автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированный контроль температурно-влажностных режимов в хранилище семенного картофеля

Украинская ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия

и О ь у

На правах рукописи

ЧАПННЯ Михаил Валентинович

- АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРА ТУРПО-ВЛАЕНОСТНЫХ РЕЖИМОВ В ХРАНИЛКПЗ СЕЯННОГО КАРТОШЯ

Специальность 05.I3.C7

Автоматизация технологических процессов и производства /го отрасли сельское хозяйство/

. Автореферат

диссертанта па соискание ученой степопи . кандидата техпических наук

Киев - 1991 г.

Работа выполнена б украинской ордена Трудового фасного Знамени сельскохозяйственной акадешя

Научный рукоюднтель - доктор технических наук, профессор,

академик ВАСХНИЛ И.И. UAPTtíliEHKO

Официальные оппоненты - доктор сельскохозяйственных наук,

профессор 1ÍAÜCÍPEHK0 С.М.

кандидат технических наук БОРЩ Г.Ы.

Ведущая организация - Украинский научно-исследовательский

институт механизации и электрификации сельского хозяйства

Защита состоится идня 1991 г. в ¿Г часов

на заседании специализированного совета К 120.71.02 в Украиной ордена Трудового Красного Знакени сельскохозяйственной акадеии г. к: зв-41, ул. Героев обороны, 15, УСХА, секретарш? специали зсровапних coe3tob.

G диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан "__"_1991 г.

Ученый секретарь

вега

к.т.н. ^ lu-'-yi л.П. ТЩЕНКО

специализированного совета ¡л

? у

Актуальность. Повсеместный перевод хранения сельскохоэяйст-вегПТш--продукиии в хранилищах на промшгленнуо основу выдвинул ка первый план проблему улучшения хранения и подготовки к яровизации сеченного картофеля. Современный уровень развития науки и техники позволяет обеспечить высокий уровень контроля температурно-влая-ностных параметров в картофелехранилище с семенным фондом. Однако необходимо решить еще ряд актуальных задач. Одной из таких задач является обеспечение своевременного, но не очень частого; эффективного, но относительно доступного и простого,без потерь информации,контроля за температурно-влаетостными показателями как среды в хранилище, так и самой массы картофеля. К настоящему времени не разработаны до конца методы и средства контроля за набором кдубпями средне суточных температур и за окрукапдей клубень средой, влиявшей на динамику изменения температуры картофеля. ■

Сложность контроля заключается в том, что изменение значений параметров во времени носит случайны!" характер и зависит от мно-гества фактсров, которые трудно предусмотреть в полном объеме. Поэтому, контроль температуры клубней должен осуществляться с такой частотой, чтобы потери информации о температуре картофеля' и о наборе им среднесуточных температур были минимальными, а при изменении температурно-влааностных параметров среды в хранилище контроль последней долкен осуществляться с таким шагом, чтобы имелась возмоиность своевременного предупреждения об угрозе выхода значений температуры клубней за установленные пределы. Это позволило бы своевременно принимать необходимые меры по воз-вращению температурно-влаяиостных показателей среды в установленные границы и тем самым обеспечить стабильность температуры клубней в зада иных'пределах.

"ШкоИ контроль необходим для осушестллеа ия дифференцирования

температурного режима хранения и своевременного применения агротехнических мероприятий по подготовке семенного матерчала к высадк<

целью исследования являлось обоснование способов и техпичес-

и

ких средств для контроля температуро-влакностного режима массы семенного картофеля при хранении и яровизации.

Поставленной цели подчинены следующие задачи:

- разработать математическую модель массы картофеля как тепло-влагообменного объекта, позволяющую определять характер изменения параметров хранимой продукции в зависимости от ее сорта, а также от возмущающих и регулирующих воздействия на объект;

- исследовать влияние геометрических размеров клубней на время изменения их температуры при изменении температуры среды хранения;

- разработать метод определения'периодичности контроля параметров среды в хранилкцо и автоматическое устройство для его реализации;

- разработать способ определения набора среднесуточных температур

клубнями и автоматическое устройство для его реализации.

