автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование параметров электромагнитной системы контроля потоков молока на фермах

На правах рукописи

ВЛАСОВ Алексей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ МОЛОКА НА ФЕРМАХ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

15 [.ід? тг

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

005014076

005014076

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии).

Научный руководитель:

Коршунов Борис Петрович

кандидат технических наук

Официальные оппоненты:

Шичков Леонид Петрович

доктор технических наук, профессор, РГАЗУ, заведующий кафедрой

Ведущая организация:

Кирсанов Владимир Вячеславович

доктор технических наук, профессор, Россельхозакадемия, ученый секретарь

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

Защита диссертации состоится «10» а^ьвлЯ 2012 г. в на

заседании диссертационного совета Д 006.03^.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2. Телефон: (499) 171-19-20 Телефакс: (499) 170-51-01 E-mail: viesh@dol.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан «2.Q» ¿еаЬ<\л5> 2012 г

Ученый секретарь диссертационного совета

А.И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности технологических линий обработки молока на фермах требует совершенствования систем контроля потоков молока, повышения их уровня автоматизации и совершенствования элементной базы.

Используемые для контроля потоков молока на фермах средства измерения, как показал длительный опыт их эксплуатации, не всегда отвечают современным требованиям. Это объясняется наличием изнашивающихся механических частей и конструкций деталей сложной конфигурации, имеющих непромываемые зоны, создающие трудности при циркуляционной промывке и необходимость частой ручной разборки и чистки, а также большой площадью контакта молока с внутренней поверхностью коммуникаций, что является критерием при оценке доильного оборудования в зарубежных странах. Кроме того, существенным недостатком применяемых средств контроля молока является относительно высокая погрешность измерений, большие эксплуатационные расходы и материалоёмкость.

Электромагнитные средства измерения наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к устройствам для контроля потоков молока. Они обладают достаточно высокой точностью измерения, не имеют движущихся механических частей, позволяют вести дистанционный учет молока, изолировано от окружающей среды при минимальном контакте с внутренней поверхностью молокопроводных систем, сохраняя высокое качество молока. При этом повышается быстродействие, улучшаются массогабаритные показатели и промываемость технологических систем методами циркуляционной промывки.

До настоящего времени электромагнитные средства измерения не нашли должного применения в технологических линиях обработки молока на фермах из-за особенностей, затрудняющих их использование при работе в случайных потоках молока, в вакуумных молокопроводах и потоках с малым расходом.

Целью работы является обоснование параметров и разработка электромагнитной системы контроля потоков молока, обеспечивающей повышение эффективности и сохранение качества молока при технологической обработке на фермах.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Обосновать параметры и разработать функционально-структурную схему электромагнитной системы контроля потоков молока в вакуумных и напорных молокопроводах на молочных фермах;

2. Разработать математическую модель системы и обосновать контролируемые и регулируемые параметры электромагнитных средств измерения для контроля случайных потоков молока в вакуумных и напорных молокопроводах;

3. Разработать методику экспериментальных исследований и испытательный стенд электромагнитной системы контроля потоков молока на фермах;

4. Исследовать влияния параметров случайных потоков молока на точность учета с использованием электромагнитных средств измерения;

5. Разработать технические требования и задание на изготовление измерительного электромагнитного устройства электромагнитной системы контроля потоков молока на животноводческих фермах;

6. Провести испытания и технико-экономическое обоснование применения электромагнитной системы контроля потоков молока на фермах.

Объектом исследования являются электромагнитная система контроля потоков молока на фермах.

Предметом исследования являются математические модели, методы обоснования, расчета и анализа режимов работы электромагнитных средств контроля случайных потоков молока.

Методы исследования. Поставленные задачи решены с использованием основ теории автоматического регулирования, компьютерного моделирования, методов теории вероятностей и математической статистики, теории планирования эксперимента и теории ошибок.

В работе применялась современная измерительная аппаратура и вычислительная техника для математической обработки данных с использованием программ MathCAD, AutoCAD, Excel и др.

Научная новизна работы состоит:

1. В разработке математической модели электромагнитной системы контроля потоков молока в вакуумных и напорных молокопроводах от группы коров, с доильной установки и при выдачи молока с фермы;

2. В разработке методики исследования электромагнитной системы контроля потоков молока с помощью математического и физического моделирования;

3. В обосновании контролируемых и регулируемых параметров электромагнитной системы контроля потоков молока при широтно-импульсной модуляции случайных потоков молока, позволяющей повысить эффективность системы;

4. В разработке устройства для учета молока в молокопроводах животноводческих ферм.

Практическая значимость. Разработана электромагнитная система контроля потоков молока обеспечивающая увеличение эффективности работы молочных ферм, снижающая эксплуатационные и капитальные расходы при сохранении качества молока, а также повышающая точность учета и производительность труда операторов технологической линии. Разработаны принципы математического и физического моделирования и методика исследования электромагнитных средств измерения при контроле случайных потоков молока в вакуумных и напорных молокопроводах от группы коров, с доильной установки и при выдаче с фермы.

