автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка, исследование и внедрение автоматизированной системы управления оптическим излучением на фермах и комплексах крупного рогатого скота

РГ6 од

1 4 ИЮН 1393

ХАРЬКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ШАШЗАЦИИ И ЭЛЕКТШ1ЖАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

На правах рукописи БОЦМАН Валерий Васильевич

РАЗРАБОТКА, ИССЩ0ВА1ШЕ И ШДРЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМ! УПРАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ НА ФЕРМАХ И КОМПЛЕКСАХ КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА

Специальность: 05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного ,производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харькоз, 1993

Работа выполнена -в Харьковском институте.механизации и электрификации сельского хозяйства.

■ Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

П.В.Гаврилов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В.П.Путятин

кандидат, технических неук, доцент Е.Д. Дьяков

Ведущая организация — Институт животноводства УЛАН

Защита состоится "сН" ЩСН^ 1993г. в 10 часов на заседании специализированного совета К 120.38.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Харь ковсксм институте механизации и электрификации сельского хозяй ства по адрес;': 310078, Харьков, ул.Артема, д.44, ХИШСХ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан -ао» ачдо;_к 53г.

Ученый секретарь специализированного совета А , кенцидат технических наук, Л.С.Ермолов

ощля ХАРяегш^етл рлвота

Скотоводство обэспечива-!Т население такими исключительно ценными продуктами питает, как молоко и да со, а для легкой проиляяенкасти является |дним из главных поставщиков сырья. В условиях общего спада ¡ашей экономики из-за слабой норковой базы хозяйств и нехват-:и материальных а энергоресурсов эта вакнейиая отрасль йибот-юво&Мэа попала в предкризисное состояние. Повсеместно совещается поголовье крупного рогатого скота (КРС). Низкий "ровеиь технологической дисциплины усугубляет положение и ве-1ёт к снижению продуктивности и нерационально.^ расходованию шещихся ресурсов.

Выход из создавшейся ситуации возможен только при интен-¡ификации сельскохозяйственного- производства на основе внедрения научных разработок, уч»тагзаюцях биол6г«:?с:аго- особен-гости аивотных, и прогрессивные' 'ма-.'ллогичес:шх процессов фоизводства продукции и воспроизводства стада. Поис:с биоло-'ически обоснованных систем содержания и кормления киботных ¡едётся непрерывно и одним из эффективных путей'решения этой ¡адачи является создание оптимальной .световой среды в зигаот-юьодческих помещениях.

В полной поре возможности прогрессивных режимов кормле-мя и содержания животных раскрываются при использовании автоматизированных "систем управления технологическими процес-зами (АСУ ТО). Переход к комплексной механизации производст-щ ведёт тик&е н к важным социальным последствиям. В Первую , зчередь необходимо было автоматизировать наиболее трудоемкие технологические процессы, такие как доение, приготовло-. ше и раздача корков, удаленно навоза и др. Однако,- при этой -;е уделялось должного внимания процессом освецения и ойлука-

ния животных. Эта обоняется тем, что оптическое излучение i 0И> не нашло ©ц§ широкого применения в сельскохозяйственном производстве. Ассортимент светотехнического оборудования сельскохозяйственного назначения мал.

Б связи с изложенным, проблема создания автоматизирован ных систем управления ОИ (АСУ ОИ) в животноводческих помещениях, позволяющих обеспечить заданный режим технологического освещения v облучения животных и тем самым обеспечить повыше иие продуктивности и улучшение состояния их здоровья, на баз сущестаукцих светотехнических средстз.и устройств управления является актуальной.

- Цель г. fflj&g кос^йдований. Цель работы.заключалась в разработка, структурной. схеш и определении рациональных пара 'мэтров систеш управления ОИ для использования в составе АСУ ТП на фермах и комплексах KFC.

• Для достижения стой цели были поставлены и решены следу задачи:

исследовать влияние нарушений динамики воздействия и ин тенсивности излучения при чередующемся и одновременном воз- действии" излучений инфракрасного (ИК), ультрафиолетового (У5 и видимого диапазонов и обосновать структуру и параметр» системы управления ОИ;

исследовать влиликс архитектурно-планировочного решения животноводческого помещения на изменение светового потока .светильников и обосновать требования к подсистеме контроля а раметров световой среда;

разработать структурну» cxeiy системы управления Ой для использования в составе АСУ *Ш ферм и комплексов КРС;

разработать метод расчёта светотехнического комплекса •" (СТЮ: светотехническая установка (СТУ) -.устройство управле

нил ш) сту;

разработать схемы основных блоков УУ СГУ.

Объект исследования. Объектом исследований явилась автоматизированная система управления оптическим излучением предназначенная для использования в составе АСУ И1 ферм и комплексов КРС..

Методы исследований. При вшолнении работа была проведена серия экспериментальных исследований по определению структуры и параметров АСУ ОИ. Аналитическими методами решалась задача выбора рациональной схемы расположения светильников в животноводческом помещении и параметров силовых элементов УУ. Расчёты проводились на ЭВМ типа РС АТ с использованием специально разработанной программы.

Научная новизна. Исслздовако влияние нарушеки1 динамики воздействия и спектрального сос^а Ой при чередующемся и одновременном воздействии Ш, Уф и видимого излучений на продуктивность животных. Изучено влияние архитектурно-планировочного решения животноводческого помещения на параметры светотехнического оборудования. Разработана методика аналитического расчёта СТУ, а также алгоритм и программа определения рационального расположения светотехнических приборов с использованием ЭВМ, что позволило разработать структурную» схему АСУ ОЙ на фермах и комплексах КРС, вклвчтацуй устройство обработки информации и управления, СТУ, УУ СТУ и подсистемы обработки и сбора информации о состоянии, оборудования и параметрах ни-кроклимата в животноводческих помещениях. .