и

Методика исследования. Для изучения температуро-вл?жностних режимов в хранилище использовались экспериментальные данные, полученные в различные периоды хранения семенного материала. При этом определялась зависимость шага опроса параметров от скорое:и их изменения. Решалась вероятностная задача по получению временных характеристик для клубней различных размеров. Для определения влия вия возмуаающах к регулирующих воздействия среды на картофель была составлена математическая модель клубня как тепло-влагообменного объекта и, после проверки адекватности математической модели ре-адьроку обьекгу, получены дополнительные данные /для аварийных сх/чвев/ по измеьйкип вагг опроса в экстремальных ситуациях и по

возникающим при этой отклонениям величин контролируемых параметров от нории.

Научная новизна. Шяснепа динамика изменения контролируемых параметров, которая показывает необходимость учета двух переменных -отклонения параметра от нормы п скорости его изменения.

Обоснован выбор запаса порш параметров микроклимата при их контроле, который заключается в той, что запас нормы определяется по точке выпадения росы.

разработан новый метод определения временных интервалов контроля параметров микроклимата в хранилище, заключающийся в определении пага опроса по интегралу текущего зпачения параметра.

разработан способ определзния момента прорастания клубней по набору температур картофелем а автоматическое устройство для.его реализации.

НредлоЕенпа математическая модель массы картофеля, хранящегося в стационарном хранилище, как т'пловлакностного объекта автоматического контроля параметров.

разработано автоматическое устройство, изменяющее вь дер яку временя между гонтрольнкми актами в системе централизованного контроля технологических параметров в храпплкяе семенного картофеля.

Практическая ценность работы. Результаты исследований использованы УкрШ'ИТОП при выработке нормативных документов и рекомендаций по хранение сельхозпродукции.

разработанное автоматическое устройство и способ контроля набора температур картофелем исполььованы в картофелехранилищах с семенным магп.риалом.

в

реализация результатов исследования и внедрение. Результаты исследований и опытпые образцы внедрены к прошли производственные испытания в картофелехранилище Ленинградского ОРПК г.Киева в селе Белогородка Киевской области.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доло-вены и одобрены н. меввузовской научной конференции /г.Киев, 1987 г./, на внугривузовских конференциях Украинской сельскохозяйственной академии /г.Киев - 1985, 1986, 1988 гг./.

Публикации. По материалам диссертации имеются 4 публикации, в том числе положительное репение по заявке Л 4 6*) 2389/30-15 /016076/.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, пяти гтав, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Работа излоген! на 162 страницах, в том числе ИЗ страниц текста, 32 рисунка, 2 таблицы, 15 прилокений. Список использованной литературы включает 92 наименования.

IX ;ериание работы

В первой 1лаве привод,'^ся теыпературно-влахностные показатели, рекомендуемые при хранении пассы картофеля, и продолжительность их поддеркания в заданных траншах /по Поливку / в различные периоды хранения.

Дан анализ методов и автоматических средств определения и зз--ания периодичности контроля. Все известнче методы определения периодичности контроля включает в себя элементы расчета, которыт ус-таннпливаптся по какому-то одному периоду времени по конкретно ело-

жившкмся обстоятельствам, а затем полученный результат механически переносится на все последующие периоды с их разнообразием складывающихся ситуаций. Но реальное значение параметров, подле-сащих контроле, повторяется лишь с какой-то вероятностью. Поэтому анализируемые методы определения периодичности коптроля параметров дают либо усредненное, либо заниженное значение периодичности контроля. Количество данных, поэтому, очень Еелгасо, а их обработка и анализ весьма трудоемки при использовании применяемых средств документирования информации.

