автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование параметров электрооборудования установок для индивидуальной раздачи концентрированных кормов коровам при беспривязном содержании

ж.

з 1 з ^

ВСЕСОЮЗНАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ИМЕНИ В .И .ЛЕНИНА' (ВАСХЩЛ)

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСККк ИНСТИТУТ. ЗЛЕКТШФИКАШИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИЭСХ)

На правах рукописи

ГРИГОРЯН ОВИК ЕАГДАСАРОШЧ

УДК 631.37:636.2

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ РАЗДАЧ!: КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ КОРМОВ КОРОВАМ •ПШ. БЕСПРИВЯЗНОМ СОДЕРЖАНИИ •

Специальности: 05.20.02-электрификация сельскохозяйственного производства

05.13,07-автоматизация технологических процессов и производств (по отрасли сельское хозяйство)

Автореферат.

диссертации на соискаоте ученой степени кандидата технических наук

Москва,- 1991

работа выполнена в лаборатории автоматизации молочного животноводства Всесоюзного научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ШЭСХ)

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник В.Р. Краусп

Официальные оппоненты: доктор технических, наук,

профессор В.Т. Сергованцев кандидат технических наук, старший научный сотрудник Герасенков A.A.

Ведущая организация - Гипронисельхоз

Защита диссертации состоится " Щ " _1992 г.

в Ю00 на заседании специачизированного совета К 020.15.01 во Всесоюзном научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, дом 2, ШЭСХ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ШЭСХ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических- наук, старший научный сотрудник

Н.Ф. Молоснов

V. -.'. .1 ! ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

——- "Актуальность проблемы. Повышение молочной продуктивности коров в значительной мере определяется способом их кормления. Практика показывает, что индивидуальное нормированное кормление позволяет достигать значительного прироста продуктивности коров по сравнению с групповым за счет учета индивидуальных особенностей каждого животного. Поэтому, в последнее время внедряются установки индивидуального.нормированного кормления коров конц-кормами,размещаемые в секциях ферм при беспривязном содержании. Повышение эффективности работы этих установок предполагает оптимизацию количественного состава .электрооборудования, выбор параметров- электрооборудования в соответствии с размером и продуктивностью обслуживаемого стада. Диссертационная работа направлена на разработку и обоснование комплекта электрооборудования установок индивидуального кормления коров концкормами при беспривязном содержании, обеспечивающего эффективность', надежность и точность работы. В этом заключается актуальность темы диссертации.

Представленная работа выполнялась в соответствии с Комплексной программой научно-технического прогресса стран-членов СЭВ до 2000 года "Электронизация .сельского хозяйства" по разделу 1.2.6.3.11 "Система управления технологическими процессами в промышленном молочном животноводстве". Задачи исследовании:

-разработать алгоритм управления электрооборудованием системы кормления и обосновать его основные конструкторско-техноло-гические параметры;

-разработать математическую модель.системы кормления и исследовать поведенческие характеристики коров в ней;

-разработать и обосновать конструкторско-технологические параметры электрооборудования системы кормления;

-привести хозяйственные испытания системы кормления и определить её технико-экономическую'эффективность.

Цель работы. Разработка и-обоснование параметров комплекта электрооборудования для индивидуальной раздачи концентрированных кормов коровам при беспривязном содержании, отвечавдего современному уровнью эффективности, надежности, экономичности и точности работы.

Научная новизна. Разработана математическая модель системы кормления,-позволяющая определить параметры управления электроприводом транспортера загрузки' бункеров кормушек и минимальное число кормушек в системе кормления. Разработан алгоритм управления комплектом электрооборудования системы кормления, позволяющий программно управлять электроприводом дозаторов кондкормов в соответствии с алгоритмом индивидуального кормления коров. Обоснован выбор.управляющего устройства кормления на основе коэффн-' ииентов размера системы и сложности обработки числовых данных, позволяющие выбирать управляющее устройство (микроконтроллер кормления) в зависимости от количества обслуживаемых коров.

