выполнении операций управления.

Анализ суммарных затрат рабочего времени на управление линий с одноуровневой структурой СЭ показывает, что коэффициент использования рабочего времени составляет лишь 29%, а коэффициенты непроизводительных затрат кн и кп соответственно составляют 47 и 24% (табл.6). Установлено, что одноуровневая структура СЭ не позволяет избежать многократных переходов Та от одного звена к другому. Удаленность НКУ отдельных звеньев друг от друга практически исключает возможность непосредственного контроля за ходом процесса обработки на линии и требует постоянного присутствия оператора. Оператор вынужден регулярно обходить все звенья, осуществляя постоянный контроль за функционированием. Кроме того, последовательные переходы 777 и наблюдения Гяза работой звеньев линии исключают возможность своевременного обнаружения аварийных ситуаций, что неизбежно приводит к потере молока или снижению его качества.

е

Л а I —--— 1 а | ^ 7 ь | н г а

1 2 3 4 5 Ет[тл]

Рис. 15. Распределение затрат рабочего времени оператора на управление процессом обработки молока на технологической линии с одноуровневой (а) и двухуровневой (б) системой управления

В - включение звеньев; О - отключение звеньев; П - переходы; Н - наблюдения; У - управление; 1 - подготовительно-заключительные операции; 2 - доение и обработка молока; 3 - промывка линии и резервуаров; 4 - выдача молока; 5 - подготовительно-заключительные операции; А - время автоматического контроля, регулирования и управления.

Проведенными исследованиями установлено что, для повышения коэффициента 1спользования рабочего времени, и соответственно для снижения коэффициентов не (роизводительных затрат кн и кп, целесообразно использовать двухуровневую СЭ, со-ггоящую из централизованной системы дистанционного контроля, регулирования и 'правления (ЦУДКУ), расположенного на втором уровне управления, обеспечивающего онтроль, регулирование и управление процессом обработки молока в автоматическом «жиме, а также возможность вмешательства оператора в аварийных ситуациях. При »том НКУ первого уровня обеспечивают местное управление звеньями а пусконаладоч-гам, ручном, автоматическом и аварийном режимах.'

Анализ структуры затрат рабочего времени' оператора на управление линией с (вухуровневой СЭ показывает, что затраты рабочего времени сократились: на наблюде-|ия - в 3,3 раза; на управление - в 1,3 раза; на переходы - в 1,96 раза. Суммарные затра-Ъ1 рабочего времени оператора на управление линией сократились в 2,0 раза, а уровень 1втоматизации повысился на 50%.

Проведенные исследования технологических линий обработки молока как объектов 'правления позволили обосновать и сформировать требуемый комплекс контролируемых I регулируемых параметров процесса обработки молока, необходимый для создания |ффективных технических средств и разработки унифицированной СЭ, обеспечивающей .омплексную автоматизацию процесса обработки молока при соблюдении требований к ¡го качеству, а также энергетическим, экологическим и эксплуатационным характеристи-:ам технологических линий нового поколения.

Таблица 6

Структура затрат рабочего времени оператора на управление процессом обработки молока на технологических линиях

Вариант системы управления Показатель, ч Отн. Единицы

Тн Ту Тп Те,о £Тп кн ку кп кво da

Одноуровневая 2,97 1,73 1,53 0,12 6,35 0,47 0,27 0,24 0,02 0,5

Двухуровневая 0,89 1,33 0,78 0,13 3,13 0,31 0,42 0,25 0,04

В четвертой главе "Синтез унифицированной СЭ автоматизированных >нергосберегающих технологических линий обработки молока на фермах" приедена методика блочно-модульного принципа построения унифицированной СЭ, провеяны формализация, унификация и формирование типовых алгоритмов управления ба-овых элементов системы (субблоков). Рассмотрены реализации типовых алгоритмов 'правления унифицированных субблоков на различной элементной базе, разработаны |ринципиальные схемы, на основе которых сформированы унифицированные НКУ и СЭ 1ля различных типов энергосберегающих линий обработки молока.

Основным структурным элементом СЭ является НКУ, которое реализует алгоритм правления всеми исполнительными механизмами звена Fhk/) в соответствии с требовании технологии. НКУ представляет собой функционально и конструктивно объединенную ;овокупность субблоков, выполненных на различной или единой элементной базе

F(Y>)> ..... НУ*)]- <25>

i-i

де Рнку] - алгоритм управления/ - го НКУ; F(YJ - алгоритм управления I - го субблока; к - количество убблоков aj НКУ;

Субблок является базовым элементом и представляет собой функциональный узел имеющий законченное схемное решение. Он реализует элементарный алгоритм Р(У1) и вы полняет определенную операцию управления Цу) или функцию формирования ЦР), кон троля Щ, усиления преобразования сигналов /¡(У, сигнализацию Щ и т.п.

Р(Щ= Ш(У1.У2,..;Уь.»,Уп); ЧРьРЪ Рь Рп)! Ц*1> к' У;

Цйи ¿2,... <4 —»сУ; Цг^ гь... г /г^; ЦИи Лг,... Л ь •■•» ^п)—], (26)

где (..,уи .... у г);(..., рь ..., Рп);( к<«.»¿п);(— —»Л/. —. '»о)

соответственно возможные значения входных параметров (сигналов).

Формирование субблоков унифицированной СЭ проведено на основе следующи; принципов и ограничений:

1. Субблок должен являться законченным функциональным узлом, реализующии, основные логические функции управления отдельными исполнительными механизмами

НУ.): '(Р/); '(7-/); Щ); Щ); ...;], т

где ЦРУ, 1(Л), /¡ТОО, ЦШ), ЦП) - логические функции управления отдельными исполни тельными механизмами; п-количество исполнительных механизмов.

2. Алгоритмы, на основе которых разрабатываются субблоки должны быт* минимизированы и унифицированы

НЗД' *)]; "['(# ПШ\ "Ш; -."Ь^ <**)

где У/Р^УУ - унифицированный алгоритм управления /-м исполнительным механизмом пЩУ/)]- п№(р1)]> ПЩТ/Л» "(ЦО*)]. пЩН,)], пЩг,)] - множество логических функциС управления Цу) или функций формирования ЦР), контроля Щ), усиления 1(в), преобразован« сигналов 1(2), сигнализации /(/>,) исполнительными механизмами.

3. Алгоритм субблока Р(У'0 должен являться кратным элементом алгоритма соответствующих типоисполнений НКУ

Р(У!) => 6 [п^нкуШ П2(Рнку2)] ... [П^нку!)} ... [п^нкущ, (29)

где/п/Рнку/)] - множество субблоков] - го НКУ.

4. Должна обеспечиваться максимальная применяемость и повторяемость алгоритма управления В1Я/У0] каждого субблока в пределах исследуемой СЭ

В1ЩУ,)] =» {ШРнкуЩ п2(Рнку2)]...[п,(Рнку1)]...[ц(Рнкут->тах, (30) где В[Р(УЩ - применяемость и повторяемость субблока в НКУ.

5. Вариант аппаратурной реализации каждого субблока не должен оказывать непосредственного влияния на аппаратурную реализацию других субблоков в пределах НКУ, а аппаратурная (номенклатурная) избыточность должна быть близкой или равна нулю

И ^(У!)] = о, (31)

где И[Р(У/)] - аппаратурная (номенклатурная) избыточность субблоков и НКУ.

6. Затраты на НКУ должны быть минимальными при условии минимума приведенных затрат на каждый субблок с учетом сроков службы субблоков и НКУ к

->т!п, (32)

Знку]~

1=1

где 3 нку] - приведенные затраты на У - ое НКУ; К1] - приведенные затраты на 1-й субблок с учетом срока службы ] - го НКУ.

Указанные принципы реализованы путем применения алгоритмической матрицы (табл.7), построенной в координатах НКУ - субблок и имеющей п строк и к столбцов, где п -количество типоисполнений НКУ /-звена; к - количество субблоков в типоисполнениях НКУ этого звена.

