автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Двухпозиционное управление технологическими процессами водоснабжения и навозоудаления в животноводстве

:и

//.г 41....

7-- : - ■ .. ■ J/XiPA

?j .................-..............- наук

|i I" * " , ¿ÁK России

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации Московский государственный агроинженерный университет

имени В.П.Горячкина

КУДРЯВЦЕВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ кандидат технических наук

ДВУХПОЗИЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И НАВОЗОУДАЛЕНИЯ В

ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Специальность: 05.13.07 — автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям АПК).

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант — академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Бородин И.Ф.

Москва -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1 Вопросы управления технологическими процессами водоснабже- 14 ния и навозоудаления в животноводстве

1.1 Управление процессами водоснабжения и самотёчного навозоудале- 14 ния в животноводстве

1.2 Повышение точности управления 45

1.3 Неопределённость при оценке качества управления 55

1.4 Цель и задачи исследования 67

2 Управление самотёчными системами навозоудаления 68

2.1 Технологическое управление самотёчными системами навозоудале- 68 ния непрерывного действия

2.2 Технологическое управление самотёчными системами навозоудале- 79 ния периодического действия

2.3 Техническое управление самотёчными системами навозоудаления 104 Выводы по главе 2 125

3 Повышение точности измерений при автоматизированном двух- 128

позиционном управлении

3.1 Повышение точности измерений уровня воды, производимых непо- 128 средственно в водонапорной башне, при управлении башенной насосной установкой

3.2 Повышение точности измерений при управлении башенной насосной 165 установкой по давлению в напорном трубопроводе

3.3 Автоматизированное управление самотёчными системами навозо- 202 удаления

3.4 Циклокоррекция и методологические основы повышения точности 231 измерений

Выводы по главе 3 276

4 Дополнительные возможности и особенности циклокоррекции 280 при создании уточняющих технических решений

4.1 Управление по времени 280

4.1.1 Управление по времени башенной насосной установкой 280

4.1.2 Управление по времени в самотёчном навозоудалении 310

4.2 Циклокоррекция измерений уровня воды в водонапорной башне с 329 использованием колокольного электродного пневмоуровнемера

4.3 Циклокоррекция измерений уровня воды в водонапорной башне по 356 давлению в нагнетательном трубопроводе

4.4 Циклокоррекция измерений при управлении самотечными система- 369 ми навозоудаления

Выводы по главе 4 382

5 Производственно-экономическая оценка и оптимизация процесса 385 ресурсопотребления при автоматизированном двухпозиционном

управлении

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Перерывы водоснабжения животноводческих ферм вследствие частых отказов автоматики и другого оборудования, невозможность ни удаления, ни переработки навоза в соответствии с проектными расчётами давно имеют в отечественном животноводстве хронический характер, что приводит к укоренению в данных технологических процессах стандартов низкого качества работы, включая повсеместное нарушение экологических норм. Технологические процессы водоснабжения и навогюудаления в животноводстве отличает низкое качество двухпозиционного управления, особенно неработоспособность или неопределённая точность автоматического управления башенной насосной установкой и исключительно ручное управление самотёчными системами навозоудаления при практически постоянной их работе в аварийной режиме. Одновременно в ходе многочисленных научных исследований и конструкторских разработок выявлена невозможность реального повышения качества двухпозиционного управления данными технологическими процессами ни с помощью теории автоматического управления, ни путём бессистемного совершенствования измерительных преобразователей.

Проблемы, связанные с низким качеством управления данными технологическими процессами, во многом обусловлены особенностями отечественного сельскохозяйственного производства. В частности, в целях снижения капиталоёмкости в сельскохозяйственном производстве широко применяются необогреваемые бесшатровые башни Рожнов — ского вместо шатровых и обогреваемых, используемых в промышленности и коммунальном хозяйстве, что резко усложняет условия функционирования средств управления в зимнее время. Простая же замена самосплава фекальных масс животных их гидросмывом, который значительно повышает надёжность данного технологического процесса, так же как это практикуется в канализационных системах в коммунальном

хозяйстве, в животноводстве вызывает недопустимые издержки по дополнительной переработке, увеличившегося в 4 — 5 раз против первоначального, объёма навозных стоков. Последнее приводит к резкому снижению или вообще исчезновению рентабельности производства продукции либо к экологическому и эпизоотическому загрязнению окружающей среды.

