автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Синтез систем управления электрифицированными процессами на молочных фермах

С 4 7 ¿1

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ'СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННО!« ПРОИЗВОДСТВА ИМЕНИ В.П.ГОРНЧКША

На правах рукописи

Герасенков Алексавдр Александрович

СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫМИ ПРОЦЕССАМИ НА МОЛОЧНЫХ ФЕРМАХ

Специальности: 05.20.02 - электрификация'сельскохозяйственного производства, 05.13.07 - автоматизация технологических процессов и производств

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте инженеров сельскохозяйственного производства имени В.П.Горячкина и Всесоюзном научно-исследовательском институте электрификации.сельского хозяйства.

Научные консультанты:

академик ВАСХНИЛ, д.т.н., профессор И.Ф.БОРОДШ,

д.т.н., профессор Ю.А.Цой.

Официальные оппоненты:, академик ВАСХНИЛ, д.т.н., профессор

И.И.МЛРТЫНЕНКО,

академик ВАСХНИЛ, д.т.н., профессор Л.Г.ПРИЩЕП,

д.т.н.,-профессор Г.Р.НОСОВ.

Ведущая организация - Научно-производственной объединение

но испытанию сельскохозяйственной техники, совершенствованию и внедре-■' ний прогрессивных технологий в кивот-новодство и кормопроизводство.

Напила состоится "J3 " /«х7__19с5/ г. в 13 час. на

заседали специализированного совета Д 120.12.01 Московского орде< На Трудового Красного' Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства им.' В.П.Горячкина по адресу: 127550 Москва, Тимирязевская ул., д.58, МИИСП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института МИИСП.

Автореферат разослан "__"__19_ г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н.

i./

Н.А.Очковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Неактуальность темы. Современные тенденции развития сельскохозяйственного производства, включая мелочное; жкёотнбводство, характеризуются широким внедрением средств элёктрсншй* а-вычислительной техники для управления произзодствэмйнми процессами, автоматическим сбором и обработкой информация как о .Коде этих процессов, так и о физиологическом состоянии животных й б перспективе постепенным переходом на беэлкдные технологии с применённом МеМеМой робототехники. Однако, специфика сельскохозяйственного Производства практически не позволяет использовать готовые решения по автоматизации из различных отраслей промышленности.для объектов животноводства. •' Выбор теш исследований осуществлен на основе изучения специфических особенностей построения систем управления электрифицированными стационарными процессами в сельскохозяйственном производстве на примере молочных ферм КРС. В молочном животноводстве менее ' 20?. ферм построено по типовым проектам, около 20$.ферм ежегодно подвергаются реконструкции и до 10? ферм составляют вновь возводимые. Внедрение высокоэффективных систем управления электрифициро-• ванными процессами в большинстве.случаев связано с необходимостью разработки индивидуальных проектов, в том число и для систем авто-■ матики. .

Анализ стационарных технологических процессов на молочных фермах КРС выявил, что около 90? из них требуют применения дискретных-систем управления. Постоянно возрастающие требования к качеству систем сельскохозяйственной электроавтоматики, сложность и многообразие автоматизируемых технологических процессов обусловливают необходимость создания методологической базы синтеза дискретных систем управления, разработки и внедрения в практику проектирования единых методов построения этих систем, -макгимально учитывающих индивидуальные особенности объекта воздействия - животного или их группы, расширения возможностей средств автоматизации за счет их одновременного использования для управления, функциональной диагностики и выполнения вычислительных задач.

Согласно Государственной научно-технической программе "Высо-коэйтектиЕНые процессы производства продовольствия" в ВИЭСХе по тематике ГКНТ СССР ферма-завод "Агроноосфера-2000" проводятся работы по созданию молочной фермы КРС с высоким уровнем автоматипа-

ции всех технологических процессов и разработкой системы информационно-вычислительной обработки показателей зоотехнического и ветеринарного учетов для каждого животного, участие в которых принимает автор. В рамках этой тематики решается вопрос о разработке научных принципов автоматизации технологических процессов на примере молочных ферм.

Цель и задачи исследований. В работе рассматриваются вопросы синтеза систем управления электрифицированными процессами на молочных фермах. Результатами исследований являйтся методические рекомендации по проектированию и разработке систем дискретной автоматики.

Основными задачами исследований являются:

- выбор типа и разработка структуры дискретных систем управления стационарными процессами на молочных фермах;

- исследование и разработка методики формализации алгоритмов дискретного управления;

- разработка принципов» шгтро.енш алгоритмов .программного управления, процессами на. мадашшх феркгз:;

- анализ д выбор ывзшгаю кянишзацшг алгоритмов дискретного управления,- определение областей првкенания микропроцессорных устройств

да молочных фермах;

- разработка принципов построения алгоритмов диагностирования;

- псследоваиио. и разработка алгоритмов управления технологическими процессами на молочных фермах. .

Научна.? новизна исследований заключается в разработке новых принципов автоматизации стационарных электрифицированных сельскохозяйственных процессов, исследовании и выборе методов абстрактного и структурного этапов логического синтеза систем дискретной автоматики сельскохозяйственных объектов, в разработке методов формализованного описания алгоритмов дискретного управления, разработке принципов построения алгоритмов программного управления,- анализе и разработке методов минимизации алгоритмов программного и дискретного управления при неполностью определенных наборах комбинации входных сигналов системы, исследовании и разработке методов повышения эффективности применения микропроцессорных средств автоматики, что подтверждается к авторскими свидетельствами на способы и технические решения по автоматизации процессов на молочных фермах.