Разработка и систематизация алгоритмов управления субблоков и НКУ проведена на основе разделения объекта управления на отдельные звенья и исполнительные механизмы (типовые участки), имеющие аналогичные контролируемые и регулируемые параметры, диапазон их регулирования, а также режимы работы, а СЭ - на функциональные узлы (субблоки). Унификация и формирование типовых алгоритмов управления субблоков проведена по критерию функционального сходства, виду оперативного управления и принципу идентичности составляющих сигналов в структурных формулах.

Таблица 7

Алгоритмическая матрица формирования типоисполнений НКУ звеньев технологических линий из унифицированных субблоков

Типоисполнение НКУ ) - звена Минимизированные алгоритмы управления унифици рованных субблоков

ТО то то /те ТО

нку 1 ТО - то - то

нку 2 ТО то то т ... то

••• ... ... ... ... ...

нку у то то то т -

... ... ... ... ... ...

нку л то то то - ... то

В табл.8 приведены результаты унификации алгоритмов управления исполнитель-<ыми механизмами отдельных холодильных установок и АХ в автоматическом режиме и 1ринцип формирования типовых алгоритмов управления НКУ. Выделенные зоны вклю-1ают унифицированные алгоритмы управления, являющиеся кратным элементом алго-)итма соответствующих типоисполнений НКУ и имеющие максимальную повторяемость и |рименяемость в пределах типоразмерного ряда НКУ. Из табл.8 видно, что за счет унификации обеспечена максимальная повторяемость и применяемость типовых алгоритмов правления каждого субблока. Типовые алгоритмы управления субблоков Р(Ра), Р(Ух) и '■(Уо) унифицированы на 100% и используются для управления исполнительными меха-!измами всех приведенных холодильных установок и аккумулятора холода.

При разработке принципиальных схем и аппаратурной реализации количество возмож-ых вариантов выполнения субблоков возрастает. Эффективность каждого субблока опре-еляется его стоимостью и режимами работы в конкретном НКУ. Критерием при обосновании арианта субблока являются приведенные затраты с учетом его срока службы, определяемо-з сроком службы наименее долговечного элемента. Поэтому для выбора субблока из ком-лекта для конкретного ]-го НКУ учитывается стоимость замены и ремонта субблока

Таблица 8 со

- . _ м

Унификация и формирование типовых алгоритмов управления холодильных установок и аккумулятора естественного и искусственного холода

Тип холодильных установок ТИПОВЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ УНИФИЦИРОВАННЫХ СУББЛОКОВ

Р(Рп),Р(Уаех) Р{Ра)

АВ-30 [(Ра+Рп)йр(Гк+<15)тхтотктг]За+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа ФхУхУо ЗЬсУх - УО(ЙГ81+Й'В2УГ) -

АВ30-01 КРа+Рп)^р&+аз)'йхП'отктг18а+Нрп (Ра+Рп). на=РпРа РпУмРа ЪхУхУо <»ЬсУх - УО(5В1+5В2УГ) -

ТХУ23-01 [(Ра+Рп)5"ртхтктв]$а+Нрп (Ра+Рп), На=рпра РпУмРа 5\хУх - - - -

ТХУ14-01 1(Ра+Рп)«'ртхт|^Пв18а+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа ^хУх - - - -

ТХУ14-02 [(Ра+Рп)<1ртхткШв]8а+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа аЬсУх - - - -

ТХУ37-01 [(Ра+Рп№ртхтктв]8а+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа ^хУх - - -

МВТ20-1(1) [(Ра+Рп)йрй>х'йо'Пк'йв1]8а+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа сйхУх - Й1хУх - НьсУхАвтвг

МВТ20-1(2) [(Ра+Рп)йртхтотктв1]За+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа 3\хУх - <%Ух - ^Ух^втаг

МВТ14-1-0 [(Ра+ Рп)^ ртхш0ткшВ1]5а+Н рп (Ра+Рп). на=РпРа РпУмРа ^хУх - «йхУх - 3(хУх^вШв2

УВ-10 1(Ра+Рп)йртхтоткта1]За+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа 31хУх - 5{хУх - -

УВ-10-01 1(Ра+Рп)<1ртхШогпктв1]8а+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа ^1хУх - ФхУх - -

ОТ-Ю 1(Ра+Рп)?рП'х'ПоткП'в1]8а+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа ФхУх - 3|хУх - -

АВ14-1-0 [(Ра+Рп)5ршхтотк1Пв1]8а+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа - ЗхУХ - В(хУх - ЙЬСУХ5Вгпв2

АЕХ-1М 1(Ра+Рп)йртхт0тктв1]8а+Нрп (Ра+Рп). На=РпРа РпУмРа - - - - -

КЦ = 31-01у + УЦ (ОЦ - 1),

йЦ = Ту/77, при 77 < 77, (33)

О/у = У, при Г/ >77,

где 3/- приведенные затраты (стоимость) на /-й субблок, руб.; У//- стоимость замены /-го субблока в У-ом НКУ.руб.; 7}- соответственно срок службы /-го субблока и /-го НКУ, лет. Из выражения (34) следует, что при О/у = 1, Ну = 3/.

На следующем этапе осуществлен выбор конструктивной базы и компановка унифицированных НКУ звеньев линии. Целевая функция при выборе варианта СЭ, построенной по блочно-модульному принципу на основании унифицированных субблоков, определяется выражением т к

*л= X 1>%->тт, (34)

1-11=1

где к - количество субблоков электрооборудования ]-т варианта НКУ системы; т — количество НКУ в системе.

Формирование комплекта унифицированной СЭ, состоящей из ЦУДКУ и 21 НКУ, проведено при помощи алгоритмической таблицы, построенной в координатах НКУ- субблок. При формировании НКУ из унифицированных субблоков осуществлена схемная унификация для каждого типа технологического звена, выбраны варианты комплектации, при помощи которых определены унифицированные типоисполнения НКУ. Формирование унифицированных типоисполнений НКУ для отдельных холодильных установок приведены в табл.9.

Таблица 9

Формирование унифицированных типоисполнений низковольтных комплектных устройств управления (НКУ) из субблоков

Тип холодильных Унифицированные субблоки Унифицированные типоисполнения НКУ

установок F(Yx) F(Ykd) FPa) F(YK) F(Yr) F(pm) (P"2) FPTB2) N холодильных установок

АВ-30 вя яя вя sa m m 1 Я 5906-3774И УХЛ 3.1

АВ30-01 ш вя ш ВЯ m ma 2 Я 5906-3774Ж УХЛ 3.1

ТХУ23-01* M вя ea ВЯ 3 Я 5906-3474Б УХЛ 3.1

ТХУ14-01* n m ВЯ 4 Я 5932-3374А УХЛ 3.1

ТХУ14-02* ai ш sa 5 Я 5932-3374Б УХЛ 3.1

ТХУ37-01* H m m ■a 6 Я 5932-3774В УХП 3.1

МВТ20Ч1) m m sa ея 7 Я 5906-3574Г УХЛ 3.1

МВТ20-(2) ва m m в H 3 Я 5906-3574Д УХЛ 3.1

MBT14 -1 m ■■ ВЯ ES 9 Я 5906-3274Л УХЛ 3.1

УВ-10 ■■ ВЯ a 10 Я 5906-3274И УХЛ 3.1

/В10-01 И» и ■■ 11 Я 5906-3774К УХЛ 3.1

ЭТ-10 т 11 Я 5906-3774К УХЛ 3.1

без учета алгоритмов управления элекгроводонагревателями типа Я 9309-3074 УХП 3.1 :(Yx), F(Yko), F(Yk), F(Ya), F(Ye2) - субблок системы управления электроприводом соответственно lacoca хладоносителя, компрессора и вентилятора №1, компрессора, градирни и вентилятора №2 юлодильных установок (ХУ); F(Pa) - субблок системы аварийной сигнализации и блокировки элек-роприводов холодильных установок; F(Pni), F(Pn2) - субблок системы защиты, управления и кон-роля параметров ХУ; N - варианты комплектации.

При формировании типоисполнений НКУ обеспечена максимальная приме-

няемость и повторяемость унифицированных субблоков в различных НКУ и реализован блочно-модульный принцип их компоновки. Например, НКУ холодильных установок УВ-10, УВ10-01 и ОТ-Ю, построенные по блочно-модульному принципу из пяту субблоков, унифицированы по схемным решениям и на уровне сборочных единиц. Алгоритмы управления НКУ и субблоков идентичны и имеют следующий вид FYB-10 = F(Yx)+F(Yko) + F(Pnl)+F(Pn2)+F(Pa);

FYBiO-Oi = F(Yx)+F(Yko)+ F(Pn1)+F(Pn2)+F(Pa); (35,

F ОТ'10 = F(Yx)+F(Yko)+ F(Pnl)*F(Pn2)*F(Pa).