Практическая ценность.Разработана АСУ ОИ для ферм и комплексов КРС, позволяющая обеспечить рациональные режима воздействия излучением УФ, Ж и видимого диапазонов на сельской хозяйственных животных. Предложены рекомендации по выбору

- б -

элементной базы для реализации узлов и блоков системы. Разработана методика, инженерного расчёта СТУ и выбора силовых элементов УУ СТУ.

Реализация результатов исследований. В период с 1985 по 1993 года в различных хозяйствах Харьковской, Полтавской и Донецкой областей .било смонтировано более 30 экспериментальных^! опытнолрокшшенных СГК, что позволило в реальных условиях эксплуатации•проверить правильность теоретических предпосылок, положенных в основу разработанной АСУ ОИ, и уточнить ряд требований к.архитектуре отдельных блоков и модулей системы.

. .Апробация работа. Основные положения и результаты дис-сер?сц!:с:шоП работы докладогались и обсуждались на Всесоюзном^ науш.о-гсхкжзсхсм сепшаре "Опыт эксплуатации источников света и световых приборов" г.Саранск, (,1988г.), третьей Всесоюзной школе "Проектирование автоматизированных систем контроля и управления слозгаши объектами" г.Харьков, (1988г.), Всесоюзных научно-технических конференциях "Пошаение эффективности использования ¡электропривода в сельскохозяйственном производство" г.Челябинск, (1989г.), "Перспективы развития энергетики и электрификации агропромышленного производства" г.Москва, (1990г.), "Исследования, конструирование и технология производства осветительных приборов" г.Тернополь, (1991г) научно-мзтодических конференциях ХИШСХ (1988 - 1992гг.), . Всероссийского ордена Трудового Красного Знакзни научно-исследовательского и проектно-технологического института механизации я электрификации сельского хозяйства г.Зерноград (1908, 1991гг.), Санкт-Петербургского ордена Трудового Красного Знамени государственного аграрного университета г.Цушин, (1291, 1992гг.) и научно-производственной конференции "Проблемы ии •

тенсиф'/кации производства молока" Белорусского Шй животноводства (1391г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей и получено 3 авторских свидетельства на изобретение.

С^уктура 2 объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников (136 наименований, из них II на иностранных языках) и приложений. Основной текст изложен на 133 страницах машинописного текста, содераит 13 таблиц и 28 рисунков. Основные положения представляемые к защите: методика проведения и результаты экспериментальных исследовании по определению структуры и параметров АСУ ОН; структурная схема АСУ ОИ для ферм я комплексов КРС; мотодкка расчёта СШ:' СТУ - УУ С:'У; практические предложения по реализации АСУ ОИ на фермах и комплексах КРС.

содержание рабош

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. В первой главе приводится обзор и анализ существующих систем управления ОИ. Рассмотрено применение ОИ на фзрмах и комплексах КРС, источники ОИ и светотехнические приборы, используемые в животноводстве, существующие УУ ОИ и возможности современных систем автоматического управления. Рассмотрены работы Глушкова В.М., Чижевского А.Л., Кармановского Л.П., Крауспа З.Р., Юркова В.М., Белановского А.С., /¡убинпна 11.Г!., Торосяна Р.Н., Знаменского В.Г. и др.. На основании проведен-, ного анализа научно-технической литературы и патентных материалов были сделано следующие вывода относительно состояния' раесттриааи-'.ого полоса. Установлены рационально параметтрн

световой среди зошотнэБодческих помещений на фермах и комплексах КРС, благотворно вялящие на состояние здоровья енвот-ных и обеспечиваяцие повышение проективности при уиеньшешш энергозатрат, а высокая эффективность использования АСУ ТП в промышленности и сельскохозяйственно!! производстве подтверждается многолетним опытом эксплуатации таких систем. Механизм воздействия ОН на организм кивотных сложен, неоднозначен и не выяснен до конца. Не исследовано влияние нарушений динамики воздействия на-продукшвность нивотннх. Недостаточно исследовано и влияние интенсивности излучения при чередующемся и одновременном воздействии излучений МК, УЗ и видимого диапазонов. 07оу?сгва«|'-8Хшс данных ке позволяет определить структуру и пгрсаззрл ДСУ.Ш. Установлено также, что иод воздействием агрессивной срсди ловодческих помещений набладается значительный сдед светового потока светильников, но влияние архитектурно-планировочного решения помещений на характер этих изменений не исследовалось, и &то не позволяет определить требования к пространственно^ раеполокент датчиков подсистемы контроля параметров световой среда. Выпускаеиые промыпиенносп УУ СНУ для сельскохозяйственного производства, не могут быть использованы для работы в составе АСУ И1, поскольку у них отсутствуют устройства синхронизации и контроля текущего состояниями от, т уитштт реалы&е условия эксплуатации СТУ и реаиш работы источников оптического излучения (ИОИ). Целый РЯД узлов и блокой ТУ <ЛУ для промышленного производства выполнен щ высоком уровне и может быть использован при разработке АСУ ОК.

В соответствии с огими выводами были сфорцрлироваш изложенные выше цель и задачи исследования данной работы, а также основные полояения, выносише на защиту.