Не вся информация является одинаково пеппой и не все сообщения несут максимально возможную информацию, повтому значительную часть их мокио сократить как избыточную. Избыточность информации увеличивает время обработки данных.

Все это значительно усложняет измерительную аппаратуру.

Сокращение избыточности, уменьшая обьем сигнала, облегчает условия работы в целой, по увеличивает возможность ошибки. Поэтому.остается актуальной проблема определения периодичности контроля параметра.

Кроме того, при использовании существующих способов и средств для документирования результатов контроля за набором (г"!днесуточных температур клубнями существуют проблемы, связанные с потерей информапил в одних случаях или с усложнением процесс. обработки данных в других случаях.

Исходя из излокепного, сформулированы цель и задачи исследований .

Бо второй главе исследуются темьературно-влахго стные параметры в картофелехранилище, полученные оксперга-ептальным путем в различные периоды хранения.

Анализируя полученные переходниз характеристики /рисунки

в -

-9 -ю - II

-ч

-14

VI,-0.15 'Р/с

"Й«- 0,25 °С/с

Ванутргни» я

Внарух*"-*

«

ч

Рис. 1 График изменения томштуры воада в кшофш-хршлищо а основной период тшия.

119

Об юф. »о {в 10 (р и 1« 1»

А/та* •1.5'/-/час

л/ср » 0Д2 %/ч

" I

ч»

V,

—С —

№

<аа

О 2 А Б 8 I-

1, 15 1& 20 II 21« еб час 50

Рис. 2 Грш ишшии ошоищной влажности и» ь штофолэюшгищр в омоьдой период мет.

2

о

fee Цнишщ темшша шщ гш шшш адмшм mjß хзаирция.

iO

I. 2, 3/ видно, что наиболее интенсивно изменяющимся параметром в рамках заданных границ является градиент температуры воздуха в хранилище.

При относительной влажности воздуха 95 ^ и температуре хранения картофеля 3,5°С точка росы наступает при понижении температуры воздуха па 0,75°С. Поэтому нельзя допускать образование градиента температуры, способного вызвать выпадение росы в соответствии с рис. 7.

Следует отметить, что в мегклубневом пространстве массы картофеля относительная влажность воздуха всегда выше, чем в свободном от картофеля пространстве и удерживается на уровне 92-94 Поэтому частое включение приточно-выгякпой вентиляции приводит к удалению большого количества влаги.

По результатам экспериментальных исследований сделаны выводы о том, что наличие градиентов температуры и относительной влажности воздуха выаувдает контролировать эти параметры не реже чем че_ ез каядые 30 минут. При включепии приточно-внтяжпой систе мы вентилирования контроль температуры воздуха осуществляется не pese одного раза в час, в целях недопущения подморткивания продукции. В остальное время, когда не работает приторно-вытяжная вентиляцИ)., контроль температуры воздуха осуществлять не реке одного раза'в течение четырех суток.

Установлено такве, что контролиробать температуру клубней, лежащих в пределах доверительного интервала, то есть массой от 0,05 кг до 0,08 кг, необходимо через каждые 60 минут, что обусловливается инерционностью этих клубней.

Результаты экспериментальных исследований сведены в таблицу i,

Показатели параметров

Скорость изменения температуры воздуха:

максимальная средняя

Скорость изменения относительной влажности зоздуха в хранилища:

максимальная

средняя

Скорость поста градиента температуры ' воздуха в* течение первого получаса

Скорость уменьшения градиента температуры воздуха в течение первого получаса

Скооость роста относительной влажности воздуха в хранилище в течение первого получаса

Скорость уменьшения относительной влажности воздуха в течение первого получаса

Время запаздывания у клубней на изменение температуры воздуха

Таблица 1

Лечебный период ; Период ¡охлаждения ¡Период основного :хранения 1 Период ' яровизации