Так как УВ10 - 01 и ОТ-Ю, в отличии от УВ -10 комплектуются безсальниковым кол, прессором и встроенной температурной защитой электродвигателя компрессора, то и НКУ отличаются друг от друга типоисполнением N11 и N10.

Аналогичным образом из 19 унифицированных субблоков для эле/стрифицированны машин сформировано 21 типоисполнение НКУ по блочно-модульному принципу без номен! латурной избыточности и унифицированных на уровне деталей и сборочных единиц. Разрг ботанный унифицированный комплект НКУ обеспечивает функциональное управление всем исполнительными механизмами звеньев линий обработки молока и перекрывает все во; можное многообразие и множество вариантов выполнения технологических систем.

Формирование двухуровневой унифицированной СЭ для линии обработки молока < энергосберегающей технологией на ферме 800 коров с центральной молочной, построение! по блочно-модульному принципу, показана рис.16. СЭ построена из унифицированных суб блоков путем многократного применения их в различных НКУ. Например субблок 3 повторя ется пять раз: в ЦУДКУ, НКУ 1, НКУ 2, НКУ4, НКУ 5.

На основании проведенных исследований совместно с ВНИИЭлекгроприводом создав комплект унифицированных типоислолнений НКУ, построенных по блочно-модульному прин ципу без номенклатурной избыточности и унифицированных на уровне деталей и сборочны) единиц. Унифицированный комплект СЭ серийно выпускается, на заводах Российской Феде рации и СНГ. Из этого комплекта формируются СЭ для любых типов технологических линий е том числе с использованием естественного холода.

В пятой главе "Экспериментальные исследования, комплексная оценка технико-экономической эффективности внедрения технических средств и комплектов оборудования автоматизированных энергосберегающих технологических линий обработки молока на фермах" приведены методика и результаты производственных испытаний энергосберегающей технологической пинии обработки молока, комбинированной системы охлаждения молока, унифицированных типоислолнений НКУ, типоразмерного ряда аккумуляторов естественного и искусственного холода, технических средств контроля и регулирования потоков, счетчиков индивидуального, группового и общего учета молока, проведена оценка технико-экономической эффективности системы и результатов внедрения.

Экспериментальные исследования энергосберегающей технологической линии обработки молока и разработанных технических средств предусматривали определение параметров материальных потоков, временных, энергетических режимов системы, влияние режимов работы электрооборудования и параметров регулируемых звеньев на показатели качества обрабатываемого молока, структуры затрат рабочего времени оператора на управление линией. Осуществлена проверка контролируемых и регулируемых параметров процесса обработки молока и алгоритмов управления НКУ исполнительных механизмов звеньев. Производственные испытания проводились на фермах племзавода - колхоза "Завет Ильича" и колхоза "Ленинский Луч" Красногорского района, фермы "Ельдитино" совхоза "Зеленоградский" Пушкинского района Московской области.

Установлено, что применение разработанных энергосберегающих технологий, технических средств и унифицированной СЭ в технологических линиях позволяет:

- обеспечить интенсификацию процесса обработки молока на фермах и улучшение

Ц J Н IV У

НКУ 1

1 2 3

НК У 2

1 2 3 4

НКУЗ

14

10

НКУ 4

11 12 3

НКУ 5

13

14

НКУ 6

15 4 14

НКУ 7

15

III

IV

VI

VII

VIII

IX

Рис. 16. Структурная схема блочной двухуровневой унифицированной системы электрооборудования, построенной из унифицированных субблоков для технологической линии обработки молока с энергосберегающей технологией фермы 800 коров с центральной молочной.

ЦУДКУ - централизованное устройство дистанционного контроля и управления; НКУ 1 - блок управления (БУ)электроприводом молочного насоса воздухоразделителя (I); НКУ 2 - БУ электроприводом устройства для учета и перекачки молока (II); НКУ 3 - БУ электроприводами системы выработки холода : насоса хпадоносителя (III), насоса системы охлаждения конденсатора (IV). компрессора (V), аккумулятором-естественного и искусственного холода (VI); НКУ 4 - БУ электрооборудованием резервуара для хранения молока (VII); НКУ 5 - БУ электроводонагревателем (VIII); НКУ 6 - БУ электроприводом молочного насоса системы выдачи молока с фермы (IX); НКУ 7 - БУ электроприводом насоса установки для циркуляционной промывки молокопровсщных систем (X);

1 - субблок системы управления электроприводами (ССУЭ) молочного насоса воздухоразделителя или молочного насоса; 2 - субблок системы контроля (ССК) сигнала датчика верхнего уровня молока; 3 - ССК аварийной сигнализации отклонения параметров от заданных пределов; 4 -субблок системы учета молока; 5 - субблок системы защиты, управления и контроля параметров холодильных установок; 6 - субблок системы аварийной сигнализации и блокировки электроприводов холодильных установок; 7- ССУЭ насоса хладоносителя; 8 - ССУЭ насоса системы охлаждения конденсатора холодильных установок; 9 - ССУЭ компрессора; 10 - ССУЭ аккумулятора естественного и искусственного холода; 11 -ССУЭ перемешивающего устройства резервуаров молока; 12 - субблок системы программного управления перемешивающим устройством резервуаров молока; 13 - ССУЭ нагревательного элемента электроводонагревателя; 14 - ССК сигнала датчиков температуры или уровня молока; 15 - ССУЭ молочного насоса выдачи молока с фермы и установки для безразборной мойки оборудования.

со СП

5

6

7

8

9

V

показателей по всем видам оценок: технологической, энергетической, экологической, к; чественной и эксплуатационной;

- увеличить выход молока высшим сортом не менее чем на 80 т в год, сократит потери молочного жира на 0,18 т, требуемую производственную площадь и металлов» кость оборудования для приема и учета молока за счет применения регулируемых звен! ев не менее чем на 90%;

- на 50% сократить затраты рабочего времени оператора на управление и эксппу, тацию линией за счет повышения уровня автоматизации таких операций как учет молок; регулирование технологических потоков, управление, контроль и регулирование фун ционированием звеньев в процессе обработки молока и аккумулирования холода ;

- сократить удельные затраты электроэнергии на охлаждение молока в холодно время года не менее чем в 10 раз, установленную мощность электрооборудования хладолроизводительность холодильных установок не менее чем в 3 раза, материалов» кость аккумуляторов естественного и искусственного холода не менее чем в 6 раз;

- повысить аккумулирующую способность системы охлаждения не менее чем в 2 раза

- снизить суммарные затраты на электроэнергию не менее чем в 2,5 раза;

- повысить уровень автоматизации системы не менее чем на 50%;

Экономический эффект Эг от применения разработанных систем в сфере эксплу!

тации получен за счет сокращения капитальных вложений на технологическое оборудс вание, экономии энергоресурсов фермы, повышения производительности труда оператс ра и качественных показателей, за счет снижения потерь молока ЛСс и молочного жир 4Са, в сфере производства - за счет повышения уровня унификации и снижения стоимс сти комплектующих изделий при переходе на новую элементную базу

Эг= Э1 + Э2, (36

где Э1- годовой экономический эффект в сфере эксплуатации и производства, руб. Величина экс номического эффекта в сфере производства составляет 10...20% заводской себестоимости униф! цированных НКУ; Эг - годовая дополнительная сумма, получаемая хозяйством за счет повышена жирности ЛСа и сортности ЛСс молоха, руб.

Годовой экономический эффект в сфере эксплуатации Э^ определен путем сопо< тавления приведенных затрат на обработку молока на автоматизированной энергосбер« тающей технологической линии с унифицированной СЭ (новый вариант) и типовой с с) ществующей СЭ (базовый вариант).