Во второй главе изложена результаты экспериментальных исследований по определению структуры и параметров АСУ ОИ. Разработанная программа и методика проведения экспериментов лрс,(усматривала: исследование влияния нарушений динамгаси воздействия ОИ, исследование влияния архитектурно-планировсчиого решения животноводческого помещения на характер изменения цветового потока светильников, определение характера основных гарушений режима работы осветительной установки (ОУ) при руч~ íoí.í управлении, исследование влияния интенсивности излучения [ри чередующемся и одновременном Еоздействии излучений ЙК, УФ с видимого диапазонов.

Методика разрабатывалась о учётом особенностей прсведе-ия оксперкментов в условиях действующих товарных ферм и ком-лексов.

Для определения влияния нарушгьиЯ динамика воздействия И исслэдовалось влияние случайных окаоненхй момента пере-лючения ОУ на уровень 300 лк (условный раздражитель) относи-ельно начала дойки на молочную продуктивность коров. Резуль-атц этих экспериментальных исследований подтверждают предложение с доминирующей роли условного рефлекса, связанного с зменением уровня освещённости на время дойки, и при среднем земени задержки начала/дойки (13 - 3} мин, для выбранного зяима, значимого влияния таких нарушений на удой животных не 1блюдалось. Влияние архитектурно-планировочного решения жи->тноводческого помещения оценивалось по динамике изменения ютового потока светильников. Ка рис. I приведены графики ¡меиения уровней горизонтальной освещённости на уровне верх-;го края корешки в помещениях коровников. В зависимости от юта расположения сиетильников спад светового патака из-зг*.' 1грязнений бил в 2 - 3 раза больше, чем спад из-за старения

лаш.

Результаты экспериментальных исследований по определению влияния интенсивности, излучения при чередующемся и одновременном воздействии излучений ИК, У<В и видимого диапазонов под твердили известные предположения о.природе механизма воздействия СИ на организм животного, Отсутствие значимой разницы в . среднесуточных приростах живой массы телят и характер изменения приростов при одновременном воздействии излучений видимого и У5-дигяазонов, а также при одновременном и чередуемся воздействии излучений ИК и 'УШ-днзлазонов, свидетельствуют о том, что доминирующего влияния на система организма, регуяи-рущие прирост давой массы, УШ-изпучение не оказывает, в отличие от излучений водимого и ИК-диапазонов.

Г'роБОД'шшй шщиз результатов экспериментальных исследований поэвслгл сОоснозать структуру и парамегрк АСУ ОИ для ферм и комплексов КРС:

управление, работой. ИОИ должно осуществляться, только в режиме управляющих программных воздействий. Переход к адаптив ноку управлению станет возможен только после создания объективных подсистем контроля параметров микроклимата и состояния животных; •

УУ СЕУ должно обеспечивать автоматическую коррекцию дозы У5-об.цучения в зависимости от показаний подсистем контроля уровне!! освещённости и ИК-облучённооти, а также обеспечивать . возможность изменения режима работы с периодичностью от семи дс 10 дней, £ зависимости от возраста животных и времени года

разрешающая способность системы управления ОИ доляна быть на хуже Б шш для СТУ видимого, ПК и Уй-диапазонов, при использовании в качестве'источников У<Е-излучения разрядам

-li-

mai низкого давления (РДВД) и не хуке I мин .для СГУ УЗ-диа-:азона - при использовании FJI высокого давления (РЛЦД),

ÏP1S5 ^'лава посвпцена разработке структурной схемы метем управления СМ для ферм и комплексов КРС. Обобщённая ¡груктурная схема АСУ ОИ приведена на рис. 2. Схема разрабо-;аиа с учётом поставленной задачи и в соответствии с принци-юм иерархического построения систем управления. Основа £У 04 - СТО, состоящий из СТУ и УУ СТУ, Управляет работой :ТК устройство обработки информации и управления (УОИиУ). 'кформация о состоянии технических средств систеш и параыет-)ах микроклимата s животноводчески помещениях собирается ^определёнными подсистемами контроля работоспособности и па-зййзтраз дяярзкякмл та (ПНР и ГС37М). Эри подсистемы состоят из îo,дулей контроля рабш-оспосоЛюстя (*£"?) к микро-

штата (МКПШ, а также устройств сбора информации и связи :УСИиС) . Информация о состоянии объекта, собранная" t-юдулями соитроля, передаётся в УСИиС, которые осуществляют предварительную обработку информации и обеспечивают связь подсистем шртроля с УОИиУ. Для связи с системой верхнего уровня УСИиУ лепользует специальный модуль связи с системой верхнего уров-чя (МССВУ). УУ СТУ является согласующим звеном между заданным режимом воздействия и техническими средствам!, используемыми да его реализации - ИОИ и светотехническим оборудованием. На TJ СТУ возложен учёт всех особенностей, определяем,« архитек-гурцо-планировочными решениями ферм и комплексов, требованиями ллектрооезопасности и т.п.

Структурная схема УУ СТУ приведена на рис. 3, Es отличительной особешюстыо является то, что при разработке рассматривался едини Я комплекс: ИОИ - конструкция СТУ - устройства

управления. Архитектура УУ СТУ не изменяется в зависимости от диапазона СИ. Ока позволяет расширять функциональные ьоз-шшостк любого из модулей

В главе четвертой изложена методика компоновки и расчёта светотехнического комплекса; СТУ - УУ СТУ. Зтот комплекс, независимо от области применения системы управления, является, основной частью АСУ ОЙ. Ишяно он непосредственно реализует заданный режим воздействия. Биологические особенности зишотшх и требования технологии содержания учитываются при выбора технических средств этого уровня управления.