Лрщ.чгкчеокад ценность работы подтверждается результатами экс-

перименталыюй проверки разработанных принципов синтеза систем дискретного управления эдеэтршгиццроБаннши процессами па молочных фермах и возможностью их прижизнен для автоматизации стационарных .процессов в других отраслях сельскохозяйственного производства. Предложены способ определеаия локальных технологических процессов на примере молочной фермы и метод Е^сра типа систем автоматики для каждой из этих систем. Разработаны алгоритм составления структурных схем автоматики, методики абс?эзадаюго и структурного" синтеза дискретных систем управления. Определены области применения ш-ропроцессорных средств автоматики для молочных ферм, разработаны практические методы построения и минимизации блок-схемы программы алгоритмов дискретного управления, практические рекомендации при минимизации неполностью определенных логических функции.

Результаты работы обеспечивают недостающую связь на этапе логического проектирования по разработке современных систем управления стационарными электрифицированными процессами. Предложенные практические методы синтеза позволяют однозначно дать алгоритмическое описание автоматизируемого технологического процесса для выбранной аппаратурной реализации устройства, осуществить синтез системы управления по разработанным методикам и использовать в практической деятельности предложенные блок-схемы алгоритмов программного упраЕлепш и диагностики оборудования.

Реализация результатов иссладованнй. Разработанные теоретические положения по построению систем дискретного управления, е том . числе при их реализации на микропроцессорной аппаратуре, применительно к объектам сельскохозяйственного производства, использованы в Московском институте инженеров сельскохозяйственного производства при постановке и внедрении новых учебных курсов "Дискретные автоматические системы управления" и 'Применение микропроцессорных средств в приборах и системах автоматизации технологических процессов", в Кировоградском институте сельскохозяйственного машиностроения в учебных дисциплинах "Технические средства автоматики" и "Автоматизация технологических процессов", применяютол при выполнении курсовых работ и дипломных проетов, включены в виде технических задании и технических требоалний е проектные предложения ШШ "Вы-сог.оэ'Ь'ективные процессы производства продовольствия" по тематике Ш:Т СССР г'ермн-завод "Агроноосфера-2С00" во В^М электрификации сс-льского хозяйства, используются в практической работе научно-¡¡с--

следовательских и проектных институтов при разработке систем дискретной автоматики (ВШ, ВНИЖа, НПО- "Электропривод", НПО "Селекционная техника", Мосгипрониисельстрой, Росмонтажпроект), а также отражены в виде овдельных разделов в учебных пособиях для студентов высших сельскохозяйственных учебных заведений "Микропроцессорная техника н автоматике" и "Средства автоматики и телемеханики".

На защиту выносятся следующие основные положения:

- методика формализации словесных алгоритмов управления;

.- метод построения алгоритмов программного управления для дискретных систем автоматики;

- методики синтеза систем управления на дискретных элементах и микропроцессорной аппаратуре;

- алгоритмы диагностирования -режимов работы оборудования для стационарных электрифицированных процессов на молочных фермах.

Совокупность сформулированных и обоснованных научных положений, а также результаты их Енедрения представляют собой теоретическое обобщение и практическое решение крупной научной-проблемы по разработке принципов автоматизации диокретных технологических процессов на примере объектов для молоч!ш ферм, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждена и одобрена на'расширенном заседании отдел" комплексной электрификации и механизации молочного животноводства ВИЭСХа в 1531 г., на совместном заседании кафедр ШИСПа в 1991 г. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях и совещаниях: Электропривод с.х. машин и оборудования, Тирасполь, 1972 г.; Комплексная механизация ферм КРС, Тамбов, 1973 г.; Автоматизация технологических процессов в животноводстве и растениеводстве, Киев, 1965 г.; Повышение эффективности использования электроприводов в с.х. производстве, Челябинск, 1989 г.; Мехашзация и автоматизация технологических процессов в АПК, Новосибирск, 1989 г.; на заседании секции ЦП ВАНТО "¡.!икроиро-цессорные системы управления технологическими операциями в с.х.", Одесса, 1990 г.; на научно-технических конференциях ЫИИСП в 19791989 гг. и КИСХМ в 1985-89 гг.

Публикации. Основные положения и результаты, полученные в диссертации, отражены в 24 печатных работах и 4 авторских свидетельствах на изобретения.

■ Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов, списка использованной литературы, 5 приложений, изложена на 327 страницах, включая 27 таблиц, 77 ри-•сунков, библиографию из 257 наименований, в том числа 43 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе I "Основные задачи управления электрифицированными процессами на молочных фермах" проведено обоснование необходимости автоматизации технологических процессов на фермах КРС, выполнены анализ стационарных технологических процессов и анализ систем управления электрифицированными процессами, а также сформулированы цель и задачи исследований диссертационной работы.

Современный подход к автоматизации технологических процессов в промышленности и сельском хозяйстве, в том числе применительно к стационарным электрифицированным, процессам на молочных фермах, характеризуется не только разработкой конкретных систем автоматического управления машинами, линиями и технологическими процессами, но и одновременной разработкой информационно-вычислительных систем, решающих в данном случае задачи зоотехнического и ветеринарного учета, диагностирования режимов работы оборудования, вычислительного характера. Это обусловливает наряду с использованием локальных систем автоматики, построенных на элементах с "жесткой" логикой, применение аппаратно-программных средств автоматики, построенных на основе микропроцессорных средств вычислительной техники.

Характер и степень сложности задач управления технологическими процессами в сельском хозяйстве, как и в промышленности, определяются главным образом характеристикой производственных процессов, . подлежащих автоматизации. Причем,основным научным содержанием этих задач является нахождение общности путеР решения с учетом специфики технологических процессов. На фермах КРС основным требованием при этом является соблюдение условий, обеспечивающих ф"зиологически-естественный процесс производства молока применительно к каждому »и-вотному в течение всего периода ого эксплуатации.