Годовая дополнительная сумма, получаемая хозяйством за счет повышения жирнс сти ЛСа и сортности ЛСс молока, определена из выражения

Э2 = ДСв +АСс. (37}

Годовая дополнительная сумма, получаемая хозяйством за счет повышения жирнс сти сдаваемого молока

ЛСс = Зц Мт (вн - вб) / вбз , (38,

где Зц - закупочная цена молока, руб; Мт - количество сдаваемого молока, т; вбз - базисная жир ность молока, %; вн, вб - жирность молока, обработанного соответственно на типовой и эксперт ментальной линиях, %.

Годовая дополнительная сумма, получаемая хозяйством за счет повышения сорт ности молока

ЛСс = [Цв(Мн - Мб) + Ц1(М'н - М'в)+Ц2(М"н - М"В)М ф(Мно - Мб о), (40)

где Ца, Ц1,1/2- закупочная цена молока соответственно высшего, первого и второго сорта, руб.; М'н, М"н, Мб, М'б, М"б - количество молока соответственно высшего, первого и второго сорта, полу ченного на новой и базовой линиях; Мне, Мба - количество молока высшего сорта, сдаваемого ■ фермы охлажденным до 8°С и полученного соответственно на новой и базовой линиях, т; Цз надбавка к закупочной цене за молоко, охлажденное до 8°С.

Результаты технико-экономического расчета показали, что годовой экономический |эфект от применения энергосберегающих систем, новых технических средств, исполь-ющих аккумулирование естественного и искусственного холода и унифицированной СЭ I ферме 800 коров составляет 83 млн. руб., в том числе за счет сохранности качествен-,1х показателей молока - 33 млн. рублей (в ценах декабря 1997 года).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании теоретических исследований выполненных автором по вопросам син-за автоматизированных энергосберегающих технологических линий обработки молока, хнических средств и унифицированной СЭ и предложенных на их базе практических гтодов обоснования параметров и инженерного расчета этих систем с учетом широкого еюгра технологических требований со стороны объекта управления - в диссертацион-|й работе решена актуальная научная проблема по разработке научно-методических нов и принципов формирования эффективных автоматизированных энергосберегаю-*х технологий, технических средств и унифицированной СЭ для технологических линий работки молока, обеспечивающих интенсификацию процесса обработки молока на грмах при улучшении его качества, а также энергетических, экологических и эксплуата-онных характеристик. В результате разработана единая методическая база по обосно-нию и построению автоматизированных энергосберегающих систем и унифицирован-й СЭ, учитывающая все многообразие и сложность взаимосвязей параметров автома-зируемых процессов обработки молока и степень их влияния на поведение всей систе-< в целом.

По результатам проведенных исследований в диссертационной работе сделаны едующие выводы:

1. Технологические линии обработки молока и система электрооборудования (СЭ) фермах не отвечают современным требованиям по энергетическим характеристикам, звню автоматизации и унификации. Существующий комплекс контролируемых и регу-руемых параметров и технических средств процесса обработки, отсутствие данных о яянии параметров и режимов работы звеньев на показатели качества молока, энерге-геские, экологические и эксплуатационные характеристики линий не позволяют обос-зать и формировать автоматизированные энергосберегающие системы и интенсифи-зовать технологический процесс обработки молока на фермах. Это объясняется отсут-1ием методологии исследования технологических линий как объектов управления и годов синтеза автоматизированных энергосберегающих систем и СЭ, позволяющих ¡сть все многообразие сложных взаимосвязей между звеньями линии и СЭ в процессе нкционирования.

2. Структуры технологических линий обработки молока существенно отличаются /г от друга и зависят от случайных, изменяющихся во времени факторов: от продук-мости коров, принятой технологии, архитектурно-планировочных решений, санитарно-иенических условий, географии расположения фермы. Анализ основных режимов нкционирования звеньев технологических линий обработки молока показал, что повы-ние уровней автоматизации, унификации, при снижении энергоемкости и трудоемкости обработки может быть достигнуто путем функционально-структурной организации ли-I по модульному принципу, внедрения принципиально новых автоматизированных тех-юских средств, энергосберегающих технологий, использующих естественный холод духа и воды, и создания унифицированной СЭ с гибкой иерархической структурой и с можностью перестройки их при изменении технологических задач.

3. Для количественной оценки и выбора наиболее эффективной энергосбере гающей системы охлаздения молока, обеспечивающей максимальное использовани потенциала природного холода и рациональное сочетание естественного и искусст венного холода в технологических линиях в суточном и годовом циклах, разработан методика, позволяющая в процессе синтеза систем обосновать параметры и эффе» тивные режимы работы отдельных звеньев и линии в целом и формировать гибки энергосберегающие линии обработки молока с требуемыми параметрами и характе ристиками для любых типов животноводческих ферм и климатических регионов стрг ны с потенциальным расширением функциональных возможностей при изменени задач. В результате реализации математических моделей процессов аккумулирова ния холода и охлаждения молока установлено, что наиболее эффективными энергс сберегающими системами, использующими естественный (природный) холод, явл* ются комбинированные системы круглогодового действия модульного типа, вклк чающие приемники естественного холода с унифицированными многоступенчатым! распылительными блоками, водо-ледяные аккумуляторы естественного и искусствен ного холода в сочетании с подзарядными хоподильными установками.

4. Разработанные математические модели процессов аккумулирования естествеь ного и искусственного холода и охлаждения молока водо-ледяными аккумуляторами се зонного и круглогодового действия в теплообменниках проточного и емкостного типов пс зволяют обосновать параметры и эффективные режимы работы энергосберегающих сис тем охлаждения на фермах. При реализации математических моделей установлено, чт наиболее эффективным является режим вытеснения хладоносителя в аккумуляторе ха л ода, позволяющий аккумулировать холод до более низкой температуры ^,1=2°С) пр минимальной кратности объемов хладоносителя к молоку (К.=2,45), что позволяв уменьшить хладопроизводительность подзарядной холодильной установки не менее, че| в 3 раза. На основе результатов исследований сформулированы требования к типораэ меру установок для охлаждения молока с использованием естественного и искусственна го холода, предложены типовые технологические схемы энергосберегающих систем ох лаждения и разработана обобщенная методика расчета и обоснования параметров и ре жимов работы системы охлаждения молока с использованием естественного и искуссл венного холода на базе установок сезонного действия (УСД), комбинированного действи: (УКД) и аккумуляторов-льдохранилищ (ЛХ).

5. Хозяйственные испытания энергосберегающих систем на базе установок сезон ного и комбинированного действия, разработанных и изготовленных на основании ре зультатоа настоящих исследований, подтвердили высокую эффективность и технологи ческую целесообразность их применения в технологических линиях. В результате исспе дований характеристик энергетических потоков установлено, что использование в техно логической линии комбинированных аккумуляторов естественного и искусственного хо лода водо-ледяного типа с унифицированными распылительными блоками, сформиро ванных по модульному принципу, позволяет сократить удельные затраты электроэнерги! на охлаждение в холодное время года до 10 раз, установленную мощность электрообо рудования и хладопроизводительность холодильных установок до 3 раз, материалоем кость аккумуляторов до 6 раз, повысить аккумулирующую способность системы не менее чем в 2 раза.

6. Предложен метод исследования технологических линий обработки молока ка! объектов управления, позволяющий на основе математического моделирования матери альных потоков линии, временных, энергетических и аварийных режимов работы звень ев, структуры затрат рабочего времени на управление линией, влияния режимов работь электрооборудования на качественные показатели молока, обосновать контролируемы«

регулируемые параметры процесса обработки молока, определить структуру СЭ и ком-лекс технических средств для получения информации о состоянии объекта управления, ыявить их влияние на показатели качества молока, энергетические, экологические и ксплуатационные характеристики линий.

7. Разработанная математическая модель, устанавливающая количественные заимосвязи параметров и режимов работы электрооборудования и регулируемых веньев с показателями качества обрабатываемого молока, позволяет выявлять способы

приемы совершенствования автоматизированных регулируемых звеньев и моделиро-ать эффективные режимы их работы, обеспечивающие обработку молока в закрытом отоке синхронно с доильной установкой и тем самым существенно снизить влияние ре-ммов работы на качественные показатели молока. В результате проведенных теорети-еских и экспериментальных исследований разработаны и внедрены эффективные авто-ятизированные устройства для контроля и регулирования потоков, которые не снижают оказатели качества молока и обеспечивают его обработку в закрытом:потоке без нако-ительно-регулирующих емкостей изолированно от окружающей среды. Это позволило а ферме с поголовьем 800 коров при годовом надое 3000 т молока увеличить выход мо-ока высшим сортом более 80 т/год, на 0,18 т сократить потери молочного жира, на 90% сжратить требуемую производственную площадь и металлоемкость оборудования для риема и учета молока, на 50% сократить затраты рабочего времени оператора на правление и эксплуатацию линией.