Разработала методика расчёта энергозконоиичной СТУ, которая орг.жтероаака 1л рациональное использование конкретного типа савкяехийавскю: приборов и позволяет однозначно определить требуемое их расположение. Енергоэкономичность ОУ оценивалась коэффициентом полезного использования светового потока. КдИСЛ

/V

~ N *У--Ц)

г*/

где А/ - количество зон в животноводческом помещении с разлитая«! уровнями освещенности; £нор*1 ~ нормированный уровень освещённости для г -ой зоны;

- площадь ¿ -ой зош;

- количество' элементарных участков, на которое

разбивается <■ -я зона; В у - средний уровень освещенности в пределах элементар-кого участка;

площадь элементарного участка. При зтои должно выполняться условие

Ее/ <?- £ норм'; (2)

Результаты расчётов вариантов схем питания СГГУ показали, что при использовании существующих светотехнических приборов на базе РЛЗД, максимальная мощность С1У ограничивается возможностями аппаратов защиты. В качестве силового коммутационного оборудования СТК могут, быть.использованы как влектроме-хьничеекке аппараты (магнитные пускатели или контакторы), тая и полупроводниковые приборы (тиристоры или симисторы). Основное ограничение на использование полупроводниковых приборов связано в настоящее время о таким показателем системы, как коэффициент готовности всего устройства вцелон:

А-то*к'/( Тотк +Твосст >.• . .

где Тотк - среднее время между двумя отказами;

ТЕ0ССТ - время восстановления. Выбор коэффициента готовности в качестве основного показателя обоснован тем, что потери из-за отказов оборудования не могут быть компенсированы путём довьтшения интенсивности. Разработанная архитектура ¿"У СТУ и использование единого уровня управляющих сигналов исклюпявт ограничения на использование в составе АСУ ОИ блоков и модулей, вЬтолненннх с. использованием

различной ояемонхной баз;-. На первой этапе внедрения систем» с цель» сокращения сроков ввода в эксплуатацию и снижения материальных оаграг необходимо максимально использовать су-щесгвувщеэ. оборудование. .

Глава пятая посвящена вопросам практической реализации результатов работы. Приведены примеры рациональных способов реализации основных блоков УУ СТУ. Принципы иерархического построения системы и модульности конструкции предопределяют многообразие вариантов выбора, схемных решений как отдельных блоков, так и целых модулей, в зависимости от имеющейся элементной базы. На рис, 4 приведен пример (функциональной схемы унифицированного садового'модуля (СМ) УУ СТУ, предназначенного для управления работой как РЛ, так и ламп накаливания (Ж). Схема обеспечивает "щадящий" реким включения НОИ благодаря уменьшению,пусковых токов. Предложенные схемные решения СМ позволят реализовать высокоэффективные УУ СТУ на базе по- • лупроЕОДнкковых приборов для ЛН и РОД, а на базе электромагнитных аппаратов - для любого типа ИСИ. Изменение строительного модуля в современных проектах помещений для содержания ITC принципиального значения не имеет. Выбор типа управляющей ЭВМ для УОИиУ рационально решать только с учётом элементной базы АСУ Тй.

Теяншко-аздношчесвие показатели предлагаемой системы ояродевош в соответствии с "Методикой (основными положениями) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений".

ß заключения сформированы основные вывода по диссертационной работе.

§ прилоаении представлены результаты измерений, алгоритм и программа- расчетов на ЭВМ и документы подтверждающие практическое внедрзняе результатов диссертационной работы.

0Щ1В швода

I. На основании анализа научно-технической литературы и патента материалов установлено,'что световая среда животноводческих пснесения является важнейшим элементом технологии содержания давоянах. Определены рзцион&вькио режимы освещения и облучения животных на фермах и комплексах КРС, благотворно шгишцие на состояние здоровья животных и обеспечивающие пошпение продуктивности при уменьшении снергозатрат, однако отсутствуют данные о слиянии нарушений динамики воздействия ОИ и данные о влиянии архитектурно-планировочного решения животноводческих покен^ний на характер изменения светового потока светильников; недостаточно иослздованс влияние интенсивности излучения при чередующемся и одновременном воздействии излучений ЙК, и видимого диапазонов.

?.. Установлена необходимость применения АСУ ОИ на фермах и комплексах КРС и определена еэ роль в составе технологического оборудования.- •

Отечественная светотехническая промышленность выпускает целый ряд приборов и узлов, которые могут служить основой для создания такой системы на фермах и комплексах КРС, однако рациональные структурные схема и рекомендации го выбору элементной базы в литературе до настоящего времени отсутствуют.

3. Разработаны методики проведения исследований по определению влияния динамики воздействия и спектрального составе. Ой, а также архитектурно-планировочного,решения животновод-

чзсх:их помещений, Выбрана объекты исследований к определены условия проведения экспериментов; за основу принята апробированные режима освещения и облучения животных и ыетоды измерения светотехнических параметров.

4. Получены результаты исследований влияния динамики воздействия-и спектрального.состава ОИ на продуктивность КРС, а также влияния архитекяурно-планировочного решения животноводческих помещений 'на спад светового потока светильников.

6. На основании результатов экспериментальных исследований и учёта специфики технологических процессов на фермах и комплексах КРС предложена сгрукоурная схема системы управления ОИ, позволяющей: '

обеспечить заданные рациональные режимы освещения и облучения животных на базе существующих ИОИ;

исключить влияние субъективных факторов, вызывающих нарушения технологического цикла; '•',-.