Разработан стенд для исследования систем контроля потоков молока, позволяющий воспроизводить режимы работы технологических линий первичной обработки молока.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Электромагнитная система контроля потоков молока обеспечивает повышение точности и сохранение качества молока при учете случайных потоков в вакуумных и напорных молокопроводах ферм;

2. Математическая модель разработанной электромагнитной системы позволяет обосновать контролируемые и регулируемые параметры и определить точность измерения случайных потоков молока при их широтно-импульсной модуляции;

3. Метод расчёта и обоснование параметров разработанной электромагнитной системы контроля потоков позволяет повысить эффективность технологического процесса учета молока на фермах.

Реализация результатов работы. На основе договора на создание научно-технической продукции с ЗАО НПО «Тепловизор» разработаны технические требования и задание на разработку опытного образца устройства системы для контроля потоков молока в молокопроводах животноводческих ферм, включающего электромагнитные преобразователи расхода и вычислительный блок.

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для исследования электромагнитной системы контроля потоков молока.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и одобрены на 7-ой научно-практической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве" (18-19 мая 2010 г., г. Москва, ГНУ ВИЭСХ), на международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ "Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии" (7-8 октября 2010 г.), на 2-ой международной научно-практической конференции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (21-23 июня 2011 г., г. Барнаул, АлтГТУ) и на заседаниях секции электрификации и энергетики АПК Учёного Совета ГНУ ВИЭСХ (2009-2011 гг.).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 6 печатных работах, в том числе 2 из них в журналах, рекомендованных ВАК. Получено 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 80 наименований и приложений. Ее содержание изложено на 126 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц и 29 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы, перечислены основные положения диссертации, а также представлены сведения об апробации, публикациях, объеме и структуре работы.

В первой главе «Состояние проблемы и постановка задач исследований» проведен аналитический обзор, изложены современные тенденций развития методов и технических средств контроля потоков молока, применяемых для учета от группы коров, с доильной установки и при выдаче молока с фермы, а также определены цель и задачи исследования.

Вопросами, связанными с учетом и контролем молока на фермах, посвящены работы Зеленцова А.И., Кирсанова В.В., Коршунова Б.П., Марьяхина Ф.Г., Учеваткина А.И., Цоя Ю.А. и др. Большой вклад в развитие методов и технических средств контроля молока вносят научно-исследовательские институты и научно-

производственные предприятия, такие как ВНИИМЖ г. Подольск, МГАУ им. Горячкина, НПП «Фемакс» и др.

Проанализированы основные виды устройств учета жидких продуктов, а также их преимущества и недостатки. При анализе характеристик рассматриваемых средств измерения выявлено, что устройства учета с использованием электромагнитного принципа, основанного на явлении электромагнитной индукции - наведении электродвижущей силы в проводнике (жидкости), движущемся в магнитном поле, наиболее полно удовлетворяют современным требованиям к подобным приборам измерения. Они позволяют повысить эффективность работы молочных ферм, снизить погрешность учета, сократить эксплуатационные и капитальные расходы при сохранении качества молока и молочной продукции.

Во второй главе «Исследование режимов работы электромагнитной системы контроля потоков молока» обоснованы параметры электромагнитной системы контроля потоков молока, разработана математическая модель и произведен анализ влияния режимов работы технологических линий на погрешность учета молока.

Для исследования разрабатываемой электромагнитной системы контроля потоков молока была разработана технологическая схема линии, представленная на рисунке 1, для фермы в 200 голов с четырьмя группами по 50 коров.

1.

хладоноситель линия связи

Рисунок 1 - Технологическая схема электромагнитной системы контроля потоков молока для фермы в 200 голов 1 - доильный аппарат; 2 - индивидуальный счётчик молока; 3 - преобразователь потока; 4 - групповой ЭПР; 5 - вакуумный насос; 6 - релизер (накопительно-регулирующая ёмкость); 7 - универсальный молочный насос НМУ-6; 8 - ЭПР доильной установки; 9 - теплообменник; 10 - холодильная установка; 11 - молочный танк; 12 - электронный блок управления; 13 - молочный насос; 14 - ЭПР выдачи с фермы

Разрабатываемая электромагнитная система контроля потоков молока включает в себя три вида учета: от группы коров, с доильной установки и при выдаче молока с фермы, которые производятся с использованием электромагнитных средств измерения, состоящих из преобразователей потока (ПП), электромагнитных преобразователей расхода (ЭПР) и электронного блока управления. На один электронный блок управления поступают сигналы от шести ЭПР, где они считываются, обрабатываются и переводятся в суммарный расход молока.

Для создания математической модели электромагнитной системы контроля потоков молока, обоснования ее параметров и режимов работы была разработана функциональная схема исследуемой системы, представленная на рисунке 2, которая работает следующим образом.

Электронный блок управления

Кнопки управления 11 - Индикация

Ї Ї *

Энергонезависимая память Вывод на принтер Вывод на модем Вывод на компьютер

Рисунок 2 - Функциональная схема электромагнитной системы контроля потоков молока для фермы в 200 голов 1 - групповой ПП; 2 - групповой ЭПР; 3 - релизер; 4 - молочный насос НМУ-6; 5 - ЭПР доильной установки; 6 - молочный танк; 7 - молочный насос; 8 - ЭПР выдачи с фермы; 9 - блок питания электромагнитов; 10 - измеритель разности потенциалов; 11 - вычислительный блок; Ур - рабочий объем релизера; Н - уровень молока в релизере; Оп - поток подачи молока; Ор - поток расхода молока; Ус - усилительное звено

Под действием вакуума молоковоздушная смесь по молокопроводам с доильных аппаратов от группы коров поступает в преобразователь потока 1 и, отделяясь от воздуха, накапливается в нем. Затем по мере накопления молоко поступает в групповой ЭПР 2. Далее молоко со всех групп коров поступает в релизер 3 и проходит через ЭПР доильной установки 5 под напором, создаваемым универсальным молочным насосом НМУ-6 4. Все молоко скапливается в молочном танке 6, где при необходимости выдачи молока, может быть перекачено молочным насосом 7 через ЭПР выдачи с фермы 8 в транспортируемую емкость (молоковоз).