, Практическая значимость заключается в том, что результаты теоретических и экспериментальных исследовании могут быть использованы проектными организациями при разработке систем индивидуального кормления животных. Внедрение на дермах и комплексах разработанных автоматизированных установок индивидуального кормления коров конпкормами при беспривязном содержании позволяет:--повысить молочную продуктивность коров на 6-18$; -автоматизировать процесс раздачи концкормов; -предотвратить перерасход концкормов;

-осуществлять индивидуальное нормированное кормление коров.

Реализация результатов исследовании. Но результатам исследовании в систему машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1981-1990 гг (часть II, позиции Ь: 14.8.4 и К 1.4.18) и в.проект на 1986-1995 гг (часть II, позиция 1.4.07) включен комплект оборудования к поисковой системе' раздачи концкормов при беспривязном содержании коров; разработаны зоотехнические требования на'оборудование к поисковой системе раздачи концкормов при беспривязном содержании коров и комплекс технических средств управления дозаторами индивидуального нормирования комбикормов, утвержденные Госагропромом СССР в 1985 году. . • • .

Образцы технических средств системы индивидуального, кормления коров концкормами успешно прошли производственную/проверку ■ на ферме "Путь Ильича" Подольского района' Московской области в • 1986-1987 годах.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследо-. вания доложены и*обсуждены на-научно-технической конференции мо-. лодых ученых и специалистов ШЭСХ .(Москва, 1986 г.); -на секции .

электроэнергетики и применения электроэнергии в сельском хозяйстве ученого совета ШЭСХ (Москва, 1986 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции ВНКПТИМЭСХ по итогам исследовании 1986 г. (Зерноград, 1987 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования электропривода в сельскохозяйственном производстве" (Челябинск, 1989 г.).

Объем работы. Диссертация изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 8 таблиц и состоит из введения, четырех глав,, выводов, списка использованной литературы (86 наименовании) и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, сформулированы научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе сделан анализ состояния вопроса. Согласно работам Н.И. Денисова, А.П. Дмитроченко, A.A. Буткявичене индивидуальное нормированное кормление способствует сохранению здоровья животных, уменьшению уровня выбраковки, повышению продуктивности и реализации их генетического потенциала. При существующей промышленной технологии беспривязного содержания коров применяются два способа кормления концкормами: -равномерную раздачу концкормов в расчете на "среднюю" корову, при котором не учитываются индивидуальные особенности отдельных животных и не совместим с нормированным кормлением и -индивидуальное нормированное кормление концкормами в дойльных установках, которое не дает ожидаемого повышения продуктивности из-за присущей этому способу недостаткам.

■Поэтому разрабатываются установки для индивидуального нормированного кормления коров концкормами вне доильного зала. В этих системах кормления каждая корова на ошейнике носит транс- • пондер. В зависимости от предназначения транспондера существуют два типа установок индивидуального' кормления : с транспондером без идентификации коров и с транслондером с идентификацией коров. Сравнительный анализ этих установок показывает, что в условиях промышленного способа.содержания животных целесообразнее использовать установки индивидуального кормления коров с транс-

пондером с идентификацией животных.

Б результате изучения установок индивидуального кормления коров установлено, что установки с транспондером с идентификацией коров наиболее отвечают требованиям индивидуального кормления, позволяют осуществлять равномерную выдачу концкорма в течение сутки, получить информацию о количествах неиспользованного корма коровами, использовать разные режимы кормления, автоматизировать процесс раздачи концкорма.

Разработкой систем индивидуального кормления коров концкормами занимаются зарубежные фирмы "Альфа Лаваль", "Фульвуд", "Бабеон" и др. В опубликованных работах по этим системам кормления изучались влияние разных режимов кормления на продуктивность животных, отдельные параметры технологического процесса кормления без учета взаимосвязи их между собой, что приводило к противоречивости результатов исследовании. Вследствие этого в литературе отсутствуют данные по выбору и расчету конструкторско-технологи-ческих параметров электрооборудования системы кормления, а имеющиеся экспериментально-конструкторские работы недостаточны для проектирования высокоэффективных установок для индивидуального кормления коров концкормами при беспривязном содержании.