сократить расход электроэнергии на технологические цели;

обеспечить проведение исследований по определению влияния ОИ на организм животных в условиях действующих ферм и комплексов КРС,

• б. Проведен теоретический анализ процессов функциэниро-

i

вания АСУ ОИ в составе АСУ И животноводческой фермы или комплекса и определён рациональный состав функциональных характеристик. Определена структура взаимосвязей между элементами системы .для варианта самостоятельного использования АСУ ОИ.

7. Разработаны методы расчёта СТК, позволягяцие установить рациональное расположение светотехнических приборов, ви-

■ брать вариант схеьи питания и силосое оборудование в зависимости ог (^ункционалоиого назначения СТУ.

8. Проанализирован и предложен рациональный состав комплекта ОТ для ферм и комплексов КРС, обеспечиваний выполнение требований технологии содержания животных.

9. Предложена схет унифицированного СМ и обоснованы параметры элементов, обеспечивающие увеличение срока службы КОИ.

10. Разработшш и обоснованы'рекомеццации по выбору эле-' ментной базы АСУ ОН, обеспечивапцие агрегатированную структу- ■ ру системы, вэаимозаменяемость узлов и блоков, что позволяет интегрировать прэдловенцую схену систеш без изменения струк- ' тури з состав АСУ ТП фермы или комплекса КРС.

11. Проведены производственные испытания вариантов испол-. нения АСУ ОИ, внлачаБиих СТУ и.пульт автоматического управления, в хозяйствах Харьковской, Полтавской и Донецкой областей. Результаты испытаний подтвердили правильность выбранного направления исследований. Установлено существенное увеличение срока службы ГОЙ-, высокие показатели над&шостиоборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Боцман В.В, Современные схемы управления работой светотехнических установок // Совершенствование электрооборудования сельскохозяйственных предприятий: Сб. науч. тр. / УСХА. К.: Изд.—во УСХА, 2990. С.23-27.

2. Боцман В.В., Гаврилов П.В., Лисиченко Н.Л. Осветительные установки в животноводческих помещениях //Светотехника. 1990. б. С.21-22.

3. Боцмен В.В., Гаврилов П.В. Система управления оптическим излучением на фермах и комплексах крупного рогатого скота //Проблемы сельскохозяйственной светотехники: Меквуэ. сб. науч. тр.'/ЛГАУ. Л. 1991. С.ЕО-83..

4. Боцман ß.B., Гаврилов П.Е., Лискченко И.Л. Способы освещения помещений для содержания молочных коров //Проблема сельскохозяйственной светотехники: Меявуз. сб. науч. тр. ДШ. Л. I99I. С.84-87. '

5. Гаврилов П.В.-, Боцман B.C. Распределённая система управления актиномргрическими параыетраш микроклимата животноводческих помещений // Проектирование автоматизированных систем контроля и управления сложными объектами: Ыездународ-ная школа (тезисы докладов) /Харьков-З^алсе, 1992г.

6. A.c. 1535546 СССР, ММ3 А 61 N 5/06. Устройство для облучения еиботных /П.В.Гаврилов, В.В.Боцман, В.Е.Соловов, В.Н.Глущенко // Открытия. Изобретения, 1990 № 2.

7. A.c. I530I54 СССР, ЖИ3 А 01 К 31/20, 39/00. Облучатель для шлодняка животных /П.В.ГаврилоЕ, В.В.Боцман,

В.С.Черномаз, И.Е.Максаков, В.И.ёесюн // Открытия. Изобретения. 1989 № 47.

8. A.c. 1709970 СССР,' Ш13 Л 01 М 1/22. Устройство для уничтожения насекомых /П.В.Гаврилов, В.В.Домайн, Т.В. Домайн, В.В.Боцман // Открытия. Изобретения. 1992 Р 5.

Рис. I. Изменение уровня освещённости верхнего крэя корцушки: + - в местах расположения дверей и вентиляционных пахт; Д — остальная площадь помещения коровника; О - изменение освещённости только из-за старения; О - коровник № 1 (контролр).

I-----(

I СБУ -н*. ¡__.__._J I I

«. МССВУ

ноту

I сэ Ь

I_____г

ПКР

ИКЙ

-' 1 ■

стк

У У СТУ

пкпм

мкр

ГЗ—

мипм «»•

■тг*,,,

мкпм

1УСИиС|

УС И и С

Рис. 2. Обойдённая структурная схема автоматизированной системы управления оптическим излучением. СБУ - система верхнего уровня; МССЕУ - модуль связи с СБУ; УОИиУ - устройство обработки информации и управления; СЭ - система электроснабжения; СТК - светотехнический комплекс; СТУ - свето техническая установка; УУ ОТ - устройство управления СТУ; ПКР -- подсистема контроля работоспособности; ШР - модуль контроля работоспособности; ШШ - подсистема контроля параметров микроклимата; ¡ЖЕШ.- модуль контроля параметров микроклимата; УСКиУ - устройство сбора информации и связи.

ЗРЯЛ/ Ф 50 Гц 220/180В

Рис; 3. Структурная схема устройства управления С1У. Модули: !.ШУ - вводного устройстпа; СМ - силовоЦ, Ш - контроля; Ш - управления; Блоки: ШПС - подключения к питающей сети; БЗП - защиты от перегрузки; ЕУРЭ - учёта расхода электроэнергии; Б5У исполнительных устройств; БСР - стабилизации и регулирования; ДУ - дистанционного управления; БУИУ - управления исполнительны™ устройстваля!; ЕУРВ - управления рекиком включения; БОИ - обработки информации;: БСУУС - связи с устройством управления систеш. Блоки контроля: БКИЭ - источника электроснабжения; ВВС - исполнительных устройств; ЕКСТУ -СТУ; ИМ - исполнительные, мёханкзш;- КОИ источники оптического излучения; П - программатор; ПКГ - пульт ручного управ- ■ леиия; РОД - распределённая система датчиков. .

sPBN^sofu гго/sQOB

t

' QFK / l>

QF21

T"> KMIlii

Д1 i

KHZ'i

f=f=f

7 ¿B 1

1

L

—Í

Ф&2-

b, !>

N

5«

KM3H

Рлс. 4. Сункциональная схема унифицированного силового модуля.