В результате взаимодействия потока молока с магнитным полем катушек питающихся с блока питания электромагнитов 9, на электродах ЭПР образуется разность потенциалов пропорциональная объемному расходу молока, которая снимается в измерителе разности потенциалов 10 электродных датчиков. В вычислительном блоке 11 производится обработка сигнала и перевод его в суммарный расход молока, который сохраняется в энергонезависимой памяти блока, а также может быть отображен на жидкокристаллическом дисплее, распечатан с помощью принтера или передан через модем на удаленный сервер или персональный компьютер.

Из функциональной схемы видно, что режим работы электромагнитной системы контроля потоков молока зависит от функционирования дискретно-регулируемого электропривода (ДРЭ) молочного насоса 4, управляемых датчиками верхнего и нижнего уровня расположенных в молочном релизере.

Функционирование молочного релизера и, соответственно, ДРЭ молочного насоса практически совпадает с реальным временем включения доильной установки. Поэтому оптимальный режим работы линии определен временным циклом работы ДРЭ молочного насоса, выполняющего операцию подачи молока на устройство контроля. При этом система работает в широтно-импульсном режиме работы, который определяет производительность всей линии в целом.

Общий вид широтно-импульсной модуляции (ШИМ) распределения случайного потока молока представлен на рисунке 3.

Алгоритм функционирования системы ДРЭ молочного насоса есть случайная величина, которая зависит от потока подачи молока и определяется логическими условиями, соответствующим сигналам от датчиков верхнего и нижнего уровня релизера qв и qн, и оператором У команды включения молочного насоса, которые учитывают все возможные режимы работы.

Из логических условий состояний следует, что включение ДРЭ молочного насоса осуществляется при достижении текущим уровнем молока Н в релизере верхнего уровня Н = 1. При этом в систему управления подается сигнал qв = 1. Отключение молочного насоса осуществляется при достижении текущим уровнем молока Н нижнего уровня в релизере Н = 0 и подаче сигнала qн = 1. Между уровнями молока в релизере включение или отключение насоса неоднозначно и определяется очерёдностью поступления сигналов qв и ЯН в соответствии с алгоритмами управления. Поэтому ДРЭ молочного насоса должен быть включен при У = 1, отключаться при У = 0.

Опі

02

01

15

ЗО

45

50 мин

М = Іц2 * ЩЗ = Іц4; ІР + Іп = сопэ!;

грі =1р2 ^ІрЗ =1р4 ^ мин Іп1 = Ш2 =Ш4

Рисунок 3 - Широтно-импульсная модуляция потоков молока 01, 02 - величины потока подачи молока; 1ц - период ШИМ; 1р - длительность импульса ШИМ; - пауза ШИМ

В результате получим системы логических условий:

Заполнение релизера: Опорожнение релизера:

У = 0;Н = 0;яв = 0;ян = 1; У = 0;0<Н<1^в = 0;ян = 0. У = 1; н = 1; ЯВ = 1; ЯН = 0; У = 1;1>Н>0;яв = 0;ян = 0.

(1)

(2)

Представленная математическая модель реализована дискретно регулируемыми звеньями электромагнитной системы контроля потоков молока.

Установлено, что дискретный способ регулирования случайных потоков молока характеризуется значениями математических ожиданий относительной продолжительности и частоты включений ДРЭ молочного насоса, которые позволяют рассчитать основные режимы его работы.

Так для представленной на рисунке 3 ШИМ расчётные значения частоты и относительной продолжительность включений рассчитывается по формулам:

Ур ™гт„т_ Ур

т[Тр] =

т[2] =

Он -т[Оп] (Он ■ т[Оп]-т[Оп]2 УрОн

, т[Тп] =

т[Оп]' т[Оп]

т[£] =

Он

(3)

(4)

где m[Tp], m[Tn] - оценка математического ожидания длительность импульса и паузы ШИМ, соответственно; m[t] - оценка математического ожидания относительной продолжительности включений в режиме ШИМ; m[z] - оценка математического ожидания частоты включений в режиме ШИМ; m[Qn] - оценка математического ожидания потока подачи; Vp - рабочий объем релизера; Qh - подача молочного насоса.

Из приведенных условий функционирования и алгоритмов управления следует, что электромагнитная система контроля потоков молока автоматически выбирает эффективные режимы контроля потока молока в зависимости от уровня молока в релизере.

В результате проведенных исследований установлено, что погрешность измерения электромагнитными расходомерами непостоянна для всех величин потока подачи молока и зависит от соотношения максимального и текущего объемного расхода.

При включении и выключении молочного насоса в короткий промежуток времени электромагнитный расходомер работает с повышенной погрешностью, чем в номинальном режиме при работе молочного насоса с постоянной подачей молока на ЭПР.