8. На основании математического моделирования и анализа временных режимов аботы звеньев линии и структуры затрат рабочего времени оператора на управление роцессом обработки молока выявлены закономерности и особенности функционировали энергосберегающих технологических систем и СЭ на фермах. В результате разрабо-ана математическая модель системы оператор - технологическая линия - система пектрооборудоеания, учитывающая все существенные взаимосвязи контролируемых регулируемых параметров с процессом обработки молока и степень их влияния на по-эдение всей системы в целом. Установлено, что наиболее эффективной является цен-запизованная двухуровневая иерархическая структура СЭ, состоящая из унифициро-анных НКУ, расположенных на первом уровне управления и централизованного устрой-гва дистанционного контроля и управления (ЦУДКУ), расположенного на втором уровне, ровень автоматизации предложенной системы по сравнению с существующими повы-ается на 50%.

9. Предложена методика, позволяющая на основе разделения объекта управления на гдельные звенья и исполнительные механизмы, а электрооборудование - на субблоки, уни-ицировать электрооборудование на уровне деталей и сборочных единиц и построить гиб-'Ю СЭ по блочно-модульному принципу без номенклатурной избыточности с учетом функ-юнальных особенностей данной системы и возможности ее перестройки на стадии проек-|рования при изменении технологических задач. Использование унифицированных суббло->в в качестве базового элемента СЭ позволяет применять новые технические средства травления и элементную базу (микросхемы, магнитоуправляемые и герметичные контакты), >четать их с релейно-контактной аппаратурой и строить СЭ линий из унифицированных субтоков путем многократного их применения в различных НКУ.

10. Разработан метод формирования типовых алгоритмов управления субблоков, >зволяющий на основе унификации частных и обобщенных алгоритмов объединить их > критерию функционального сходства, по принципу идентичности составляющих сита-зв в структурных формулах и по виду оперативного управления с последующим форми-танием рационального набора типовых алгоритмов управления СЭ в целом. Это поюлило из 57 частных алгоритмов управления получить 19 типовых и на их основе раз-

работать комплект унифицированных субблоков, осуществляющих функциональное обеспечение исполнительных механизмов звеньев с максимальным использованием элементов и минимальной избыточностью.

11. По результатам проведенных исследований совместно с ВНИИэлектроприводом разработаны функционально-структурные и принципиальные схемы унифицированных субблоков и на их основе создан комплект унифицированных типоисполнений НКУ, построенных по блочно-модульному принципу без номенклатурной избыточности и унифицированных на уровне деталей и сборочных единиц. Унифицированный комплект СЭ серийно выпускается на заводах Российской Федерации и СНГ. Из этого комплекта формируются СЭ для любых типов технологических линий в том числе с использованием естественного холода.

12. Внедрение унифицированной СЭ, состоящей из 21 НКУ и централизованного устройства дистанционного контроля и управления, позволяет формировать СЭ для любых типов энергосберегающих технологических линий обработки молока, применяемых на животноводческих фермах, и обеспечивает улучшение показателей их работы по всем видам оценок технологической, энергетической, экологической, качественной и эксплуатационной. Установлено, что годовой экономический эффект от внедрения энергосберегающих систем, использующих естественный и искусственный холод, и разработанной унифицированной СЭ на ферме 000 коров, составляет 83 млн. руб., в том числе за счет сохранности качественных показателей молока - 33 млн. рублей (в ценах декабря1997 г.).

13. В результате проведенных исследований, включающих в себя теоретическое обоснование параметров и режимов работы автоматизированных энергосберегающих систем, технических средств и унифицированной СЭ, разработку опытных образцов и их производственные испытания на молочных фермах, разработаны и утверждены исходные требования (технические задания) на 28 различных технологических систем, установок, устройств и унифицированных НКУ для технологических линий первичной обработки молока. По исходным требованиям (техническим заданиям) организации промышленности выполнили ОКР, разработали промышленные образцы и провели хозяйственные, ведомственные и государственные испытания с рекомендациями серийного производства и широкого внедрения на животноводческих фермах и комплексах страны. По большинству разработок начато серийное производство в России и странах СНГ.

14. Результаты исследований включены в Систему машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1981...1995 гг., ч. II Животноводство. Они составили научную базу для разработки: "Рекомендаций по автоматизации производственных процессов для объектов сельскохозяйственного назначения"; "Рекомендаций по разработке линий обработки молока с энергосберегающими технологиями для доильно-молочных блоков животноводческих ферм и комплексов; "Рекомендаций и руководства по привязке установок сезонного действия для систем охлаждения молока естественным холодом на фермах"; "Рекомендаций по изготовлению и использованию установок естественного холода для охлаждения молока; 'Технических требований и технико-экономических обоснований на серийное производство унифицированной СЭ для технологических линий обработки молока на предприятиях Минэлектротехпрома", на основе которых освоено серийное производство комплектов унифицированного электрооборудования для технологических машин.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мусин А.М., Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И., Павлов A.B. Автоматизация операций приема молока на технологических линиях // НТБ ВИЭСХ. 1982. Вып. 2(46). с.8-10.

2. Мусин AM., Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И. Автоматизация общего учета и перекачки моло-

на технологических линиях первичной обработки IIНТБ ВИЭСХ. 1983. Вып. 1 (47).с.6-8.

3. Мусин А.М., Марьяхин Ф.Г., Учеваткин АИ. Обоснование перечня моделей технологических ний обработки молока на фермах и комплексах как объектов управления. В сб.: Комплексная ме-низация и автоматизация животноводства. Т. 58. М.: ВИЭСХ, 1983. с.38-43.

4. Учеваткин АИ., Кулаков А.М., Духанов В В. Система учета, транспортировки и хранения мо-ка. // НТБ ВИЭСХ. 1983. Вып. 2(48). с. 12-15.

5. Мусин АМ, Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И. Иоследрвание затрат рабочего времени оператора управление технологическими линиями обработки молока.// НТБ ВИЭСХ 1984. Вып. 1(30).с. 18-25.

6. Мусин АМ.,, Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И. Анализ энергетических режимов работы систем зктрооборудования технологических линий обработки молока// НТБ ВИЭСХ 1984. Вып. 3(52).с. 3-13.

7. Мусин А.М., Марьяхин Ф.Г., Учеваткин АИ. Определение ущербов при отказе элекгрообо-1ования технологических линий обработки молока. II НТБ ВИЭСХ.1984.Вып. 2(51).с. 3-11.

8. Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.Й., Корявых В.С., Павлов АВ. Технико-экономические характе-стики агрегатированного устройства учета и перекачки молока для поточных линий его обработки фермах и комплексах. II Национал, электрификация сел. хозяйства. 1984. с.58-61.

9. Мусин А.М., Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И. Влияние режимов работы электроприводов тех-гтогической линии на показатели качества обрабатываемого молока. В сб.: Автоматизированный эктропривод в сельскохозяйственном производстве. Т.63. М.: ВИЭСХ, 1985. с. 17-26.

10. Мусин А.М., Марьяхин Ф.Г., Учеваткин АИ. Структура системы электрооборудования тех-тогических линий обработки молока //НТБ ВИЭСХ. 1985. Вып. 2(54). с. 3-11.

11. Учеваткин АИ. Минимизация и оптимизация алгоритмов управления холодильных устано-: технологических линий обработки молока. В сб. Проблемы электрификации, автоматизации и шоснабжения сельскохозяйственного производства.// Тез. докл. Всесоюзн. научи, конф. 25...27 !бря 1985 г. М.: ВИЭСХ, 1985.С.109-110.

12. Учеваткин АИ. Обоснование и разработка унифицированной системы элекгрооборудова-I технологических линий первичной обработки молока на фермах и комплексах. Автореф. Дисс, энд. техн. наук. М.: МИИСП, 1986.

13. Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И., Зеликман Л.Н., Анисимов Г.М. Унифицированный комплект ¡ктрооборудовамия для технологических линий обработки молока. В сб. Состояние и перспекти-развития электротехнических изделий сельскохозяйственного назначения. //Тез. докл. Всесо-1 Научн. техн. конф. 17...19 сентября 1986. М.: Информэлектро, 1986. с. 27-28.

14.Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И., Анисимов Г.М., Зеликман Л.Н. Унифицированный комплект ¡ктрооборудования технологических линий обработки молока на фермах и комплексах II НТБ ЭСХ. 1987. Вып. 2(60). С. 15-22.

15. Осипов С.Б., Учеваткин А.И., Казакевич И А Выбор объектов представителей для сбора Ьормации о фактических сроках службы кабельных изделий. В сб.: Эксплуатация и электробезо-ность в сельскохозяйственном производстве. Т. 72. М.: ВИЭСХ, 1989. с.21-27.

16. Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И., Марков А.В. Автоматизация процесса наморозки в льдоак-уляторе //НТБ ВИЭСХ. 1990. Вып. 1(66). с. 7-13.

17. Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И., Лукин С.А. Микропроцессорное управляющее устройство молочных ферм. В сб.: Микроэлектроника й микропроцессорная техника в стационарных про-

сах сельскохозяйственного производства. Т. 76. М.: ВИЭСХ, 1991.С.18-24.

18. Учеваткин АИ., ЮлдашгвФ.Ф. Сравнительная оценка компоновки пультов холодильных установок. В Хогад-народномухозяйству. //Тез.докп. Воесааэн. Нэучн техн. конф. (октябрь 1991 г.) Л.: 1991. с!44.

19Луин АМ., Ф.Г.Марьяхин, Учеваткин А.И., БойюАЯ., Мария АВ. Изготовление и использование нcшкeстEcтвeннoroxorкда дrmcxra>кдeния^юпol^a Регомечцации. М.: Росагропромиздаг, 1991.- 28 с.

20.Учеваткин А.И., Юдцаш® Ф.Ф. Некоторые аспекты автоматизации линий охлаждения и обра-ки молока. В сб.: Средства и системы автоматизации управления процессами сельскохозяйст-ного производства. //Тез. дока Всесоюзн. Научн.техн. юзнф. (октябрь 1991 г.) Паланга: 1991.С.103.

21.Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И., Коршунов Б.П. Технологии и энергосберегающее оборудо-ие для получения, обработки и хранения сельскохозяйственной продукции. В сб.: Материалы ¡дународной научно-практической конференции! Ресурсосбережёние при производстве и первой переработке сельскохозяйственной продукции. - Минск: БелНИИМСХ, 1997.

22. Ас. 1080794 СССР. Устройство для учета и перекачки молока /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, .Кулаков и др: - Опубл. в Б.И., 1984, №11.

23. Ас. 1209120 СССР. Устоойсгво для учета и пеоекачки молока /АИ.Учеваткин. Ф.Г.Марьяхин.

Ю.АЦой и др. - Опубл. в Б.И., 1986, №5.

24. A.c. 1124896 СССР. Устройство для охлаждения молока на животноводческих фер« /А.И.Учеваткин, АМ.Мусин, Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.И., 1984, №43.

25. A.c. 1124167 СССР. Установка для охлаждения молока /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьях АВ.Павпов и др. - Опубл. в Б.И., 1984, №42.

26.АС, 1244444 СССР. Способ намораживания льда в аккумуляторе холода /АИ.Учеватк АМ.Мусин Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.И., 1S86, №26.

27. A.c. 1653664 СССР. Установка для охлаждения молока/АИ.Учеваткин, А.М.Му< Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.И., 1991, №21.

28. A.c. 1653666 СССР. Устройство для охлаждения молока на животноводческих фер», /А.И.Учеваткин, АМ.Мусин Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.И.,1991, №21.

29. Ас. 1653665 СССР. Установка для охлаждения молока /А.И.Учеваткин, А.М.Мус Ф.Г.Марьяхин, и др. -Опубл. в Б.И., 1991, №21.

30. Ас.. 1659690 СССР. Устройство для аккумулирования холода на животноводческих фер«, /А.И.Учеваткин, АМ.Мусин Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.И., 1991, №21.

31. A.c. 1538297 СССР. Счетчик молока на доильных установках /АИ.Учеваткин, АМ.Мус Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.И..

32. Ас. 1331458 СССР. Аккумулятор естественного холода для охлаждения молока на жив новодческих фермах /АИ.Учеваткин, АМ.Мусин, Ф.Г.Марьяхин идр.- Опубл. в Б.И., 1S87, №31.

33. Ас.1563355 СССР. Турбинный расходомер /АИ.Учеваткин, АМ.Мусин Ф.Г.Марьяхин, и др.

34. Ас. 1632124 СССР. Устройство для охлаждения молока естественным холодом на жив новодческих фермах /АИ.Учеваткин, АМ.Мусин, Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.И., 1991, №21.

35. A.c. 1685324 СССР. Устройство для охлаждения молока на животноводческих ферк /АИ.Учеваткин, АМ.Мусин Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.П., 1991, №39.

36.Патент СССР 1793858. Устройство для охлаждения молока /АИ.Учеваткин, АМ.Мус Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.И., 1993, №5.

37.Патент РФ 2001363. Устройство для охлаждения молока на животноводческих ферм /А.И.Учеваткин, А.М.Мусин, Ф.Г.Марьяхин, и др. - Опубл. в Б.И., 1993, № 37-38.

Зв.Патент РФ 2013719. Установка для намораживания льда в льдоаккумулятс /АИ.Учеваткин, АМ.Мусин Ф.Г.Марьяхин, Ю.АЦой и др. - Опубл. в Б.И., 1994, №10.

39.Патент РФ 20S4245. Устройство для индивидуального учета молока /АИ.Учеватю Ф.Г.Марьяхин, В.Д.Костин и др. - Опубл. в Б.И., 1996, № 21.

40.Патент РФ 2064246. Устройство для индивидуального учета молока /А.И.Учеватк1 Ф.Г.Марьяхин, В.Д.Костин и др. - Опубл. в Б.И., 1996, № 21.

41.Патент РФ 2073427. Устройство для общего регулирования и контроля потоков молока фермах /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, Коршунов Б.П. и др.- Опубл. в Б.И. 1997, № 5.

42. Патент РФ 2075926. Устройство для группового учета молока на доильных установ» /А.И.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, Дунин И.М. и др. - Опубл. в Б.И., 1997, № 9.

43. Патент РФ 2075930. Устройство для доения и транспортировки молока на животновод« ских фермах /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, Дунин и др.- Опубл. в Б.И., 1997, № 9.

44. Патент РФ 2076585. Молокомер /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, ВДКостин и др. - Опубл Б.И., 1997, №10.

45. Патент РФ 2081563. Устройство для учета молока /А.И.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, Орлов В и др. - Опубл. в Б.И. 1997, № 17.

46. Патент РФ 2086113. Устройство для охлаждения молока и других жидких сельскохозяй! венных продуктов /АИ.Учеваткин, В.Д.Костин, Ф.Г.Марьяхин и др.- Опубл. в Б.И. 1997, №22.

47. Патент РФ 2081568. Охлаждающее устройство для ферм /АИ.Учеваткин, В.Д.Косп Ф.Г.Марьяхин идр. - Опубл. в Б.И. 1997, № 17.

48. Патент РФ 2083094. Холодильная установка для ферм /АИ.Учеваткин, В.Д.Косп Ф.Г.Марьяхин, Б.П.Коршунов и др. - Опубл. в Б.И. 1997, № 19.

49. Патент РФ 2089061. Установка для охлаждения молока и других жидких сельскохозяй! венных продуктов на животноводческих фермах/АИ.Учеваткин, В.Д.Костин, Ф.Г.Марьяхин идр Опубл. в Б.И. 1997, №25.

50. Патент РФ 2086114. Установка для охлаждения молока и других сельскохозяйствен^ продуктов/АИ.Учеваткин, ВД.Костин, Ф.Г.Марьяхин и др.-Опубл. в Б.И. 1997, № 22.