ш

шшш; институт шлнизации и здьшшшдйи сша&юго ложе гва

На правах рукописи

ЬОмМИ ¿алерий Васильевич

РАЗРАБОТКА, ИССЭДДОи^ И ВИЩЪШо АШиШЬойОДВА! Ш СИСТШ

ШУЧтЛлм м шш и

ИШШЖАХ КРУПНОГО РОГАТОГО ©ЮТА

Специальность: ( .С^ - Электрификация сельскохозяйственного производства

Диссертация ни соискание учёной с тепени к*

тохниъсчтких н,. * о

р/г : /ЬР,

С; Подпись . ТОП/. У_С**

V Г

^ V : •> д о I. с а с р я с т с я

р я с т с я . Зав. канцелярией / /7

яь - Сг^с \

кандидат т^шТических наук, доцент

?

/1 Л; [$<Щ §(/ • /чИ(А Гавруюв а.Ь.

Ларьков - 1993

^ СОДЕРЖАНИЕ

введение ........................................ 5

1. Обзор и анализ существующих систем управления • оптическим излучением ................................ 8

1.1. применение оптического излучения на фермах и комплексах крупного рогатого скота ................. В

1.£. Лоточники оптического излучения и светотехнические приборы, используемые в сельскохозяйственном производстве .......................................... 18

Л.о. Устройства управления оптическим излучением . 21

1.4. Шзможности современных систем автоматического управления....................................20

Х.Ь. Быводы по главе и задачи диссертационной работу..........................................'¿А

2. Экспериментальные исследования по определению структуры и параметров системы управления оптическим излучением .. .. .......... ......... ... ..........¿7

2.1. программа, методика и условия проведения экспериментов .. .............. . ... ................. 37

2.2. влияние нарушений динамики воздействия оптического излучения на молочцую продуктивность коров .... 42

влияние архитектурно-планировочного решения коровника на динамику изменения светового потока осветительной установки и особенности работы в режиме • • ручного управления....................................46

» 3 2.4. Ьяияние интенсивности излучения при чередую-

щемся и одновременном воздействии изучений ИК, УФ и

видимого диапазонов ......................... ► 52

2.0. Анализ результатов исследований и обоснова-

ние структуры и параметров системы управления опти- 1 »

ческим излучением ....................... 64

3. Разработка структурной схемы системы управле-

ния оптическим излучением для ферм и комплексов

крупного рогатого скота........................... 71

3.1. Выбор принципа построения и задач, решаемых

системой управления оптическим излучением в составе

АСУ Т11 фермы или комплекса.......................... 71

о.2. Структурная схема автоматизированной системы

управления оптииеским излучением .................... 78

Устройство обработки информации и управления . > 82

о.4. Архитектура устройства управления свето-

технической установкой ......................... 92

о.5. Структурная схема блока контроля светотех-

нической установки ............................... ( 98

4. :.*етодика проектирования, компоновки и расчёте

светотехнического комплекса ............... 1С4

4.1. Быбор компдекта светотехнических установок

для ферм и комплексов крупного рогатого скота .......... 114

4.2. Расчёт энергоокономичных осветительных

установок ............................. 109

4.3. Ьыбор схемы питания светотехнических установок 118

4.4. аыбор силового оборудования светотехничес-

кого комплекса ........................... / 127

0. практическая реализация результатов работы..... 100

5.1, Схемы основных блоков устройства управления

светотехнической установкой ............................ ц

0.2, Рекомендации по выбору элементной базы

системы ................................................

0.0. Технико-экономическая эффективность применения автоматизированной системы управления оптическим

ч

излучением на фермах и комплексах крупного рогатого

скота...................................................247

Общие выводы и предложения ............................................107

Литература .................................................................ХбС

ПрИЛОЯеНИЯ....................;..................я 17(>

Щ^НИЁ

Скотоводство обеспечивает население такими исключительно ценными продуктами питания, как молоко и мясо, а для лёгкой промлаленности является одним из главных поставщиков сырья. и*)локо - это источник незаменимых аминокислот, микроэлементов и витаминов, а говядина, по сравнению с мясом других животных, содержит больше белков. Ьо многих странах задачи увеличения производстве и улучшения качества мяса решают именно за счёт увеличения производства говядины, но в условиях общего спада нашей экономики из-за слабой кормовой базы хозяйств и нехватки материальных и энергоресурсов, ьаж-нейшая отрасль животноводства попала в предкризисное состояние. ¡¿овсеместно сокращается поголовье крупного рогатого скота (КРС). Ьизкий уровень технологической дисциплины усугубляет положение и ведёт к снижению продуктивности и нерациональному расходованию имеющихся ресурсов /1 - 0 /.

Выход из создавшейся ситуации возможен только при интенсификации сельскохозяйственного производства на основе внедрения научных разработок, учитывающих биологические особенности животных, прогрессивных технологических процессов

А :

производства продукции и воспроизводства стада. Ьоиск более прогрессивных, биологически обоснованных систем содержания и кормления животных ведётся непрерывно, и одним из эффективных путей решения этой задачи является создание оптимальной световой среды в животноводческих помещениях.