Изложены цель и задачи исследования.

Вторая глава "Разработка алгоритма управления комплектом электрооборудования системы кормления и исследование его основных технологических параметров" посвящена вопросам разработки технологической схемы системы кормления, алгоритму управления комплектом электрооборудования системы кормления и обоснованию его основных конструкторско-технологических параметров.

Система кормления работает как одна из подсистем в общей • системе автоматизации молочнотоварной фермы, разработанной в ЕИЭСХе. На основе этого и обеспечения индивидуального нормированного кормления коров концкормами при беспривязном содержании, разработана технологическая схема ф)ункцинирования системы кормления, которая представлена на рис.1.

Установлено, что расчет суточной нормы концкорма на основе имеющихся в хозяйстве кормов и индивидуальных показателей коров производится в центральной ЭВМ и передается в систему кормления ' через канал связи.

Система кормления.осуществляет'раздачу суточной■нормы конц-

Рис.1 Технологическая схема системы индивидуального кормления коров концкормами при беспривязном содержании 1-устройство сопряжения микроконтроллера кормления с центральной ЭШ, 2-микроконтроллер кормления, 3-микроконтроллер распознавания номеров животных, 4-коммутатор, 5-электричес-кая схема управления электроприводом дозатора, 6-дозатор концкормов, 7-датчик номера коровы, 8-индуктивные катушки приемно-переданцей антенны считывания кода номера

корма каждой корове в соответствии с алгоритмом индивидуального кормления.

Разработан алгоритм управления комплектом электрооборудования системы кормления, устанавливающий функцинальные связи мевду суточной норлы концкорма и конструкторско-техналогическими параметрами электрооборудования. На рис. 2 приведена укрупненная схема алгоритма управления комплектом электрооборудования системы кормления. Алгоритм обеспечивает равномерную выдачу суточной нормы концкорма каждой корове путем деления цикла кормления на равные временные интервалы и выдача в каждом из них равные количества концкорма. Концкорм ^ кормушку поступает со скоросью поедания коровой, которая регулируется путем установления вре-. менных интервалов между выдачами элементарных порции. Алгоритм обеспечивает автоматический обмен информацией между микроконтроллером кормления и центральной ЭШ, что является необходимым условием работы системы кормления.

Разработана электрическая схема устройства сопряжения микроконтроллера кормления с центральной ЭШ.

Экспериментальными исследованиями установлено, что скорость

Рис.2 Укрупненная схема алгоритма управления когатлектом электрооборудования системы кормления

поедания коровой рассыпного и гранулированного концкормов одинаковы и составляют 3,6-6 см3/сек при величине порции не менее 180 см3. При величине порции 180 см3 временной интервал между выдачами порыли составляет 40 сек.

Выдача одной порции концкорма соответствует одному обороту шнека дозатора. Для программного управления работой дозатора от микроконтроллера кормления на дозаторе имеется датчик конечного

положения шнека. Установлено, что должно выполняться условие % * ■ (1)

где % -угол чувствительности датчика, Угшм/(кс-максимальный угол торможения шнека. Установлена целесообразность применения в качестве датчика конечного положения шнека герконный датчик, управляемый постоянным магнитом. Постоянный магнит закрепляется на оси шнека, а. геркон - на желобе дозатора.

Угол чувствительности герконного датчика

Ф - - I1 +У гь - О- .0.

где & -расстояние установки постоянного магнита и геркона, /?д-расстояние от оси шнека до центра постоянного магнита,

-расстояние срабатывания геркона,

(5)

-расстояние размыкания контактов геркона, V» -объем стержневого постоянного магнита, Вп -индукпия в нейтральном сечении магнита, Ни -напряженность в нейтральном сечении магнита, , РР!',-магнитожвижущие силы срабатывания и размыкания геркона, I, -длина геркона, Л - 'ОТ • /С'Я/М -абсолютная магнитная пронигаемость.