0,4 °С/ч I °С./суг 0,125 °С/ч 0.03 °С/ч 0.5 °С/ч 0.01 °С/ч 0,5 °С/ч 0,01 °С/ч

1'«/ч 0,25 Я/ч I %/ч 0,186 %/ч 1,2.5 0,22 %/ч 1,25 %/ч 0,22 %/ч

I.* °С/ч 1,4 °С/ч 1,4 °С/ч 3,5 °С/ч

2,2 °С/ч 2,2 °С/ч 2,2 °С/ч 2,2 °С/ч

б %/ч б %/ч б %/ч б г/ч

8 %/ч 8 %/ч 8 %/ч 8 £/ч

55 мин 60 ыин 60 иин 60 ига

В третьей главе приведены материалы по разработке математической модели массы картофеля как-тепловлагообиенного объекта. При этом получено дифференциальное уравнение третьего горядка:

¿г л ¿W4 d\Q«Jl)l „ d Admit) s a dt3 ciï? 2-dt- Ф A Унт (t)~

+ ф (Xt-Z)]+ Кн A Вкар (t-Z)>

где ¿Q,m- приращение температуры картофеля; ay - приращение тепловыделения клубней; лШа - приращение воздухообмена; ■ йW£c„ - приращение испарения влаги; л£}х - приращение температуры холодильных радиаторов; &Вц<гр - прираще-ие температуры наружного воздуха;

ae)cc,,CXi- постоянные времени; . В г Kt к3 Кv ~ коэффициенты пропорциональности. Затеи оно приводится к виду удобному для составления программы вычислительной машины

(За. +2а, И+ а, - (за. * а, , +

а» + а,Н~ лг Н*+ Н3

4 " а0 + а,Н+алН'+Н'

, Ъ-е

ilo заданно! программе вводились различные значения коэффици внтоа регулирующих ■ возмущающих параметров и наблюдались времен nue характеристике.

Проверка адекватности теоретических предпосылок п эксперимента показала, что отличие математической модели от реального обьекта при охлаждении составляет 4,6 минуты /с£ = 2,7 45/, а при нагреве 3,3 минуты / =^3,4 tf.

В этой главе приводятся расчеты, подтверждавшие существенное влияние наличия градиента температуры на величину набора среднесрочных температур клубнями в течение всего периода хранения. Так при отсутствии периодического перемешивания воздуха, разница набранных сумы среднесуточных температур составит 241°С, причем у клубней весом от 0,05 кг до О, I кг эти суммы будут отличаться па 1°С.

При наличии внутриобыенной вентиляции, включаемой через каждые 30 минут разница пабранных сумм среднесуточных тепзратур составила 73°С у клубней, хранящихся па различной высоте.

Здесь приведены расчеты и конечная зависимость по определению ареыепи запаздывания в реагировании на изменение температуры среды хранения у клубней различных размеров, по принадлежащих доверительному интервалу от 0,05 кг до 0,08 пг. üto время легко определяется по эмпирической зависимости

tn = 2981 + 141 Сэ1 , где tXi - время запаздывания у клубней массой /(¿,С ;

_ количество среднеквадратичных отклонений. \

При этой возникающая максимальная относительная ошибка равнялась 3

Среднеквадратичное отклонение массы клубней /0,065 кг/ составляло 0,005 кг,

Бавнсиюстп максимально возмокпого выхода значений гешга-ратуры за пределы нормы от частоты контроля приведенн в таблицах 2,3. '1 v. рисучкат 't, 5, 6.

?£ол:г

Цшотл ШШШ, i щ зд. 0,5 ч за -i ч за 2 ч за it ц алА8ч 5а о2ч 1а96ч

ь hmax¡.,°0 0,7 1,0 1.3 1,6 1,75 2.0 0.Q5 2.5

к fkmaxL. °0 0 0,7 1.15 U 1.7 3,0 2.25 2.5

КОШШМ 0T0UQTQB »080 501,0 2520 1260 210 105 70 52

Snvsi;

О 2 il 6 а й tí 4>» 16 18 20 II 26 28 30 30 ЗЦ ЗБ N 66 90 92 Ш 36

ft--

¿t-Ш" ШНТОЫШ ПО БРОМОМ; »Дтач - МШШШНО0 ОШОШДО ТОШШУРЫ ЬОЗйУХА ь

храмвдо; к - ншмшш отштт трмпшуры кшофщ.