Дополнительная погрешность оказывает влияние на общую погрешность системы. Чем дольше и чаще происходит переходный процесс (включение или выключение насоса), тем большее влияние оказывает дополнительная погрешность на основную относительную погрешность системы контроля потоков молока.

Для обоснования применения электромагнитных средств измерения в случайных потоках молока, в вакуумных молокопроводах и потоках с малым расходом, была получена зависимость относительной погрешности электромагнитной системы контроля потоков молока от относительной продолжительности включения, определяемая по формуле:

в = ±(восн + К,- (1-е)), (5)

где 5 - относительная погрешность системы, %; 5осн - основная относительная погрешность системы при номинальном режиме работы , %; Ki - коэффициент переходного режима работы системы; С - относительная продолжительность включения.

Зависимость относительной погрешности электромагнитной системы контроля потоков молока от частоты включения можно определить по формуле:

б = ±(б0СН + К2.^), (6)

где 5 - относительная погрешность системы, %; 5осн - основная относительная погрешность системы при номинальном режиме работы, %; Кг - коэффициент переходного режима работы системы; Е - относительная продолжительность включения; z - частота включения.

В третьей главе «Исследование системы управления процесса контроля потоков молока на фермах» были разработаны алгоритмы формирования электромагнитной системы контроля потоков молока, произведен выбор и обоснование контролируемых и регулируемых параметров системы управления, а также разработан алгоритм функционирования и блок-схема системы управления процесса контроля потоков молока.

Для исследования системы управления контролем потока молока на фермах был составлен алгоритм формирования электромагнитной системы контроля потоков молока, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 - Алгоритм формирования электромагнитной системы контроля потоков молока

Разработанный алгоритм состоит из двух основных этапов: исследование электромагнитной системы контроля потоков молока как объект управления и разработка системы управления процессами контроля потоков молока на ферме.

Установлено, что система автоматического управления обеспечивает контроль потоков молока и передачу результатов измерения через модем на удаленный сервер, персональный компьютер или на печатное устройство, а также сохранение результатов измерения в энергонезависимой памяти с возможностью его

отображения на жидкокристаллическом дисплее. Алгоритм функционирования электромагнитной системы контроля потоков молока представлен на рисунке 5.

-

НАЧАЛО ДОЙКИ

г

поступление потока

МОЛОКО'ВОЗДУШНОЙ смеси С ДОИЛЬНЫХ аппаратов от группы

коров в ПП *

индикация, хранение, передача информации о потоке молока

обработка и интеграция в электронном блоке управления сигналов пропорциональных расходу молока

импульсное поступление отделенного из смеси молока в групповые ЭПР

поступление потоков от групповых ЭПР в релизер

^--•>

наполнение релизера до срабатывания

верхнего датчика уровня

X

опустошение релизера до срабатывания

нижнего датчика уровня

отключение молочного насоса

включение молочного насоса

поступление модулированного потока молока в ЭПР доильной установки

поступление молока в ЭПР выдачи с фермы

_ накопление молока в сборной емкости

КОНЕЦ ДОИКИ

Рисунок 5 - Алгоритм функционирования электромагнитной системы контроля потоков молока на фермах

Управление контролем потоков молока от группы коров, с доильной установки и при выдаче с фермы осуществляется через централизованную систему, сформированную в электронном блоке управления на базе цифровых устройств (рисунок 6).

Рисунок 6 - Блок-схема управления электромагнитной системы контроля потоков молока

На основании проведенных исследований разрабатываемой системы как объекта управления сформирован комплекс контролируемых и регулируемых параметров процесса контроля потоков молока и алгоритм функционирования системы, что позволило обеспечить автоматизацию данного технологического процесса.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований электромагнитной системы контроля потоков молока и оценка её технико-экономической эффективности» приведены программа, методика и результаты экспериментальных исследований разрабатываемой системы на базе испытательного стенда, имитирующего реальные режимы работы технологических линий обработки молока на животноводческих фермах.

Целью экспериментальных исследований является оценка соответствия технологическим требованиям разрабатываемой электромагнитной системы контроля потоков молока с использованием электромагнитных средств измерения, определение относительной погрешности учета и ее зависимости от параметров и режимов работы технологической линии обработки молока на фермах.

Для проведения экспериментальных исследований электромагнитной системы контроля потоков молока был изготовлен стенд, внешний вид и функциональная блок-схема схема которого представлены на рисунке 7 и 8, соответственно.

Испытания проведены на молоке и заменителе молока - воде (удельная проводимость 0,41 См/м).