Специализация и концентрация производства в сельском хозяйстве, комплексные механизация и электрификация технологических процессов на молочных фермах, а также крупные успехи в селекционной работе по получению высокопродуктивных коров привели в настоящее время к

внедрению интенсивных технологий производства молока как на вновь проектируемых, таге и реконструируемых фермах КРС. Как показал анализ, в ближайшие 10-15 лет в нашей стране приоритетным типом со-деркения животных останется их привязное содержание с доением в стойлах и на доильных площадках.

Проведенный анализ стационарных процессов на молочных фермах с позиций их автоматизации позволил выбрать в качестве объектов исследований следующие технологические линии: уборки и транспортировки навоза в коровниках с привязным содержанием животных; доильные установки для доения в молокопровод (вакуумные насосные установки и устройства группового учета молока); доильные установки для доения на доильных площадках; приготовления кормов на базе комплекта K0PK-I5. Исследование функциональных задач систем управления этими линиями показало, что общим для них является дискретный характер протекания технологических процессов. Однако существующие системы автоматики не отвечают требованиям со стороны интенсивных технологий по целому раду показателей. Например, виду системы управления, ее структуре, выполняемым функциональным задачам и др.

Изучение мирового опыта автоматизации производства в сельском хозяйстве, в нашей промышленности и результаты научно-исследовательских работ показывают, что применительно к стационарным технологическим процессам на молочуjx фермах с привязным содержанием животных и доения как в стойлах, так и на доильных установках, развитие систем дискретной автгматики будет идти в двух направлениях -совершенствовании локальных систем на элементах с "жесткой" логикой и внедрении аппаратно-программных средств на основе микропроцессорной техники. Общим для обеих систем управления является разработка алгоритмов управления на осногтнии требований автоматизируемого процесса. Реализация же алгоритмов управления имеет свои особенности как для элементов с "жесткой" логикой, так и для аппаратно-программных средств на микропроцессорной технике.

Господствующий в настоящее врел'л в системе сельскохогявственных научно-исследовательских и проектных институтов метод "интуитивного" проектирования дискретных систем управления в«принципе не позволяет решать вопросы, связанные с разработкой требуемых средств автоматики.

Использование современных методов синтеза дискретных систем управления технологическими процессами по сравнению с широко рас-

пространеяным при автоматизации сельскохозяйственного производства методом "интуитивного" проектирования дает существенный выигрыш как по времени проектирования, так и в качественном отношении полу-.чешшх результатов. Особенно этот вопрос актуален при построении систем управления на основе микропроцессорных у.тройств автоматики, т.к. до 90? затрат при этом составляют затраты на разработку программного обеспечения систем. Однако,на сегодняшний день не существуют в отработанном до конца виде один или несколько методов, позволяющих при синтезе дискретных устройств получить требуемый результат .

Цель и задачи исследований сформулированы исходя из необходимости разработки методов синтеза систем управления электркфициро- ' ванными процессами, реализующих дискретные алгоритмы, с позиций прикладного характера их применения в практике проектирования. Решение этих вопросов рассматривается на примерах построения систем управления для реальных технологических процессов на молочных фермах и позволяет разработать единый методический подход к созданию дискретных систем автоматики, применимый для другах отраслей сельскохозяйственного производства.

Во 2 главе "Исследование вопросов формализации алгоритмов дискретного управления стационарными, процессами на молочных фермах" выполнен анализ методов синтеза дискретных систем, разработаны алгоритм выбора типа систем дискретной автоматики и структурные схемы систем управления процессами ка молочных фермах, составлены методики формализации словесных алгоритмов и абстрактного этапа синтеза дискретных алгоритмов.

Анализ основных этапов проектирования дискретных устройств -алгоритмического, логического и технического - с точки зрения полноты их проработки с прикладных позиций показал необходимость в исследовании вопросов выбора типа систем автоматики (одно-, двухуровневая децентрализованная или центрачизоианная многоуровневая иерархическая) , по разработке структурных схем управления, составлению инженерной методики формализации словесных алгоритмов управления, выбору языков и формы записи алгоритмов, конкретизации метод-в минимизации логических функций, и разработке метода минимизации неполностью определенных логических функций, рассмотрению вопросов составления блок-схем программ управления для микропроцессорных устройств к их оптимизации, составлению инженерной методики для логи-

ческого этапа проектирования по абстрактному и структурному синтезу дискретных устройств.

Показано, что при анализе объекта управления (рисЛ) вначале выделяются локальные технологические процессы. Затем выполняется рассмотрение кавдого из локальных процессов в отдельности с- целью выделения функционально-независимых технологических линий. Далее осуществляется анализ технологических процессов по каздой из этих .линий в отдельности.'На основании выполненного анализа переходят к синтезу алгоритмов управления технологическими линиями и разработке систем автоматики локальных технологических процессов. В результате выполнения перечисленных этапов создаются автоматизированные системы управления рассматриваемыми технологическими объектами. По своему функциональному назначению эти системы обеспечивают: автоматический контроль, автоматическую защиту, автоматическое управление, программное управление, телемеханическое управление, сигнализацию и блокировки. Вопросы, связанные с контролем, защитой, сигнализацией и блокировкой в различных системах сельскохозяйственной автоматики,разработаны и имеют типовые проектные решения. Это объясняется как простотой решаемых задач, так и однотипностью выполняемых функций этими системах®. В'существующей практике проектирования требования к устройствам- контроля, защиты, сигнализации и блокировки указываются в техническом задании, а учитываются при разработка принципиальных электрических схем автоматики, т.е. на этапе технического проектирования.

Установлено, что исходные данные по структуре управления и ее иерархии с той или иной степенью детализации оговариваются в техническом злдании на проектирование, а полная структура управления определяется только в процессе самой разработки системы автоматизации. В общем виде сам объект автоматизации состоит из ряда взаимосвязанных друг с другом в той или иной степени локальных технологических процессов. Эти процессы физически могут существовать в виде отдельных установок, агрегатов, транспортно-перерабатывающих участков или линий и т.д. Взаимосвязь локальных технологических процессов определяется как задачами, тли решаемыми (доение животных, кор-мораздача на доильных установках, навозоудаление в коровниках), так и требованием самого автоматизируемого объекта (цикличность заданной работы линий, обеспечение требуемой производительности, влияние сбоев и отказов на процесс получения конечного продукта).