51. Патент РФ 2092038. Водоохлаяедающая установка для ферм /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, 1.А.Цыганков и др. - Опубл. в Б.И. 1997, № 28.

52. Палатальное решение № 95117653/13 от 27.02.1996 г. Молокомер /АИ.Учеваткин, '.Г.Марьяхин, Б.П.Коршуиоэ и др.

53.Полои(игепьное решение № 4953243/15. Устройство для охлаждения молока /АИ.Учеваткин, '.Г.Марьяхин, Б.П.Коршунов и др.

54.Попечительное решение № 5050561/13. Устройство для охлаждения молока /АИ.Учеваткин, '.Г.Марьяхин, Б.П.Коршуноа и др.

55. Положительное решением 94005192/15 от 19.06.1995 г. Устройство для индивидуального уче-з молока /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин и др.

56. Положительное решение № 94003989/15 от 19.06.1995 г. Устройство для индивидуального «та молока /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, Б.П.Коршунов и др.

57. Полокигепьное решение №г 93103047/13 от 11.02.1997 г. Устройство для охлаждения молока и ругих продуктов /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, М.АЦыганков и др.

58.Погхжительное решение № 96103103/13 от 21.01.1997 г. Водоэжекторная установка для охла-дения молока и других продуктов/АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, М.АЦыганков и др.

бЭ.Попажительнсе решение № 96103062/13 от 13.02.1997 г. Энергосберегающая теплица АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, М.АЦыганков и др.

60.Попокитепьное решение № 96112968/13 от 03.10.1996 г. Устройство для очистки молока на ивотноводческих фермах /А.И.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, Б.П.Коршунов и др.

61. Положительное решение № 96115049/13 от 23.10.1996 г. Приемник-аккумулятор естественно-I холода /А.И.Учевагткин, Ф.Г.Марьяхин, М.АЦыганкоэ и др.

62.Палажительюе решение № 9611505<У13 от 18.10.1996 г. Устройство для учета и транспортировки олока и получения средней пробы при доении /АИ.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, ЬП.Ксршунсе и др.

63. Погюютельное решение N5 56124723/13 от 05.03.1997 г. Устройство для вакуумного охпажде-1я молока на животноводческих фермах /А.И.Учеваткин, Ф.Г.Марьяхин, Б.П.Коршунов и др.

Российская академия сельскохозяйственных наук

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации

сельского хозяйства (ВИЭСХ)

На правах рукописи

Учеваткин Александр Иванович

УДК 621.31:658.516:637.113

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ЭНЕРГОСБЕРГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЛИНИЙ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА НА ФЕРМАХ

Специальность 05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного

производства

диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты: доктор технических наук, профессор

А.М.МУСИН заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Ю.А.ЦОЙ

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................6

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................................................19

1.1. Аналитический обзор и анализ тенденций развития автоматизированных технологических процессов

и технических средств линий обработки молока................................19

1.1.1. Учет молока...............................................................................24

1.1.2. Транспортировка молока.........................................................26

1.1.3. Очистка молока.........................................................................27

1.1.4. Охлаждение молока..................................................................29

1.1.5. Кратковременное хранение молока........................................32

1.2. Аналитический обзор существующего электрооборудования технологических линий обработки

молока и пути его дальнейшего совершенствования.....................33

1.3.Особенности автоматизированных технологических

линий обработки молока как объектов исследования........................37

1.4. Цели и задачи исследований..........................................................39

Глава 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЛИНИЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА НА ФЕРМАХ И МЕТОДЫ ИХ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА..............................42

2.1. Метод построения автоматизированных энергосберегающих технологических процессов обработки молока с использованием естественного и искусственного холода...............42

2.2. Формирование автоматизированных энергосберегающих технологических линий обработки молока на фермах..............61

2.3. Метод расчета и обоснование параметров автоматизированной энергосберегающей системы охлаждения молока на фермах............................................................................................92

2.3.1. Математическая модель и метод расчета процесса охлаждения молока в проточном теплообменнике и аккумулирования холода при идеальном смешивании хладоно-

сителя в аккумуляторе холода...............................................................94

2.3.2. Математическая модель и метод расчета процесса охлаждения молока в проточном теплообменнике и аккумулирования холода при идеальном вытеснении хладоно-

сителя в аккумуляторе холода..............................................................104

2.3.3. Математическая модель и метод расчета процесса охлаждения молока в емкостном теплообменнике и аккумулирования холода при идеальном смешивании хладоно-

сителя в аккумуляторе холода...............................................................107

2.3.4. Математическая модель и метод расчета процесса охлаждения молока в емкостном теплообменнике и аккумулирования холода при идеальном вытеснении хладоно-

сителя в аккумуляторе холода...............................................................116

2.3.5. Математическая модель и метод расчета процесса аккумулирования естественного и искусственного холода в аккумуляторах холода............................................................................119

2.4. Методика расчета и обоснование параметров энергосберегающей системы охлаждения молока с использованием установок сезонного действия (УСД).........................................125

2.5. Методика расчета и обоснование параметров энергосберегающей системы охлаждения молока с использованием установок комбинированного действия (УКД).........................131

2.6. Методика расчета и обоснование параметров энергосберегающей системы охлаждения молока с использованием аккумулятора-льдохранилища (ЛХ)............................................139

Выводы по второй главе......................................................................144

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА КАК ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ ..............149

3.1. Обоснование перечня математических моделей технологических линий обработки молока на фермах как объектов управления..............................................................................149

3.2. Исследование материальных потоков технологической линии обработки молока с энергосберегающей технологией...................................................................................................153

3.3. Исследование временных режимов работы системы электрооборудования звеньев технологической линии обработки молока с энергосберегающей технологией...........................159

3.4. Исследование энергетических режимов работы технологических линий обработки молока...................................................168

3.4.1. Распределение температуры охлаждаемого молока

на типовой линии и линии с энергосберегающей технологией...........................................................................................................182

3.5. Исследование ущербов при отказах системы электрооборудования технологических линий обработки молока................186

3.6. Исследование влияния режимов работы электрооборудования на показатели качества обрабатываемого молока...............................................................................................................199

3.6.1. Методика обоснования и выбора автоматизированных звеньев с дискретно-регулируемым электроприводом

и устройств контроля и регулирования потоков молока....................202

3.7. Исследование структуры затрат рабочего времени оператора на управление технологическим процессом обработки молока на фермах.....................................................................219

3.8. Обоснование и формирование перечня контролируемых и регулируемых параметров процесса обработки молока на фермах........................................................................................229

3.9. Функциональная схема автоматизации энергосберегающей технологической линии обработки молока...........................238

Выводы по третье главе.........................................................................242

Глава 4. СИНТЕЗ УНИФИЦИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА НА ФЕРМАХ...........................................247

4.1. Методика синтеза унифицированной системы электрооборудования технологических линий обработки молока на фермах........................................................................................247

4.2. Систематизация алгоритмов управления системы электрооборудования звеньев энергосберегающих технологических линий обработки молока на фермах................................260

4.2.1. Разделение объектов управления на типовые участки, электрооборудование на функциональные узлы. Формирование условий работы системы электрооборудования звеньев энергосберегающих технологических линий обработки молока............................................................................260

4.2.2. Составление словесных алгоритмов управления системы электрооборудования холодильной установки и аккумулятора естественного и искусственного холода.........................262

4.2.3. Составление таблиц состояний...................................................263

4.2.4. Минимизация и оптимизация алгоритмов управления системы электрооборудования звеньев энергосберегающих технологических линий обработки молока

на фермах.................................................................................................266

4.3. Унификация и формирование типовых алгоритмов управления субблоков............................................................................273

4.4. Выбор элементной базы и разработка принципиальных схем унифицированных субблоков системы электрооборудования энергосберегающих технологических линий

обработки молока....................................................................................282

4.5. Формирование унифицированных НКУ звеньев и системы электрооборудования энергосберегающих технологических линий обработки молока.......................................................287

Выводы по четвертой главе..................................................................290

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И КОМПЛЕКТОВ ОБОРУДОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕС-