Получефвыражение для определения расстояния установки геркона и постоянного магнита:

2 КА ^гшшкс

1. Если подкоренное выражение отрицательное и

V ггс1 ~ ^ ^А'/гшмак^,

то расстояние установки магнита и геркона

£<-¿^1,., (6)

где с/г -диаметр балона геркона.

2. Если подкоренное выражение отрицательное и

7 ~ ^ Угшилкс

или подкоренно^внражение положительное и

то нужно менять магнит или геркон и повторить расчет по определению расстояния установки магнита и геркона.

3. Если ¿'у с/ГД , то расстояние установки магнита и геркона

(7)

Экспериментально установлено, что найбольший угол торможения шнека имеет место при дозировании рассыпного концкорма.

Установлено, что длительность импульса микроконтроллера кормления, от которого дозатор выдает в кормушку одну порцию концкорма, определяется из условия:

Íoí > tu ^ U, (8)

где -время одного оборота шнека,

t4 -время вывода магнита из зоны чувствительности датчика. Получено выражение для определения длительности.импульса микроконтроллера кормления:

f"c>t > I , W cJ«J»p W ' -jj- r J ----

\ M.% Л-rf fW (9)

где (-Oo -угловая скорость электродвигателя в момент выключения, Упр-У* -приведенный момент инерции к валу двигателя,

tía. -момент инерции шнека,

Мч( »М^.-М,..,-избыточный момент на валу электродвигателя, Мми -пусковой момент электродвигателя,

fíunp -приведенный момент сопротивления шнека к валу электродвигателя при дозировании гранулированного концкорма, L ■ -коэффициент передачи редуктора, -Уч -Ути.и«н-максимальная неточность останова шнека, ' VU,,,-минимальный угол торможения шнека.

Экспериментальным путем установлено, что угол торможения шнека имеет наименьшее значение при дозировании гранулированного концкорма. При этом нагрузка электропривода шнека имеет случайный характер, а угол торможения шнека определяется по выражению

. _ Тти"ин '' Щ-Мшг + ЪС*) ' . (10)'

где М -среднее значение момента сопротивления шнека,

-среднеквадратическое отклонение момента сопротивления шнека.••'''''.' В третьей главе "Разработка математической модели системы кормления и обоснование выбора управляющего устройства" обосновывается количественный состав электрооборудования на основе ма-• тематической модели системы кормления и обосновывается выбор-управляющего устройства кормления.

Установлено, что параметры управляющего устройства ■•■кормления, количество электрических схем управления кормушками, параметры управляющих сигналов электроприводом системы загрузки.

бункеров кормушек концкормом зависять от количества кормушек в системе кормления.

Разработана математическая модель системы.кормления, устанавливающая зависимости между размером стада, количеством кормушек, потоком коров, в системе кормления и среднем временем обслуживания коровы.

Оптимальное количество кормушек для обслуживания заданного числа коров определяется из следующего неравенства:

где А/, -количество коров в стаде,

-среднее время обслуживания одной коровы, \// —приведенная плотность потока'коров, Л -плотность потока коров, '

^ -параметр распределения времени обслуживания коров,

-продолжительность иикла кормления, ^-количество временных' интервалов цикла кормления, л -количество кормушек. Оптимальное количество кормушек определяется путем решения неравенства (II) относительно количества кормушек, графическое представление которого приведена на рис.З. Из графика определяется оптимальное количество кормушек как ближайшее целочисленное значение' ¡1 находящиейся справа от точки пересечения продолжи-тельностей обслуживания стада Тл и временного интер-

вала йТ - ^чЛц • .

Установлено, что загрузка бункеров кормушек концкормами осуществляется в автоматическом режиме без применения датчиков уровня коникорма. Продолжительность цикла включения электродвигателя транспортера загрузки бункеров кормушек■концкормом определяется согласно выражению

где' N/r--объем бункера кормушки, -

KQ -коэффициент полезного, использования кормушки, выражающий отношение средней времени обслуживания к. времени нахождения коровы у кормушки.'.