I Создание автоматизированной -сксазмы управления cpep^-o:-:

'Алгоритм построения системы автоматизации молочной феран

Применительно к рассматриваемым объектам осуществлен выбор типа и разработана структура дискретных систем управления (рис.2): одноуровневая децентрализованная - линии уборки и транспортировки навоза, одноуровневая централизованная'- доильные установки с доением в молокопровод, двухуровневая децентрализованная - доильные установки с доением на доильных площадках, многоуровневая иерархическая - кормоцех для приготовления кормосмесей.

Известно, что для описания словесного алгоритма используются структурно-функциональные схемы, составленные на основании анализа технологических прсцессоз на объекте с позиций его автоматизации. Предложено описание словесного алгоритма для каждого блока структ турно-функциональной схемы системы выполнять в следующей последовательности: вводят буквенные обозначения для всех входных и выходных сигналов; описывают положения входных и выходных сигналов в исходном состоянии; в соответствии с ходом технологического'процесса описывают состояния и их изменения как для входных, так и для выходных сигналов; вводят необходимые ограничения и.пояснения на условия изменения входных и. выходных сигналов как в рабочих режимах, так и в нештатных ситуациях; описывают требуемый порядок работы при возможных аварийных ситуациях; о ялечают сигналы блокировок и защиты, не учтенные в данном описании, и указывают, на каком этапе синтеза эти ограничения будут введены в систему управления.

После проверки составленного словесного алгоритма управления требованиям технологического процесса по техническому заданию составляют логические высказывания, а затем осуществляют его запись на одном из формальных языков. Для рассматриваемого класса систем, состоящих зз конечного числа блоков управления с одним выходным сигналом и имеющих не более 6 вхгдных сигналов, в качестве практических выбраны языки формализации в виде диаграмм тактов и таблиц истинности.

Результатом исследований явилась методика синтезе дискретных систем (рис.3), составной частью которой является этап абстрактного синтеза, это шаги 1-12.

В 3 главе "Построение алгоритмов программного управления для дискретных систем автоматики на молочных фермах" определены области рационального применения микропроцессорных средств для автоматизации процессов на-фермах КРС, сформулированы принципы построения алгоритмов программного управления и решены вопросы их минимизации,

Составление технологической схемы автоматизируемого процесса

| Выделение функционально законченных блоков и узлов процесса I

| Определение потока входной информации - сигналы датчиков 1

Определение потока выходной информации - сиг.талы исполнителъ-

них механизмов__

| Формирование функциональных узлов системы управления . 1

г_1____

Описание взаимодействия функциональных узлов система управления

Рис.2. Алгоритм разработки структурных схем

рассмотрено построение алгоритмов диагностирования и управления технологическим оборудованием.

Анализ функциональных возможностей микропроцессорных средств автоматики и учет требований со стороны технологических процессов на молочных фермах позволили сформулировать рациональные области применения этой аппаратуры - управление дискретными процессами, решение информационно-вычислительных задач и осуществление функциональной диагностики режимов работы оборудования. Помимо перечисленных вопросов в этот перечень могут входить и другие задачи, определяемые разработчиками микропроцессорных систем. Например, тестирование работы микропроцессора, диагностирование блоков и узлов интерфейсных устройств и др. Эти вопросы относятся.к специфике используемых микропроцессорных устройств и не входят в задачи исследований.

Процесо разработки программ управления технологически:, и процессами разделяется на отдельные этапы, представленные на рис.2. Он имеет общие этапы с вопросами абстрактного синтеза дискретных систем в части (формирования требований, определения входных и выходных данных :■. разбиения на модули. Программная реализация логических функций применима как для комбинационных сх^м, так и для схем с обратной связью, причем в обоих случаях могут выполняться и временные преобразования сигналов.

Анализ методов программной реализации алгоритмов дискрр""н1,л) управления (непосредственного вычисления,'отображения входного набора, адресных переходов, моделирования программируемых логических матриц, бинарных программ) применительно к рассматриваемым задачам исследований показал целесообразность использования для их пестрое-

Fec.S. Алгоритм синтеза дискретных систем

Продолжение рис.3.

с

Рис.Этапы разработки и отладки программы ния метода бинарных программ. Согласно результатам, полученным на этапе абстрактного синтеза, при построении блок-схемы программной реализации на микропроцессорных средствах алгоритмов дискретного управления локальными процессами решаются следующие задачи: составлений по словесному алгоритму управления и диаграмме тактов описания одновременно для всех выходных сигналов системы автоматики (рис.5); использование минимального числа команд переходов; выбор минимального числа комбинаций выходных сигналов.

Оптимизация блок-схемы прсрамыы с точки зрения использования минимального числа команд переходов проверяется по предложенной формуле

2-Л1 + (I)

где: Р - допустимое число условий сравнения в блок-схеме программы; И'| - число выходных уппавляющих сигналов; X - число входных сигналов системы управления; [ - козвдицнеят, равный I для лох'иче-ских функций с обратной связью, равный У^ для логических функций без обратной связи.

В случае, если в полученной блок-схеме программы число условий

Установка значений выходки" сигналов в исходном состоянии

| Ввод входно?. информации П зли? требуемых действий от системы упраГОЩфв====-1

Аварийна.!! режим |

да —— пет

Описание включения оборудования ] | Списание отключения оборудования | »оргдироЕание к вывод выходных сигналов |

Рис.5. Алгоритм составления блок-схемы программы

проверю! больше р , то следует проверить ее на соответствие исходным диаграммам тактов, выявить одинаковые условия и исключить их.