Кроме того эти проблемы вызваны общим техническим отставанием сельского хозяйства СНГ как по отношению к отечественному промышленному производству, так и по отношению к сельскохозяйственному производству в промышленно — развитых странах, которое ис — ключает простой перенос технического и организационного уровней решений, достигнутых в них, в соответствующую технику и технологии отечественного сельскохозяйственного производства. Именно этим аспектам была посвящена международная конференция в Китае в 1988 году. На многочисленных примерах были проанализированы результаты использования проектов и оборудования с применением передового технического опыта, имевших соответствующие технико — экономи— ческие обоснования, но на практике приведших к экономическому провалу. Как было выяснено, причиной этого явился завышенный в связи с целым рядом технических, культурно — социальных, политических, экономических и психологических факторов, технический и организационный уровень таких решений.

Это полностью относится, например, к самосплавным системам навозоудаления, обладающими очевидными экономическими преимуществами перед энерго и металлоёмкими механическими системами навозоудаления и вследствие этого нашедших широкое применение в Германии, странах Скандинавии, Италии и в ряде других промышленно — развитых стран. Однако многочисленные попытки внедрения такого рода систем на территории нынешнего СНГ имели только один бесспорный успех на свиноводческом комплексе «Маркулешты» в Молдавии. Причины же неудач были настолько очевидны и просты, что это создало труднопреодолимую психологическую иллюзию местного и

частного характера этих просчётов и относительной лёгкости их устранения, опираясь только на организационно—технологические решения. В реальном производстве это привело к тиражированию провалов с тяжёлыми экологическими, а также и экономическими последствиями.

Решая проблемы сельскохозяйственного водоснабжения, отечественная промышленность оснастила более чем 200000 автоматизированных башенных насосных установок (БНУ) системы Рожновского, эксплуатирующихся к настоящему времени в странах СНГ, серийными станциями и устройствами автоматического управления электроприво — дом БНУ типов ПЭТ, ШЭТ, ШЭП, ПЭХ, СУНО, УСУЗ, «Нептун», «Каскад», "Сигнал", перечисленными в хронологическом порядке их создания и отличающихся друг от друга всё более высоким техническим уровнем элементной базы и схемных решений, отечественного производства. Однако, только в Белоруссии зимой от 80 до 90% таких БНУ работают в ручном режиме, а в течение года в среднем до 50% времени в ручном режиме работают каждая из этих БНУ. И даже бесспорное совершенствование автоматической защиты электропривода само по себе не привело к существенному отмеченному повышению срока службы насосов. Таким образом, налицо технический прогресс без прогресса его эффективности на этот раз на примере отечественного ряда разработок, специально предназначенных для применения в местных условиях.

Это подтверждает выводы международной конференции об устойчивых и систематических аберрациях при принятии решений о технических инновациях в сельском хозяйстве, причинами которых могут являться самые различные факторы из различных сфер жизни и науки, в том числе не имеющие точного выражения, как, например, национальный менталитет. Тем не менее их можно объединить по характеру проявления, выражаемому как рассогласование прогноза с конечным результатом, по существенности этого проявления для реальной

экономики, по принципиальной невозможности или практической нецелесообразности достаточно адекватного математического описания механизма влияния данных факторов для последующей коррекции соответствующих расчётов технических вариантов, например, при невозможности оперативно устранять или уменьшать воздействие этих факторов. Однако, проявление или феномен этих факторов, при условии, если он также носит устойчивый и систематический характер, может быть изучен и учтён по законам самого проявления или феномена вне зависимости от источников его происхождения. Таково определение подхода, который по праву следует называть феноменологиче

CK.il м.

Отличительной чертой сельскохозяйственного производства является также то, что само рассогласование с результатами технике — экономического расчёта очень часто, а при осуществлении проектов самосплавных систем навозоудаления в подавляющем большинстве случаев, носит также и внеэкономический характер из —за нежелания или невозможности принять все экономические последствия несовпадения расчётных и реальных параметров работы технических объектов. В значительной степени таким внеэкономическим фактором являются экологические последствия применения той или иной технологии или производства в сельском хозяйстве, так как, хотя экономическая стоимость мер по устранению экологического ущерба вполне определима,, сам ущерб практически не установим в экономических категориях, вследствие как широкого спектра его составляющих и недостаточной их изученности, так и вследствие недостаточной определённости экономических критериев оценки ближайших и отдаленных его последствий для здоровья и в целом качества жизни людей.