ю 11

9 6

Рисунок 7 - Внешний вид испытательного стенда электромагнитной системы контроля потоков молока

Рисунок 8 - Функциональная блок-схема испытательного стенда электромагнитной системы контроля потоков молока

I - регулирующий вентиль; 2 - счетчик молока; 3 - релизер; 4 - универсальный молочный насос НМУ-6; 5 - регулирующий вентиль; 6 - электромагнитный преобразователь расхода молока; 7 - сборная ёмкость; 8 - эталонные весы; 9 - молочный насос; 10 - блок управления (БУ) насосом;

II - электронный блок управления; 12 - верхний датчик уровня; 13 - нижний датчик уровня; 14 - электроды; 15 - электромагнитные катушки

Экспериментальный стенд позволяет:

1. Воспроизводить среднестатистические (ожидаемые) потоки молока от группы коров, с доильной установки и при выдаче с фермы;

2. Воспроизводить режимы широтно-импульсной модуляции потоков молока от группы коров, с доильной установки и при выдаче с фермы;

3. Проводить оценку относительной погрешности учета молока при различных режимах работы;

4. Проводить оценку влияния на относительную погрешность учета параметров (величина потока подачи молока, относительная продолжительность и частота включения) и режимов (подача молока от группы коров, с доильной установки и при выдаче с фермы) работы

Предложенная методика экспериментальных исследований и разработанный на ее основании стенд позволили установить, что электромагнитная система контроля потоков молока на фермах обеспечивает выполнение технологического процесса в условиях подачи случайных потоков молока от группы коров с погрешностью ±0,81%, с доильной установки с погрешностью ±0,73% и при выдаче с фермы с погрешностью ±0,60%, что соответствует современным требованиям для учета молока на фермах.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить зависимость относительной погрешности учета электромагнитными средствами измерения системы контроля потоков молока от основных параметров технологической линии первичной обработки молока: относительной продолжительности включения Е и частоты включения 7. ДРЭ молочного насоса при измерении одинакового объема для каждого режима работы, представленные на рисунках 9 и 10, соответственно.

системы.

5, %

0,60

0,75

0,70

0,65

0,90

0,85

0,80

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 с, %

Рисунок 9 - Зависимость относительной погрешности системы контроля потоков 5 от относительной продолжительности включения насоса £ 1 - при Ур = 5 л; 2 - при Ур = 10 л; 3 - при \/р = 15 л

Рисунок 10 - Зависимость относительной погрешности системы контроля потоков 6 от частоты включения насоса т.

1 - при Ур = 5 л; 2 - при Ур = 10 л; 3 - при Ур = 15 л

Из представленного выше рисунка 9 видно, что с ростом относительной продолжительности включения £ молочного насоса относительная погрешность учета молока уменьшается. Данный вывод объясняется тем, что электромагнитные средства измерения дают наименьшую погрешность при установившимся режиме работы. Поэтому при низкой относительной продолжительности включения из общего измеряемого объема молока часть будет измеряться в переходном режиме с повышенной погрешностью, и эта часть будет тем больше, чем ниже Е.

Из представленного выше рисунка 10 видно, что при рабочем объема релизера \/р = 15 л погрешность учета молока получается минимальной. Данный вывод объясняется тем, что при одинаковой величине потока подачи молока частота включения молочного насоса зависит только от величины рабочего объема релизера, и с ее ростом уменьшается.

Эти два вывода доказывают представленные во второй главе зависимости относительной погрешности учета молока электромагнитными средствами измерения от частоты и относительной продолжительности включения молочного насоса.

По результатам исследования была проведена проверка гипотезы о нормальном распределении полученной генеральной совокупности относительной погрешности учета молока по критерию Пирсона и построены эмпирическая и теоретического кривые распределения относительной погрешности для учета молока от группы коров и при выдаче с фермы, представленные на рисунке 11.

п - частота распределения относительной погрешности учета молока 5; 1, 2 - эмпирические кривые распределения погрешности учета молока с доильной установки и от группы коров; 1', 2' - теоретические кривые распределения погрешности учета молока с доильной установки и от группы коров

Установлено, что распределение относительной погрешности носит случайный характер и подчиняется закону близкому к нормальному. Данный вывод позволяет применять законы нормального распределения с высоким уровнем надежности для оценки и прогнозирования погрешности учета молока электромагнитными средствами измерения в системах контроля потоков молока на животноводческих фермах.

При технико-экономической оценке эффективности внедрения электромагнитной системы контроля потоков молока установлено, что годовой экономический эффект в основном получается за счет повышения точности учета, сохранения качества молока, снижения эксплуатационных затрат и на ферме в 200 голов составляет 27 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Аналитический обзор существующих средств измерения показал необходимость совершенствования электромагнитной системы контроля случайных потоков молока в вакуумных и напорных молокопроводах животноводческих ферм.

2. Разработаны и обоснованы параметры, функционально-структурная схема и математическая модель электромагнитной системы контроля потоков молока, обеспечивающая учет молока от группы коров, с доильной установки и при выдаче с фермы, а также позволяющая повысить эффективность данного технологического процесса.

3. Разработана методика исследования электромагнитной системы контроля потоков молока при широтно-импульсной модуляции и предложены формулы, позволяющие оценить погрешности электромагнитных средств измерения для различных технологических режимов.

4. На основании проведенных исследований разрабатываемой системы как объекта управления сформирован комплекс контролируемых и регулируемых параметров, разработаны алгоритм и блок-схема управления, позволяющие автоматизировать процесс контроля потоков молока.

5. Разработано техническое задание на устройство для учета молока в молокопроводах животноводческих ферм состоящее из электронного блока управления и электромагнитного преобразователя расхода, обеспечивающее автоматизацию процесса контроля потоков молока на ферме 200 голов с сохранением информации по удою в энергонезависимой памяти блока до 90 суток, а также возможностью отображения ее на жидкокристаллическом дисплее, распечатке с помощью принтера или передачи данных через модем на удаленный сервер или персональный компьютер.