(II)

X

и W

k.Vn zi ¡-i

(12)

го Т»?, чяс

и — > 1 V пм

и.

г \ ^ и = Иц

V'''1 / ' / /

к 1 X/ 1 , 1 , ,

04 $10

Гис.З Зависимость времени обслуживания стада от количества кормушек в системе кормления

'Ул -скорость расхода концкорма в одной кормушке (скорость ' поедания-концкорма коровой). . Продолжительность работы системы загрузки'

(13)

где -производительность транспортера концкорма.

Параметры микроконтроллера кормления (управляющего устройства) определяются на основе алгоритма управления-электрооборудованием системы .кормления. Установлено, что выбор управляющего устройства производится по коэффициентам размера системы и сложности обработки числовых данных. Получено выражение для- определения коэффициента размера системы кормления: •

где 3X[-минимальное целое число, не меньше X,

М.-наибольшая масса выдаваемого концкорма одной корове,. ^ -плотность концкорма, "V« -объем.элементарной порции концкорма.

Коэффициент обработки числовых данных представляет собой сумму стоимостных коэффициентов операции, используемые в алгоритме управления системой кормления, т.е.

3)о (15)

где ¿01 -стоимостной коэффициент (. -ой операции (стоимостные коэффициенты: сложение или вычитание, сравнение слов, счет, выдержка времени - I, умножение или деление - 2, перекодирование, вычисление среднего значения - 3, из- . влечение квадратного корня - 4, регулирование - 5), N -количество операции, используемых при обработке данных. По полученным значениям коэффициентов сложности обработки числовых данных и размера системы из таблицы выбираем управляющее устройство кормления.

Критерии Монтажная логика Программируемый контроллер Контроллер с жестким алгоритмом управления ! !икро-ЭВМ

Размер системы, Гс ^100 10 ¿Рс <• /ООО ^ 1000

Сложность обработки числовых данных,Д <1 1 < 3)о 3)< >\ . >2

Установлено, что в системе кормления для 400 коров целесообразнее использовать микропроцессорный контроллер с жестким алгоритмом управления.

В четвертой главе "Проверка системы кормления в хозяйственных условиях и расчет её технико-экономических показателей" приводятся результаты проверки системы кормления в хозяйственных условиях и расчет её технико-экономических показателей.

В программу испытании системы кормления в хозяйственных, .условиях включены проверка работоспособности комплекта электрооборудования в производственных, условиях и изучение поведенческих характеристик в системе кормления.

Для проведения исследовании разработан экспериментальный образец системы кормления, на базе программируемого микропроцес-

сорного контроллера ПЛЦ 2/30.

Параметры установок индивидуального кормления коров конц-кормами выбраны в соответствии с технологическими требованиями: объем элементарной порции концкорма 180 см3, временной интервал между выдачами элементарных порции концкорма установлен 40 сек, время выдачи элементарной порции составляет 6 сек, длительность импульса микроконтроллера кормления установлен 50 мсек.

При исследовании поведенческих характеристик коров в системе кормления снимались два параметра: количество коров, приходивших в систему кормления в течение каждого часа за срок наблюдения и времени обслуживания коров.

Установлено, что поток коров в системе кормления является пуассоновским. Вероятность совпадения теоретических и экспериментальных распределении по "критерию Пирсона составляет 0,8.

Установлено, что время обслуживания коров в системе кормления имеет случайный характер и распределены по показательному закону. Для вероятности совпадения теоретических и экспериментальных распределении времени обслуживания коров по Пирсону получено значение 0,8.

Экономическую эффективность систем индивидуального кормления коров концкормами .при беспривязном содержании рассчитывали для технологии автоматизированной раздачи концкормов. Экономический эффект получается от реализации дополнительно полученного молока. В основу расчета положены материалы проведенных исследовании. Аналогом для сравнения взята технология групповой раздачи концентрированных кормов. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения системы кормления для 400 коров со средним годовым удоем 4 тыс. кг составляет 6,7 тыс. руб. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложении составляет 3,4 года.