ы. м График зившости мшмшю возможного Wim зимшй томштуры з& mim mm от mkotüiív; штром при довшш 1ш muí

iS

1абл;и'л 4

Вошш 10,15 T.fl 1,56 0,513 m 0.113

Скорость m eu» томшвды, 0,01 0,02 0,1 as i u

Время, когд/1. пшш дот. Ьа*,час 1М 6,5 1,6 (ш 0,23 m

A max ЩШ,°С 1,5 W 1,1 0.5 0,35 0,25

Arnax КШОФОМ1, 1,5 0.7 0 0 0

Кошиество отсчетов 67 162 8QQ Ш5 807В №00

i

»

\ г aâmciï .-ffff'J

TKn¡.J(B 1

0.2 oa 0 6 e ,8 1,0 ,1 S °ß/4

tûmati'/fl)

та»,-

/у ■

¡/ 1

с s ¡л 6 в час 2

Pl'.c. 6. ЗШШШЬ MAKÜUMA^UO ьозшшго вю шш\\ш тшшш su mim mm от mm контром при иншмш m 0(Ш.

i7

Оценка получзкных данных по анализируемым к.тсдам задания шага контроля позволяем сделать следующие выводы. Для задания шага опроса значений температуры воздуха в хранилище необходимо использовать интегральный метод при уставке, равной 0,3 град > ч. В этом случае максимально возюкн^е отклонение температуры воздуха, на которое она выйдет за границы нормы, до того момента как это будет замечено, составило 0,5 °С через 23 минуты после регистрации последнего допустимого значения температуры.

. Для задания шага опроса значений температуры клубней, необходимо воспользоваться методом периодического контроля с постоянным шагом опроса равным 60 минутам.

При таком сочетании способов контроля температур воздуха в хранилище и клубней удовлетворяются основные требования, предъявляемые к температурному рекиму при хранении семенного картофеля: первое - не допустить образования точки росы в хранилище и тем самым избежать обмокрения клубней; второе - иметь точную информацию о количестве набираемых среднесутрчных температур клубнями при минимально возможном количестве отсчетов.

В четвертой главе приведены материалы по разработке автоматических устройств для контроля за набором температур картофелем и

и

для гадания шага опроса температуро-влаетостных параметров ъ хра-.нилице.

Приведены, также, данные по обоснованию параметров настройки этих автоматических устройств.

Для автоматического устройства, задающего шаг опроса температуры воздуха в храгилище^величина уставки рассчитывалась по выражению:

с

О " О ' ■

Í9

где • S - величина уставки, град-ч;

в - величина, на которую надо измениться температуре, при начальной относительной влажности воздуха, чтобы насту пило состояние точки poet':

у

L - время, в течение которого образуется градиент температуры величиной, обеспечивающей выпадение росы.

Дл автоматического устройства, контролирующего набор темпера чур картофелем, в связи с инерционностью клубня, определяемой по рисунку i , выбрана частота контроля - I раз в час.

В пятой главе приведены расчеты по определению надежности и экономической эффективности предлагаемых ci 1дств автоматизации контроля, которые показали, что гремя безотказной работы автоматического устройств' контроля за набором температур.картофелем составляет 6Г72Э часов /более 7 лет/, а вероятность безотказной работы автоматического устройства за IOOO часов равна 0,96.

Время безотказной работы автоматического устройства, задающего шаг опроса параметров микроклимата составляет 100806 часов /более II лет/, а вероятность безотказной работы за 1000 часов равна 0,93.