6. Разработан экспериментальный исследовательский стенд электромагнитной системы контроля потоков молока обеспечивающий воспроизведение основных режимов работы молокопроводов технологических линий животноводческих ферм.

7. Проведенные исследования показали, что разработанная электромагнитная система обеспечивает автоматический контроль случайных потоков молока в пределах от 0,5 до 200 л/мин и позволяет использовать ее для учета молока от группы коров с погрешностью ± 0,81%, с доильной установки с погрешностью ± 0,73% и при выдаче с фермы с погрешностью ± 0,60%, что соответствует современным требованиям для учета молока на фермах.

8. Годовой экономический эффект при внедрении разработанной автоматизированной электромагнитной системы контроля потоков молока для фермы в 200 голов составляет 27 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Власов A.B. Обоснование параметров системы контроля и регулирования потоков молока на фермах с использованием электромагнитных средств измерения. // Ползуновский вестник №2/1 2011, с. 198...203.

2. Власов A.B. Повышение эффективности контроля потоков молока на фермах. // Механизация и электрификация сельского хозяйства № 10, 2011г., с. 16...17.

3. Учеваткин А.И., Марьяхин Ф.Г., Коршунов А.Б., Власов A.B. Микропроцессорная система управления энергосберегающими технологическими процессами на животноводческих фермах. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. - Москва: ГНУ ВИЭСХ 18 - 19 мая 2010 г. Часть 5, с. 74...79.

4. Коршунов Б.П., Власов A.B. Система учета и контроля потоков молока на фермах молочного направления. // Сборник трудов Санкт-Петербургского Государственного аграрного университета «Энергетический вестник». -Санкт-Петербург, 2009 г., с. 62 ...67.

5. Патент № 2390124 РФ МПК A01J 9/04. Комбинированная установка для охлаждения молока с использованием естественного холода. / Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И., Коршунов Б.П., Коршунов А.Б., Власов A.B., Мультан A.A. и др. - Заявлено 05.02.2009. Опубликовано 27.05.2010 Бюл. 15.

6. Положительное решение от 10.10.2011г. по заявке №2010123688/13(033708) на патент: Устройство для учета молока в молокопроводах животноводческих ферм. / Марьяхин Ф.Г., Учеваткин А.И., Коршунов Б.П., Коршунов А.Б., Коптев B.C., Власов A.B. - Заявлено 10.06.2010.

Подписано в печать 28.02.2012 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 2204

Типография ОАО «НТЦ Электроэнергетики» 111395, г. Москва, Аллея Первой Маевки, д. 15

61 12-5/2049

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ)

На правах рукописи

ВЛАСОВ Алексей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ МОЛОКА НА ФЕРМАХ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., с.н.с. Коршунов Б.П.

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ ....................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................................................4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ .............................................................................. 8

1.1 Аналитический обзор и современные тенденций развития методов и технических средств контроля параметров потоков молока ...............................................................................................................................8

1.2 Обзор типов расходомеров для жидких продуктов .........................15

1.3 Цель и задачи исследований ...............................................................26

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ МОЛОКА ..............................................................................................28

2.1 Обоснование параметров электромагнитного преобразователя расхода .................................................................................................. 28

2.2 Математическая модель электромагнитной системы контроля потоков молока на фермах...................................................................42

2.3 Исследование влияния параметров и режимов работы системы

на относительную погрешность учета молока ................................. 63

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА

КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ МОЛОКА НА ФЕРМАХ ..........................67

3.1 Алгоритмы формирования электромагнитной системы

контроля потоков молока.................................................................... 67

3.2 Выбор и обоснование контролируемых и регулируемых параметров системы управления потов молока ................................69

3.3 Разработка алгоритма функционирования и блок-схемы управления электромагнитной системы контроля потоков

молока ................................................................................................... 70

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ

МОЛОКА И ОЦЕНКА ЕЁ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ............................................................................74

4.1 Цель и задачи экспериментальных исследований ............................ 74

4.2 Программа и методика экспериментальных исследований электромагнитной системы контроля потоков молока .................... 74

4.3 Результаты экспериментальных исследований ................................81

4.4 Оценка технико-экономической эффективности применения электромагнитной системы контроля потоков молока .................... 87

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ .............................................................................................. 92

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................................... 94

ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................................... 102

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Повышение эффективности технологических линий обработки молока на фермах требует совершенствования систем контроля потоков молока, повышения их уровня автоматизации и совершенствования элементной базы.

Используемые для контроля потоков молока на фермах средства измерения, как показал длительный опыт их эксплуатации, не всегда отвечают современным требованиям. Это объясняется наличием изнашивающихся механических частей и конструкций деталей сложной конфигурации, имеющих непромываемые зоны, создающие трудности при циркуляционной промывке и необходимость частой ручной разборки и чистки, а также большой площадью контакта молока с внутренней поверхностью коммуникаций, что является критерием при оценке доильного оборудования в зарубежных странах. Кроме того, существенным недостатком применяемых средств контроля молока является относительно высокая погрешность измерений, большие эксплуатационные расходы и материалоёмкость.

Электромагнитные средства измерения наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к устройствам для контроля потоков молока. Они обладают достаточно высокой точностью измерения, не имеют движущихся механических частей, позволяют вести дистанционный учет молока, изолировано от окружающей среды при минимальном контакте с внутренней поверхностью молокопроводных систем, сохраняя высокое качество молока. При этом повышается быстродействие, улучшаются массогабаритные показатели и промываемость технологических систем методами циркуляционной промывки.