Таким образом разработка основ для последовательного осуществ — ления феноменологического подхода при решении технических проблем в сельскохозяйственном производстве и, в частности, при управлении

транспортировкой текучих сред в животноводстве является давно назревшей и актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования явля — ется создание теоретических основ и методических принципов повышения точности автоматизированного двухпозиционного управления технологическими процессами водоснабжения и самотёчного навозо — удаления на основе повышения точности измерений.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

- обосновать необходимость, возможность и принципы автоматизированного управления самотёчными системами навозоудале— ния;

- обосновать, исследовать и разработать классификацию и методы анализа способов повышения точности измерений в процессах двухпозиционного управления;

- разработать и исследовать новые способы двухпозиционного управления на основе уточнения измерений в процессе управления;

- разработать концепцию использования так называемого управления по времени при двухпозиционном управлении;

- исследовать особенности определения производственного и экономического эффекта от повышения точности управления технологическими процессами в животноводстве.

Объект исследования. Способы повышения точности двухпозиционного управления производственными установками и системами в животноводстве на примере водоснабжения и навозоудаления.

Предметом исследования является метрологическое взаимодействие средств измерения и управляющих устройств в процессе автоматизированного двухпозиционного управления.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе теорий гидростатики и гидродинамики, классической меха —

ники, термодинамики, математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, метрологической системы оценок погрешностей измерений и средств измерений, теории надёжности, методов приведенных затрат и чистого дисконтированного дохода. Необходимые расчёты проводились с использованием ЭВМ.

Научная новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить следующую совокупность новых положений и результатов:

- созданы основы автоматизации самотёчных систем навозоуда — ления;

- разработаны способы повышения точности при управлении башенной насосной установкой по давлению в нагнетательном трубопроводе-,

- разработан способ циклокомпенсации при управлении башенной насосной установкой с использованием колокольного электродного пневмоуровнемера;

- построена новая классификация способов повышения точности измерений с использованием унифицированных классификационных принципов;

- разработаны общие принципы циклокоррекции при двухпози — ционных измерениях;

- специально для исследований способов повышения точности измерений разработаны принципы построения метрологических моделей процессов измерения с использованием метрологических балансов;

- разработаны принципы управления по времени при автоматизации сельскохозяйственного водоснабжения и самотёчного на — возоудаления;

- разработаны основы измерения и расчёта процесса ресурсопотребления в сельскохозяйственном водоснабжении и самотёчном навозоудалении;

- предложены основы инженерного экономического расчёта. Новизна и полезность технических решений, предлагаемых в

диссертации подтверждена 10 авторскими свидетельствами на изобретения.

Достоверность теоретических положений подтверждена экспериментальными исследованиями автора и других учёных.

Практическая ценность работы выражается в создании научных ос — нов и методических принципов, позволяющих:

- повысить точность управления башенной насосной установкой по давлению в нагнетательном трубопроводе;

- повысить точность управления башенной насосной установкой с использованием колокольного электродного пневмоуровнемера;

- создать комплекс измерительных средств для управления наво — зосборными каналами самотёчных систем навозоудаления периодического и непрерывного действия;

- производить расчёт параметров и настроек колокольных электродных пневмоуровнемеров для управления башенной насосной установкой;

- производить ручную перенастройку в производственном цикле электроконтактных манометров, установленный на нагнетательном трубопроводе, через расчётное период времени работы башенной насосной установки;

- производить целенаправленный анализ способов повышения точности измерений с выбором наиболее целесообразного способа повышения точности;

- разрабатывать необходимые алгоритмы автоматической цикле — коррекции измерений с созданием шлейфа развивающих технических решений уточнения измерений в сельскохозяйственном водоснабжении и самотёчном навозоудалении;

- осуществлять доступными инженерными методами контроль те — кущего ресурсопотребления с принятием своевременных решений по частичному восстановлению ресурса башенных насосных установок;

- производить инженерную оценку экономической эффективности производственных решений методами инженерного экономического расчёта.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований использовались при создании станции управления погружным насосом башенной насосной установки, внедрённой в совхозе «Возрождение» Ганцевичского района Брестской области Республики Беларусь для водоснабжения животноводческой фермы на 200 голов крупного рогатого скота и фактическим экономическим эффектом 84 рубля на одну установку в год в ценах 1985 года; при создании групповой системы самотёчного навозоудаления на комплексе выращивания и откорма молодняка крупного рогатого скота на 5000 голов в год колхоза «Заветы Ленина» Берёзовского района Брестской области Республики Беларусь.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты выполненных автором исследований докладывались на научных конференциях, в том числе: ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Московского института инженеров сельскохозяйственного производства им. В.П.Горячкина (Москва, 1984, 1985 гг.); ежегодных научных конференциях Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства (Подольск, 1987... 1991 гг.); научных конференциях профессорско-преподавательского состава БИМСХ (Минск, 1985 г.), ЛСХИ (Ле