Минимизация числа комбинаций выходных сигналов проверяется по йоомуле

У< МЧ (2)

хде: ^ - допустимое число комбинаций выходных сигналов в блок-схеме программы; М - число единичных комбинаций выходных сигналов по таблицам истинности.

Минимизация алгоритмов программного управления для микропроцессорной аппаратуры рассматривается на этапе расстановки меток.'для блоков проверки выполнения условных переходов в имеющейся блок-схеме с точки зрения использования минимального числа этих команд.

Анализ конструкций структуры условий проверки в блок-схемах программ, выполненный на примерах построения микропроцессорных систем управления для стационарных технологических процессов на мелочных фермах, позволил установить: для фраилентов программ, содержащих лишь одно условие проверки, порядок расстановки меток значения не имеет; существенен порядок расстановки меток для конструкций, содержащих подряд 2 и более условий проверки. Предложено, имея оптимальны!*! вариант расстановки меток только для 2 условий пс,верки, использовать ег^ для блок-схем, содержащих подряд любое число условий проверки, применяя принцип наложения. Результаты сравнений оптимальных комбпнащп; вариантов условии проверки (рис.6) приведены в таблице I.

Таблица I

Команды проверки Число Число до-

Номер позчции ---------- меток манц без-

рисунка 6 УП1 • УП2 условных

переходов

а ж 1Ъ • г 0

б ш ш г 0

в 1Ъ зг 2 0

г ЗЪе ш 2 0

Д Ш знг I I

8 зт 1Ъ I I

Л 02 т I I

3 Л 1Ъ I I

Технический и эконоьугаский эффекты автоматизации технологических процессов в значительной мере зависят от принципов эксплуатации автоматизированных линий. К ним относятся рациональный контроль хода производственного процесса, эксплуатации технологического и электротехнического оборудования, приборов и исполнителх'шх устройств и т.д. Решение перечисленных вопросов во многом обеспечивается разработкой и применением средств технической диагностики технологического оборудования. При .этом создаются реальные предпосылки не только обнаружения л локализации отказов оборудования, но и прогнозирования их наступления в течение всего периода эксплуатации.

7становлено, что для технологических процессов на молочных г фермах целесообразно применять системы функционального диагностического контроля, основанное на сравнении фактических режимов и параметров работы оборудования с предусмотренными функциями и расчетными режимами его эксплуатации. Микропроцессор иа основе входной информации со стороны объекта управления, т.е. от датчиков а управляющих сигналов, поступающих.на исполнительные органы, по ладанному алгоритму выполняет диагностирование состояния технологического оборудования и определение технических параметров хода процесса. , Вырабатываемая им информация поступает обслуживающему персоналу через информационный п^-пьт. При этом могут устанавливаться несколько уровней информации, получаемой в результате диагностирования: сигнализация о возможных неисправностях, о необходимости принятия мер оператором, об аварийном положении и др.

Анализ технологических процессов на молочных фермах показал возможность использования микропроцессорных средств управления длл функциональной и технической диагностики оборудования. Данная концепция была реализована применительно к системе стабилизации вакуума ка доильных установках и ycTpoiicTBy вывода молока из-под вакуума. Использование систем микропроцессорной диагностики на этих объектах не требует применения дополнительных датчиков и устройств кснтроля параметров технологического процесса. На основании изучения технологических требований и с учетом функций управления, реализуемых на программируемом логическом контроллере, подлежит разработке только алгоритм выполнения функциональной диагностики режнмоь работы оборудования. Одновременно микропроцессорные устройства управления выполощет следующие функции: управление работой технологического оборудования; решение информационно-вычислительных задач; функциональную диагностику управляемым оборудованием.

Технологическая схема установки вьизода молока из-под вакуума с программируемым логическим контроллером в качестве средства автоматика! приведена на рис.7. Анализ рассматриваемого технологического процесса с пбзицим его автоматизации позволил установить, что молочный нассС, имея постоянную производительность и представляя со, бой по существу систему импульсной модуляции случайного потока молока, может быть использован за. счет математической обработки его временных режимов работа-останов как устройство для группового учета молока, так и для функциональной диагностики оборудования линии доения и первичной обработки молока.

Алгоритм управления работой молочного насоса согласно технологической схеме приведен на рис.8, где: И - сигнал управления элек-■ тродвигателем насоса; В , И - сигналы датчиков верхнего и нижнего' уровней молока в релИовре соответственно.

Временные диаграммы элементов устройства группового учета молока приведены на рис.9, где: Ьр - уровень молока в релизере; т. В - соответствует датчику верхнего уровня; Т. H - соответствует датчику нижнего уровня; 0.ц - производительность молочного насоса; tp - время работы насоса; t",n - время паузы в работе насоса; Гц,-врекл одного рабоче1о цикла; ДВ , ЛИ - сигналы от герконовых датчиков верхнего и нижнего уровней соответственно.;Как следует из вре. ме.чнкх диаграмм (рис.9), исп.льзуя зависимость иц( t), можно осуществить функцию группового учета молока на доильной установи.