Экономический анализ показал, что использование предложенных автоматических устройств даст возможность сохрапить продукцию и владеть информацией о количестве набранных среднесуточных температур, которая обеспечит экономический эффект 80 рублей с I тонны от повышения уронайпости (при норме высадки ц т/га картореля из хранилища екжостью 1000 тонн).

2 О

ВЫВОДЫ

1. Проведенными исследованиями установлено, что при хранении

се енного картофеля в стационарном хранилище шаг опроса параметров микроклимата зависит от скорости их изменения, колеблющейся в пределах от 0,01 гр. д/час до 2 град/час и величины его отклонения от нормы, которое в интервале температур от 2 °С ДО 18 °С припишет значения от О °С до 2 °С.

и

2. Ьремепные интервалы мехлу контрольными актами для температуро-влажностного режима задаются автоматическим устройством по иатеграл:ноыу методу контроля, с величиной уставки 5 =

- 0,313 Град.час.

3. временные интервалы между контрольными актами температурного режима для оеменного картофеля дискретные и равные 60 минутам.

'I. Подсчет набираемых клубнями сорта "Огонек" среднесуточных те ператур осуществляется автоматическим устройством, суммирующим величину температуры картофеля ежечасно до значения 3570"С.

5. разработанная математическая модель массы картофеля как теп^о-влагоСмепного обьекта позволяет получать на вычислительной машине исходные данные дл . временных характеристик любого стационарпог картофелехпнилища, оснащенного системами внутри-обменной и приточно-выгякной вентиляции, холодильными установками и увлажняющими устройствами, что необходимо для определения величины интегральной уста ней автоматического устройства, задающего варьируемый наг опроса параметров микроклимата в хранилище.

6. Сочетание двух методов контроля - интегрального для темпера-

н

тур"о-влгжнсстных режимов средь в хранилище и дискретного для самих клубней, позволило пред сказывать яамечземув тенденцио к изменение температуры массы картофеля за 28...30 мииут по изменению температуро-злаяностяых параметров среды хранения и обеспечивает точный учет среднесуточных температур, набираемых клубняли.

7. Как показали расчеты, при хранении клубкей, вес которых лежит в пределах от 0,03 кг до 0,1 кг, датчик автоматического устройства, контролирующего набор среднесуточных температур, д-^ л теп вводиться в лечебный период в клубень весом 0,065 кг. Прг этом обеспечивается "¡анмепъгсал относительная ошибка /3 %/ в подсчете количества набранных среднесуточных температур для картофелин с различным весом и позволяет иметь наиболее точные данные для выработки реаима и сроков яровизации всей хранимой продукции.

содержанке диссертации изложено в следущих работах:

1. Чапный М.В. Математическая модель картофеля гчк теплового объекта. Тезисы докладов нз всесоюзной научно-практической конференции Механизация к автоматизация технологических процессов в агропромышленном комплексе". Новосибирск, 1989, с. 8.

2. Мартыненко И.И., чапный М.В. Определение периодичности контроля параметра, изменяющегося во времени, сборник научных трудов "Повышение эксплуатационной надежности силового сельскохозяйственного оборудования". Лиев, 1987, с. 98-99.

3. Ыартыненко Й.И., Чапный М.В. Споооб определения момента прорастания корнеклубнеплода. Положительное решение Государственной научно-технической экспертизы изобретений по заявке И ^6^2389/30-15 /016076/ 1989 г.

Чапный М.В. и др. Методические рекомендации по хранению картофеля, корк^плодов и капусты в хранилищах контейнерного типа, оборудованных автоматизированными системами вентиляции и увлажнения. УкрНИИТОП - УСХА, Киев, 1990.

Подписано в печать 22.05.91г. Формат 60x84 I/I6. Бум. тип. № 3. Заказ № 234. Тираж 100 экз.

Печатный участок УПК УСХА, 2Ь2041 Киев, Сельскохозяйственный пер., 4