а полной мере возможности прогрессивных режимов кормления и содержания животных раскрываются при использовании автоматизированных систем управления технологическими процес-

сами (АСУ Hl). Изменяется при этом и характер труда, улучшаются его условия и культура, что приобретает первостепенное

значение в современных условиях, при резком сокращении числа

■

занятых в сельскохозяйственном производстве и увеличении среднего возраста работающих.

Основные теоретические направления развития АСУ ГГ1 были определены в работах Глушкова B.W., а применительно к условиям сельскохозяйственного производства - в работах Краус-па В.Р., Кармановского Л.11., Славина P.M. и других. В первую очередь необходимо было автоматизировать наиболее трудоёмкие технологические процессы, такие как доение, приготовление и раздача кормов, удаление навоза и др. Первые образцы систем были выполнены в основном на базе существующего технологического оборудования, но одновременно разрабатывались и новые технологии содержания животных, ориентированнее на применение АСУ TU / 4 - ö /. Не уделялось должного внимания только процессам освещения и облучения животных, о чём свидетельствует анализ научно-технической литературы, патентных материалов и каталогов ведущих зарубежных фирм A L jot -Loyal, U/estfo/Lta Separator, Zero Л]FG. Co. USA

Qascoignz &ush oihol Deht и др. Ото изъясняется тем, что оптическое излучение (ОИ) не нашло ещё широкого применения в сельскохозяйственном производстве. Ассортимент светотехнического оборудования сельскохозяйственного назначения крайне мал. Ьыпускаемые промышленностью комбинированные облучательные установки, такие как "ИКУ&", "Луч", "Кулон" и др., а также единственная осветительно-облучательная установка iiСО-3, содержат устройства управления не приспособлен-

ные для работы в составе AU Тй / 7,¿ /.

Б связи с изложенным, цель работы заключалась в разработка структурной схемы и определении рациональных параметров системы управления оптическим излучением для использования в составе АСУ TU на фермах и комплексах КРС.

Работа наполнена на кщэдре "применения электроэнергии в сельском хозяйстве" Харьковского института механизации и электрификации сельского хозяйства.

iiu защиту выносятся следующие основные положения:

1) методика проведения и результаты экспериментальных исследований но онредепению структуры и параметров автоматизированной системы управления оптическим излучением (АСУ ОИ);

2) структурная схема АСУ ОИ для ферм и комплексов KFC; о) методика расчёта светотехнического комплекса (СГЮ:

светотехническая установка - устройство управления светотехнической установкой (СТУ - У У СП);

4) практические предложения по реализации АСУ ОИ на фермах и комплексах tíPC.

-

i. оьзор и анализ су^твуа>1а систьь удраьшш одтич^ким иашшкм

1.1. Применение оптического излучения на фермах и комплексах крупного рогатого скота

Основу технологии любой отрасли животноводства составляют процессы кормления и содержания животных. Именно они определяют продуктивность животных и рентабельность производства. определяющую роль играют эти процессы и в воспроизводстве стада, поскольку фактически наследуется не признак как таковой, а норма реакции, обусловленная генами / 3 /.

Начатый в середине 60-х годов перевод животноводства на проваленную основу и создание крупных специализированных ферм и комплексов позволили повысить производительность труда, механизировать большинство трудоёмких процессов, таких как кормление, доение и уборка животноводческих помещений. Однако при этом резко изменились условия содержания. Животных практически изолировали от естественной внешней среды, а создаваемая искусственная среда не всегда соответствует физиологическим потребностям организма. Они испытывают большие функциональные нагрузки, изменяется характер адаптивных реакций на внешние раздражители, комплекс которых, при отдельных технологических приемах, становится необычным и даже стрессовым. В первую очередь и наиболее остро реагируют на это высокопродуктивные животные и молодняк / 5, 10 /.

Световая среда животноводческих помещений - важнейший показатель процесса содержания. 0И является мощным фактором, оказывающим непосредственное влияние на продуктивность и

состояние здоровья животных, способствующим армированию высокой устойчивости организма к болезням и максимальному проявлению генетически обусловленной продуктивности. Использование ОИ даёт возможность без больших материальных затрат побить дополнительную продукцию и значительно повысить сохранность молодняка / 9 - II /.

применение Ой на фермах и комплексах дРС в настоящее время регламентируется тремя основными нормативными документами / 12 - 14 /. Отраслевые нормы предусматривают уровень освещённости в помещениях для содержания коров и ремонтного молодняка - 75 лк в случае использования разрядных ламп низкого давления (РЛЬД) и 30 лк - при использовании ламп накаливания Ш), с увеличением уровня освещённости до 1& лк на время дойки. Рекомендации по применению излучений инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (Уа) диапазонов определили режим воздействия и суточную дозу облучения в зависимости от типа используешх облучателей, возраста и пола животных.

Ь естественных условиях наибольшее влияние оказывает излучение видимого диапазона (свет). Воздействуя через органы зрения на центральную нервную систему (ЦЦС), излучение вызывает целый комплекс реакций по типу условных и безусловных рефлексов, определяющих состояние организма. Ь ответной реакции в той или иной степени принимают участие практически все системы организма. Имеются сведения о том, что фоточувствительные элементы поверхности тела (кожи), нервные клетки и головной мозг могут участвовать в восприятии света, но основная роль остаётся за органами зрения / 15 - £1 /.