Рио.'Г. Гьчсколсгзчвскля схема установки вывода молока из-под вакуума с микропро-аосооряам устройством управления

¡ЦК - гоогрзмкиоушиЛ логический коитооллер, БЗВ - блок задания временных 'пара-мссров.'ШГ - блок шг.лгхиза!, ЕУ - блок управления, ЛС - линия связи с ЭВМ корми, '.1 одо;грода«гахель иолочиого насоса

I - вакуумный насос, 2 - вакуумный баллон (ростер), 3 - молочный р^лизер, 4 -датчик верхнего уровня, 5 - датчик нижнего уровня, 6 ■- молочный насос, 7 - проточней фильтп молока, 8 - проточхшй пластинчатый охладитель молока, 9 - емкость для сбора л хранения молжа"

Инициализация ПЛИ -325--

I Насос "отключен М = О -ТЕ-

/ Вывод м / *

Ввод сигналов С , Н / -

Насос включен IV-1

Рис.8. Блок-схема алгоритма управления молочным насосом

Основываясь на стсдионарности и эргодичности случайной функции, описывающей процесс поступления молока из молокопровода в молочный релизер, суммарное значение объема молока, прошедшего через молочный насос, равно

VI =]Т\/4р,и

(3)

1де. - объем молока, выведенный из-под'вакуума за " I" цикл -tц; Уо - объем релизера, заключенный между датчиками уровня 6 и И ; г - число циклов работы молочного насоса.

Анализ временных диаграмм молочного насоса (рис.9) показал, что с целью повышения точности работы устройства группового учета" молока необходимо учитывать величины времени: -'включения блока управления БУ, £о - отключения БУ, t¡ - разгона системы электро-двигитоль-насос и — останова этой системы. С учетом изложенного определение объема молока,.выведенного за один цикл работы насоса, осуществляется по формуле

" Уо

<? ТГйШТ^ТТ) Ьр + Ь»

VI

(4)

ТгТЩТ^ТТ)

Как показали исследования, используя статистические показатели

о

23

о временах работы ( ¿р ), паузы ( '¿л ) и цикла ( Ьи,) молочного насоса в системе вывода молока из-под вакуума (рис.7), можно осуществить диагностику работы технологического оборудования линии доения и первичной обработки молока. Система функциональной диагностики во время всей дойки непрерывно регистрирует продолжительность паузы. и продолжительность работы молочного насоса. За заданное время вычисляет их среднеарифметические значения. В памяти микропроцессора записаны на основании результатов испытаний по первой дойке аналогичные эталонные параметры и допустимые диапазоны-их изменения для данной доильной установки на участке линия доения и обработки молока, включающем молочный релизер и молочный насос. Во время доения диагностирование режимов работы оборудования линии осуществляется путем сравнения действительных и эталонных параметров доильной установки. При из£ совпадении судят о нормальной работе доильной установки, в противном случае вырабатывают информационные сигналы о необходимости контроля оборудования лин-*д доения и обработки молока. Алгоритм системы функциональной диагностики оборудования линии доения и первичной обработки молока приведен на рис.10.

3 4 главе "Разработка систем дискретного управления электрифицированными" процессами на молочных фермах" рассмотрены вопросы структурного синтеза и минимизации алгоритмов дискретного управления, примеры построения систем автоматики на элементах с "жесткой" логикой и микропроцессорной аппаратуре, даны технико-экономические оценки эффективности применения методики синтеза и по выбору типа . элементов автоматики.

Разработан этап структурного синтеза, показанный на рис.3, шага 13-26, он проводится после завершения этапа абстрактного синтеза. При его выполнении установлена.целесообразность использовать ■ для минимизации логических функций: пви числе входных сигналов

2 метод непосредственного упрощения, а при П > 3 - метод Кв аЙ1 л-Клк-Клас ки.

Анализ алгоритмов дискретного управления "стационарными технологическими процессами в сельскохозяйственном производстве, в том числе на молочных фермах, показал, что подавляющее большинство алгоритмов дискретного-управления описывается неполностью определенней! логически.",« функциями. Это объясняется том, что ряд комбинаций входных сигналов физически не осуществи;, в действительности.

Рис.10. Алгоритмы функциональной диагностики оборудования линии доения и обработки молока

о

На основании проведенных исследований предложен способ минимизации неполностью определенных логических функций. В этом случае* минимизацию алгоритма управления проводят в следующей последовательности: в таблице истинности на всех неопределенных наборах комбинаций входных сигналов присваивают выходному сигналу значение, равное логическому нулю, т.е. получают дополнительную таблицу истинности для полностью определенной логической функции; проводят минимизацию алгоритма управления, представленного дополнительной таблицей истинности; выполняют упрощение выражений за сч">т исключения ряда переменных путем учета несуществующих их наборов согласно данным, при-** веденным в таблицах 2-4.

В таблицах 2-4 приведены возможные комбинации значений входных сигналов й- и ё , а также соответствующие замены с учетом несуществующих наборов.

В качестве примеров построения систем управления на дискретных элементах рассмотрены вопросы автоматизации следующих технологических процессов на молочных.фермах: уборки и транспортировки навоза; стабилизации величины вакуума за счет управления вакуумными насосами и за счет управления режимами работы электромагнитных пульсаторов..

В работе не ставилась задача исследования вопросов по разработке программ для микропроцессорных систем управления технологическими процессами. Однако для проверю! и отработки предложенных алгорпт-

Таблица 2

Входные комбинации Комбинации сигналов

а. ■ 8 а-г а-1 Ъё а>1

' 0 0 0 о. 0 I

0 I 0 0 I 0

и I I I 0 • 0 0

Замена а 0 7

Таблица 3

Входные комбинации Комбинации сигналов

а • ■8 а-ё а-Т ъе

0 ' 0 0' 0 0' I

0 I 0 I 0

- 0 0 ' I 0 . 0

Замена' . 0 • а, в а. 7

Таблица 4

Входные комбинации Комбинации сигналов

а ё а-§ а-Т а-ё а>¥

0 I 0 0 I . 0

I 0. 0 I 0- о .

I т т X . 0 0 0

Замена а-ё ? а 0

ь:ов дискрзтпоп. управления проводилась их апробация при помощи макетирования на микропроцессорном наборе серии К580. Били составлены программы я отработаны их алгоритмы для управления молочным насосом ¡¡?.1У-6 и 4 вакуумными нг,сосамл на имитационном стенде.