вывода

1. Разработанная технологическая схема системы кормления позволяет автоматизировать процесс индивидуальной нормированной раздачи концкормов при беспривязном содержании коров.

2. Разработанный алгоритм управления комплектом электрооборудования системы кормления, устанавливающий количественные связи между величиной суточной нормы концкорма И конструкторско-

"технологическими параметрами электрооборудования, позволяет осу-

щесгвлять индивидуальное нормированное кормление заданного числа коров.

3. Экспериментальным и расчетным путем определены основные технологические и конструкторские параметры алгоритма управления комплектом электрооборудования системы кормления, позволяющие осуществлять программное управление электрооборудованием технологической линии раздачи концкормов. Установлено, что скорость выдачи концкорма в кормушку должна быть 3,6-6 см3/сек. Получена зависимость параметров управляющего сигнала микроконтроллера кормления от параметров алектропривода шнекового дозатора.

4. Разработанная математическая модель системы кормления, устанавливающая функциональные зависимости между количеством коров, среднем временем обслуживания коровы, приведенной интенсивностью прихода коров и числом временных интервалов цикла кормления, позволяет определить оптимальное количество кормушек в системе для обслуживания заданного числа коров.

5. Полученные функциональные зависимости параметров управляющих сигналов электроприводом транспортера концкорма от параметров системы кормления позволяют автоматизировать процесс загрузки бункеров кормушек без применения датчиков уровня концкорма при заданном их объеме и количестве.

6. Установлено, что микроконтроллер коршения выбирается по коэффициентам размера системы и сложности обработки числовых данных. Показано, что рекомендуемым микроконтроллером кормления является микропроцессорный контроллер с жестким алгоритмом управления.

V. Расчетным путем установлено, что экономический эффект от внедрения системы кормления составляет 6,7 тыс. руб. в год для 400 коров со среднегодовым удоем 4 тыс. кг. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложении составляет 3,4 года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Григорян 0.Б. Алгоритм управления индивидуальной раздачей концентрированных кормов коровам на молочной ферме //Научные труды ШЭСХ "Микропроцессорная техника в автоматизации животноводства и птицеводства", Москва, 1987, т. 67.

2. Братищев Н.Ф., Григорян О.Б. Установки для индивидуального кормления коров концкормами //Техника в сельском хозяйстве, 1987, № I.

3. Краусп В.Р., Григорян О.Б. Разработка электронной схемы

■ управления электроприводом дозатора //Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности использования электропривода в сельскохозяйственном производстве", Челябинск; 1989.

4. Григорян O.E. Расчет параметров герконного датчика поло-

■ жения для управления' раздачей кормов //НТВ по электрификации сельского хозяйства, М.: ШЭСХ, 1989, вып. 2(65).

5." Григорян О.Б. Повышение точности дозирования и.стабили-

• зация .нагрузки электропривода шнекового дозатора //Научные тру- ; ды ШЭСХ "Электротехнологии в сельскохозяйственном производстве"

.Москва, 1989,. т.73.

6. Краусп В»Р., Григорян О.Б. Обоснование параметров автоматизированной системы•индивидуальной раздачи комбикормов //Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1990,. JE I.

•7.'Положительное решение по заявке JC 4801401/15 от 27.03.

- 1991 года {СССР). Система индивидуальной раздачи концентрированных' -кормов /Краусп В.Р., -Ряузов A.A., Иванов В.В., Григорян О.Б. и др.

.Подписав ' Подписано к печати 12

Подписано к печати 12.12.91г. Форм.бум.60x90 X/I6 '•Объём'1,0 п.л. Зак. 143 Тир. 100

Дечатно-множительный участок ЦОПКБ ВЖ ■ 109428.Морква, 1-й Институтский проезд дом 3