Воздействие ИК-излучения на организм сопровождается

процессами поглощения и рассеяния. Температура тех слоёв кожи, в которых излучение поглощается, повышается и это приводит к раздражению содержащихся в коже рецепторов. Сигналы рецепторов передаются в цНС и возбуждают механизм терморегуляции. Увеличивается приток крови и снабжение тканей кислородом, что ведёт к активизации процесса обмена веществ.

Первичное действие У*-излучения начинается в коже и сопровождается общим усилением обмена веществ и повышением Шфгннобиологического состояния организма, что в свою очередь, ведёт и ускорению процессов рассасывания паталогических продуктов и регенерации тканей. Воздействие излучения областей УФ~А и У*-Ь приводит к фотолизу, т.е. образованию "осколков" крупных молекул, обладающих высокой биологической активностью, а излучение области Уу-С вызывает денатурацию белков и

нарушение структуры нуклеиновых кислот, а также окисление липидов, что влияет на процессы жизнедеятельности клеток и кроме того, продукты окисления липидов токсичны. Гистологическими исследованиями установлено, что после УФ-облучения возникает воспалительная реакция как в дерме, так и в эпидермисе / 19 - 32 /.

¿механизм воздействия ОИ на организм животных сложен, неоднозначен и не выяснен до конца. Наименее исследовано влияние спектрального состава и практически отсутствует информация о динамике процессов, происходящих в организме, при воздействии ОИ. В подавляющем большинстве экспериментов эффект воздействия определялся с периодичностью в несколько недель и анализ состояния животных на протяжении этих длительных периодов времени не производился.

Не нашли должного отражения эти вопросы и в нормативных документах. Широкое использование Ум-излучения началось практически одновременно с переводом отрасли на промышленную основу / 33 /. Действующие рекомендации / 1о / не учитывают явления фотореактивации (уровень освещённости во время сеанса не регламентирован) и физиологического состояния животных. Не определены также рациональные уровни облучённости и время проведения сеансов, хотя задачи эти были поставлены ещё в 19Ьи году и были начаты первые исследования / 34 /.

ъоиросы воздействия изучения ПК-диапазона на организм

животных в настоящее время исследованы наиболее широко. Уста-

\

новлено, что при использовании ИК-кзлучения для локального обогрева увеличиваются прирост живой массы молодняка на 8 -- 10 %, а сохранность на 10 - 15 % / И, ЪЬ - 39 /. Не учитывается только влияние изменения спектрального состава источников при регулировке потока изменением действующего значения напряжения питания. Регулировка потока изменением высоты подвеса, с точки зрения / II / эквивалентна регулировке изменением величины действующего значения напряжения. Рекомендуемые / 14, 40 / режимы закаливания (время обогрева и паузы кратно 1Ь мин), с нашей точки зрения, связаны с возможностями технических средств для реализации подобных режимов, несмотря на то, что именно от соотношения продолжительности воздействия и паузы зависит расход электроэнергии и эффективность биологического действия излучения.

Отсутствие обоснованных требований к режимам комбинированного воздействия (ИК + У*) не позволяет, с нашей точки зрения, решить вопросы рационального использования электро-

энергии.

Возникающие при комбинированном воздействии излучений различных участков оптического диапазона явления наименее исследованы. Конечный результат, а, соответственно, и эффективность использования электроэнергии в этом случае зависит не только от используемых участков, но и от того, одновременно или поочерёдно производилось воздействие, а при поочерёдном -- и от порядка воздействия. Опыт эксплуатации облучательных установок свидетельствует, что УФ-излучение положительно влияет на рост и развитие сельскохозяйственных животных, улучшает о^мен веществ, продуктивность и воспроизводительные функции. Телята, родившиеся от облучённых коров, более устойчивы к заболеваниям / 41 - 44 /. По в подавляющем большинстве случаев использовались ВЩ типа ЛЭ-30 или ЛЭ-40 у которых на долю видимого излучения приходится около 30 % энергии излучения лампы, что при продолжительности сеанса от 4 до 0 часов в сутки, могло оказать заметное влияние. Отсутствие чётких требований к режи^ облучения, а именно: минимальный уровень облучённости, спектральный состав УФ-излучения и уровень освещённости во время сеанса, не позволяют выбрать тип источника УФ-излучения, определить рациональную конструкцию СТУ и, как следствие - УУ СТУ. Вопросы эти в своё время рассматривались и были получены первые результаты, но окончательного решения так и не приняли / 39, 45, 46 /.

Наиболее широко, в настоящее время, представлены результаты исследований по определению влияния излучения видимого диапазона (как интегрального потока, так и его отдельных участков) на продуктивность и состояние здоровья животных / 9, 47 - 53 /. Во всех этих работах чётко прослеживается

тенденция приблизить условия содержания животных к естественным, соответствующим яетней^у периоду. Использование повышенных, по сравнению с требуемыми отраслевыми нормами, уровней освещённости от 100 - 1&U до 1000 лк и более при продолжительности светового дня - от 14 до 16 часов и при условии полноценного кормления, позволяет повысить продуктивность ¿(PC на 10 - lia %. Решаются при этом и вопросы создания комфортных условий труда для обслуживающего персонала / i>41 ob/.

С точки зрения системного анализа работы этого направления определяют технические требования к конструкции СТУ. •

Реализация рассмотренных режимов воздействия связана, в

1

первую очередь, с выбором и рациональным использованием энергоэкономичных источников оптического излучения (И0И) и решением вопросов плавного изменения уровня освещённости (по крайней мере, в моменты включения и выключения �