С целью расширешш функциональных задач, выполняемых микропроцессорами системы управления, рассмотрен вопрос проведения автома-

тического хронометража технологических операций на доильных установках типа "Елочка" и "Тандем".

Для микропроцессорной системы управления ходом процесса доения на доильных площадках разработаны структурно-функциональная схема контроллера доильного аппарата, блок-схема алгоритма его работы и блок-схема алгоритма работы контроллера индивидуального счетчика молока.

Оценка эффективности применения различных типов аппаратуры автоматики для построения дискретных схем управления с учетом их стоимостных и надежностных показателей выполнена применительно к микропроцессорным устройствам и бесконтактным логическим элементам за счет определения зависимости приведенных затрат от сложности алгоритмов управления, решения вычислительных задач и диагностики оборудования. Б качестве расчетных 'примеров рассмотрены вопросы реализации этих алгоритмов для вакуумных насосных станций и молочного насоса установки вывода иэлока из-под вакуума. Взаимосвязь между программной и аппаратурной реализацией алгоритмов выражалась с помощью коэффициентов, значения которых были получены по результатам выполненных в работе исследований синтеза дискретных систем нт элементах с "жесткой" логикой и при их реализации на микропроцессорах. При сравнении элементов серии "Логика-И" и контроллера на базе микропроцессора серии К580 определена область экономичесш целесообразного применения бесконтактных логических элементов -сне более 52 элементарных схем. •

Расчет экономического эффекта от применения разработанной методики синтеза дискретных систем управления выполне" согласно действующим нормативным документам. На основании апробации данной методики синтеза было установлено, что ее применение снижает трудозатраты на проектирование систем автоматики в основном на этапе логического проектирования и годовой экономический эффект в расчете на бригаду проектировщиков из 4 чел. составляет 3000-3500 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании проведенных теоретических исследований по вопросам построения дискретных систем управления электрифицированными стацио-' нарными процессами и предложенных методах синтеза этих систем с учетом физиологических требований со стороны объекта воздействия- жи-

вотного и функциональных- возможностей используемых технических средств в диссертационной работе решена актуальная научная проблема по разработке принципов автоматизации дискретных технологических процессов на примере объектов для молочных ферм КРС. В результате создана единая методическая база по разработке и построению систем дискретного управления электрифицированными процессами на молочных фермах, учитывающая сложность и многообразие автоматизируемых технологических процессов и конкретизирующая на всех этапах проектирования вопросы синтеза этих систем.

По результатам проведенных исследований в диссертационной работе сделаны следующие выводы.

1. Существующий в нашей стране уровень автоматизации электрифицированных процессов на молочных фермах не соответствует требованиям со.стороны интенсивных технологий производства молока и не может обеспечить прогресса при производстве молочной продукции. Это объясняется как отсутствием единого комплексного подхода при разработке систем электроавтоматики'дл.; зсей фермы в целом, так и ограниченностью 'функциональных задач, ими выполняемых.

2. Установлено, что для вновь проектируемых и реконструируемых ферм молочного направления, как и для большинства стационарных сельскохозяйственных объектов, основной задачей систем управления является реализация дискретных алгоритмов, обеспечивающих автоматизацию технологических и информационно-вычислительных процессов.

3. Основные стационарные электрифицированные процессы на молочных фермах - линии уборки и транспортировки навоза, доения в стойлах и на доильных площадках, первичней обработки молока, кормопри-гоговленюг - по характеру протекания технологических процессов имеют дискретный ражим работы. Применительно к этим объектам осуществлены выбор типа и разработаны структуры дискретных систем управления: одноуровневая децентрализованная - линии уборки и транспорти-ровкг ньизоза, одноуровневая централизованная - доильные установки с доением с молок^провод, двухуровневая децентрализованная - доильные установки с доением на доильных площадках, многоуровневая иерархическая - кормоцех для приготовления кормосмесей.

4. На основании проведенных исследований для логического этапа синтеза дискретных систем управления разработаны: методика формализации словесных алгоритмов ушавленпя с представлением их записи в виде диаграмм тактов к таблиц истинности, методика абстрактного и

структурного синтеза дискретных алгоритмов с проработкой вопроса . минимизации не полностью определенных логических функций при построении схем автоматики на элементах с "жесткой" логикой.

5. На основании анализа параметров технологических процессов и функциональных возможностей микропроцессорных средств автоматики обоснованы рациональные области применения этой аппаратуры - управление дискретными процессами, решение информационно-вычислительных задач и осуществление функциональной диагностики режимов работы оборудования. . >

6. Разработаны принципы построения алгоритмов программного управления, использующие формализованную Запись условий работы в виде диаграмм тактов и таблиц истинности. Предложен алгоритм построения блок-схем программ, основанный на методе бинарных программ при реализации логических функций управления. '

7. Разработан метод минимизации блок-схем программ алгоритмов дискретного управления с «.^использованием принципа наложения и. предложены критерии, позволяющие получить блок-схему программы, имеющую при ее реализации на языке ассемблера минимальное количество команд условных и безусловных переходов й наименьшее количество комбинаты'! выходных сигналов.

8. Предложены принципы построения систем функциональной диагностики режимов работы оборудования-с использованием микропроцессорных средств управления технологическими процессами. Рбоснованы я разработаны алгоритмы диагностирования режимов работы оборудования для линий доения и первичной обработки молока.

9. По результатам проведенных исследований разработаны алгоритмы, структурные и принципиальные схемы, а также блок-схемы программ и программы управления на языке ассемблера, прошедшие экспериментальную проверку для технологических линий на молочных фермах: убор-иг и транспортировки, навоза, для вакуумных насосных станций, для электромагнитных пульсаторов доильных установок, адаптивной системы доения, устройств транспортировки и группового учета молока, диагностирования режимов работы оборудования линии доения и первичной обработки молока, хронометража технологических операций на доильных установках и др.