До настоящего времени электромагнитные средства измерения не нашли должного применения в технологических линиях обработки молока на фермах из-за особенностей, затрудняющих их использование при работе в

случайных потоках молока, в вакуумных молокопроводах и потоках с малым расходом.

Объектом исследования являются электромагнитная система контроля потоков молока на фермах.

Предметом исследования являются математические модели, методы обоснования, расчета и анализа режимов работы электромагнитных средств контроля случайных потоков молока.

Методы исследования. Поставленные задачи решены с использованием основ теории автоматического регулирования, компьютерного моделирования, методов теории вероятностей и математической статистики, теории планирования эксперимента и теории ошибок.

В работе применялась современная измерительная аппаратура и вычислительная техника для математической обработки данных с использованием программ MathCAD, AutoCAD, Excel и др.

Научная новизна работы состоит:

1. В разработке математической модели электромагнитной системы контроля потоков молока в вакуумных и напорных молокопроводах от группы коров, с доильной установки и при выдачи молока с фермы;

2. В разработке методики исследования электромагнитной системы контроля потоков молока с помощью математического и физического моделирования;

3. В обосновании контролируемых и регулируемых параметров электромагнитной системы контроля потоков молока при широтно-импульсной модуляции случайных потоков молока, позволяющей повысить эффективность системы;

4. В разработке устройства для учета молока в молокопроводах животноводческих ферм.

Практическая значимость. Разработана электромагнитная система контроля потоков молока обеспечивающая увеличение эффективности работы молочных ферм, снижающая эксплуатационные и капитальные

расходы при сохранении качества молока, а также повышающая точность учета и производительность труда операторов технологической линии. Разработаны принципы математического и физического моделирования и методика исследования электромагнитных средств измерения при контроле случайных потоков молока в вакуумных и напорных молокопроводах от группы коров, с доильной установки и при выдаче с фермы.

Разработан стенд для исследования систем контроля потоков молока, позволяющий воспроизводить режимы работы технологических линий первичной обработки молока.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Электромагнитная система контроля потоков молока обеспечивает повышение точности и сохранение качества молока при учете случайных потоков в вакуумных и напорных молокопроводах ферм;

2. Математическая модель разработанной электромагнитной системы позволяет обосновать контролируемые и регулируемые параметры и определить точность измерения случайных потоков молока при их широтно-импульсной модуляции;

3. Метод расчёта и обоснование параметров разработанной электромагнитной системы контроля потоков позволяет повысить эффективность технологического процесса учета молока на фермах.

Реализация результатов работы,. На основе договора на создание научно-технической продукции с ЗАО НПО «Тепловизор» разработаны технические требования и задание на разработку опытного образца устройства системы для контроля потоков молока в молокопроводах животноводческих ферм, включающего электромагнитные преобразователи расхода и вычислительный блок.

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для исследования электромагнитной системы контроля потоков молока.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и одобрены на 7-ой научно-практической конференции

"Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве" (18-19 мая 2010 г., г. Москва, ГНУ ВИЭСХ), на международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ "Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии" (7-8 октября 2010 г.), на 2-ой международной научно-практической конференции «Электроэнергетика в сельском хозяйстве» (21-23 июня 2011 г., г. Барнаул, АлтГТУ) и на заседаниях секции электрификации и энергетики АПК Учёного Совета ГНУ ВИЭСХ (2009-2011 гг.).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 6 печатных работах, в том числе 2 из них в журналах, рекомендованных ВАК. Получено 2 патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 80 наименований и приложений. Ее содержание изложено на 126 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц и 29 рисунков.

Глава 1

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Аналитический обзор и современные тенденции развития методов и технических средств контроля потоков молока

Молочные продукты, вырабатываемые в нашей стране, по ассортименту и качеству не всегда отвечают возросшим требованиям и потребностям народного хозяйства и запросам населения, что наносит большой материальный и социальный ущерб. Особенно важно обеспечить высокое качество молока при производстве детского и диетического питания. Неудовлетворительное качество молочной продукции объясняется целым рядом факторов, однако, главный из них - низкое качество исходного сырья, поступающего с ферм на перерабатывающие предприятия, потери и порча его в процессе обработки и хранении.

Качество получаемого молока на фермах остается еще неудовлетворительным, а его обработка - энергоемким и трудоемким процессом. По ряду предприятий Алтайского, Краснодарского краев, Башкирии, Белгородской, Брянской, Вологодской, Новосибирской, Ростовской, Смоленской областей поступление молока пригодного для производства сыра составляет всего 10...30 % от общего поступления [1.. .5]. При обследовании 220 прибыльных предприятий 55 зон России получены данные о среднем содержании жира в молоке - 3,55 % с колебаниями в пределах 3,36...3,86 % [1...11, 16]. Отмечены большие потери молочного жира в процессе учета, обработки молока на фермах.