КИХ ЛИНИЙ ОБРАБОТКИ МОЛОКА НА ФЕРМАХ......................293

5.1. Производственные испытания унифицированной системы электрооборудования, технических средств и комплектов оборудования энергосберегающих технологических линий обработки молока с использованием естественного холода.....................................................................................293

5.2. Экспериментальное исследование технических средств энергосберегающей технологической линии обработки молока с использованием естественного холода фермы "Гольево" колхоза "Завет Ильича" Красногорского

района Московской области..................................................................311

5.3. Экспериментальное исследование характеристик и параметров аккумуляторов естественного и искусственного холода системы охлаждения молока фермы "Гольево" колхоза "Завет Ильича" Красногорского района Московской области............................................................................................321

5.4 Методика оценки технико-экономической эффективности внедрения технических средств и унифицированной

СЭ энергосберегающих технологических линий обработки молока на фермах...............................................................................328

5.5. Расчет технико-экономического эффекта применения энергосберегающей технологической линии обработки

молока оснащенной двухуровневой унифицированной СЭ..............332

Выводы по пятой главе...........................................................................335

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................340

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИК.......................................347

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................374

ВВЕДЕНИЕ

Переход сельскохозяйственного производства к рыночным отношениям объективно изменил условия технологического и технического оснащения сельского хозяйства. Нарушение паритета цен на реализуемую продукцию животноводства и промышленности привели к резкому росту затрат, сокращению объемов и эффективности производства молочной продукции. Опережающий рост цен на промышленную продукцию, энергоресурсы, монополизм переработчиков молочной продукции, производителей сельхозтехники [1...9] привели к неконкурентоспособности отечественных продуктов питания и как следствие к невыгодности производства молока. В результате за 1991-1996 г. произошел спад производства молока на 36% [7,..9]. В этих условиях хозяйства-производители молока вынуждены искать более выгодные способы и пути реализации своей продукции путем организации собственной переработки молока непосредственно в хозяйствах. Доля таких хозяйств уже составляет 40% [7...9]. Однако, из-за низкого технологического уровня большинства животноводческих ферм [8... 11] и отсутствия по ряду процессов современного оборудования [11...24], качество получаемого молока на фермах остается еще неудовлетворительным [28...33], а его обработка - энергоемким и трудоемким процессом [7...71], отмечено нарушение природно-экологического равновесия ферм [34...42], что отразилось на экологическом состоянии получаемой молочной продукции. В целом по России производится до 74% молока I сортом, 22% молока - II сортом и 4% молока -несортовым , из них менее 50% - охлажденным [11, 14]. При этом, из-за низкого уровня автоматизации [42...56, 71...75] затраты энергии на обработку 1 т молока составляют в среднем 30...35 кВт.ч [9, 24, 36, 51, 59 ,60, 65...73], а затраты рабочего времени оператора на управление процессом обработки - более 2500 часов в год [7..9, 68, 71,75,76]. Поступление сыро-пригодного молока составляет от 10 до 30% [11,14] от общего поступления. Отмечены большие потери молочного жира в процессе обработки молока на фермах , что наносит большой ущерб хозяйствам [23...33, 51].

Оставшийся парк молочного оборудования на фермах имеет большой износ и находится за пределами амортизационных сроков. Например, свы-

ше 40% холодильных установок работают сверх эксплуатационного срока [1...4]. Новые холодильные установки на фермах составляют лишь около 7% [1...4]. Особенно обострился вопрос после распада бывшего СССР [57], когда основные заводы изготовители низковольтных комплектных устройств управления (НКУ), холодильного и технологического оборудования (Луцкий ЭАЗ, Ворошиловградский ЭАЗ, Одесхолодмаш, Мелито-польхолодмаш, Рижское ГСКБ, завод доильных установок, г. Резекне и др.) оказались на территории стран ближнего зарубежья. В связи с этим остро встал вопрос разработки и производства средств автоматики и оборудования на заводах России в модернизированном виде, с улучшенными характеристиками и с учетом современных требований с/х производства в условиях рыночной экономики.

Передовой отечественный и зарубежный опыт развития машинных технологий и линий первичной обработки молока на фермах [8, 9...27, 43...56, 77...98] показал, что добиться дальнейшего роста уровня автоматизации линий и радикального снижения удельных энергозатрат на обработку молока невозможно без оптимизации структуры совокупных энергозатрат и соответствующей функционально-структурной перестройки технологических систем на основе новых энергосберегающих, информационных технологий и технических средств. Особую актуальность приобретает разработка и внедрение энергосберегающих систем и установок с использованием естественного природного холода, а также применение электрифицированных технических средств и вычислительной техники для управления производственными процессами в оптимальных режимах, обеспечивающих снижение энергоемкости процесса обработки молока и максимальное замещение ручного труда . Это требует создания и внедрения гибких энергосберегающих линий с различным уровнем автоматизации в зависимости от типоразмера ферм, принятой технологии и географии расположения ферм.

Использованию естественного холода для охлаждения и хранения молока и других с.х. продуктов посвящено большое количество работ [9, 11, 14, 24, 36, 51...56, 59...63, 65...70, 80...85]. В этом направлении большой вклад внесли такие ученые, как A.B.Гольд енфанг, В.С.Горбачев, В.А.Бобков, И.Н.Босин, Л.Ф.Волконович, А.И.Зеленцов, Б.Т.Маринюк, Ф.Г.Марьяхин, А.М.Мусин, Ю.А.Цой, и др.

Современные тенденции развития сельскохозяйственного производства характеризуются широким внедрением технических средств и вычислительной техники для управления производственными процессами [73...79]. К этим средствам относятся устройства для транспортировки молока на обработку [86, 94... 100, 108, 109, 115], устройства для индивидуального [101...104], группового [105...107] и общего учета молока [94...97,108...116], средства очистки [81, 86, 98, 117, 185], оборудование для охлаждения молока [11, 17...20, 61, 63, 86, 98, 154, 178, 180...185], в том числе с использованием естественного холода атмосферного воздуха и воды, регенерации низкопотенциальной энергии парного молока [59...63, 65, 67...70, 80, 82...85, 118...142].

Использование энергосберегающих технологий и технических средств существенно изменяют структуру технологических линий и систему электрооборудования (СЭ), режимы их работы и методы управления ими [23, 24, 43, 45, 51, 60...63, 67...71, 144...161]. Количество типоразмеров технологического оборудования, машин и систем управления, являющихся базой унификации СЭ, значительно увеличилось, что привело к расширению функций управления, росту разнотипного электрооборудования и отдельных пуско - защитных аппаратов, которыми комплектуются технологические машины и поточные линии. Это привело к усложнению алгоритмов управления процессом обработки молока и соответственно систем автоматики [144... 163]. Режимы работы отдельных звеньев требуют большой частоты коммутаций и соответственно использования новой элементной базы с высокими надежностными показателями [145...153, 156...175].

Технологический процесс обработки молока на фермах и система электрооборудования (СЭ) не отвечают современным требованиям по ресурсе и энергосбережению [51...54, 60...63, 68...70, 80...85], функциональным возможностям [24, 60, 70, 71, 73, 76, 90, 92, 144...149], уровню автоматизации [51, 71, 75, 94...96, 145...153, 157...163, 186, 193...196] и унификации [51, 75, 144, 192...197, 200...203]. СЭ, включающая типовые устройства управления серии РУС, не обеспечивает полноценную комплектацию линий нового поколения, снижает ее функциональные возможности из-за несоответствия алгоритмов управления для 80% машин [51, 71, 75, 202], не позволяет реализовать энергосберегающие технологии и повысить эффек-

тивность процесса обработки молока. Проведенный анализ СЭ и технологического оборудования типоразмерного ряда линий обработки молока показал, что количество типоразмеров и типоисполнений НКУ быстро растет и уже превышает 75 единиц [51, 75, 192...203], при этом около 60% электрифицированных машин комплектуются разнотипными шкафами, щитами, пультами и ящиками управления с различным электрооборудованием [51, 75]. Номенклатурная избыточность составляет 5... 15% и характеризуется коэффициентом взаимной унификации 0,5...0,85% [51, 75, 197, 200]. Разветвлённая номенклатура типоразмеров и модификаций НКУ с низким уровнем унификации ограничивает возможности организации специализированного производс