10. С учетом стоимостных и надежностных показателей бесконтактных элементов серии "Логика-И" и микропроцессорного комплекта серии К580 определена граница экономически целесообразного применения ло-

гических элементов - до 52 схем. Выполнен расчет эффективности использования разработанной методики синтеза- дискретных систем управления стационарными электрифицировашшци процессами на этапе проектирования. Годовой экономический эффект в расчете на бригаду из 4 человек составляет 3000-3500 руб.

II. Результаты исследовании и сформулированные на их основе выводы, предложения и методические рекомендации'использованы при постановке новых учебных курсов в институтах сельскохозяйственного профиля, при создании новых автоматизированных систем и средств автоматики, а также в виде технических требований и технических заданий для проектных предложений Государственной научно-технической программы "Высокоэффективные процессы производства продовольствия" по тематике ГКНТ СССР ферма завод "Агроноосфера-2000", при разработке технической, проектной и конструкторской документации в ряде научно-исследовательских и проектных институтов сельскохозяйственного профиля. ^

_ Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Автоматизированный электропривод вакуумных насосов доильных установок.//Всесоюзное научно-техническое совещание, "Тирасполь: 1972 (соавтор Зуль Н.М.).

.2. Разработка автоматизированной системы управлени" электроприводом вакуумных станЦий./Друды ВНИШК, т.З, Подольск: 1973.

. 3. Построение рациональной вакуумной системы молочных ферм на промышленной основе.//Всесоюзное научно-техническое совещание, Тамбов: 1973 (соавторы Цой Ю.А., Мисиров А.М.).

. 4. Автоматическ^е управление вакуумными насосами доильных установок. /Д. Техника в сельском хозяйстве, !й II, 1973.

5. Автоматическая система стабилизации вакуума.//Ж.Механизация и электр'ифмкшщя социалистического сельского хозяйства, № 9, 1976 (соавтор Цой Ю.4.).

6. Исследование системы автоматического регулирования вакуума на доильных установках.//Труды ВИЭСХ, т.40, М.: 1976 (соавторы Зуль Н.Ы., Цой Ю.А.).

7. Системы автоматизированного управления вакуумными насосными сеанцпямп.//Труды В1'ЭСХ, т.43, М.: &79.

3. Дискретные автоматические системы управления.//1.!1П1СП, К.: 1980 (согатор Роредпн ];.&.).

9. Технические средства,автоматики. Методические указания.//, ВСХИЗО, М.: 1981 (соавтор Бородин И.Ф.). - 4

10. Минимизация н&тюлностыо определенных логическгх функций.// Труды МИИСП, М.: 1982.

11. Электромагнитные пульсаторы в автоматической системе стабилизации вакуума доильных.установок.//Республиканская научно-техническая конференция, Киев: 1985 (соавтор Вихрова Л.Г.).

12. Стабилизация вакуума на доильных установках.//Республиканская научно-техническая конференция, Киев: 1985 (соавторы Бородин И.Ф., Вихрова Л.Г.).

13. Методические указания по■применению элементов "Логика-И" в курсовом и дипломном проектировании.//МИИСП, М.: 1986 (соавтор За-гинайлов В.И.).

14. Средства автоматики и телемеханики. Методические указания. //ВСХИЗО, М. : 1986 (соавтор Будзко И.И.).

15. Теоретическое и скспериментальное исследование электромагнитного пульсатора./Друды МИИСП,. М.: 1987 (соавтор Вихрова Л.Г.).

16. Методические указания к лабораторным работам по курсам "Основы автоматики" и "Технические средства автоматики и телемеханики".//МИИСП, М.: 1988 (соавторы Загинайлов В.И., Соколов А.И.).

17. Применение микропроцессорных средств в приборах и системах автоматизации технологических процессов. Часть I,-//МИИСП, М.: 1989 (соавторы Андреев В.К., Бородин И.Ф., Богоявленский g.M.).

18. Вопросы формализации словесных алгоритмов дискретного.управления.//Всесоюзная научно-техническая конференция, Челябинск: 1989.

19. Реализация дискретных алгоритмов управления технолотческе-ми процессами на микропроцессорах.//Всесоюзная научно-техническая конференция, Новосибирск* 1989. ,

20. Автоматическая система'стабилизации вакуума на доильных установках. //Всесоюзная научно-техническая конференция, Новосибирск: 1989 (соавтор Вихрова Л.Г.).

21. Применение микропроцессорных средств в приборами системах автоматизации технологических процессов. Часть 2.//МИИСП, М.: 1990 (соавторы Андреев В.К., Бородин И.Ф., Богоявленокий В.М.). '

22. Методические рекомендации.по проектирований систем управления технологическими процессами на молочно-товарных фермах КРС.//. Мосгипрониисельстрой, М.: 1991 (соавторы Воронин Е.А.,-Суминов A.A.,-Манин В.К.). •''••.

23. Методические 'рекомендации по логическому синтезу дискретных устройств автоматики.//ВИЭСХ, М.: 1991 (соавтор Цой Ю.А.).

24..Микропроцессорная техника в автоматика//Минск: 1991 (соавторы Бохан Н.И., фуруццниев Р.И.).

25. А.с. Система управления электромагнитными пульсаторами доильных установок. № 1630714, 01.11.1990.

26. Положительное решение на а.с. Способ группового учета молока на доильных установках и устройство для его осуществления. Заявка 4844817/30-15 от 20.07.1990.

27. Положительное решение на а,с. Способ диагностики доильной установки с автоматической системой вывода молока из-под вакуума. Заявка № 4768222/3-15 от 13.12.1989.

28..Положительное решенйе на а.с. Устройство для хронометража технологических операций на доильных установках.-Заявка № 4844883/ .30-15 от 20.07.1990. '