Качество молока: механическая и бактериальная загрязненность, вкус, запах, содержание жира зависят в основном от параметров оборудования и от соблюдения режимов доения, учета, очистки, транспортировки, охлаждения, а также качества промывки технологического оборудования, степени

изолированности молока от окружающей среды и площади его контакта с поверхностью оборудования [8... 13]. Данные исследований показывают, что при получении молочной продукции по традиционным технологиям до 30...40 % загрязняющих веществ попадает в организм КРС с кормами, около 30...35 % с водой, 15...25 % с медикаментами в процессе лечения животных, а остальные с воздухом [8... 13, 17]. До 29% загрязняющих веществ попадает в процессе учета молока, транспортировки, а также в процессе ее расфасовки и хранения. Эти цифры могут изменяться в зависимости от конкретного хозяйства, региона и технологии производства продукции [18, 19, 21].

Бактериальная обсемененность молока наиболее точно отражает санитарные условия, в которых оно было получено. Стандарт допускает наличие в миллиграмме до 0,3 млн. бактерий [14], поэтому первоочередными задачами при его получении являются предотвращение попадания в него бактерий в момент выдаивания, учета и реализация его в самое короткое время. Основными внешними источниками обсеменения молока является плохо вымытое оборудование, контакт молока с поверхностью молочного оборудования и окружающим воздухом. Для производства высококачественных детских и диетических продуктов питания, сычужных сыров, стерилизованных продуктов должно использоваться молоко только высшего и первого сорта, отвечающего ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко коровье сырое. Технические условия» [14]. Молоко, поставляемое непосредственно в торговую сеть, больницы, и для общественного питания минуя завод, должно соответствовать требованиям ГОСТ Р 52090-2003 «Молоко питьевое. Технические условия» [15] на пастеризованное молоко, а поставляемое детским учреждениям, дополнительно и санитарно-ветеринарным требованиям.

Молоко высшего сорта характеризуется 16-18 град. Т [14], степень чистоты по эталону - 1, бактериальная обсемененность - до 300 тыс./см , содержание соматических клеток - не более 300 тыс./см .

Молоко первого сорта характеризуется - 16-18 град. Т, степень чистоты -

1, бактериальная обсемененность - от 300 до 500 тыс./см3, содержание соматических клеток - 1000 тыс./см .

Молоко второго сорта характеризуется 16 - 20,99 град. Т, степень чистоты по эталону - 2, бактериальная обсемененность - от 500 до 4000 тыс./см , содержание соматических клеток - 1000 тыс./см .

Молоко, отвечающее требованиям высшего, первого или второго сорта, температура которого выше 10°С, принимают на молочном заводе как "неохлажденное" с соответствующей скидкой с закупочной цены. Оплата за молоко по ГОСТу, осуществляется по массовой доле жира и белка с учетом надбавок и скидок к закупочной (договорной) цене за каждые 0,1% жира и белка, молоко сырое, не соответствующее требованиям второго, а также молоко из неблагополучных хозяйств, не отвечающее требованиям к несортовому молоку, приемке на пищевые цели не подлежит.

Факторами, влияющими на качественные показатели молока в процессе доения и обработки, являются пыль, грязь и остатки моющего раствора и молока в оборудовании. Меры борьбы с такими видами загрязнений известны. Это - строгое соблюдение гигиены и технологических требований [7, 8, 12]. Поэтому все операции по обработке молока должны производиться в закрытом потоке. От качества выполнения этих операций в значительной мере зависят технико-экономические показатели молочно-товарной фермы.

Для предотвращения попадания загрязнений в молоко необходимы комплекс мероприятий, охватывающих способы содержания животных, доения, учета и обработки молока, правильная эксплуатация технологического оборудования, непрерывный контроль за его техническим и санитарным состоянием, применение новейших технологий и технических средств, обеспечивающих сохранность качественных характеристик молока на стадии ее получения и обработки. Поэтому, получение высококачественной молочной продукции на фермах представляет собой сложнейшую научно-техническую проблему, нерешенную до сих пор [20].

В настоящее время оборудование для обработки молока на фермах

комплектуется в основном из машин и аппаратов в т.ч. выпускаемых для молочной промышленности. Это оборудование не приспособлено для использования на молочно-товарных фермах и комплексах. Существующие технологические линии обработки молока на фермах не отвечают комплексу функциональных, энергетических, экологических, технико-экономических требований. Применяемое оборудование имеют большую поверхность контакта с окружающей средой. Примером такого оборудования служат весы СМИ-500 с молокоприемной емкостью БМ-1000. Устаревшая система учета молока путем накопления в ванне и взвешивания должна быть заменена современными компактными системами контроля потоков молока.

Существенное влияние на качество молока оказывает система транспортировки его к обрабатывающему оборудованию. Она включает трубопроводы, накопительно-регулирующие емкости (НРЕ) и аппаратуру для коммутации потоков. Функционирование технологических линий обработки молока характеризуется случайными потоками продукта. Для стабилизации режимов тепловой обработки молока необходимо преобразовывать случайные потоки, поступающие с доильных установок, в детерминированные (периодические или равномерные). Поэтому НРЕ вынужденно ставят для согласования производительности машин и агрегатов. Необоснованное увеличение их вместимости связано со значительной потерей молочного жира, энергии, моющих растворов, воды и производственных площадей. Они имеют большие размеры и непосредственный контакт с окружающим воздухом, что ухудшает санитарное качество молока, особенно в летнее время, и приводит к его потерям. На стенках НРЕ оседает молочная пена, в которой содержится до 40% молочного жира, который сбрасывается в канализацию при промывке. Промывка НРЕ связана со значительными затратами рабочего времени, промывочных ра